автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Анализ и разработка микропроцессорных систем управления электронными преобразователями для нужд внутреннего освещения

На правах рукописи

СМИРНОВ Евгений Михайлович

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДЛЯ НУЖД ВНУТРЕННЕГО

ОСВЕЩЕНИЯ.

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

003451574

Работа выполнена на кафедре «Промышленная электроника» Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Поляков Валерий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Краснопольский Александр Евгеньевич

кандидат технических наук Клыков Михаил Евгеньевич

Ведущее предприятие:

ЗАО НПП «АТС», г. Москва

Защита состоится 21 ноября 2008 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по ,адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-603.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Автореферат разослан_ 200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12

к.т.н., доцент

БуреИ-г-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время основными источниками света в системах внутреннего освещения являются люминесцентные лампы. Потери электроэнергии при использовании люминесцентных светильников связаны либо с несвоевременным отключением освещения, либо с использованием избыточного искусственного освещения на фоне достаточной естественной освещенности. Наиболее остро проблемы экономии электроэнергии стоят в общественных учреждениях, где четкая персональная ответственность и материальная заинтересованность в экономии электроэнергии трудно реализуемы. Значительное повышение эффективности использования электроэнергии возможно при автоматизации управления освещением. Дополнительные возможности экономии связаны с заменой электромагнитных ПРА на более экономичные электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА). Помимо экономичности эти аппараты продлевают срок службы ламп (в 2 раза и более), что позволяет сократить эксплуатационные расходы, и обеспечивают более комфортную освещенность. Использование ЭПРА позволяет обеспечить плавное регулирование светового потока, исключить потухание и повторный пуск ламп в процессе регулирования освещенности.

Проблемы снижения потребления электроэнергии в системах освещения с одновременным выполнением требований к освещению решается применением базовых алгоритмов управления, таких как слежение за освещенностью, присутствием людей в помещении и комбинированный режим, объединяющий в себе слежение за освещенностью и присутствием. Поскольку подробные варианты реализаций алгоритмов управления уровнем освещения являются закрытой внутренней информацией фирм-разработчиков, то в процессе проектирования системы возникла необходимость создания собственных алгоритмов.

В процессе регулирования уровня искусственной освещенности возникает проблема, связанная со снижением срока службы люминесцентных ламп, работающих на пониженной мощности. Причиной этому является значительное снижение температуры электродов лампы относительно оптимальной в режимах глубокого регулирования мощности и, как следствие, ускорения процессов деградации. Данная проблема решается различными способами, которые сводятся к организации дополнительного подогрева электродов при регулировании мощности ламп. Однако вопросы оптимального энергосберегающего управления прогревом электродов при сохранении максимально возможного срока службы лампы практически не исследованы. Не исследованы вопросы влияния режима питания электродов на электрические характеристики лампы, что необходимо учитывать при расчете электронного балласта.

На сегодняшний день рынок систем управления внутренним освещением представлен широким спектром различных разработок от простейших аналоговых до систем управления «умным домом». При этом следует отметить полное отсутствие отечественных разработок подобного плана по причине несформированности рынка в данном направлении. Поэтому актуальна задача создания доступной системы управления освещением с возможно-----

\

дальнейшего расширения за счет включения дополнительных функций и устройств.

Средства управления с аналоговыми интерфейсами, такие как 1-10V не обеспечивают гибкость и способность адресного управления индивидуальными источниками света, что ограничивает функциональные возможности системы освещения. Поэтому с 1980-х годов начали развиваться интеллектуальные системы, устанавливающие цифровую связь между всеми компонентами системы. Подобные системы обеспечивают высокие функциональные возможности и гибкость технических модулей, позволяющих с помощью команд установить управление между устройствами управления и электрическими потребителями. Однако данные интеллектуальные системы дороги и сложны. Установка таких систем дорога и трудоемка.

Активно развивающийся стандарт цифрового управления внутренним освещением DALI (Digital Addressable Lighting Interface) обладает весьма ограниченными возможностями по сравнению с дорогостоящими системами автоматизации зданий (таких как EIB, Lon Works). Стандарт DALI позиционируется как протокол обмена локальных систем управления внутренним освещением. Обеспечение возможности централизованного управления определяется разработчиком и, как правило, за основу выбираются стандартизированные общие системы, такие как EIB, LON и т.д.

Цель работы заключается в сравнительном анализе существующих систем управления освещением и разработке простой доступной централизованной системы управления внутренним освещением на основе регулируемых ЭПРА, реализующей базовые энергосберегающие режимы и учитывающей специфику эксплуатации люминесцентных ламп при пониженной мощности.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

• анализ существующих решений в области систем управления освещением и управления электронными ПРА;

• экспериментальные исследования люминесцентных ламп при работе с различными режимами подогрева электродов;

• моделирование электрических параметров люминесцентных ламп в режимах пуска и регулирования мощности;

• реализация ЭПРА, обеспечивающих сохранение длительного срока службы ламп при работе в режиме пониженной мощности;

• разработка оптимального с точки зрения быстродействия и способности к дальнейшему расширению системы протокола обмена информацией локальной системы в рамках поставленной задачи;

• разработка алгоритмов автоматического поддержания уровня освещенности;

• практические исследования системы при работе с различными сценариями освещенности;

• экспериментальные исследования работы централизованной СУО в составе выделенной сети Ethernet.

Методы исследования.

В процессе разработки и анализа работы системы управления внутренним освещением применялись следующие методики:

• математическое моделирование проводимости люминесцентных ламп;

• исследование электронных балластов с использованием программ моделирования электронных схем;

• экспериментальные исследования работы системы управления и электронных ПРА;

• метод программной эмуляции;

• метод внутрисхемной эмуляции.

Научная новизна.

Требования к передаче простых данных на низких скоростях в системе управления освещением позволили реализовать протокол на основе интерфейса RS-485, значительно упрощающий разработку системы и снижающий себестоимость периферийных модулей.

Проведенное моделирование сопротивления и температуры электродов для пускового режима люминесцентных ламп упростило процесс составления требований к системе управления и схеме предварительного прогрева электродов.

Моделирование электрической проводимости люминесцентных ламп в режимах управления мощностью позволило получить характеристики, которые были использованы в процессе проведения исследований поведения лампы в составе ЭПРА и расчета основных параметры цепи подогрева катодов

Предложена защищенная патентом РФ простая схема организации дополнительного подогрева электродов, снижающая себестоимость ЭПРА, удовлетворяя при этом требованию сохранения длительного срока службы ламп в режимах пуска и управления мощностью.

Практическая ценность.

Разработанные практические схемы модулей и отлаженный действующий макет позволяют реализовать как отдельно взятую локальную систему управления светом, так и построить централизованный комплекс внутреннего освещения на основе Ethernet сети.

В разработке обеспечена поддержка широко распространенных ЭПРА с аналоговым управлением по стандарту 1-1ОВ, что дает возможность осуществить постепенный переход от аналоговой к современной цифровой системе управления освещением.

Созданы базовые алгоритмы регулирования светового потока, реализующие режимы слежения за внешней освещенностью и присутствием людей в помещении и позволяющие внедрять более сложные алгоритмы управления освещением, необходимые для реализации системы в соответствии с требованиями заказчика.

Проведенные исследования ЭПРА с использованием прикладного программного обеспечения по моделированию электронных схем на основе аппроксимаций проводимости люминесцентных ламп позволило рассмотреть процессы в режимах пуска и работы с пониженной мощностью потребления.

Внедрение результатов работы.

Разработка проводилась в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки rio приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» по теме «Создание технологий и элементов оборудования высокой энергетической эффективности для использования в быту и коммунальном хозяйстве". В процессе создания системы управления внутренним освещением результаты диссертационной работы были использованы ОАО "Завод "СТЕЛЛА" (г. Зеленоград) и ООО "Горизонт" (г. Екатеринбург).

Апробация работы.

Основные аспекты диссертационной работы докладывались на девятой и десятой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов по направлению «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2003-2004гг.

Публикации.

Основные результаты работы отражены в четырех печатных статьях и в двух тезисах докладов, получен патент РФ на полезную модель «Регулируемое устройство питания люминесцентных ламп» № 2005112901/22 от 22.06.05.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 99 наименований и двух приложений. Содержит 181 страницу машинописного текста, иллюстрированных 113 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки систем управления электронными преобразователями для нужд внутреннего освещения, представлены основные полученные результаты работы, сформулирована цель и задачи исследований.

В первой главе рассмотрена актуальность и целесообразность внедрения систем внутреннего освещения на основе электронных пускорегулирующих балластов.

Проведен сравнительный анализ существующих разработок в области систем управления внутренним освещением. В последнее время все большее распространение получают системы цифрового управления внутренним освещением. Преимущества цифровых систем над аналоговым интерфейсом управления предоставляют большую гибкость при формировании системы при незначительном увеличении суммарной стоимости. А при формировании достаточно сложной конфигурации возможна даже меньшая себестоимость.

В настоящее время на рынке представлен широкий спектр (рис.1) систем управления освещения СУО различного уровня сложности и в широком ценовом диапазоне [3].

В связи с ограниченными возможностями управления и диагностики в системе LUXCONTROL систем на базе цифровой шины DALI, их использование целесообразно только для регулирования освещения в помещениях с малым количеством светильников. Системы следующего уровня предназначены для регулирования освещения в группах помещений или целых этажей. В системе

LUXMATE возможно деление управляемых ламп на группы с возможностью частичного или полного отключения отдельных групп, и с возможностью настроек сценариев освещения, однако схемы и протоколы цифровой шины в системах такого типа запатентованы, и их использование не представляется возможным. Системы верхнего уровня, такие как Local operating network (LON), Clipsal C-BUS, EIB предназначены для управления различными периферийными устройствами широкого спектра применения. Универсальность систем, таких как EIB, LON и С-BUS, неизбежно ведет к существенному увеличению себестоимости [7]. Поэтому применение систем верхнего уровня с целью организации системы управления освещением является нецелесообразным.

В настоящее время в качестве эффективных источников света в системах внутреннего освещения используются люминесцентные лампы, питаемые при помощи электронных пускорегулирующих аппаратов ЭПРА. В результате задача изменения уровня искусственной освещенности сводится к задаче внешнего управления ЭПРА. Поэтому рассмотрены и классифицированы методы внешнего и внутреннего управления ЭПРА (рис. 1). Внешнее управление можно свести к двум различным направлениям: передача информации к интеллектуальному ЭПРА по управляющему каналу, либо путем изменения напряжения питания электронного балласта [5]. В последнем случае имеет место «общее» управление балластами.

В случае частотного способа регулирования с увеличением частоты изменяется сопротивление выходной цепи, приводящее к уменьшению тока лампы. Данный способ поддерживается рядом ведущих производителей интегральных специализированных микросхем.

Амплитудный и широтно-импульсный способы

реализуются при работе инвертора на частоте близкой к резонансной таким образом, чтобы уменьшение выходного напряжения не приводило к уменьшению напряжения на лампе. Широтно-импульсный способ поддерживается

специализированными микросхемами для мостового инвертора и нашел применение для питания люминесцентных Рис. 1. Способы управления ЭПРА. ламп подсветки LCD дисплеев.

Способы внутреннего управления ЭПРА

Регрнрсвкд яакма

Z

Питание ¿лгкгрс-дсв от упргЕяяам ого npeoCjasosaTww

Пасс пыша пиш накпа

ZT\

Ереоврдоытгль refill* шзгрггра тгл абрЁсьгт -У.Ь

Шкрстно-

«астсдаык кьигаъскьш

Иное название - фазовый способ регулирования. Поддерживается резонансная частота и регулируется фазовый угол сдвига управляющего напряжения между транзисторами одного плеча моста относительного другого.

Амплитудно-частотный способ может быть реализован путем слежения за интегралом выходного тока инвертора. Примером реализации данного способ может служить схема с токовым управляющим трансформатором, нашедшая

массовое применение в электронных балластах благодаря своей простоте и надежности.

Рассмотрены и систематизированы проблемы, возникающие в процессе снижения мощности люминесцентных ламп при работе с ЭПРА, а также пути решения этих проблем. Глубокое регулирование светового потока требует снижения тока люминесцентных ламп в десятки и сотни раз. Отказ люминесцентных ламп в основном связан с потерей эмиссионного покрытия на электродах. Деградация электродов напрямую связана с испарением и эрозией эмиссионного материала. Температура электродов выше 1000°С приводит с снижению срока службы ламп за счет испарения эмиссионного покрытия, температура ниже 700°С также приводит с снижению срока службы по причине распыления покрытия катодов. Поэтому современный цифровой управляемый балласт должен содержать цепи дополнительного подогрева.

По способам организации питания катодов можно выделить 2 основных направления. Первым из них является параметрический. Способ заключается в использовании существующих или специально созданных пассивных цепей, связанных с электродами ламп. Преимуществом реализации накала катодов данным методом является простота и надежность решения, в то же время необходим расчет под конкретный тип лампы.

Другой способ заключается в использовании управляемого преобразователя для дополнительного питания катодов. При этом управляемый преобразователь может быть полностью автономным или комбинированным, включающим транзисторы инвертора и специальные дополнительные транзисторы. Данный способ более сложен в реализации, но обеспечивает более точное регулирование и предоставляет возможность автоматической подстройки под различные типы ламп.

Второй по значимости причиной отказа люминесцентных ламп является разрушение нити накала в случае частых циклов включения/выключения ламп при холодном старте. Для снижения процессов деградации электродов при пуске лампы требуется введение режима предварительного подогрева. Прогрев электродов в пусковом режиме реализуется посредством тех же цепей дополнительного подогрева. Наиболее оптимальным с точки зрения срока службы ламп и минимизации потерь на электродах является способ предварительного подогрева. Данный способ состоит из следующих стадий:

• предварительный прогрев электродов лампы с напряжением ниже порога зажигания лампы;

• плавное увеличение напряжения для обеспечения наиболее комфортного режима пуска;

• отключение подогрева электродов по окончании пуска, если лампа находится в диапазоне от 2/3 до номинальной мощности, либо установление требуемого тока дополнительного подогрева,

Во второй главе приведены основные требования, предъявляемые при создании локальных систем управления внутреннего освещения. Построение локальной системы управления освещением системы предполагает использование множества связанных между собой устройств: локальной станции управления,

Источник питаний

контроллер датчика дэижения

Контроллер

датчика осаещечнсгги

Контроллер блока

Еаэсеыи контроллер

олок ру^исго управления

Ethernet контроллер

Контроллер ЗПРА1

h II ч

1 i ' i :

Контроллер

DALI

Г)

Контроллер

ЗЛРА:

ЭГТРА, датчиков освещенности, датчиков движения, электронных коммутаторов, а также при необходимости и других устройств. При этом основной задачей локальной СУО является экономия энергопотребления с одновременным требованием поддержашы заданного уровня освещенности.

GMD а в Современные системы

управления строятся на базе микроконтроллеров, которые применяются при построении как станций управления, так и интеллектуальных модулей периферийных устройств системы. Для взаимодействия контроллера станции

управления с контроллерами периферийными устройствами необходимо организовать интерфейс.

Выбранный стандарт R.S-485 в качестве физического интерфейса передачи

информации предоставляет возможность использования большого количества

различных микроконтроллеров и приемо-передатчиков.

Данный интерфейс достаточно прост в реализации, поэтому элементная база имеет значительно меньшую

стоимость по сравнению с «•íes широко распространенным

среди промышленных сетей Рис. 2. Состав системы управления освещением. CAN интерфейсом.

Преимущество над специализированными шинами, такими как DALI, является распространенность интерфейса, что снижает стоимость и упрощает схемотехнику отдельных узлов СУО. Поскольку RS-485 определяет только физическую сторону передачи информации, то возникла необходимость выбора одного из широко распространенных, либо реализации собственного протокола обмена данными. Изначальные требования к протоколу, вытекающих из особенностей реализации системы управления освещением, заключаются в обеспечении передачи простых данных в малых объемах и на низких скоростях [6]. Универсальность и направленность на обмен большим объемом информации протоколов, таких как ProfiBus, существенно увеличивает требования к скорости передачи данных, что сказывается на себестоимости отдельных узлов системы. Специально разработанный протокол оптимизирован на передачу простых команд

Контроллер Лаадлз

ЗЛРА N Jn-п

ЭПРАМ [II 1!

Контроллер 1-10V

при низких скоростях. Более низкие требования к скорости передачи данных позволяют упростить требования к быстродействию микроконтроллеров, что позволило снизить себестоимость периферийных модулей системы.

Одним из основных преимуществ использования цифровой последовательной шины для передачи данных является возможность индивидуальной адресации устройств. На базе цифровой системы управления в отличие от аналоговой организуется групповое управление светильниками без усложнения аппаратной реализации. Применение группового управления на базе цифровой системы освещения позволяет добиться более комфортных условий для пользователя и одновременно снизить энергопотребление системы освещения.

Рассмотрены сценарии и алгоритмы регулирования светового потока напрямую влияют на комфортность освещения и экономию электроэнергии. Любой алгоритм регулирования освещенности помещения анализирует информацию от датчиков освещенности и/или датчиков движения. СУО может работать в нескольких режимах регулировки светового потока - слежение за естественной освещенностью, слежение за присутствием людей в помещении, режим совместного управления, объединяющий в себе два предыдущих и режим ручного управления (рис. 3).

Более высокий приоритет имеет слежение за датчиком движения, связано это с более высокой значимостью факта наличия людей в помещении. И в случае срабатывания датчика уже осуществляется регулировка уровня искусственного освещения в зависимости от уровня естественного полностью аналогично варианту слежения только за уровнем освещенности. Наиболее высокий приоритет аналогично предыдущим режимам регулирования освещения имеет встроенный таймер системы.

Рис. 3. Работа в режиме совместного управления.

Третья глава посвящена вопросам создания централизованной системы управления внутренним освещением. При построении систем управления освещением возникает задача единого контроля сети локальных станций. Централизованное управление значительно упрощает обслуживание системы, обеспечивает возможность вмешательства оператора в случае неполадок локальных станций и позволяет вести статистическую информацию по энергопотреблению системы внутреннего освещения.

Рассмотрены вопросы выбора среды передачи информации между центральным компьютером оператора и локальными станциями интеллектуальной системы освещенности. На основе проведенного анализа в качестве связующей цепи между локальными станциями и центральным пультом оператора была выбрана сеть Ethernet, позволяющая избавиться от необходимости прокладки кабелей в случае наличия локальных сетей, все чаще использующихся для доступа к Internet. Дополнительно выбор Ethernet сети связан с наличием большого количества дешевой стандартной периферии, гарантирующей передачу данных на большие расстояния и обеспечивающей подключение большого количества узлов

[4].

Все узлы системы объединены проложенной внутри здания выделенной линией Ethernet. При этом для подключения ПК к сети необходимо наличие обычной сетевой платы, как правило, используемой для доступа в Internet. Поскольку локальные станции управления освещением работают с внутренним протоколом на основе интерфейса RS-485, то необходим преобразователь как программного протокола внутренней локальной шины RS-485 в TCP/IP, так и преобразование физических уровней RS-485 в стандарт для Ethernet сети. Реализация доступа к Ethernet сети с использованием отдельного преобразователя интерфейсов (Ethernet адаптера) позволяет с минимальными затратами расширить совокупность отдельных локальных систем до единой централизованной.

В заключительной части главы рассмотрена задача программного обеспечения управления централизованной системы внутреннего освещения. Предложенный и разработанный вариант управления локальной станцией посредством WEB интерфейса позволяет исключить из цепи обмена информацией дополнительное специализированное программное обеспечение. Что упрощает настройку централизованной системы управления и исключает привязку к операционной системе ПК. Обмен информацией с помощью WEB интерфейса в большей степени предназначен для удобства первичной отладки локальней системы, поскольку имеет ряд ограничений, а именно - невозможность одновременного управления несколькими локальными СУО и отсутствие сбора статистической информации. Поэтому дополнительно было разработано специализированное адаптируемое под конфигурацию системы программное обеспечение, являющееся основным вариантов для работы с централизованной системой управления и реализующее выше перечисленные функции.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания благоприятных условий работы люминесцентных ламп в режимах пуска и пониженной мощности. В процессе проектирования электронных балластов возникает необходимость учета особенностей нагрузки - люминесцентных ламп. Математическая модель нагрузки позволяет упростить процесс проектирования источника питания и сократить время разработки.

Исходной задачей ставилось создание электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентных ламп, обеспечивающего продолжительный срок службы ламп в режимах пониженной мощности. Можно выделить два основных

режима работы ЭПРА - этап предварительного работа в режиме регулирования мощности.

14

12

10

28 О

£6

£

о- Т<

1 • Ля ■ п »акт 1 1

ЖГ/ 1 1 ЯРЯ" 1 1 1 1 1 1

-г -р > (

1 1 1 1 1 1

| ! 1 <

0,5

1.5

2,5 3 Ркат. Вт

3,5

4,5

Рис. 4. Зависимость сопротивления катода от выделяемой мощности

Т(М)

Л';".

тм тм

Тр. 5)

1.5x1а3

I I !

К» " ^'

..........-.........../ ,''....................... .........г...................—............1.......-.......-......

; а / ............. ~ *

вг .•' | ;

г

подогрева электродов ламп и

В качестве задачи исследований и

моделирования ставилось выявления требований к управляемому ЭПРА для обеспечения комфортных условий работы

люминесцентных ламп в режимах пуска и регулирования мощности амплитудным и частотным способами управления.

Поскольку предварительный подогрев катодов

осуществляется при условии отсутствия разряда, то модель люминесцентной лампы можно упрощенно представить в виде сопротивления электродов, зависящих от температуры. Так как покрытие электродов специальным материалом наносится тончайшим слоем, то материал покрытия можно не учитывать и зависимость сопротивления катодов лампы от температуры сводится к коэффициенту сопротивления вольфрама.

(1)

Рис. 5. Зависимость температуры катода для различных значений мощности подогрева. Сопротивление катода определяется по формуле: Д = /?г=0(1 + аГ) где Т - температура катода,

/?г=0 - сопротивление катода при температуре 74), а= 0,0045 °С"'.

Зная зависимость между сопротивлением и температурой (1) можно получить связь между мощностью и температурой катода. Динамические процессы прогрева электродов можно представить в виде перехода от начального до конечного установившегося значения температуры по экспоненциальной кривой (рис. 5).

Т((,Рк) = Тй +

О-Лпм)** '"-Дг-о)

а* Ят_п

'(1-е г)

Рис. 6. Зависимость времени прогрева от подаваемой на катоды мощности.

Исходя из требований прогрева катодов до температуры 1000°С и воспользовавшись формулой (2) можно получить выражение, определяющее зависимость

требуемого времени прогрева от мощности (рис. б.):

/(/;.) = г* in

i

(Г, -7,)'а'8ы

(3)

Применяя описанную выше методику, а именно, проведя необходимые измерения, и используя модель катода для этапа предварительного прогрева и воспользовавшись характеристикой tfPk), можно получить требования к цепи прогрева катодов JIJI, при проектировании ЭПРА для ламп любого типа.

Традиционно при рассмотрении и расчете электронных балластов люминесцентные лампы представляются в виде постоянных, либо полученных простым пересчетом исходя из уровня регулирования мощности ламп сопротивлений. Однако при снижении мощности разрядная лампа значительно меняет свою проводимость, поэтому при исследовании данных режимов работы необходимо учитывать нелинейность. Лампа рассматривается как нелинейный элемент электрической цепи с сосредоточенными параметрами. В качестве основы выбрана одномерная модель, где все электрические и тепловые параметры зависят только от одной величины - времени.

Математическая модель проводимости лампы представляет блок вычисления напряжения на лампе по измеряемым текущим значениям тока и рассчитываемой проводимости [1].

При работе лампы в квазиустановившемся режиме на повышенной частоте / »1/тд учет инерционности потерь позволяет сделать следующие допущения неизменности потерь на периоде модуляции gn -» gAV = const и рп pAV = const. Учитывая это обстоятельство, динамическая характеристика установившегося режима лампы на повышенной частоте может быть измерена и приближенно представлена как g = gAVF2(p,pAV). (4)

где xD - постоянная времени, определяющая инерционность общих потерь мощности в лампе; F2 - зависимость проводимости от мгновенной мощности; gav - среднее значение проводимости; рт. - среднее значение мощности потерь. Воспользовавшись полученными в результате практических измерений результатами можно составить ряд аппроксимаций с целью дальнейшего

моделирования электрических параметров лампы в режиме регулирования мощности. Для зависимости напряжения на лампе от подводимой с внешнего источника мощности подогрева катодов удобно ввести аппроксимацию функцией аг^(х) [2]:

= jarcian -

К-Р.

(5)

. Ро

где и.,о - среднее значение между напряжением на лампе без дополнительного подогрева и напряжением при максимальном подогреве;

U,

л0>

Р0 - значение мощности подогрева, при котором напряжение на лампе равно

UipK - определяется выражением = ~ Um .

arctan(l)

Влияние источников питания можно представить в виде функциональной зависимости приведенной проводимости от мощности, подводимой к катоду от дополнительного источника. Для получения зависимости gn=Fl(pn,PK) удобно воспользоваться статическими характеристиками, связывающими полную мощность (5Л) напряжение (С/л) на лампе.

Напряжение практически линейно зависит от мощности вплоть до некоторого минимального значения мощности, где наблюдается резкое изменение напряжения. Поэтому для этой области линейного изменения напряжения можно использовать следующую аппроксимирующую зависимость (рис. 7):

ил=и0-аБл,

(6)

Коэффициент а вычисляется по формуле:

а = и0-ит„

пом

гДе ^ном ■

номинальная мощность, итм - напряжение на лампе, соответствующее номинальной мощности.

Рис. 7. Аппроксимация зависимости напряжения люминесцентной лампы.

Учитывая принятые ранее допущения об инерционности потерь мощности, можно получить следующую расчетную формулу для приведенной проводимости в установившемся режиме:

кмРи

= kG = к

(8)

где

коэффициент мощности лампы; к="Ау^

= 5Л/=Л/ ■

/Рп /Рп

коэффициент, учитывающий отличие значений усредненной и эквивалентной проводимости. Расчет коэффициентов к и кш реализуется путем решения системы уравнений для двух различных режимов работы лампы.

Учет влияния цепи дополнительного нагрева катода можно произвести, если ввести функциональную зависимость напряжения £/0 от мощности РК, подводимой к катоду от внешнего источника:

( Р» - Р,

-аР,

(9)

где К1 - коэффициент, учитывающий разницу между напряжением на лампе без подогрева и0 и ранее полученным средним значением ил0.

Подставив полученное выражение для напряжения на лампе (9) в (8) получим зависимость проводимости от мощности потерь и дополнительного внешнего подогрева катодов:

U,, - К. + V|„,. arctanl

К "Л

V Ра

Составленные математические модели позволили получить зависимости лишь для источников прогрева выбранного типа с заданной вольтамперной характеристикой. При работе с источником прогрева с произвольной выходной ВАХ применение данных выражений становится возможным в случае использования одного из широко распространенных пакетов моделирования электронных схем.

Требования к этапу прогрева электродов заключаются в достижении температуры 1000°С в течение времени, как правило, лежащем в интервале З00...500мс. Поэтому в процессе исследования схемы рассматривались значения для источника тока и напряжения, позволяющие достигнуть необходимой температуры для двух предельных интервалов времени.

Как видно из сравнения диаграмм, полученных в результате моделирования в пакете программ Electronics Workbench (Multisim 9) представленных на рис. 8., в случае прогрева источником напряжения температура катода нарастает более резко. Связано это с низким сопротивлением катодов при комнатной температуре. Это приводит резкому выбросу тока на начальном этапе прогрева.

Рис. 8. Временные диаграммы температуры катода при прогреве источником напряжения и источником тока.

В процессе исследований в пакете программ МиШэш проводилось рассмотрение влияния амплитудного и частотного регулирования мощности лампы на требования к схеме подогрева электродов. При этом в качестве внешнего источника нагрева был выбран источник тока.

г-----------------------------------__ ................................................... Для определения рабочего

диапазона источника подогрева в процессе моделирования схемы были определены значения токов необходимых для достижения граничных температур 700 и 1000 С, что показано на рис. 9. В диапазоне регулирования

мощности 70-100% внешний подогрев можно не использовать. Далее необходимо повышать внешний ток подогрева до значения 1/3 от максимального.

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1

0,05 <

¡£ 0

ГТКН1 зоотт........ 1

1 г "Т"""!*«»«.

1 !

1 Ф,. 1 ) |р

У Тк=7 00 с^

1 ; V

I | К,- ¿1} ' ^ _

! 1

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Рл, Вт

Рис. 9. Требования к источнику внешнего подогрева при амплитудном регулировании Связано это с незначительным влиянием внешнего источника при малых значениях тока подогрева катодов. После чего ток внешнего накала необходимо плавно увеличивать.

На рис. 10. представлено влияние частоты инвертора на температуру нагрева катодов люминесцентной лампы. В диапазоне регулирования, соответствующей мощности 40-100%, с повышением частоты температура электродов плавно увеличивается. При этом нагрев несколько превышает допустимые границы. При мощностях, лежащих в диапазоне менее 40%, по мере повышения частоты идет резкий спад температуры катодов лампы. Вплоть до 3% от номинальной мощности нагрев электродов остается в диапазоне рекомендованных значений.

При снижении мощности люминесцентных наблюдается перегрев катодов в диапазоне регулирования от 70 до 5%, что приводит к дополнительным потерям мощности и снижению срока службы ламп. Для поддержания продолжительной работы люминесцентных ламп требуется введение

дополнительных катодных компенсирующих цепей.

55 60

Граб, кГц

Рис. 10. Влияние частотного регулирования мощности на температуру электродов.

Применение внешнего источника подогрева люминесцентных ламп для обеспечения необходимого нагрева электродов значительно усложняет

организацию ЭПРА. Поэтому в качестве упрощения схемы подогрева было предложено использование дополнительного трансформатора (рис. 11.), автоматически осуществляющего нагрев электродов при работе в режиме пониженной мощности при амплитудном способе регулирования.

Рис. 11. Схема трансформатора подогрева в составе ЭПРА.

По первичной обмотке трансформатора Т1 протекает ток повышенной частоты, зависящий от переменного напряжения, амплитуда которого равна разности напряжений на выходе инвертора и источника постоянного тока.

При уменьшении напряжения источника постоянного напряжения уменьшается ток ламп и увеличивается напряжение на выходе инвертора, так как вольтамперньте характеристики люминесцентных ламп имеют отрицательный импеданс. Это ведет к увеличению напряжения на первичной обмотке трансформатора и соответственно пропорциональному росту тока накала электродов ламп [8].

1200

1100 1000

о900

Ззоо

I-

700 -■■

600

......ЕЦЗ^ Ктр=25! ........ 1 ! 1

1^=20

\ ! л. г-— ........ -------- "Ш"'

1 г......К ^ ] ]

10 15

20 25 Рл, Вт

30 35

40

В результате, уменьшение термоэмиссии с электродов, вызванное уменьшением тока ламп, компенсируется ростом тока накала электродов. Это препятствует возникновению иных механизмов эмиссии, вызывающих быстрое

разрушение электродов.

Данное решение позволяет сохранить длительный срок службы ламп.

Рис. 12. Зависимость температуры катодов лампы йЕ РЗбШ/ЗЗ при работе с трансформатором подогрева.

Использование данного технического решения наиболее целесообразно при общем или групповом управлении светильниками, поскольку при несложной модернизации могут быть использованы неуправляемые электронные балласты, которые уже нашли широкое применение. В качестве регулятора постоянного или

переменного сетевого напряжения может быть применен электронный или электромеханический (например, автотрансформатор) преобразователь.

Проведенное моделирование ЭПРА позволило оценить влияние данной цепи нагрева на режимы работы лампы (рис.12.) и тем самым выбрать оптимальные параметры трансформатора.

2 1,8 1,6 1,4

й1,2 1

ю0,8 о 0-0,6

0,4

0,2

0

1 1

ктр-горЧ

ЙГ \:

Ктр=25 Г>Г1 Ктр=30Т-. > ■

--------1 ^ ____ ч V Л

1 4 -------- -------- --------

-\- 1 1 н—

10 15

20 25 Рл, Вт

30

35 40

Рис. 13. Зависимость подогрева при помощи трансформатора от мощности потребления.

На рис. 13. показано влияние цепи с

трансформатором подогрева при работе в режимах пониженной мощности. В диапазоне от 70 до 100% .мощности дополнительный подогрев не осуществляется. Далее происходит плавное увеличение мощности нагрева по мере снижения напряжения на выходе инвертора.

Т1ше,£

Рис. 14. Временная диаграмма тока вторичной обмотки трансформатора Т1.

♦О

ч \ КТ1-25 С1»в80

N

\ кп"

N

две лампы Т8 36 Вт, соодкненые последовательно одна лампе Т8 36 Вт

При использовании трансформатора в процессе моделирования с учетом индуктивности намагничивания вид тока вторичной обмотки будет искажаться, как показано на рис 14.

На рис. 15. приведены экспериментально снятые

зависимости тока катода в зависимости от тока лампы. Кривая дополнительного тока катода находится в зоне рекомендуемых значений для протекающего тока лампы и соответствует полученным в результате моделирования данным.

Рис. 15. Зависимость дополнительного тока накала катода (1к) от тока лампы (1л).

Дополнительной функцией предложенной схемы подогрева электродов в режиме пониженной мощности служит возможность предварительного прогрева в режиме пуска. Прогрев должен осуществляться при работе от низких напряжений, недостаточных для зажигания люминесцентной лампы. Поэтому в качестве цели моделирования ставилось определение оптимального диапазона напряжений

инвертора, обеспечивающих

необходимый нагрев катодов для ранее выбранного коэффициента трансформации цепи

дополнительного подогрева. По характеристикам, представленным на рис. 16., можно определить оптимальное напряжение на выходе инвертора, требуемое для нагрева электродов в течение заданного интервала времени.

900 800 700

еоо

о

г 5оо

£ 400 о

а зоо

с

" 200 100 о

П т=1< сос

4 Т=700С| 1

\

\ _JU............

------- - 1 т ............

I 1 |

3S

41 44 47

Ubx, В

Рис. 16. Влияние выходного напряжения

инвертора на время прогрева. На основе проведенного моделирования и экспериментальных исследованиях можно сделать вывод о том, что предложенное решение организации цепи подогрева при помощи дополнительного трансформатора удовлетворяет требованиям к нагреву электродов в пусковом режиме и во всем диапазоне режимов пониженной мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанные практические схемы модулей и отлаженный действующий макет позволяют реализовать как отдельно взятую локальную систему управления светом, так и построить законченный централизованный комплекс внутреннего освещения на основе Ethernet сети.

2. Разработанная схема вариант организации цепи подогрева посредством включения дополнительного трансформатора при амплитудном способе управления мощностью позволяет упростить разработку ЭПРА с одновременным соблюдением требований к нагреву катодов люминесцентных ламп.

3. Использование составленных на основе простых измерений моделей электрических параметров люминесцентных ламп позволяет получить характеристики для режима пуска и работы с пониженной мощностью и предъявить требования к цепям предварительного прогрева и дополнительного подогрева электродов.

4. Проведенные исследования с использованием программного обеспечения по моделированию электронных схем позволили рассчитать и оптимизировать параметры цепей предварительного нагрева и дополнительного подогрева электродов, а также рассмотреть влияние данных цепей на лампу и на силовые элементы схемы балласта.

5. Разработанный модуль поддержки устройств стандарта 1-10V обеспечивает поддержку широко распространенных аналоговых ЭПРА, что позволяет

осуществить постепенный переход от аналоговой к современной цифровой системе.

6. Интерфейс RS-485 и созданный на его основе протокол обеспечивают обмен информацией цифровой системы управления освещением, значительно упрощают разработку системы и одновременно снижают себестоимость периферийных модулей.

7. Разработанные алгоритмы реализуют базовые принципы управления освещенностью и являются основой для реализации конкретной системы в соответствии с требованиями заказчика.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Обжерин Е.А. Поляков В.Д. Пузанов В.А. Смирнов Е.М. Особенности анализа и расчет современных систем питания ламп высокой интенсивности // Светотехника. - 2006. - №6. - С. 49-54.

2. Поляков В.Д. Смирнов Е.М. Характеристики люминесцентных ламп при управлении подогревом электродов с помощью ЭПРА // Светотехника. - 2008. - №4. - С.46-49.

3. Панфилов Д. И. Поляков В. Д. Поляков Ю. Д. Обжерин Е. А. Смирнов Е. М. Управление внутренним освещением // Chip News. - 2004. - №2. - С. 38-44.

4. Панфилов Д. И. Смирнов Е. М. Поляков В. Д. Поляков Ю. Д. Централизованное управление внутренним освещением // Chip News. - 2005. -№1.-С. 22-25.

5. Смирнов Е. М. Панфилов Д. И. Поляков В. Д. Принципы построения систем управления внутренним освещением // Chip News. - 2005. -№10. - С. 10-15.

6. Смирнов Е. М. Применение протокола RS-485 в системах управления светом // IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2003. - С. 194-195.

7. Смирнов Е. М. Существующие решения задачи построения систем управления внутренним освещением // X международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2004. -С. 225-226.

8. Поляков В.Д. Смирнов Е.М. Регулируемое устройство питания люминесцентных ламп // РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2005112901/22 от 22.06.05.

Подписано в печать Я- ^'^Зак. Тир. JOO п.л. Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Введение

1. Существующие решения задачи построения систем управления внутренним освещением

1.1. Экономия электроэнергии за счет применения СУО

1.2. Сравнительный анализ систем управления внутренним освещением

1.3. Управление электронными ПРА

1.3.1. Способы управления ЭПРА.

1.3.2. Регулирование тока накала катодов

1.4. Выводы по главе.

2. Локальная система управления внутренним освещением.

2.1. Принципы построения локальных СУО

2.2. Предложенный вариант локальной системы управления внутренним освещением

2.2.1. Базовый контроллер

2.2.2. Контроллер интеллектуального ЭПРА

2.2.3. Контроллеры датчиков

2.2.4. Контроллер блока коммутации

2.2.5. Контроллер блока ручного управления.

2.2.6. Контроллер аналогового управления ЭПРА 2.3. Сценарии управления

2.3.1. Алгоритмы работы сценария регулировки по естественной освещенности

2.3.2. Режим слежения за присутствием людей в помещении

2.3.3. Режим совместного управления

2.3.4. Режим ручного управления освещенностью в помещении

2.4. Программная реализация алгоритмов

2.5. Раздельное управление группами светильников

2.6. Выводы по главе

Введение

1. Существующие решения задачи построения систем управления внутренним освещением

1.1. Экономия электроэнергии за счет применения СУО

1.2. Сравнительный анализ систем управления внутренним освещением

1.3. Управление электронными ПРА

1.3.1. Способы управления ЭПРА.

1.3.2. Регулирование тока накала катодов

1.4. Выводы по главе.

2. Локальная система управления внутренним освещением.

2.1. Принципы построения локальных СУО

2.2. Предложенный вариант локальной системы управления внутренним освещением

2.2.1. Базовый контроллер

2.2.2. Контроллер интеллектуального ЭПРА.

2.2.3. Контроллеры датчиков

2.2.4. Контроллер блока коммутации

2.2.5. Контроллер блока ручного управления.

2.2.6. Контроллер аналогового управления ЭПРА

2.3. Сценарии управления

2.3.1. Алгоритмы работы сценария регулировки по естественной освещенности

2.3.2. Режим слежения за присутствием людей в помещении

2.3.3. Режим совместного управления

2.3.4. Режим ручного управления освещенностью в помещении

2.4. Программная реализация алгоритмов

2.5. Раздельное управление группами светильников

2.6. Выводы по главе

3. Централизованное управление

3.1. Централизованная СУ О

3.2. Реализация централизованной системы управления на основе Ethernet сети

3.3. Программное обеспечение централизованной системы управления освещением

3.3.1. Управление при помощи встроенного WEB интерфейса . 104 >

3.3.2. Специализированное ПО

3.4. Выводы по главе

4. Практическая реализация управляемых ЭПРА и моделирование в режимах пуска и регулирования мощности

4.1. Моделирование процессов люминесцентных ламп

4.1.1. Моделирование процессов в лампе с точки зрения электрических параметров

4.1.2. Предварительный прогрев электродов

4.1.3. Режим управления мощностью лампы

4.2. Моделирование и исследование люминесцентных ламп при работе в составе ЭПРА.

4.2.1. Режим предварительного прогрева электродов лампы

4.2.2. Режим регулирования мощности ЭПРА

4.3. Практические способы организации цепи дополнительного подогрева электродов лампы

4.3.1. Предложенное решение реализации цепи дополнительного подогрева электродов

4.3.2. Моделирование ЭПРА при работе с трансформатором подогрева

4.4. Выводы по главе . . . . . . . . . 170 Заключение . . . . . . . . . . .171 Список литературы

Актуальность темы. В настоящее время основными источниками света в системах внутреннего освещения являются люминесцентные лампы. Потери электроэнергии при использовании люминесцентных светильников связаны либо с несвоевременным отключением освещения, либо с использованием избыточного искусственного освещения на фоне достаточной естественной освещенности. Наиболее остро проблемы экономии электроэнергии стоят в общественных учреждениях, где четкая персональная ответственность и материальная заинтересованность в экономии электроэнергии трудно реализуемы. Значительное повышение эффективности использования электроэнергии возможно при автоматизации управления освещением. Дополнительные возможности экономии связаны с заменой электромагнитных ПРА на более экономичные электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА). Помимо экономичности эти аппараты продлевают срок службы ламп (в 2 раза и более), что позволяет сократить эксплуатационные расходы, и обеспечивают более комфортную освещенность. Использование ЭПРА позволяет обеспечить плавное регулирование светового потока, исключить потухание и повторный пуск ламп в процессе регулирования освещенности.

Проблемы снижения потребления электроэнергии в системах освещения с одновременным выполнением требований к освещению решается применением базовых алгоритмов управления, таких как слежение за освещенностью, присутствием людей в помещении и комбинированный режим, объединяющий в себе слежение за освещенностью и присутствием. Поскольку подробные варианты реализаций алгоритмов управления уровнем освещения являются закрытой внутренней информацией фирм-разработчиков, то в процессе проектирования системы возникла необходимость создания собственных алгоритмов.

В процессе регулирования уровня искусственной освещенности возникает проблема, связанная со снижением срока службы люминесцентных ламп, работающих на пониженной мощности. Причиной этому является значительное снижение температуры электродов лампы относительно оптимальной в режимах глубокого регулирования мощности и, как следствие, ускорения процессов деградации. Данная проблема решается различными способами, которые сводятся к организации дополнительного подогрева электродов при регулировании мощности ламп. Однако вопросы оптимального энергосберегающего управления прогревом электродов при сохранении максимально возможного срока службы лампы практически не исследованы. Не исследованы вопросы влияния режима питания электродов на электрические характеристики лампы, что необходимо учитывать при расчете электронного балласта.

На сегодняшний день рынок систем управления внутренним освещением представлен широким спектром различных разработок от простейших аналоговых до систем управления «умным домом». При этом следует отметить полное отсутствие отечественных разработок подобного плана по причине несформированности рынка в данном направлении. Поэтому актуальна задача создания доступной системы управления освещением с возможностью дальнейшего расширения за счет включения дополнительных функций и устройств.

Средства управления с аналоговыми интерфейсами, такие как 1-10V не обеспечивают гибкость и способность адресного управления индивидуальными источниками света, что ограничивает функциональные возможности системы освещения. Поэтому с 1980-х годов начали развиваться интеллектуальные системы, устанавливающие цифровую связь между всеми компонентами системы. Подобные системы обеспечивают высокие функциональные возможности и гибкость технических модулей, позволяющих с помощью команд установить управление между устройствами управления и электрическими потребителями. Однако данные интеллектуальные системы дороги и сложны. Установка таких систем дорога и трудоемка.

Активно развивающийся стандарт цифрового управления внутренним освещением DALI (Digital Addressable Lighting Interface) обладает весьма ограниченными возможностями по сравнению с дорогостоящими системами автоматизаций зданий (таких как EIB, LonWorks). Стандарт DALI позиционируется как протокол обмена локальных систем управления внутренним освещением. Обеспечение возможности централизованного управления определяется разработчиком и, как правило, за основу выбираются стандартизированные общие системы, такие как EIB, LON и т.д.

Цель работы заключается в сравнительном анализе существующих систем управления освещением и разработке простой доступной централизованной системы управления внутренним освещением на основе регулируемых ЭПРА, реализующей базовые энергосберегающие режимы и учитывающей специфику эксплуатации люминесцентных ламп при пониженной мощности.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

• анализ существующих решений в области систем управления освещением;

• экспериментальные исследования люминесцентных ламп при работе с различными режимами подогрева электродов;

• моделирование электрических параметров люминесцентных ламп в режимах пуска и регулирования мощности;

• реализация ЭПРА, обеспечивающих сохранение длительного срока службы ламп при работе в режиме пониженной мощности;

• разработка оптимального с точки зрения быстродействия и способности к дальнейшему расширению системы протокола обмена информацией локальной системы в рамках поставленной задачи;

• разработка алгоритмов автоматического поддержания уровня освещенности;

• практические исследования системы при работе с различными сценариями освещенности;

• экспериментальные исследования работы централизованной СУО в составе выделенной сети Ethernet.

Методы исследования.

В процессе разработки и анализа работы системы управления внутренним освещением применялись следующие методики:

• математическое моделирование проводимости люминесцентных ламп;

• исследование электронных балластов с использованием программ моделирования электронных схем;

• экспериментальные исследования работы системы управления и электронных ПРА;

• метод программной эмуляции;

• метод внутрисхемной эмуляции.

Научная новизна.

Требования к передаче простых данных на низких скоростях в системе управления освещением позволили реализовать протокол на основе интерфейса RS-485, значительно упрощающий разработку системы и снижающий себестоимость периферийных модулей.

Проведенное моделирование сопротивления и температуры электродов для пускового режима люминесцентных ламп упростило процесс составления требований к системе управления и схеме предварительного прогрева электродов.

Моделирование электрической проводимости люминесцентных ламп в режимах управления мощностью позволило получить характеристики, которые были использованы в процессе проведения исследований поведения лампы в составе ЭПРА и расчета основных параметры цепи подогрева катодов.

Предложена защищенная патентом РФ простая схема организации дополнительного подогрева электродов, снижающая себестоимость ЭПРА, удовлетворяя при этом требованию сохранения длительного срока службы ламп в режимах пуска и управления мощностью.

Практическая ценность.

Разработанные практические схемы модулей и отлаженный действующий макет позволяют реализовать как отдельно взятую локальную систему управления светом, так и построить централизованный комплекс внутреннего освещения на основе Ethernet сети.

В разработке обеспечена поддержка широко распространенных ЭПРА с аналоговым управлением по стандарту 1-10В, что дает возможность осуществить постепенный переход от аналоговой к современной цифровой системе управления освещением.

Созданы базовые алгоритмы регулирования светового потока, реализующие режимы слежения за внешней освещенностью и присутствием людей в помещении и позволяющие внедрять более сложные алгоритмы управления освещением, необходимые для реализации системы в соответствии с требованиями заказчика.

Проведенные исследования ЭПРА с использованием прикладного программного обеспечения по моделированию электронных схем на основе аппроксимаций проводимости люминесцентных ламп позволило рассмотреть процессы в режимах пуска и работы с пониженной мощностью потребления.

Внедрение результатов работы.

Разработка проводилась в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» по теме «Создание технологий и элементов оборудования высокой энергетической эффективности для использования в быту и коммунальном хозяйстве". В процессе создания системы управления внутренним освещением результаты диссертационной работы были использованы ОАО "Завод "СТЕЛЛА" (г. Зеленоград) и ООО "Горизонт" (г. Екатеринбург).

Апробация работы.

Основные аспекты диссертационной работы докладывались на девятой и десятой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов по направлению «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2003-2004гг.

Публикации.

Основные результаты работы отражены в пяти печатных статьях и в двух тезисах докладов, получен патент РФ на полезную модель «Регулируемое устройство питания люминесцентных ламп» № 2005112901/22 от 22.06.05. Ряд вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, представлен в отчетах по научно-исследовательской работе (№3005022, 2002-2004гг.).

1. Разработанные практические схемы модулей и отлаженный действующий макет позволяют реализовать как отдельно взятую локальную систему управления светом, так и построить законченный централизованный комплекс внутреннего освещения на основе Ethernet сети.2. Разработанная схема организации цепи подогрева посредством включения дополнительного трансформатора при амплитудном способе управления мощностью позволяет упростить разработку ЭПРА с одновременным соблюдением требований к нагреву катодов люминесцентных ламп.3. Использование составленных на основе простых измерений моделей электрических параметров люминесцентных ламп позволяет получить характеристики для режима пуска и работы с пониженной мощностью и предъявить требования к цепям предварительного прогрева и дополнительного подогрева электродов.4. Проведенные исследования с использованием программного обеспечения по моделированию электронных схем позволили рассчитать и оптимизировать параметры цепей предварительного нагрева и дополнительного подогрева электродов, а также рассмотреть влияние данных цепей на лампу и на силовые элементы схемы балласта.5. Разработанный модуль поддержки устройств стандарта 1-10V обеспечивает поддержку широко распространенных аналоговых ЭПРА, что позволяет осуществить постепенный переход от аналоговой к современной цифровой системе.6. Интерфейс RS-485 и созданный на его основе протокол обеспечивают обмен информацией цифровой системы управления освещением, значительно упрощают разработку системы и одновременно снижают себестоимость периферийных модулей.7. Разработанные алгоритмы реализуют базовые принципы управления освещенностью, и являются основой для реализации конкретной системы в соответствии с требованиями заказчика.

1. Вернер В. Интеллектуальная система управления внутренним освещением// Светотехника. - 1993. - №4. - 15-19.

2. Картер Д. Моор Т. Управляемое освещение офисов: стратегия экономии энергопотребления// Светотехника. - 2003. - №1. - 28-33.

3. Броне Д. А. Лесли Р. П. Интегрированные фонари верхнего света: комбинация естественного и искусственного освещения с целью энергосбережения// Светотехника. - 2002. - №6. - 33-37.

4. DALI Manual// Digital Addressable Lightning Interface Activity Group ZVEI- Division Luminaires. - 2001.

5. M. Хайнрих. Возможности и тенденции экономии электроэнергии при применении электронных пускорегулирующих аппаратов и светорегулирующей системы LUXCONTROL в осветительных установках// Светотехника. - 1997. - №1. - 20-24.

6. Cecilia Contend. Digitally addressable DALI dimming ballast// Seventeenth annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. - 2002. -№2. -С 936-942.

7. Краснопольский A. E. Соколов В. Б. Автоматизация управления освещением - насущная проблема светотехники// Светотехника. - № 5. - 1997. - 2-4.

8. Техника автоматизации зданий на базе instabus EIB// SIEMENS. - 1999. - 6.2 -6.40.

9. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов — к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola // под ред Кирюхина И. - М.: ДОДЭКА, 2000. 10. 6N135, 6N136, HCPL4502 Optocouplers/optoisolators// Texas Instruments. -1995.

10. GAL16V8/833// Lattice semiconductor corporation. - 1999. 12. 74HC/HCT573 Octal D-type transparent latch, 3-state// Philips semiconductor. -1990.

11. RS-422 and RS-485 Application note// B&B Electronics. - 1997.

12. ESD protected, EMC compliant, 3.3V, 20Mbps, EIA RS-485 transceiver// Analog devices. - 2000.

13. Thomas J. Ribarich How to design a dimming fluorescent electronic ballast // International Rectifier. - 2006.

14. Thomas J. Ribarich, John J. Ribarich A new high-frequency fluorescent lamp model // International Rectifier. - 1998.

15. Краснопольский A.E. Соколов В.Б. Троицкий A.M. Пуско-регулирующие аппараты для разрядных ламп — М.: Энергоатомиздат, 1988. 18. luxCONTROL lighting control systems//Tridonic.Atco. - 2003.

16. Каталог Clipsal C-Bus// Clipsal palace. - 2003. 20. comfortDIM// Tridonic.Atco. - 2002.

18. Electronic digital interface for TridonicAtco-DALI ballast. DALI BM RS-232 serial// Tridonic.Atco. - 2002.

19. DALI presentation// AG-DALI. - 2003.

20. The RS-232/DALI bridge interface// Microchip technology. - 2002.

21. The lighting conductor: DALI from OSRAM// OSRAM. - 2003.

22. DALI specification guide// Philips. - 2003.

23. Digitally Addressable Lighting Interface (DALI) unit using the MC68HC908KX8. Designer reference manual// Motorola. - 2002.

24. Application note. AT89C51 in-circuit programming// Atmel. - 1997.

25. Варфоломеев Л.П. Светотехника. Краткое справочное пособие - М.: Световые технологии, 2006. 30. 80С51 microcontrollers instruction set// Atmel. - 2004.

26. Application note. Designing boards with Atmel AT89C51, AT89C52, AT89C1051, and AT89C2051 for writing flash at in-circuit test// Atmel. - 1997. 32. 8-bit flash microcontroller AT89C51RD2, AT89C51ED2// Atmel. - 2003.

27. Atmel 8051 microcontrollers hardware manual// Atmel. - 2004. 34. i2Chip W3100A. Technical datasheet vl.3// Wiznet. - 2002.

28. IIM7010A datasheet// Wiznet. - 2002.

29. Y.K. Eric Ho Stephen T.S. Lee Henry Shu-Hung Chung A comparative study on dimming control methods for electronic ballasts // IEEE. — 2001.

30. Alex Т.К. Lamp modeling for design of dimmable electronic ballasts // IEEE. — 2000.

31. Roger Gules A 1.2kW electronic ballast for multiple lamps, with dimming capability and high-power-factor // IEEE. - 1999.

32. Chin S. Moo Designing dimmable electronic ballast with frequency control // IEEE.-1999. 40. +5V powered, multichannel RS-232 drivers/receivers// MAXIM. - 2003.

33. IS62LV256 32Kx8 low voltage static RAM// ISSI. - 2000.

34. EVB 8051 user's manual// Wiznet. - 2002.

35. Thomas Leyh Fluorescent lamp high frequency evaluation // IEEE. - 1997.

36. Клыков M.E. Краснопольский A. E. Соколов В. Б. расчеты электрических цепей с разрядными лампами// Светотехника. - № 2. - 2001. - 2-4.

37. MC68HC908GP32/MC68HC08GP32. Technical data// Motorola semiconductor. - 2002.

38. MC68HC908KX8/MC68HC908KX2/MC68HC08KX8. Technical data// Motorola semiconductor. - 2002.

39. Application Note. HC08 SCI operation with various input clocks// Motorola semiconductor. - 1996.

40. LIN specification guide// Local interconnect network. - 2003.

41. LUXMATE systems. Light control made easy// LUXMATE Controls. - 2002.

42. LUXMATE. System and technology// LUXMATE Controls. - 2002.

43. DALI command MultiDim intelligent lighting control system// Philips. - 2003.

45. Transmission Control Protocol. RFC793// Information Science Institute. - 1981.

46. Лоскутов А. Б. Шевченко A.C. Методика расчета экономии электроэнергии в действующих осветительных установках помещений при проведении энергетического аудита// Виртуальный Интернет журнал. http://vizhy.hl .ru/prom.htm. - 2002.

47. Перри Синк Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethernet// Средства и системы компьютерной автоматизации. - http://www.asutp.ru. -2004.

48. Громов В. Вишнепольский Р. Л. Тимофеев В. Н. Промышленная шина PROFIBUS, способы реализации в АСУ ТПУ/ Средства и системы компьютерной автоматизации. - http://www.asutp.ru. - 2004.

49. Вольц М. PROFIBUS - открытая шина промышленного применения// Средства и системы компьютерной автоматизации. - http://www.asutp.ru. -2004.

50. PROFInet. Technology and application// PROFIBUS Nutzerorganisation. - 2003.

51. PROFIBUS. Technology and application//PROFIBUS Nutzerorganisation. - 2002.

52. The EIB system for home and building electronics// EIBA. - 1998.

53. Introduction to the Lon Works system// Echelon. - 1999.

54. Александр Авдуевский И снова интеллект// Технологии EIB автоматизации зданий. - http://www.eiba.ru. - 2004.

55. Введение в межсетевой обмен// Технологии EIB автоматизации зданий. - http://www.eiba.ru. - 2004. бб.Хандогин В. И. Райкова А. В. Применение электронных устройств для освещения// Журнал депонированных рукописей. - №1. - 2000.

56. Ананьин Ю. Требования к освещению интерьеров// Техдизайн. - http://www.tehdizain.ru/index.php?id=5. - 2005.

57. Питер Н. Вуд Схема балласта люминесцентных ламп с использованием пассивной коррекции коэффициента мощности (P.F.C.) и управление пик-фактором// http://www.cultinfo.ru. - 2001.

58. Fluorescent dimming systems technical guide// Lutron. - 2002.

59. A new control method for dimmable high-frequency electronic ballasts// International Rectifier Power 1С Group. - 1998.

60. Панфилов Д. И. Поляков В. Д. Поляков Ю. Д. Обжерин Е. А. Смирнов Е. М. Управление внутренним освещением // Chip News. - 2004. - №2. - 38-44.

61. Смирнов Е. М. Панфилов Д. И. Поляков В. Д. Принципы построения систем управления внутренним освещением// Chip News. - 2005. - №10. - 10-15.

62. Biax ТЕ with amalgam// GE Lighting. - 2004.

63. Effect of cathode heating on lamp life in dimming use// IEEE. - 2001.

64. Effect of dimming on lamp life - Results of the lamp life test// Ingineria Iluminatului. - №7. - 2001.

65. A new heating concept for fluorescent lamp ballasts// Tridonic. - 2000.

66. Investigation of the effects of dimming of fluorescent lamp life// Lighting research center. - 2002.

67. Dimming electronic ballasts// Lighting research center. - 1999.

68. A ballast that can be dimmed from a domestic dimmer// International Rectifier. - 2003.

69. IR2159, IR21591 Dimming ballast control 1С// International Rectifier. - 2001.

70. IR21592 Dimming ballast control 1С Design kit// International Rectifier. - 2002.

71. Digital addressable DALI dimming ballast reference design// International Rectifier. - 2002.

72. C.A. Георгобиани, M.E. Клыков Расчет пускового режима в электронных ПРА // Светотехника. - № 1. - 1991.

73. Георгобиани А. Малкова О. А. Электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентных ламп// Светотехника. - №5. - 1992.

74. Смирнов Е. М. Применение протокола RS-485 в системах управления светом // IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2003. - 194-195.

75. Смирнов Е. М. Существующие решения задачи построения систем управления внутренним освещением // X международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2004. -С. 225-226.

76. Панфилов Д. И. Смирнов Е. М. Поляков В. Д. Поляков Ю. Д. Централизованное управление внутренним освещением// Chip News. — 2005. - № 1 . - С . 22-25.

77. Liang T.J. Liu T.S. Chang F.J. Design and analysis of dimming electronic ballast //IEEE.-1997.

78. Zhi Li Philip K.T. A simple method to design resonant circuits of electronic ballast for fluorescent lamp // IEEE. - 1997.

79. Edward Deng Negative incremental impedance and stability of fluorescent lamps // IEEE.-1997.

80. Marian K. Kazimierczuk Electronic ballast for fluorescent lamps // IEEE. - 1993.

81. Durability testing for Energy Star residential light fixtures // Lightning Research Center.-2003.

82. Starcoat T5 Linear fluorescent lamps // GE Lightning. - 2001.

83. Nachbaur A. Ganahl C. Lamp-modelling, from the measurement to the simulation model//IEEE.-2001.

84. Chin Woo Yi Modeling of fluorescent lamp for electronic ballast // IEEE. - 1999.

85. Chin S. Moo A fluorescent lamp model for high-frequency electronic ballasts // IEEE. - 2000.

86. Zhu P. Modeling of a high-frequency operated fluorescent lamp in a electronic ballast environment // IEEE. - 1998.

87. Поляков В.Д. Смирнов E.M. Регулируемое устройство питания люминесцентных ламп // РОСПАТЕНТ. Свидетельство №2005112901/22 от 22.06.05.

88. Обжерин Е.А. Поляков В.Д. Пузанов В.А. Смирнов Е.М. Особенности анализа и расчет современных систем питания ламп высокой интенсивности // Светотехника. - 2006. - №6. - 49-54.