Анализ и разработка микропроцессорных систем управления электронными преобразователями для нужд внутреннего освещения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Смирнов, Евгений Михайлович

• Смирнов, Евгений Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Евгений Михайлович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и разработка микропроцессорных систем управления электронными преобразователями для нужд внутреннего освещения»

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.).

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Смирнов, Евгений Михайлович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Евгений Михайлович, 2008 год

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.