Димминг – способ эффективного энергосбережения или источник реальных проблем?

Вместо предисловия…
 

«Всё смешалось в доме Облонских…» Л.Н.Толстой.

Диммирование (dimming – затемнение) – давно известный технический приём для управления освещением в концертно-сценической практике, который своими «корнями» уходит в эпоху, когда устройств управления электрическими источниками света ещё не существовало, а потребность в таком функционале была. И выход был найден. Яркость дуговых и накальных ламп, установленных в прожектор, оставалась постоянной, а регулирование осуществлялось при помощи специальных затемняющих шторок, которые перекрывали собой часть светового потока лампы и позволяли тем самым изменять освещённость на сцене, следуя замыслу театрального режиссёра. Иными словами, незатемненный прожектор светил на полную мощность, а полностью затемненный прибор вовсе не испускал света. Из этого следует очевидный вывод, что управление яркостью и диммирование – это полностью противоположные, по сути, процессы и максимальной яркости соответствует минимальный уровень диммирования.  К сожалению, в современной технической литературе эти два понятия смешались и превратились в тождественные. И хотя это не совсем правильно, автор, во избежание путаницы в терминологии принимает диммирование не как процесс управления затемнением, а как процесс управления яркостью. Таким образом, 100% димминг = 100% яркости.

В любом случае, саму возможность управлять яркостью источника света трудно переоценить. И действительно,  в современной сфере развлечений трудно себе представить любое массовое мероприятие, которое могло бы иметь визуальный успех без игры света и цвета. Однако, в сфере развлечений не стоит вопрос о энергоэффективном использовании источников света. Главное в сценической практике – это визуальный, эстетический эффект.

Другое дело – управление светом в системах искусственного освещения. Владельцы офисов, торговых и промышленных объектов готовы пойти на дополнительные финансовые расходы по внедрению систем управления освещением ради снижения (в перспективе) расходов на электроэнергию.

Существует устойчивое мнение, что если уменьшить яркость источника света, то автоматически решается вопрос с экономией потребляемой электроэнергии, а, следовательно, все управляемые светотехнические системы автоматически переходят в разряд энергосберегающих. Так ли это на самом деле? Отчасти да. Величина активной мощности потребления, хотя и нелинейно, но уменьшается с уменьшением яркости. Однако, на ряду с величиной активной мощности, существует ещё целый ряд «скрытых» параметров, которые могут одним разом перечеркнуть все усилия и намерения создать энергосберегающую систему, если при проектировании выбран не оптимальный способ и метод регулирования источниками света.

Какой же из известных способов управления световыми приборами наиболее энергетически эффективен и одновременно более «безвреден» с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС)? В этих вопросах мы и попытаемся вместе разобраться.

Известные способы управления источниками света.

Не сделаю никакого открытия, если скажу, что самыми распространёнными на сегодняшний день являются симисторные регуляторы яркости - триаки (Triac Dimmer). Их популярность определяется не только относительно низкой ценой, но и простотой подключения, заключающейся в прямой замене существующего выключателя на малогабаритный настенный диммер. Симисторные диммеры были изначально разработаны для управления только лампами накаливания (ЛН). ЛН являются идеальными потребителями переменного тока с коэффициентом мощности (КМ) близким к единице. И действительно, имея в своей конструкции только спираль накаливания, эти лампы не в состоянии как-либо отрицательно повлияния на сеть с точки зрения ЭМС. Единственным недостатком ЛН является её достаточно низкая световая отдача, которая компенсируется мягким, уютным светом по своей природе максимально схожим с солнечным светом.

На Рис.1(а) представлена структурная схема подключения симисторного диммера в качестве регулятора яркости ЛН. Однако с появлением на светотехническом рынке такого источника света как светоизлучающий диод (СИД) в продаже появились специализированные светодиодные драйверы, способные изменять значение выходного тока под воздействием симисторного диммера. Структурная схема использования таких драйверов представлена на Рис.1(б). Как справляются подобные устройства с поставленной задачей мы разберёмся немного позже, а пока сосредоточимся на других методах управления светодиодами, как наиболее перспективных и энергоэффективных источниках света.

На Рис.2 представлена схема подключения специализированного светодиодного источника тока, имеющего в своём составе дополнительный вход управления постоянным напряжением 0-10 вольт. Такая схема при всей своей простоте имеет ряд существенных особенностей. Одной из них является невозможность уменьшать ток через светодиоды ниже определённого порога (чаще всего, 10-20%), обусловленного схемотехническими особенностями драйвера. С учетом нелинейной зависимости светового потока СИД от протекающего тока, свечение в таком режиме будет достаточно интенсивным. К тому же аналоговая схема управления не в состоянии обеспечить идентичность параметров работы драйверов в групповом включении.

Более полное от 0 до 100% и синхронное управление яркостью светодиодных светильников можно получить при манипуляции интегрального импульсного DC/CC драйвера внешним сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Структурная схема такой системы управления представлена на Рис.3. Данный способ широко распространён в многоканальных полноцветных (RGB) системах архитектурного освещения ввиду высокой степени стабильности и повторяемости параметров. Однако следует учесть, что для реализации такого метода потребуется двухступенчатая схема питания, состоящая из источника постоянного напряжения (возможно одного на несколько светильников) и интегральных источников тока, формирующих импульсный ток постоянной величины под воздействием внешнего ШИМ-сигнала.

Какой же из представленных способов питания наиболее эффективен, и какие технические параметры следует учитывать при проектировании систем управления освещением?

 Параметры и требования к устройствам управления, необходимые для достижения желаемой энергоэффективности.
 

Существует целый ряд нормативных документов регламентирующих технические параметры светильников и систем на их основе. В их числе - всем известный СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10  и обновлённый СНиП (ныне Свод Правил СП 52.13330.2011) и ряд технических регламентов, которые в ближайшее время будут подписаны в рамках Таможенного союза. Одним из последних документов, интересных с точки зрения светотехники,  является Постановление Правительства РФ от 20 июля 2011 г. №602 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения». В этом документе строго указаны минимальные значения световой отдачи и коэффициента мощности для большинства применяемых источников света. Не забыт в нём и СИД. В частности, для светодиодных осветительных устройств величина минимальной световой отдачи установлена на уровне 50 лм/вт., а коэффициент мощности- не менее 0,7 при мощности до 25 Вт и 0,85 при мощности, превышающей 25 Вт. Казалось бы, что тут особенного? Параметры вполне достижимые, однако возможно ли сохранение этих величин при всех режимах управления яркостью? Ведь суть реализации энергосберегающих функций путем управления яркостью заключается в том, что бОльшую часть времени светильник находится в «затемнённом» режиме, и, следовательно, его параметры должны в это время соответствовать всем вышеуказанным нормам. Именно поэтому, вся последующая,  экспериментальная часть и была посвящена анализу изменения основных технических параметров систем питания при частичном и глубоком диммировании.

Поддерживать величину световой отдачи на допустимом уровне возможно только при условии, что КПД источника питания будет относительно стабилен и существенно не ухудшится в процессе диммирования, иначе энергосбережение не будет обеспечено. Именно поэтому в программе экспериментов особое внимание было уделено динамике изменения потребляемой мощности (как активной, так и реактивной) и построению графиков зависимости КПД источника питания от управляющего сигнала.

Одновременно с этим, важную роль играет уровень получаемых при этом пульсаций тока (и как следствие светового потока источника света), который может существенно повлиять на сферу применения системы освещения. Нормы допустимых пульсаций светового потока строго регламентированы в указанном выше СанПиНе.

Не менее важной задачей экспериментов было желание проследить изменение величины КМ и  динамику эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. Принятие и подписание на межправительственном уровне Технического Регламента  «Электромагнитная совместимость технических средств» ужесточит требования к ЭМС и будет контролироваться соответствующими органами уже существующего таможенного союза.
 

Экспериментальная часть. Постановка задачи и результаты испытаний.

Итак, для экспериментального изучения стабильности параметров систем питания в режиме диммирования были созданы измерительные электрические стенды, согласно структурам, изображённым на Рис.1-3, включая хорошо нам известную 60-Вт лампу накаливания. Во всех случаях производились измерения полной (активной и реактивной) мощности, потребляемой из сети переменного тока, с анализом формы волны методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) для получения точных значений, вплоть до 39ой гармоники.

Все указанные параметры снимались в пяти режимах работы: 100% яркости, 75%, 50%, 25% и в зоне минимально возможного для наблюдения уровня, близкого к нулю. Все результаты были занесены в таблицы с последующим их представлением в виде графиков и диаграмм.

В рамках данной публикации не представляется возможным привести все результаты измерений, осциллограммы и графики, поэтому были выбраны наиболее показательные представители в каждой группе  измеряемых приборов. Измерения производились анонимно. Типы приборов и компании производители  в статье не указаны, так как целью статьи не являлось  продвижение того или иного бренда.

На Рис.4 – 6 представлены результаты измерений системы управления 60-Вт ЛН с помощью симисторного диммера (Рис.1а). На Рис.4 представлена диаграмма, наглядно показывающая пропорциональное уменьшение активной мощности (синий цвет) в зависимости от положения ручки диммера. Однако, резкие «изломы» формы волны потребляемого тока, обусловленные принципом работы симистора, приводят к росту гармонических составляющих (Рис.6) и увеличению уровня реактивной составляющей (красный цвет) в составе полной мощности потребления (сумма синего и красного цвета). Эти процессы неизбежно отрицательно сказываются и на величине КМ (PF), график зависимости которого представлен на Рис.5.  Вывод неутешительный… Идеальный при 100% яркости потребитель энергии с КМ=1 при управлении симистором превратился в источник  реактивной энергии, нагружающий сеть на 20 ВА даже тогда, когда активная мощность потребления в 10 раз ниже. Уровень пульсаций светового потока при измерениях не превышал 23%.

Ещё худшая ситуация обстоит со специализированным светодиодным драйвером, который рассчитан на питание через диммер (Рис.1б). Результаты измерений активной и реактивной мощности представлены на Рис.7. Невооружённым взглядом видно, как гипертрофируется уровень полной электрической мощности с максимумом в районе 50% управления. Это обусловлено резким ростом реактивной составляющей из за узко-импульсной формы потребляемого из сети тока и, как следствие, роста спектрального «частокола» гармоник, хорошо видимых на Рис.9. Такое положение дел не могло не оказать отрицательного влияния на КМ и КПД системы питания в целом (рис.8). Пульсации тока в светодиодной нагрузке превышает 30%, что ставит «крест» на применении данного технического решения в офисном освещении. А низкий уровень  КПД не позволяет назвать данное решение энергосберегающим. Напротив, при мощности нагрузки 10 Вт (50% управления) нагрузка на сеть составляет более 35(!!!)ВА.

Лучше обстоят дела у светодиодного драйвера, управляемого напряжением (Рис.2). Результаты измерений его мощностей представлены на Рис.10. В отличие от предыдущего случая, видно, что под воздействием управляющего сигнала активная мощность потребления изменяется равномерно в равных пропорциях с реактивной составляющей. И хотя при «старте» уровень 3й гармоники достаточно велик (на грани допустимого), с уменьшением тока в нагрузке он приходит в норму (Рис.12). Графики динамики КМ и КПД (Рис.11) так же имеют приемлемые показатели, что позволяет рекомендовать данное техническое решение в качестве энергосберегающего. Однако уровень пульсаций выходного тока достаточно велик (около 30%), что не позволяет применить его в системах офисного освещения, но вполне может быть использовано в других приложениях. Следует отметить, что в некоторых моделях управляемых напряжением драйверов были зарегистрированы пульсации выходного тока ниже 6%.

Последние результаты измерений принадлежат  системе управления яркостью светодиодов при помощи ШИМ-сигнала (Рис.3). На Рис.13 - 15 видна схожая с предыдущим экспериментом картина, которая указывает на равномерное уменьшение активной и реактивной составляющих полной мощности при воздействии ШИМ-сигнала. В области небольших уровней яркости наблюдается незначительный рост реактивной мощности. Важным фактором, влияющим на общий КПД  и параметры ЭМС, является правильный выбор источника постоянного напряжения. В данном примере резкий спад показателей КПД и КМ был обусловлен именно свойствами источника напряжения. Изменение «сквозных» энергетических показателей с импульсного DC/CC преобразователя показали его высокую эффективность на всех уровнях управляющего ШИМ-сигнала.

В сферах применения подобных систем, управлемых ШИМ, следует разобраться отдельно. Мнения разных экспертов в этом вопросе диаметрально расходятся из-за отношения к уровню восприятия пульсаций светового потока. Одни считают, что 100% манипуляция светом оказывает значительное влияние на работу мозга независимо от частоты ШИМ, другие, ссылаясь на низкие показания приборов не чувствительных к пульсациям света выше 100Гц, готовы применять данное решение даже в офисном освещении. Истина где то рядом… Но это уже другая тема для размышлений и новый повод встретиться с читателем на страницах этого журнала.

P.S. Когда статья была уже написана, пришло сообщение о подписании на межправительственном уровне двух давно ожидаемых Технических Регламентов таможенного союза: «О безопасности низковольтного оборудования» и «Электромагнитная совместимость технических средств».