Управление выходной мощностью источников света с передачей информации по проводам питающей сети посредством широтной манипуляции

Передача информационных сообщений по сетям питающего напряжения является актуальной научно-технической задачей, поскольку позволяет создавать интеллектуальные системы индивидуального управления источниками света на базе существующих линий кабельной разводки, обеспечивающих источники света питающим напряжением.

Одним из наиболее эффективных методов передачи информации является применение широтной манипуляции полупериодов сетевого напряжения в диапазоне малых начальных углов, поскольку при таком способе кодирования информации энергетические свойства питающей сети не нарушаются.

Передача информационных сообщений по питающей сети с использованием широтной манипуляции

В основе метода передачи информации по питающей сети лежит принцип использования наличия или отсутствия широтной манипуляции начального угла напряжения питающей сети. Выбранный диапазон изменения угла широтной манипуляции составляет 5–10° и не оказывает влияния на работу источников света с импульсными преобразователями питающего напряжения. По цепям питающего напряжения при этом не передается сигнал от каких-либо дополнительных источников, что не нарушает правила эксплуатации силовой электропроводки зданий и не является источником электромагнитных помех.

Управляющий сигнал для формирования информационного сообщения может формироваться в аналоговом или цифровом виде. Независимо от выбранного вида управляющего сигнала передача информации по питающей сети осуществляется в цифровой форме, причем только в моменты, предусмотренные поступлением или изменением управляющего сигнала.

Управляющий сигнал аналогового типа (аналоговый сигнал напряжения, формируемый внешним источником или потенциометром) предусматривает одновременное и одинаковое управление всеми источниками света в системе. Причем величина изменения аналогового сигнала формирует информационные сообщения, передаваемые по питающей сети.

Управляющий сигнал цифрового типа, формируемый, как правило, центральным блоком (контроллер, компьютер) по последовательному интерфейсу, транслируется в питающую сеть. При этом возможно осуществить индивидуальное управление источниками света, если информационное сообщение будет содержать адрес управляемого объекта.

Информационной единицей сообщения принимается период сетевого напряжения. Период питающего напряжения с отсутствующей широтной модуляцией начального угла соответствует логическому нулю. Период сетевого напряжения, в котором широтная модуляция присутствует на начальных углах полупериодов, соответствует логической единице (рис. 1). Стартовый бит информационного сообщения может иметь больший начальный угол модуляции. Это позволяет повысить надежность приема информации.

Рис. 1. Кодирование информации для передачи по проводам питающей сети

Кодирование информационной единицы широтной манипуляцией последовательно двух полупериодов сетевого напряжения позволяет, с одной стороны, поддерживать среднее значение сетевого напряжения равным нулю, а с другой стороны, обладает высокой помехозащищенностью, связанной с возможностью исправления однократной ошибки приема бита в посылке и восстановления его значения по состоянию бита контроля четности. Если при приеме информационной единицы обнаруживается различная манипуляция на положительном и отрицательном полупериоде напряжения, бит считается принятым неверно. Однако наличие бита контроля четности позволяет определить требуемое состояние этого бита и исправить ошибку.

Структура системы управления с передачей информации по проводам питающей сети

Система передачи информации по питающей сети содержит источник внешнего управляющего сигнала, преобразователь управляющего сигнала (передающее устройство) и приемники манипулированного сигнала (приемные устройства), которыми оснащены электронные преобразователи, входящие в состав источников света (рис. 2). Максимальное количество обслуживаемых приемных устройств определяется допустимым диапазоном их адресов, а также допустимой мощностью, на которую рассчитано передающее устройство.

Рис. 2. Структура системы передачи информации по проводам питающей сети

Структура и принцип работы передающего устройства

Передающее устройство конструктивно состоит из модуля управления и модуля силовых ключей, вид и конструкция которого, в свою очередь, определяются мощностью обслуживаемой осветительной сети. Структура передающего устройства представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура передающего устройства

Микроконтроллер получает управляющую информацию в зависимости от выбранного способа управления в аналоговой или цифровой форме и после ее обработки формирует сигналы управления коммутационными элементами модуля силовых ключей. Формирование сигналов управления имеет временную задержку от начала полупериода сетевого напряжения при реализации широтной модуляции в соответствии с выбранным способом кодирования информации. Для синхронизации работы микроконтроллера используется датчик перехода через ноль сетевого напряжения.

Структура и принцип работы приемного устройства

Приемное устройство содержит схему датчика перехода через ноль широтно-модулированного питающего напряжения, микроконтроллер и оптопару, предназначенную для гальванической изоляции выходного задающего сигнала. Структура приемного устройства представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структура приемного устройства

Микроконтроллер, анализируя сигнал с датчика перехода через ноль, определяет наличие или отсутствие широтной манипуляции в каждом полупериоде питающего напряжения, после чего формирует и декодирует принятое информационное сообщение. Информационное сообщение содержит стартовый бит, адрес приемного устройства, код команды и контрольный бит, служащий для проверки правильности приема информационного сообщения, а также возможности исправления однократной ошибки приема бита в сообщении.

Управляющий сигнал для электронного преобразователя представляет собой ШИМ-сигнал, регулирующий питающий ток и, следовательно, мощность соответствующего источника света.

Анализ влияния широтно-манипулированного питающего напряжения на действующее значение напряжения и гармонический состав потребляемого тока

Для оценки действующего значения широтно-манипулированного напряжения питающей сети воспользуемся формулой:

Для случая полупериода с широтной манипуляцией, составляющей 10 из 180°, действующее значение определится следующим образом:

Отклонение действующего значения от номинального (220 В) составляет 0,0559%, что оказывает незначительное влияние на потребляемую мощность.

Для оценки гармонического состава потребляемого тока воспользуемся разложением функции, представляющей собой питающее сетевое напряжение с широтной манипуляцией, в ряд Фурье. При значениях коэффициента мощности, близких к 1, форма потребляемого тока будет аналогична форме питающего напряжения.

Зададим функцию питающего напряжения с широтной манипуляцией на периоде следующей формулой:

где α — угол широтной манипуляции, выраженный в радианах; ω = 2πf — круговая частота (частота питающей сети f = 50 Гц).

Для разложения в ряд Фурье воспользуемся следующими формулами:

где k — номер гармоники, T = 1/f — период функции.

Амплитуда и фаза гармонических составляющих вычисляются соответственно по формулам (6) и (7):

Амплитуда нулевой гармоники (постоянной составляющей)

в нашем случае равна нулю, поскольку рассматриваемая функция симметрична относительно оси ординат. По той же причине амплитуды всех четных гармоник рассматриваемой функции равны нулю.

Гармонический состав рассматриваемой функции (3) будет иметь вид, представленный на рис. 5, в случае использования угла широтной манипуляции 10°.

Применимость предложенного метода передачи информации ограничивается соответствием ГОСТ Р 51317.3.2-99 [4].

Рис. 5. Гармонический состав функции (3)

Исследуемые передающие устройства, использующие для передачи информации предложенный метод широтной манипуляции, относятся к классу С согласно указанному стандарту: световые приборы, включая устройства регулирования. В том же стандарте регламентируются максимально допустимые величины гармонических составляющих тока регулирующих устройств (в соответствии с п.7.3.2) при токе потребления до 16 А.

В таблице представлены относительные величины амплитуд гармоник тока и их допустимое значение согласно [4].

При измерениях не учитывают гармонические составляющие тока, потребляемого исследуемым устройством, уровень которых не превышает 0,6 % от величины потребляемого тока. Таким образом, исследуем гармонический состав сигнала до 21 гармоники.

Рассчитаем максимально допустимую потребляемую мощность передающего устройства с широтной манипуляцией согласно [4].

Допустимый ток на k-ой гармонике определяется из условия:

где I_k — составляющая потребляемого тока на k-ой гармонике; I_m — амплитуда потребляемого тока; I_kmax — максимально допустимый ток на k-ой гармонике.

С другой стороны, амплитуда потребляемого тока может быть рассчитана с небольшой погрешностью (согласно формуле (2)):

где P — допустимая мощность передающего устройства.

Решая совместно систему (9) и (10), получим, что в рассматриваемом диапазоне гармонических составляющих допустимая потребляемая мощность передающего устройства составляет 2500 Вт. Потребляемая мощность 2500 Вт является предельно допустимой, соответствующей [4], поскольку потребляемый ток на первой гармонике составляет 16 А.

Кроме того, согласно требованиям к гармоническим составляющим тока в переходных режимах, изложенным в [4], гармонические составляющие тока длительностью не более 10 с, возникающие при включении и выключении исследуемых устройств, не учитывают.

Наличие широтной модуляции возможно только в моменты передачи информационных сообщений. Время передачи информационного сообщения составляет около 18 периодов сетевого напряжения или 360 мс, что не превышает 10 с переходного режима. В остальное время широтная модуляция напряжения питающей сети отсутствует.

Выводы

Предложенный метод передачи информации по проводам питающей сети обладает следующими преимуществами:

• При передаче информации в качестве несущего сигнала используется силовое питающее напряжение, что не требует монтажа дополнительной проводки.
• Поскольку носителем информационного сигнала является само питающее напряжение, возможно получение больших расстояний распространения сигнала.
• Мощность, затрачиваемая на реализацию управляющего сигнала, минимальна, поскольку модуляция осуществляется ключевым режимом работы коммутационных элементов.
• Возможна реализация как централизованного, так и индивидуального управления всеми объектами в составе системы освещения.
• Присутствует возможность гибкого управления световым потоком источников света.

Предложенный метод передачи информации защищен патентом РФ № 99913.

Литература

1. Пат. № 99913 (РФ), МПК H 04 В 3/56. Устройство для приема-передачи информации по питающей сети и управления режимами работы потребителей электрической энергии / Т. А. Барбасова, Е. В. Вставская, О. В. Константинова, В. И. Константинов, Е. В. Костарев // Бюл. 2010. № 33 (IV ч.).
2. Казаринов Л. С., Шнайдер Д. А., Барбасова Т. А., Вставская Е. В. и др. Автоматизированные системы управления энергоэффективным освещением. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. 2011.
3. Вставская Е. В. Использование широтной модуляции для передачи информации по проводам питающей сети в системах освещения // Автоматизация и современные технологии. 2012. № 5.
4. ГОСТ Р 51317.3.2-99 «Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе)».