SY-Lighting: вызов времени

SY-Lighting: новая концепция построения систем светодиодного освещения

Фев 21 • L[PRO]SPECTU, Новости, Статьи • 1966 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (11 votes, average: 4,55 out of 5)
Загрузка...

Концепция SY-Lighting посвящена созданию сверхэффективных светодиодных световых приборов и драйверов для промышленного применения, обладающих потрясающими характеристиками, достижение которых сегодня в мире не было возможно.

Уважаемые господа, Вашему вниманию предлагается несколько экстравагантная концепция SY-Lighting построения систем освещения на светодиодах. За основу может быть принята как промышленная 3-х фазная, так и однофазная сети. Однако, применение 3-х фазной сети значительно более эффективно.

Концепция SY-Lighting разработана применительно только к промышленному освещению и не затрагивает устройства домашнего пользования. Концепция SY-Lighting не является законченной и представлена на суд специалистов для обсуждения и критики.

Соколов Юрий Борисович, к.т.н., Президент ГК «Инкотекс» info@incotex.ru

Окончил электровакуумный техникум в 1962 году и далее институт, получив специальность «Инженер электронной техники», 1992 году защитил кандидатскую диссертацию, связанную с измерениями в области магнитной записи. На протяжении всей жизни связан с разработкой радиоэлектронных изделий. Наиболее известная разработка — магнитофон-приставка высшего класса «Электроника ТА 1-003, 004», которая производилась в СССР и России на четырех предприятиях (1979 – 1996 гг). В 1989 году основал первую частную компанию.

В настоящее время владелец и Президент Группы компаний «Инкотекс», имеющей 5 производственных предприятий (Россия, Болгария) и ряд подразделений R&D, всего более 3000 сотрудников. Группа разрабатывает, производит и реализует более 800 типов радиоэлектронной продукции в более чем 30 стран Мира. Основные направления:
— счётчики электрической энергии, учёт;
— торговое оборудование;
— системы отображения видеоинформации на LED и плазменных экранах;
— LED освещение;
— цифровая электроника (в т.ч. профессиональное оборудование для цифрового TV);
— системы видеонаблюдения, IP цифровые видеокамеры высокого разрешения);
— источники вторичного питания и др.
Имеет более 100 патентов и 20 публикаций.

Автор надеется, что высказанные в работе мысли являются оригинальными (подано ряд заявок на изобретения) и они позволят существенно сократить вредные выбросы в атмосферу и создавать осветители гораздо более дешевые и эффективные со сроком службы примерно равным времени работы светодиодов.

Автор будет благодарен за конструктивные предложения и замечания.

I. Существующее положение

Сегодня уже мало кто сомневается что светодиоды это наше будущее в освещении на ближайшие 30…50 лет. Колоссальный прогресс в технологии светодиодов позволил производить их с эффективностью 160…210 лм/Вт и до 5000 лм/$. При этом долговечность может быть лучше 100…150 тыс. часов при условии правильной эксплуатации. Это уже в реальности 30…40 лет, что уже превышает необходимость, т.к. за это время световые приборы морально устареют. Поэтому сегодня на первый план для модернизации вышли драйверы, которые имеют значительный вес, габариты, малый срок службы (макс. 20…40 тыс. часов), а также требуют защиты от воздействия внешней повышенной температуры и влаги и зачастую драйверы должны быть изолированы от тепла радиатора, на котором расположены светодиоды. Кроме того, драйверы тока имеют достаточно низкую эффективность (от 0,86…0,94) ввиду чего серьезно портят атмосферу и потребляют лишнюю энергию.

Уже известно о применении постоянных напряжений высокого уровня (300 В и 700 В) в отдельных перспективных поселках в Дании, Швеции и в других странах. Однако, такие решения требуют полной революции в подходе к энергетическому оснащению городов и промышленности. За такими решениями будущее, поскольку сегодня в доме и в промышленности уже достаточно редки приборы, которые питаются непосредственно от сети переменного тока без преобразования его в постоянный.

Концепция SY-Lighting посвящена созданию сверхэффективных светодиодных световых приборов и драйверов для промышленного применения, обладающих потрясающими характеристиками, достижение которых сегодня в мире не было возможно.

Концепция SY-Lighting (часть I) предлагает осуществлять основное питание светодиодов непосредственно от выпрямленного напряжения трехфазной сети (600…650 В), создание светильников и источников питания, гальванически связанных с сетевым напряжением.

Метод и концепция SY-Lighting в основном предназначена для организации мощных осветительных установок и систем:
— в промышленности;
— в сетевых магазинах;
— в торговых центрах;
— в уличном освещении;
— в дорожном освещении;
— на аэродромах и в аэропортах;
— на вокзалах;
— в спортивных сооружениях и т.д.

II. Основные преимущества осветителей SY-Lighting перед традиционными

1. Эффективность источников питания 0,98…0,99 и более.
2. Мощность источников питания в 5…30 раз меньше традиционных для одинаковой мощности световых приборов.
3. Коэффициент мощности близок к единице.
4. Низкие гармонические искажения (при реализации специальных мер).
5. Нет проблем пульсаций света (основная частота пульсаций ≥ 300Гц).
6. Повышение надежности и долговечности светильников в 2…3 раза.
7. Снижение стоимости световых приборов на 20…30%.
8. Снижение стоимости, веса и размеров источников питания в 4… 20 раз.
9. Повышение надежности источников питания в 2…3 раза за счет снижения мощности, отсутствия электролитов и, в ряде случаев, наличия в светильниках только светодиодов.
10. Простая реализация димминга, аварийного питания по тем же двум проводам питания светодиодов.
11. Снижение потерь в проводах питания за счет повышения питающего напряжения.
12. Полное отсутствие разбаланса фаз электрической сети независимо от состояния массы светильников (независимо от количества неисправных светильников).
13. Возможность предоставления гарантий на светильники в 10…15 лет ввиду наличия в них только светодиодов с защитой.
14. Простота создания сверхмощных световых приборов 2…5 кВт и более со световыми потоками 200…600 клм и более.
15. Простота создания массы маломощных осветителей с диммингом, аварийным освещением и стоимостью осветителей в 1,5…2 раза ниже, чем традиционных.
16. Резкое снижение стоимости обслуживания осветителей, вплоть до его полной ненужности ввиду наличия в недоступных местах (на мачтах, потолке и т.д.) только осветителей со светодиодами, а вся схемотехника в силовых шкафах или у основания мачт освещения в прямой доступности.
17. Коррекция исходного разбаланса фаз трехфазной сети при подключении мощных осветителей по системе SY-Lighting.
18. Облегчение создания осветителей IP67 и II класса по технике безопасности ввиду наличия в светильниках только светодиодов с защитой.
19. Улучшение экологии за счет снижения мощности источников питания и нагрева атмосферы на 5…12% по отношению к традиционным светильникам.
20. Прямая экономия электроэнергии на 5…12%.
21. Возможность применения стандартного однофазного источника тока в качестве компенсационного.

III. Что такое SY-Lighting?

Обилие разновидностей светодиодов с напряжениями от 2,7 В до 70 В и более позволяют достаточно просто питать светодиоды непосредственно от трехфазного выпрямителя, который дает ~ 14% пульсаций и напряжение 540 Вольт +10/-15%. Большим преимуществом трехфазного выпрямления является высокая частота основной гармоники пульсаций — 300Гц. Глазом такая пульсация не воспринимается и поэтому на таких частотах не нормируется (граница диапазона нормирования). Однако, большая нестабильность сетевого напряжения и разброс самих светодиодов по напряжению, не позволяет включать светодиоды непосредственно в сеть после выпрямителя, т.к. коэффициент полезного действия (эффективность) такой схемы весьма мал.

Если включить последовательно и согласно с выпрямителем другой источник питания, который представляет собой активный источник тока (рис.1 а) и включить последовательно с этими источниками питания цепочку светодиодов с общим напряжением равным суммарному напряжению двух источников питания, то мы получим систему, в которой выходное напряжение суммы источников всегда равно напряжению на светодиодах независимо от выходного напряжения выпрямителя (в определенных пределах), а ток в цепи зависит от установок в источнике тока.

РИС. 1 а. Схема светодиодного драйвера с активным источником тока, питающимся от однофазной сети переменного тока: U1 — выпрямленное напряжение трехфазной сети; U2 — напряжение на выходных клеммах активного источника тока; 3 – активный источник тока с питанием от однофазной сети АС; 4 – группа светодиодов.

РИС. 1 а. Схема светодиодного драйвера с активным источником тока, питающимся от однофазной сети переменного тока: U1 — выпрямленное напряжение трехфазной сети; U2 — напряжение на выходных клеммах активного источника тока; 3 – активный источник тока с питанием от однофазной сети АС; 4 – группа светодиодов.

Так, если напряжение на клеммах выпрямителя снижается из-за уменьшения напряжения сети, напряжение на клеммах источника тока увеличивается для сохранения суммарного напряжения равным напряжению нагрузки (в данном случае светодиоды) и наоборот при увеличении напряжения на выпрямителе, напряжение на выходных клеммах источника тока уменьшается, чтобы сохранить равновесие. Вполне очевидны ограничения данной схемы, для ее работы необходимо, чтобы напряжение работы светодиодов было в районе:
ULED ≈ Umax + Uо
где:
ULED — напряжение на светодиодах
Umax — максимально возможное напряжение выпрямителя;
Uо — начальное (минимальное) напряжение на клеммах источника тока.
Если номинальное напряжение на выходе выпрямителя равно 540 В, а нестабильность этого напряжения ± 10%, то максимальное напряжение на клеммах выпрямителя будет 594 В, а минимальное напряжение 486 В. Если условно Uо ≈ 0, то напряжение на клеммах источника тока должно изменяться в пределах от 0 В до 108 В и, соответственно, мощность источника тока должна быть в n раз меньше чем общая мощность, потребляемая нагрузкой (светодиодами):
η ≈ 594/108 ≈ 5,5 раз. Мощность, которая может быть потреблена от общего источника будет равна:
P = Umax x I, где I — ток в цепи светодиодов.

Если рассматривать светодиоды от мощностей 0,1 Вт (I = 30 мА) до 9 Вт (I ≈ 3 А), то при необходимом напряжении 600 В имеем общий диапазон мощностей световых приборов от 18 Вт до 1800 Вт. При этом мощность источника тока компенсирующего нестабильность напряжения на выпрямителе будет лежать в пределах от 3,3 Вт до 327 Вт.

Эффективность системы будет определяться потерями в трехфазном выпрямителе (доли процента) и потерями в источнике тока. Если эффективность источника тока η = 0,9 при номинальном напряжении на источнике тока U = 54 В, то общая мощность источника тока при напряжении на выпрямителе равном 540  В будет:
P₁ = U x I = 54 х I
Мощность потерь PIL = 0,1 x 54 x I, а общая мощность системы P∑ = 540I. Эффективность системы с учетом потерь в источнике тока и выпрямителе будет:
η1 = (540I-5,4I)/540I = 0,99
η2 ≈ 0,995
η∑ = η1 x η2 = 0,985
Где:
η1 — эффективность, зависящая от источника питания;
η2 — эффективность выпрямителя (условно);
η∑ — суммарная эффективность системы питания.
При напряжении выпрямителя равном 486 В эффективность будет несколько ниже, а при напряжении 594 В будет более 0,99.

Если источник тока должен компенсировать пульсации, то, соответственно, мощность источника тока будет не в 5,5 раз меньше, а в 4 раза и т.д. Чем меньше нестабильность сети, тем меньшей мощности нам нужен источник тока. Этот факт будет использован далее в конкретных решениях по драйверам.

На рис. 1б показана такая же схема, но активный источник тока питается от выпрямителя, что более правильно, т.к. исключает перекос фаз.

РИС. 1 б. Схема питания светодиодов от 3-х фазной сети с дополнительным источником тока: 1 — цепь светодиодов; 2 — активный источник тока.

РИС. 1 б. Схема питания светодиодов от 3-х фазной сети с дополнительным источником тока: 1 — цепь светодиодов; 2 — активный источник тока.

Если мы имеем нестабильность сети 5 %, то при той же эффективности источника тока, общая эффективность системы будет уже 0,9953 (!) (без потерь на диодах), а необходимая мощность источника тока в 21 раз (!) меньше, чем общая мощность системы. Так, если нам нужно получить мощность на светодиодах 1 кВт, то мощность источника тока всего 48 Вт! Однако, при снижении мощности источника тока следует учитывать наличие пульсаций и другие факторы.

На рис. 2 показана схема питания светодиодов от двух источников напряжения (3-х фазный выпрямитель, источник напряжения адаптивный ИПАД) и источник тока, включенные последовательно с светодиодами. Управление адаптивным источником производится от датчика напряжения выпрямителя трехфазной сети D.T.

РИС. 2. Схема питания светодиодов от двух источников напряжения с управлением от датчика напряжения: U₁ — основной источник напряжения нестабилизированный (в случае трёхфазной сети, диапазон напряжений от 486 В до 620 В); ИПАД – источник напряжения адаптивный; D.T. —датчик управляющего сигнала на управление ИПАD; C — выходная емкость ИПАD; D₁...Dn —светодиоды; I — источник тока.

РИС. 2. Схема питания светодиодов от двух источников напряжения с управлением от датчика напряжения: U₁ — основной источник напряжения нестабилизированный (в случае трёхфазной сети, диапазон напряжений от 486 В до 620 В); ИПАД – источник напряжения адаптивный; D.T. —датчик управляющего сигнала на управление ИПАД; C — выходная емкость ИПАД; D₁…Dn —светодиоды; I — источник тока.

Источник тока может быть пассивный или активный. Чем больше напряжение с выпрямителя, тем меньше напряжение на ИПАД и наоборот.

Датчик напряжения может быть подключен к суммарному напряжению (выпрямитель ИПАД).

На рис. 3 показана схема питания светодиодов с управлением напряжением ИПАД от напряжения на источнике тока.

РИС. 3. Схема питания светодиодов с управлением от тока светодиодов

РИС. 3. Схема питания светодиодов с управлением от тока светодиодов

Для того, чтобы существенно снизить мощность источников тока (напряжения) в системе при определённой (заданной по стандарту) нестабильности напряжения сети можно применить сдедующую схему: рис. 4.

РИС. 4. Упрощенная схема питания светодиодов от трехфазного выпрямленного напряжения с источником тока и компенсаторами изменения входного напряжения. 1. D1…Dn — основная группа светодиодов 2. Dn+1…Dn+n1 — группа светодиодов, участвующая в компенсации изменения входного напряжения; 3. U1 — основной источник мощности (от выпрямителя 3-х фазной сети); 4. Стабилизатор тока с возможностью регулировки уровня тока (мощность в n раз меньше мощности осветительного прибора); 5. П1a — переключатель количества работающих светодиодов 6. П1б — переключатель тока светодиодов 7. Контроллер, управляющий переключателями в зависимости от уровня входного напряжения.

РИС. 4. Упрощенная схема питания светодиодов от трехфазного выпрямленного напряжения с источником тока и компенсаторами изменения входного напряжения. 1. D1…Dn — основная группа светодиодов 2. Dn+1…Dn+n1 — группа светодиодов, участвующая в компенсации изменения входного напряжения; 3. U1 — основной источник мощности (от выпрямителя 3-х фазной сети); 4. Стабилизатор тока с возможностью регулировки уровня тока (мощность в n раз меньше мощности осветительного прибора); 5. П1a — переключатель количества работающих светодиодов 6. П1б — переключатель тока светодиодов 7. Контроллер, управляющий переключателями в зависимости от уровня входного напряжения.

Смысл этой схемы в том, что контроллер 7 анализирует входное напряжение или напряжение на выходе источника тока и соответственно с этим управляет электронными переключателями П1а и П1б. П1а подключает к схеме нужное число светодиодов, а П1б одновременно корректирует общий ток. Так, если напряжение сети уменьшилось на величину более чем заданное, то количество подключенных светодиодов уменьшается, а чтобы компенсировать потерю мощности на светодиодах, ток в цепи увеличивается на такую величину, чтобы общая мощность на светодиодах была постоянной. Для того, чтобы пульсации не мешали снижению диапазона регулировки тока в пределах зоны переключения, в общую цепь может быть включён двухполюсник снижающей пульсации менее 1%, а информацию о изменении входного напряжения можно снимать с помощью специальной схемы делителя с конденсатором. При включении двухполюсника эффективность системы снижается.

Эта схема имеет особенность, что контроллер 7 и датчик входного напряжения, источник тока 4, оба переключателя должны находиться вблизи светодиодов (желательно на той же плате что и светодиоды). В этом случае к плате светодиодов приходит только 2 провода от выпрямителя. Выпрямитель может быть расположен в силовом щите, в основании осветительного столба и т.д. Такое решение не слишком удачно, поскольку в осветителе сосредоточено много компонентов, его надежность уменьшается. Ниже описана схема, когда на плате светодиодов находится только один переключатель светодиодов.

На рис. 5 а, б показаны схемы, которые территориально разделены, рис. 5 а — схема вне осветителя, включает в себя выпрямитель, управляемый источник тока, анализатор входного или выходного напряжения. Это устройство находится вне осветителя и выдает нестабилизированное напряжение без пульсаций, где выходной ток зависит от входного напряжения.

РИС. 5 а. Схема стабилизации и переключения тока (вне светового прибора)

РИС. 5 а. Схема стабилизации и переключения тока (вне светового прибора)

На рис. 5 б показана схема, которая смонтирована на осветителе, где анализатор тока через контроллер управляет переключателем П₁, включающим в цепь питания определённое количество светодиодов.

РИС. 5 б. Схема стабилизации мощности излучения светодиодов путём переключения их количества (в световом приборе)

РИС. 5 б. Схема стабилизации мощности излучения светодиодов путём переключения их количества (в световом приборе)

На рис. 6 а показана схема, где вне осветителя находится схема формирования нестабилизированного напряжения, но без пульсаций, а на рис. 6 б, в  два варианта схем находящихся в непосредственной близости от светодиодов (в осветителе). В схеме 6 б мощность источника тока может быть меньше 10% от общей мощности осветителя.

РИС. 6 а. Схема устранения пульсаций (вне светильника)

РИС. 6 а. Схема устранения пульсаций (вне светильника)

РИС. 6 б. Схема стабилизации мощности осветителей с переключением количества светодиодов. I1, I2 — активные источники тока

РИС. 6 б. Схема стабилизации мощности осветителей с переключением количества светодиодов. I1, I2 — активные источники тока

РИС. 6 в. Схема стабилизации мощности осветителей, упрощенный вариант. I1, I2 — активные источники тока

РИС. 6 в. Схема стабилизации мощности осветителей, упрощенный вариант. I1, I2 — активные источники тока

Может быть множество вариантов схем управления светодиодами, но общая мощность источников тока (напряжения) должна в той или иной мере (полностью или частично) перекрывать следующее:
— нестабильность сетевого напряжения (может быть 25%);
— пульсации после выпрямителя (~ 14%);
— разброс светодиодов по напряжению в пределах одного бина (~ 8%);
— температурное изменение напряжения на светодиодах (до 8% в зависимости от температурного диапазона работы светильника).

Заключение

При работе с 3-х фазным выпрямителем в каждой фазе возникают разрывы тока, поскольку ток течет только на «верхушках» полусинусоид, а во время нарастания и спадания напряжения (на «хвостах») тока нет. Из-за этого в сеть идет эмиссия, которая выражается в увеличении содержания нечетных гармоник 3, 5, 7 и т.д., уровень которых может превышать допустимые нормы.

Эти вопросы и конкретное применение SY-Lighting для различных видов освещения — это тема следующего обсуждения

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »

(function (d, w, c) { (w[c] = w[c] || []).push(function() { try { w.yaCounter33329553 = new Ya.Metrika({ id:33329553, clickmap:true, trackLinks:true, accurateTrackBounce:true, webvisor:true }); } catch(e) { } }); var n = d.getElementsByTagName("script")[0], s = d.createElement("script"), f = function () { n.parentNode.insertBefore(s, n); }; s.type = "text/javascript"; s.async = true; s.src = "https://mc.yandex.ru/metrika/watch.js"; if (w.opera == "[object Opera]") { d.addEventListener("DOMContentLoaded", f, false); } else { f(); } })(document, window, "yandex_metrika_callbacks");