УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО КОНСТРУКТИВНОГО МОДУЛЯ (МАК) ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ
DEVICE OF AUTONOMOUS STRUCTURAL MODULE (ASM) FOR AUTOMATIC CONTROL OF ILLUMINATION

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для автоматизации электроосвещения в местах общего пользования жилых зданий, учреждений, больницах, многоярусных гаражах и т.д.
Известен электронный выключатель «Лужок», предназначенный для управления светильниками одного этажа, сущность работы которого заключается в том, что на всех дверях этажа установлены герконовые датчики, сигналы с которых передаются на контроллер, с выхода которого производится управление горением каждого светильника этого этажа [1].
Недостатком выключателя «Лужок» является необходимость коммутации при его монтаже электрическими проводами со всеми датчиками этажа и двумя выключателями смежных этажей с применением двух кнопок для ручного включения освещения при переходе пешком с этажа на другой этаж. Все это связано с необходимостью сверления и пробивания отверстий, что приводит к существенному повышению трудоемкости, а также относительному снижению надежности выключателя, т.к. одно электронное устройство управляет всеми светильниками данного и двух смежных этажей. Поэтому при выходе его из строя одновременно гаснут шесть-восемь светильников на трех этажах лестничной клетки.
Также известны два способа дистанционного включения светильников на лестничных клетках жилых зданий. Первый способ заключается в том, что входящий с улицы на лестничную клетку человек включает электроосвещение на лестничной клетке с помощью лестничного включающего устройства, которое через интервал времени автоматически отключается [2]. Второй способ заключается в том, что в каждой квартире устанавливают квартирное включающее устройство, соединенное проводами с лестничным включающим устройством, один из которых соединен с водопроводной трубой [3].
Недостатками первого и второго способов является то, что в обоих случаях светильники управляются вручную, и требуется дополнительная прокладка проводов от кнопок к включающему устройству и от него - к светильникам.
Известна близкая по технической сущности к заявляемому изобретению переносная накальная лампа для охранной сигнализации, представляющая собой агрегат, состоящий из отдельных блоков - неавтономных агрегатных модулей, в одном из которых помещен контроллер с установленным в нем датчиком звука, управляющий работой этого светильника [4].
Недостатками такой агрегатно-модульной конструкции является его функциональная завершенность и конструктивная ограниченность, а также включение накальной лампы без предварительного прогрева нитей накала, поэтому применима только для конкретной узкоспециальной цели - охраны объекта и не приемлема в качестве автономной универсальной комплектующей единицы управления для всех типов светильников.
Известны различные способы автоматического управления освещением для люминесцентных и накальных ламп, основанные на применении датчиков движения, воспринимающих передвижение человека; пирометрических датчиков, воспринимающих ИК излучения при появлении человека; фотодатчиков, управляющих освещением по принципу «день-ночь»; звуковых датчиков, управляющих освещением в зависимости от шумов, возникающих от присутствия человека.
Недостатком перечисленных способов является резкое снижение ресурса ламп из-за недопустимости их интенсивного включения-отключения без предварительного прогрева нитей накала для накальных ламп, а для люминесцентных ламп - интенсивные переключения путем отключения напряжения на лампе.
Поэтому эти схемы не нашли широкого применения в практике и используются в ограниченном масштабе в узкоспециальных целях.
Наиболее близким к заявляемому способу является, выбранный в качестве прототипа, широко применяемый способ высокоэффективного энергосбережения, при котором изменение светоотдачи люминесцентного светильника происходит путем изменения тока ионизации в люминесцентной лампе по сигналу фотодатчика в зависимости от изменения освещенности помещения [5].
Недостаток известного способа и устройства - электронного балласта (или т.н. официально - электронного пускорегулирующего аппарата - ЭПРА) заключается в отсутствии возможности управления светоотдачей лампы в зависимости от длительности присутствия человека в данном месте.
Целью изобретения является повышение энергосбережения за счет повышения эффективности управления светоотдачей люминесцентного или светодиодного светильника в зависимости от длительности присутствия человека в данном месте.
Поставленная цель достигается тем, что способ изменения светоотдачи люминесцентного светильника, заключающийся в плавном изменении светоотдачи по сигналу фотодатчика в функции от величины освещенности помещения, отличается тем, что изменение светоотдачи люминесцентного светильника производится дискретно в два уровня по сигналу датчика звука в функции от длительности пребывания человека в помещении.
Поставленная цель достигается также тем, что электронный балласт, содержащий фильтр защиты от помех, выпрямительный мост, корректор коэффициента мощности, а также инвертор переменной частоты, выходной контур и микропроцессор, обеспечивающие плавное изменение светоотдачи люминесцентного светильника, отличается тем, что электронный балласт снабжен дополнительным автономным блоком управления - модулем автономным конструктивным МАК, содержащим датчик звука и микропроцессор, обеспечивающие двухуровневое управление электронного балласта люминесцентного светильника или электронной схемы управления светодиодного светильника по оригинальной программе, реализующей самонастройку длительности максимальной светоотдачи люминесцентного или светодиодного светильника в функции от интенсивности движения людей на программируемый базовый инвариантный интервал времени, а также обеспечивает принудительную максимальную светоотдачу светильника интегрально по командам человека и предупредительную сигнализацию перед переходом на минимальную светоотдачу светильника.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового блока - модуля автономного конструктивного МАК с датчиком звука и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Известно техническое решение [5], в котором производится плавное изменение светоотдачи люминесцентной лампы по сигналу фотодатчика в зависимости от яркости солнечного света в помещении. Однако этот способ не позволяет производить управление длительностью максимальной светоотдачи светильника в зависимости от длительности пребывания человека в данном месте. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «существенные отличия».
На чертеже представлена блок-схема электронного балласта с блоком управления светоотдачей светильника МАК. В таблице 1 приведена эффективность применения МАК и его окупаемость на конкретном примере.
Блок-схема включает в себя фильтр защиты от EMI-помех [1]; выпрямительный мост [2], обеспечивающий питанием электрическую схему электронного балласта; корректор коэффициента мощности [3], обеспечивающий высокий коэффициент мощности 0,998, малые гармонические искажения и регулировку шины постоянного тока; инвертор переменной частоты [4], управляющий светоотдачей люминесцентной лампы; выходной контур [5], обеспечивающий люминесцентную лампу напряжением до 600 вольт с частотой до 50 кГц; микропроцессор [6], осуществляющий программное управление параметров предварительного разогрева (частота, время), наклона характеристики зажигания, а также рабочей частоты; блок управления длительностью максимальной светоотдачи светильника - модуль автономный конструктивный МАК [7], содержащий микропроцессор [8], управляющий работой электронного балласта по специальному алгоритму посредством звукового датчика [9].
Блок управления МАК работает следующим образом. Микропроцессор [8] по сигналу звукового датчика [9] программно управляет двумя режимами светоотдачи светильника:
- «Режим 1» (человек появился) - 100% светоотдачи светильника;
- «Режим 2» (человек отсутствует) - 5-25% от максимальной светоотдачи. Этот режим является дежурным освещением. Настраивается по требованию потребителя при выпуске из производства. Его значение определяется нормативными документами и зависит от площади освещаемой поверхности, на поверхности которой должно быть не менее 0,5 люкса.
В «Режиме 1» светильник работает 0,5-1 ч в сутки, в зависимости от количества жильцов, проживающих на одном этаже, а в «Режиме 2» - 23-23,5 ч.
В часы «пик», когда происходит максимальное передвижение людей в доме, и, в первую очередь, в холле, МАК но специальной математической формуле производит самонастройку длительности беспрерывного горения светильника в «Режиме 1», т.е. сокращает количество непроизводительных переключений светильника, что до предела сокращает время его горения в этом режиме. При работе светильника в «Режиме 2» существенно уменьшается скорость деградации люминофора, как в люминесцентных, так и в светодиодных лампах, поэтому значительно увеличивается их ресурс.
МАК также обеспечивает следующие дополнительные функции: первая - имеет отдельный вход для подключения датчика движения или фотодатчика для работы в режиме день-ночь; вторая - перед отключением, во время присутствия человека в данном месте, светильник издает однократный короткий «писк» или учащенное мигание, после которого человек, при необходимости, может продлить непрерывное горение светильника на необходимый ему интервал времени путем, например, хлопков в ладоши или покашливанием и т.д.; третья - возможность использования светильника в качестве охранной сигнализации на дачах, а также в ЖКХ для защиты чердаков, подвалов и т.д. с выходом сигнала на диспетчерский пункт или на источник мощного звукового сигнала.
Одним из существенных признаков, характеризующих эффективность применения МАК, является оптимальный выбор длительности программируемого базового инвариантного интервала времени, который включает светильник на определенный интервал времени при появлении человека. В нашем случае выбрана длительность работы светильника в «Режиме 1», равной 30 сек. Этого времени вполне достаточно человеку для открытия-закрытия двери квартиры и отсека, включая проход по коридору, при котором от возникающих многочисленных шумов происходит многоразовое автоматическое переключение светильника на следующий базовый инвариантный интервал времени, что до предела минимизирует время горения светильника в «Режиме 1». После закрытия двери отсека или квартиры светильник продолжает светиться на время, равное одному базовому инвариантному интервалу, т.е. 30 секунд. Базовый инвариантный интервал времени также используется для принудительного программирования светильника человеком с пола путем хлопков в ладоши, от количества которых время принудительного горения светильника в «Режиме 1» интегрально увеличивается количеству хлопков. Причем первые два хлопка должны производиться в течение 1-2 секунд. Этот отрезок времени, в отличие от других звуков, поступающих с более удлиненным интервалом времени, необходим для начала принудительного программирования свечения светильника в «Режиме 1».
МАК является универсальной комплектующей единицей, также применимой для использования в светодиодных светильниках. Для перевода люминесцентных светильников в светодиодные специально разработаны автономные модули - универсальные линейки светодиодные автономные - ЛИСА-3 и ЛИСА-4 с установленными в них соответственно по 3 и 4 светодиодными лампами. В этих линейках использованы светодиодные лампы мощностью по 1 ватту со светоотдачей 114 лм/вт каждая (для сравнения - накальная лампа - 10-15 лм/вт; люминесцентная - 80-90 лм/вт).
Одним из существенных положительных признаков светодиодных линеек является их применение с питающим напряжением ~36 вольт, что облегчает режим работы микропроцессора, уравнивая надежность его работы с надежностью светодиода, и обеспечивает срок службы светильника 10-ю годами. Количество линеек в каждом типе светильника зависит линейно от его мощности и выполнения требований нормативных документов к освещаемой площади. Например, для модернизации люминесцентного светильника с двумя лампами по 18 ватт каждая потребуется 6 штук ЛИСА-4 и один МАК, а для 11-ваттного светильника с компактной лампой - 2 штуки ЛИСА-4 и один МАК.
Оригинальный алгоритм управления придает светильнику, если его рассматривать как систему, ряд следующих позитивных качеств: во-первых, адаптации - возможность групповой (в длинных коридорах) или одиночной установок светильников; во-вторых, адаптивность - самонастройка длительности «Режима 1», автоматическое переключение режимов 1 и 2, дистанционное принудительное программирование длительности горения светильника в «Режиме 1».
Таким образом, наличие функций оптимизации времени длительности горения светильника в двух режимах на основе программирования минимального инвариантного базового интервала времени, а также самонастройки длительности работы светильника в «Режиме 1» позволяют программно уменьшать до бесконечности время непроизводительной работы светильника в этом режиме при отсутствии человека, что обеспечивает предельно высокую - супервысокую экономию электроэнергии, которую теоретически и практически превзойти уже невозможно без ущерба освещенности места пребывания человека.
МАК, ЛИСА-3 и ЛИСА-4 являются универсальными автономными блоками, габариты которых специально разработаны для установки практически в любой люминесцентный светильник массового потребления. Модернизация любого люминесцентного светильника в светодиодный настолько проста, что не требует внесения в него существенных конструктивных изменений, и это позволяет заводу-изготовителю светильников без потери времени на подготовку производства перейти на серийный выпуск супервысокоэнергосберегающих люминесцентных или светодиодных светильников. Более того, потребитель, имея в наличии старые люминесцентные светильники в удовлетворительном состоянии, может самостоятельно их модернизировать на своем производстве.
Высокие эксплуатационные качества люминесцентных и светодиодных светильников обусловлены, прежде всего, их надежностью, а, во-вторых, возможностью замены вышедшего из строя светильника на светильник из обменного фонда потребителя с последующей его заменой на светильник из обменного фонда завода-изготовителя с доплатой за ремонт. Этим исключается необходимость создания разветвленной инфраструктуры для квалифицированного обслуживания интеллектуальных светильников.
По мировой статистике показатель энергопотребления в освещении один из самых высоких и составляет по различным оценкам 15÷23% от вырабатываемой в стране электроэнергии. Поэтому освещение является одной из потенциально эффективных областей экономии энергоресурсов.
Принятые во многих странах программы по сбережению электроэнергии на освещение имеют самостоятельный раздел по осветительным установкам, по которому предписывается резкое снижение расхода электроэнергии на освещение на 20-25% за счет повышения качества изделий (для сравнения - в предлагаемом изобретении экономия превышает мировые рекомендации в 3-3,5 раза).
Во многих странах Европы запрещено применение накальных ламп, и в последнее время весь мир все больше обращает внимание на светодиодные лампы, как единственное альтернативное решение люминесцентным лампам. Мировые производители светодиодных ламп по мере совершенствования нанотехнологических процессов ежегодно улучшают их светотехнические характеристики и до 2017 года, по мировым прогнозам, должна быть создана лампа, которая по светоотдаче успешно заменит люминесцентную лампу.
Люминесцентные лампы, помимо перечисленных выше недостатков, обладают еще одним существенным недостатком - нанесение существенного вреда окружающей среде, т.к. каждая лампа содержит 52 мг паров ртути. А в целом по России в год их утилизируется свыше 70 миллионов штук.
Но люминесцентные светильники, укомплектованные блоком управления МАК с учетом факторов супервысокого энергосбережения и повышения ресурса люминесцентных ламп за счет снижения деградации люминофора, а также более низкой стоимости по сравнению со светодиодными светильниками, пока еще останутся в обозримом будущем стандартным массовым осветительным набором для применения в ЖКХ.
В предлагаемом изобретении минимальная экономия электроэнергии по определению не может быть ниже 98% (в случае замены накальных ламп мощностью 100 ватт каждая с круглосуточной длительностью горения).
В качестве реального масштабного примера, основанного на официальных данных, показательна эффективность предлагаемого изобретения по г.Москве, потребляющей в год электроэнергии свыше 30 млрд. кВт·ч в год. По мировой статистике, как сказано выше, расход электроэнергии на освещение достигает 15-23%. Если взять для точности расчета 10%, то экономия составит свыше 3 млрд. кВт·ч в год.
В настоящее время проведены испытания светодиодных светильников, которые подтвердили теоретические расчеты по супервысокому энергосбережению, и на ОАО «МЭЛ» готовится выпуск установочной серии и их сертификация.
Источники информации
1. Патент 2086079.
2. Патент ГДР 212156, кл. Н05В 39/4 от 1984 г.
3. Свидетельство 13285.
4. Патент США 4630248 от 16.12.1986 г.
5. Журнал «Электрик» №9-10/2006 г. Стр.23-25.
Таблица
РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ В 30 ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ ПО МОРАВСКОМУ ПЕРЕУЛКУ г.С.ПЕТЕРБУРГА1. Исходные данные:- Количество светильников - 2520 штук;- Мощность заменяемых ламп - 100 вт (0,1 кВт);- длительность горения ламп в течение суток:- в «Режиме 1» (появился человек) 1 ч в сутки круглогодично.Потребление 8 светодиодами мощности - 8 Вт (0,008 кВт);- в «Режиме 2/ (отсутствуют люди) - 23 ч в сутки круглогодично.Потребляемая мощность 8 светодиодамипри светоотдаче 15% - 1,6 Вт (0,0016 кВт);- Стоимость одного светильника - 2500 руб.2. Расчет:
Есть на сегодняшний день:
Будет:
1. Расход электроэнергии за 1 год:
1. Расход электроэнергии за 1 год
в режиме 1:
(0,1 кВт ×2520 шт. ×24 ч)
- (0,008 кВт ×2520 шт. ×1 ч) ×360 дней=
×360 дней=
7200 кВт·ч/год;
2177000 кВт·ч/год,
в режиме 2:
- (0,0016 кВт ×2520 шт. ×23 ч) ×360 дней=
33380 кВт·ч/год;
или в рублях:
- Σ=(33380+7200) кВт·ч/год=
2177000 x2 руб.=
40580 кВт·ч/год, или в рублях
4354000 руб.
40580x2 руб.=81160 руб.
2. Годовая экономия:
(2177000-40580) кВт·ч/год=
2136420 кВт·ч/год, или в рублях
2136420×2 руб.=4272840 руб.
- Стоимость всех светильников:
2520 шт. ×2500 руб.=
6300000 руб.;
3. Окупаемость затрат:
6300000 руб.:4354000 руб.=1,5 года;
4. Эффективность:
100% - (81160×100%):4354000=98%.