Немалой частью коммунального хозяйства населенных пунктов является освещение улиц. Затраты на это освещение составляет до 30-40 % всех затрат на энергоснабжение. Для уменьшения расходов на электроэнергию и повышения комфортности обслуживания осветительной системы внедряются новые методы, включающие автоматизированное управление освещением уличным.
Задачи автоматизации
Основные задачи автоматизации освещения на улицах включают:
- бесперебойное освещение улиц и транспортных магистралей;
- обеспечение экономии энергии при сохранении качества освещения;
- уменьшение затрат на обслуживание осветительных систем.
Для реализации этих задач используются как автономное оборудование, так и системы автоматизации.
Системы освещения и их характеристики
Новейшими элементами систем освещения являются светодиодные лампы, которые очень экономичны и надежны. Но перевод уличного освещения на такие источники света потребуют больших затрат и времени. Пока же на большинство улиц освещаются газоразрядными лампами.
Для управления такими лампами используются балласты. Балласты бывают двух типов:
- индукционный;
- электронный.
С помощью индукционного балласта в схеме создается скачок тока, благодаря которому в момент включения возникает высокое напряжение в 2-3 кВ и осуществляется поджиг газоразрядной лампы. В процессе работы лампы такой балласт, представляющий собой дроссель, ограничивает мощность.
Индукционный балласт имеет следующие недостатки:
- наличие громоздкого дросселя и ненадежного стартера;
- мерцание света с частотой сети (стробирование);
- низкий кпд.
При этом балласт такого типа увеличивает сдвиг фаз (уменьшает cos φ). Для исправления этого воздействия приходится включать дополнительные конденсаторы и использовать схемы встречного включения ламп.
Электронный балласт представляет собой электронное устройство, обеспечивающее поджиг лампы и поддерживающее на ее выводах необходимое для горения напряжение.
Схема электронного балласта включает следующие блоки:
- фильтр;
- выпрямитель со сглаживающим фильтром;
- инвертор;
- дроссель.
Фильтр предназначен для фильтрации поступающих из сети помех и помех, возникающих в схеме питания лампы. Выпрямитель предназначен для получения постоянного напряжения, питающего инвертор.
Инвертор генерирует колебания с частотой 10 — 20 кГц. Нагрузкой инвертора является трансформатор, в котором генерируются напряжение для поджига лампы, а также напряжение для поддержания горения.
При использовании электронного балласта:
- устраняется мерцание;
- увеличивается яркость излучения лампы;
- уменьшаются габариты компонентов устройства;
- повышается кпд;
- при использовании режима широтной импульсной модуляции обеспечивается возможность регулировки яркости;
- увеличивается срок службы ламп за счет программированного старта поджига. При этом вначале прогревается катод лампы, а потом поджигается дуга.
Способы управления
Уличное освещение может управляться следующими способами:
- ручной;
- датчик освещенности;
- реле времени;
- микропроцессорные системы.
Ручное управление уличным освещением – это включение/выключение питания по определенному графику непосредственно на подстанции рабочим. Недостаток – привлечение дополнительного персонала и неудобные условия работы.
Датчик освещенности управляет включением ламп на основании интенсивности естественного света солнца. Недостатки:
- ограничения при калибровке датчика;
- воздействие на датчик пыли, грязи и снега;
- невозможность использования энергосберегающих методов.
Реле времени ориентируется на заданные параметры времени. Отсюда вытекает и основной недостаток такого управления освещением улицы:
- постоянная корректировка настроек реле, учитывая продолжительность дня и ночи по временам года.
Наиболее продвинутыми являются системы управления, использующие процессоры и, в частности, автоматические системы управления (АСУ). В состав типовых АСУ входят:
- сервер;
- автоматизированные рабочие места;
- модемы и линии связи с объектами управления;
- шкафы и блоки управления источниками света.
Как работает АСУ
АСУ уличным освещением выполняет следующие задачи:
- автоматическое и ручное управление. Включает и команды диспетчера, и учет показаний датчика освещенности и т.п.
- контроль работы пусковых устройств;
- автоматическое снятие и фиксация показаний сети. Благодаря этому возможно осуществление анализа работы осветительной системы, в том числе и определения перегоревших ламп, непосредственно на диспетчерском пункте, без выезда на место.
При управлении по графику включение ламп производится по дате и времени суток. После ввода графика АСУ может управлять работой освещения целый год без вмешательства оператора.
После формирования программным обеспечением команда управления по линии связи передается на балласт, представляющий в данном случае исполнительный механизм.
В качестве линии связи используются:
- слаботочные линии связи (витая пара);
- радиосвязь;
- сотовая связь;
- передача ВЧ сигнала по кабелю.
В каждом случае учитываются достоинства и недостатки линии связи. Например, при использовании витой пары можно передавать команды на каждую лампу, но для этого на каждой лампе должен быть установлен собственный блок. При этом для такой линии требуется обязательная корректировка таймера.
Линия связи с использованием GSM не требует больших затрат на ее реализацию, но для ее функционирования необходимы СИМ — карты и за ее использование необходимо платить оператору.
Такая линия связи работает только в зоне действия оператора связи, а ее надежность зависит от загруженности системы GSM другими пользователями.
Использование для передачи команд силовых кабелей может привести к ошибкам при пробое кабеля. Длина такой линии связи не должна быть больше 1 км.
При использовании радиоканала необходима приемопередающая аппаратура, работа которой может быть подвержена влиянию радиопомех или влиянию зон радиотени.
По возможностям обслуживания линию связи с витой парой можно применять в небольшом городке или районе большого города, линию связи с GSM – в городе или ближайшем пригороде, линию связи по силовым кабелям – в пределах квартала, а радиолинию – в городе, пригороде и вдоль автотрасс.
Оборудование для автоматизации освещения
Наряду со средствами типа АСУ для управления освещением улицы, дома или загородного участка используются следующие устройства:
- датчик освещенности;
- датчик движения;
- реле времени;
- астрономическое реле;
- диммер.
Датчик освещенности
Датчик освещенности (сумеречный выключатель) предназначен для автоматического включения и выключения освещения в зависимости от освещенности местности.
Принцип действия этого датчика состоит в том, что световой поток воздействует на фоточувствительный элемент (фоторезистор, фототранзистор, фотодиод), который включен в электронную схему. В результате изменения протекающего в схеме тока происходит срабатывание включенного в эту схему реле. Контакты реле размыкаются и светильник выключается.
Основные характеристики датчика освещенности:
- мощность или ток нагрузки;
- порог срабатывания;
- задержка срабатывания;
- степень защищенности.
Важнейшим параметром датчика является мощность нагрузки. При выборе датчика необходимо, чтобы мощность светильника была равна или меньше допустимой мощности. Эта мощность для большинства промышленных датчиков лежит в пределах 1,5 -2 кВт.
Порог срабатывания датчика определяется освещенностью. У большинства датчиков освещенности этот параметр можно регулировать. Его значение лежит в пределах от 2 до 200 лк.
При установке чувствительности датчика необходимо учитывать, что освещенность в 5 лк соответствует темноте, при которой можно различить отдельные предметы, а при освещенности в 2 лк наступает полная темнота.
Задержка срабатывания предназначена для защиты срабатывания датчика от ложных сигналов, возникающих, например, при попадании в рабочую зону датчика тени от дерева или света фар. Эта задержка равна 15-60 сек.
При размещении датчика на улице на него может воздействовать пыль или влага. Поэтому датчики освещенности должны иметь повышенную степень защищенности (не хуже IP44).
Датчики движения
Наряду с датчиками освещенности для автоматизации управления освещением на улице используются датчики движения. Датчики могут быть как встроенные, так и выносные.
Принцип действия таких датчиков состоит в реагировании на появление движущегося предмета. Для наиболее распространенных инфракрасных датчиков используется информация об изменении излучения света в ИК диапазоне. Основные параметры таких датчиков:
- мощность нагрузки;
- дальность действия;
- угол обзора;
- время задержки срабатывания.
После установки такого датчика производится регулировка его параметров. В большинстве моделей датчиков движения регулируются:
- чувствительность (SENS);
- освещенность (LUX);
- время задержки (TIME).
С помощью первой регулировки устанавливается дальность срабатывания датчика, с помощью второй – порог срабатывания по освещенности, с помощью третьей – выдержка времени включения датчика.
Таймер
Таймер включает и выключение освещение на основании определённых часов суток. Недостаток – необходимость подстраивать устройство из-за ежедневного изменения времени восхода и захода солнца.
Более точный вариант – цифровой астрономический таймер, в который предустановлена программа определения времени захода и восхода солнца по заданным широте и долготе места работы источника света. В соответствии с этой информацией производится включение и выключение освещения.
Такой таймер может переключать чисто активную нагрузку с током в 16 А (для переключения индуктивной нагрузки этот ток равен 4 А). Для подключения более мощных ламп освещения необходимо подключить магнитный пускатель. Астрономические таймеры можно устанавливать в распределительный щит, а степень их защиты не превышает IP20.
Диммеры
Для небольших систем освещения, для которых экономически невыгодно использовать централизованную регулировку яркости ламп освещения, используются автономные диммеры.
Например, диммер типа К2303 может ночью переключать освещение в режим пониженного энергопотребления (до 75-50 % от номинальной величины). Это позволяет сэкономить потребляемую энергию.
Диммер может работать как с газоразрядными светильниками, так и со светодиодными. Прибор устанавливается в каждый светильник уличного освещения. С помощью специальных переключателей на диммере устанавливается режим работы, а также временной график переключения на пониженную мощность. Диммер такого типа может работать также с датчиком движения. При этом при отсутствии в зоне действия датчика движущегося человека или автомобиля лампы освещения будут гореть тускло, а при появлении движущегося предмета они станут гореть на полную мощность.
Выводы
- Для управления уличным освещением, в котором применяются газоразрядные лампы с индукционным или электронным балластом, могут использоваться как отдельные автономные средства автоматизации, так и сложные АСУ.
- В качестве автономных средств автоматизации освещения используются датчики освещенности, движения, реле времени, диммеры.
- Для обеспечения связи пункта управления освещением со светильниками могут применяться слаботочные линии связи, линии сотовой связи, линии связи с использованием силовых кабелей и радиолинии.