載波調(diào)光技術(shù)及其在照明工程中的應(yīng)用*

商洪亮, 廖聞迪, 李世軍, 江欽彬, 曾凡杰

(1.深圳市英可瑞科技股份有限公司, 廣東 深圳 518000;2.深圳市英可瑞直流技術(shù)有限公司, 廣東 深圳 518000;3.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411101)

0 引 言

2017年初發(fā)布的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中將節(jié)約資源納入基本國策,強調(diào)以提高能源利用效率為目標(biāo),加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會[1]。軌道交通站、中/大型商業(yè)中心、城市道路及隧道等規(guī)模化照明供電領(lǐng)域的節(jié)能問題、行業(yè)廣泛存在的高效照明需求、核心問題及對應(yīng)技術(shù)在于被動節(jié)能、主動節(jié)能[2-4]。因此,采用“直流集中照明+直流母線載波調(diào)光”為核心技術(shù)[5-6]的規(guī)模化照明工程自2017年起由英可瑞等企業(yè)主導(dǎo)研發(fā)并大規(guī)模投入實際應(yīng)用。至2020年,新增項目規(guī)模年增速100%以上,顯示出強大的市場競爭力與技術(shù)優(yōu)勢。

當(dāng)前直流照明工程主要是直流母線電壓調(diào)光,缺點在于當(dāng)直流線路較長時,尾端燈具輸入端壓降遠(yuǎn)大于始端壓降,造成電路首尾燈具亮度差異較大[7-10]。但是這種調(diào)光方法的問題是安裝錯位會導(dǎo)致錯誤的燈光響應(yīng),導(dǎo)致大型工程施工極為困難。

本文提出一種載波調(diào)光技術(shù),并進(jìn)行了某地鐵實際工程驗證。

1 新型載波調(diào)光配電方案

新型載波調(diào)光技術(shù)的配電方案如圖1所示。

該配電方案特點如下:

(1) 交流電源經(jīng)集中直流配電柜轉(zhuǎn)換為直流電,經(jīng)直流母線、分回路輸送到直流燈具組。

圖1 新型載波調(diào)光技術(shù)的配電方案

(2) 每個直流配電回路上串聯(lián)一個調(diào)光模塊,這一模塊集成了供電和將調(diào)光信號以載波形式耦合到配電回路的功能。

(3) 配電回路上每個燈具驅(qū)動電源都集成相同的載波解碼和燈具調(diào)光模塊,只在驅(qū)動功率上有區(qū)別。集成調(diào)光功能的直流驅(qū)動電源可接收并讀取對應(yīng)回路上調(diào)光模塊發(fā)出的電平小幅、低頻變化,通過信息解耦的形式讀取調(diào)光指令,以單個回路響應(yīng)方式調(diào)整輸出功率值,從而實現(xiàn)燈光亮度調(diào)整。

2 新型載波調(diào)光技術(shù)

2.1 調(diào)光模塊

調(diào)光模塊電路拓?fù)淙鐖D2所示。調(diào)光模塊的工作原理都是通過改變MOSFET導(dǎo)通占空比的方式使得輸出電壓呈現(xiàn)固定周期、固定幅值的電平升/降,從而實現(xiàn)低頻率載波信息傳遞。

圖2 調(diào)光模塊電路拓?fù)?/p>

基于Buck拓?fù)涞恼{(diào)光模塊,其電路特性是實現(xiàn)直流降壓,因此耦合載波信號波形為凹陷波形。

基于Buck拓?fù)涞恼{(diào)光模塊的工作原理是:① 在不需要調(diào)光時繼電器閉合,并將MOSFET短路屏蔽;② 在需要發(fā)送載波信號時繼電器開路,MOSFET由調(diào)光模塊控制器進(jìn)行驅(qū)動,通過調(diào)制在額定直流電壓范圍內(nèi)小幅、低頻波動電壓波形,實現(xiàn)信號波形疊加;③ 對應(yīng)的載波接收+驅(qū)動電源一體化模塊的輸入電壓可以接受該電壓幅值變化(峰-峰值約10 V,頻率約10 Hz),既能識別出信號,又不會因這一波動而導(dǎo)致光源亮度閃爍。由于繼電器體積無法做小,會造成調(diào)光模塊體積較大,但這種拓?fù)涞陌踩詢?yōu)勢在于當(dāng)故障擊穿時有95%以上情況會造成MOSFET短路。該電路確保即使半導(dǎo)體開關(guān)短路時,僅會造成無法調(diào)光的輕度故障,不影響上級母線安全。

2.2 調(diào)光模塊電路參數(shù)設(shè)計

按照基于Buck拓?fù)涞恼{(diào)光模塊需求進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)實際需求設(shè)定直流輸入電壓UDC=(240±20) V,最高承載功率Pmax=3 kW,最高承載電流Imax=Pmax/UDCmin=13.6 A,載波信號電壓Uc=-10 V,MOSFET固定開關(guān)頻率T=2×10-5s,最低占空比Dmin=UOmin/UDCmin=0.955。電抗器最低電感值L0min=(UDC-U0)Toff/ΔI=160 μH(按扼流圈設(shè)計),其中Toff=DT,ΔI=0.1Imax。

取30%～40%余量,在規(guī)格器件庫中選擇220 μH電抗器作為調(diào)光模塊的扼流圈。考慮應(yīng)盡量減小電壓紋波對調(diào)光載波電壓的干擾,并且一定程度滿足經(jīng)濟(jì)性,紋波幅值UPP=2 V。此時峰-峰值約2 V的紋波電壓不會對10 V載波信號峰-峰值產(chǎn)生影響,則有C0=(6.5×10-6)×ΔI/Upp=5.5 mF。其中ESR值取6.5×10-6,電容等效寄生電阻R0=1.53 Ω,綜合考慮取C0=10 μF。

調(diào)光模塊存在一種特殊工作情況,需要在燈具亮度為0時喚醒燈具的直流調(diào)光驅(qū)動電源。此時因燈具負(fù)載PLED≈0 W,基于Buck的調(diào)光模塊無法快速調(diào)制輸出電壓,需要在調(diào)光模塊輸出端口設(shè)計假負(fù)載Rf來快速泄放電容上儲存的能量,實現(xiàn)輸出電壓的快速變化。

由等效電路結(jié)合能量法,有:

其中U1=220 V,U2=210 V;考慮到需求的載波波形需以周期TC=100×10-3s快速變化,并呈現(xiàn)出方波形狀,需滿足Δt≤2.5×10-3s,則有Rf≤5.39×103Ω。取Rf=5×103Ω,假負(fù)載工作時最大功率PRfmax=I2RFRf≈12.1 W。出于節(jié)能和降低模塊溫升方面的考慮,在不發(fā)送調(diào)光指令時,假負(fù)載由調(diào)光模塊控制器斷開電路連接不工作。

2.3 直流調(diào)光驅(qū)動電源模塊

直流調(diào)光驅(qū)動電源模塊拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 直流調(diào)光驅(qū)動電源模塊拓?fù)?/p>

直流調(diào)光驅(qū)動電源模塊的工作原理是:

(1) 模塊分為信號接收電路、調(diào)光模塊控制器和隔離型直流驅(qū)動電源3部分。

(2) 無調(diào)光信號輸入時,信號接收電路測得的輸入端口電壓保持不變,調(diào)光模塊控制器的控制模塊輸出的PWM驅(qū)動信號使直流驅(qū)動電源以某一亮度穩(wěn)定工作。

(3) 當(dāng)載波信號耦合在DC 240 V輸入到模塊時,信號接收電路通過電阻分壓的形式轉(zhuǎn)為電壓信號送至調(diào)光模塊控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳,由調(diào)光控制模塊對信號進(jìn)行解耦與解碼。

(4) 通過改變輸出PWM驅(qū)動信號的占空比,使得直流驅(qū)動電源變?yōu)榱硪涣炼确€(wěn)定工作,達(dá)到調(diào)整光源亮度的目的。

另外,對于不同的驅(qū)動功率需求匹配,直流調(diào)光驅(qū)動電源模塊只需要改變直流驅(qū)動電源的電路拓?fù)?無需改變信號接收電路和調(diào)光模塊控制器的電路拓?fù)洹?/p>

2.4 通信協(xié)議

基于Manchester編碼的通信編碼電平信號如圖4所示。其中電平信號跳變?yōu)椤暗?高”時表示0,跳變?yōu)椤案?低”時表示1。

圖4 基于Manchester編碼的通信編碼電平信號

3 實測數(shù)據(jù)和工程實踐

使用DC 240 V、6個調(diào)光模塊、6個調(diào)光驅(qū)動電源模塊和6組LED燈具負(fù)載+直流電子負(fù)載搭建6回路的小功率測試環(huán)境。小功率測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 小功率測試環(huán)境

其中調(diào)光模塊安裝底板集成了高壓直流母線和假負(fù)載,調(diào)光模塊上有5位撥碼開關(guān),通過撥碼設(shè)置最大兼容32個直流回路進(jìn)行調(diào)光。電壓測試點位于調(diào)光驅(qū)動電源模塊前端,分別在燈具亮度0%(空載)和燈具亮度100%(滿載)時,通過示波器抓取電壓信號波形,電壓載波波形基本無變化。通過調(diào)光模塊發(fā)送的耦合調(diào)光載波信號,在調(diào)光驅(qū)動電源的輸入端實時響應(yīng),波形不變;由調(diào)光模塊的MOSFET高速開關(guān)造成的電壓紋波,實際幅值不超過2 V,滿足設(shè)計要求;載波上升沿和下降沿變化時間均不超過2.5 ms,呈現(xiàn)方波特性,與硬件設(shè)計參數(shù)吻合,既滿足設(shè)備帶載工況下可實現(xiàn)調(diào)光,也可以在空載時通過假負(fù)載設(shè)計實現(xiàn)調(diào)光。

采用新型調(diào)光技術(shù)為核心技術(shù)研制的軌道交通直流集中照明供電系統(tǒng),先后承擔(dān)合肥軌道交通工程多個地鐵站的全站照明工程。某站直流集中照明工程的直流配電柜和全站直流照明圖如圖6所示。

圖6 某站直流集中照明工程的直流配電柜和

該地鐵站全站照明額定功率30 kW,按設(shè)計冗余需求共配置10臺直流配電柜,燈具總數(shù)超1 500盞,全部采用直流方案進(jìn)行照明供電。

直流照明配電工程于2020年6月中旬啟動現(xiàn)場安裝和調(diào)試,4天內(nèi)完成全部現(xiàn)場安裝、通電和調(diào)試,并體現(xiàn)如下優(yōu)勢。

(1) 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn),輸電綜合效率不低于傳統(tǒng)交流配電效率。

(2) 直流配電柜和燈具完全適配,燈具對應(yīng)響應(yīng)率為100%。

(2) 施工時間,較傳統(tǒng)地鐵站使用的基于DALI系統(tǒng)的交流可調(diào)光照明配電工程縮減80%。

(3) 造價方面,較DALI配電工程降低10%。

(4) 與傳統(tǒng)交流照明配電工程對比,直流配電系統(tǒng)具有同樣的電壓等級,并且由于直流電不存在功率因數(shù)與諧波問題,由傳統(tǒng)的三相五線制5×4 mm2電纜改為3×4 mm2電纜,進(jìn)一步降低工程造價。

因此,基于載波調(diào)光技術(shù)的直流配電照明系統(tǒng)具有良好的工程適用性。

4 結(jié) 語

為解決直流集中供電技術(shù)在工程應(yīng)用中存在的問題,提出一種新型載波調(diào)光技術(shù),通過在配電柜中引入載波調(diào)光模塊,結(jié)合燈具上的直流調(diào)光驅(qū)動電源,實現(xiàn)了高性價比的分回路光亮度調(diào)整。經(jīng)某地鐵實際工程驗證,基于載波調(diào)光技術(shù)的直流照明配電工程,技術(shù)應(yīng)用有效、合理,電能質(zhì)量好,單回路調(diào)光成功率達(dá)100%,可節(jié)省80%以上施工時間,在實踐項目中得到了良好的應(yīng)用效果。