载波调光技术及其在照明工程中的应用*

商洪亮, 廖闻迪, 李世军, 江钦彬, 曾凡杰

(1.深圳市英可瑞科技股份有限公司, 广东 深圳 518000;2.深圳市英可瑞直流技术有限公司, 广东 深圳 518000;3.湖南工程学院 电气与信息工程学院, 湖南 湘潭 411101)

0 引 言

2017年初发布的《“十三五”节能减排综合工作方案》中将节约资源纳入基本国策,强调以提高能源利用效率为目标,加快建设资源节约型、环境友好型社会[1]。轨道交通站、中/大型商业中心、城市道路及隧道等规模化照明供电领域的节能问题、行业广泛存在的高效照明需求、核心问题及对应技术在于被动节能、主动节能[2-4]。因此,采用“直流集中照明+直流母线载波调光”为核心技术[5-6]的规模化照明工程自2017年起由英可瑞等企业主导研发并大规模投入实际应用。至2020年,新增项目规模年增速100%以上,显示出强大的市场竞争力与技术优势。

当前直流照明工程主要是直流母线电压调光,缺点在于当直流线路较长时,尾端灯具输入端压降远大于始端压降,造成电路首尾灯具亮度差异较大[7-10]。但是这种调光方法的问题是安装错位会导致错误的灯光响应,导致大型工程施工极为困难。

本文提出一种载波调光技术,并进行了某地铁实际工程验证。

1 新型载波调光配电方案

新型载波调光技术的配电方案如图1所示。

该配电方案特点如下:

(1) 交流电源经集中直流配电柜转换为直流电,经直流母线、分回路输送到直流灯具组。

图1 新型载波调光技术的配电方案

(2) 每个直流配电回路上串联一个调光模块,这一模块集成了供电和将调光信号以载波形式耦合到配电回路的功能。

(3) 配电回路上每个灯具驱动电源都集成相同的载波解码和灯具调光模块,只在驱动功率上有区别。集成调光功能的直流驱动电源可接收并读取对应回路上调光模块发出的电平小幅、低频变化,通过信息解耦的形式读取调光指令,以单个回路响应方式调整输出功率值,从而实现灯光亮度调整。

2 新型载波调光技术

2.1 调光模块

调光模块电路拓扑如图2所示。调光模块的工作原理都是通过改变MOSFET导通占空比的方式使得输出电压呈现固定周期、固定幅值的电平升/降,从而实现低频率载波信息传递。

图2 调光模块电路拓扑

基于Buck拓扑的调光模块,其电路特性是实现直流降压,因此耦合载波信号波形为凹陷波形。

基于Buck拓扑的调光模块的工作原理是:① 在不需要调光时继电器闭合,并将MOSFET短路屏蔽;② 在需要发送载波信号时继电器开路,MOSFET由调光模块控制器进行驱动,通过调制在额定直流电压范围内小幅、低频波动电压波形,实现信号波形叠加;③ 对应的载波接收+驱动电源一体化模块的输入电压可以接受该电压幅值变化(峰-峰值约10 V,频率约10 Hz),既能识别出信号,又不会因这一波动而导致光源亮度闪烁。由于继电器体积无法做小,会造成调光模块体积较大,但这种拓扑的安全性优势在于当故障击穿时有95%以上情况会造成MOSFET短路。该电路确保即使半导体开关短路时,仅会造成无法调光的轻度故障,不影响上级母线安全。

2.2 调光模块电路参数设计

按照基于Buck拓扑的调光模块需求进行设计。根据实际需求设定直流输入电压UDC=(240±20) V,最高承载功率Pmax=3 kW,最高承载电流Imax=Pmax/UDCmin=13.6 A,载波信号电压Uc=-10 V,MOSFET固定开关频率T=2×10-5s,最低占空比Dmin=UOmin/UDCmin=0.955。电抗器最低电感值L0min=(UDC-U0)Toff/ΔI=160 μH(按扼流圈设计),其中Toff=DT,ΔI=0.1Imax。

取30%～40%余量,在规格器件库中选择220 μH电抗器作为调光模块的扼流圈。考虑应尽量减小电压纹波对调光载波电压的干扰,并且一定程度满足经济性,纹波幅值UPP=2 V。此时峰-峰值约2 V的纹波电压不会对10 V载波信号峰-峰值产生影响,则有C0=(6.5×10-6)×ΔI/Upp=5.5 mF。其中ESR值取6.5×10-6,电容等效寄生电阻R0=1.53 Ω,综合考虑取C0=10 μF。

调光模块存在一种特殊工作情况,需要在灯具亮度为0时唤醒灯具的直流调光驱动电源。此时因灯具负载PLED≈0 W,基于Buck的调光模块无法快速调制输出电压,需要在调光模块输出端口设计假负载Rf来快速泄放电容上储存的能量,实现输出电压的快速变化。

由等效电路结合能量法,有:

其中U1=220 V,U2=210 V;考虑到需求的载波波形需以周期TC=100×10-3s快速变化,并呈现出方波形状,需满足Δt≤2.5×10-3s,则有Rf≤5.39×103Ω。取Rf=5×103Ω,假负载工作时最大功率PRfmax=I2RFRf≈12.1 W。出于节能和降低模块温升方面的考虑,在不发送调光指令时,假负载由调光模块控制器断开电路连接不工作。

2.3 直流调光驱动电源模块

直流调光驱动电源模块拓扑如图3所示。

图3 直流调光驱动电源模块拓扑

直流调光驱动电源模块的工作原理是:

(1) 模块分为信号接收电路、调光模块控制器和隔离型直流驱动电源3部分。

(2) 无调光信号输入时,信号接收电路测得的输入端口电压保持不变,调光模块控制器的控制模块输出的PWM驱动信号使直流驱动电源以某一亮度稳定工作。

(3) 当载波信号耦合在DC 240 V输入到模块时,信号接收电路通过电阻分压的形式转为电压信号送至调光模块控制器的模数转换引脚,由调光控制模块对信号进行解耦与解码。

(4) 通过改变输出PWM驱动信号的占空比,使得直流驱动电源变为另一亮度稳定工作,达到调整光源亮度的目的。

另外,对于不同的驱动功率需求匹配,直流调光驱动电源模块只需要改变直流驱动电源的电路拓扑,无需改变信号接收电路和调光模块控制器的电路拓扑。

2.4 通信协议

基于Manchester编码的通信编码电平信号如图4所示。其中电平信号跳变为“低-高”时表示0,跳变为“高-低”时表示1。

图4 基于Manchester编码的通信编码电平信号

3 实测数据和工程实践

使用DC 240 V、6个调光模块、6个调光驱动电源模块和6组LED灯具负载+直流电子负载搭建6回路的小功率测试环境。小功率测试环境如图5所示。

图5 小功率测试环境

其中调光模块安装底板集成了高压直流母线和假负载,调光模块上有5位拨码开关,通过拨码设置最大兼容32个直流回路进行调光。电压测试点位于调光驱动电源模块前端,分别在灯具亮度0%(空载)和灯具亮度100%(满载)时,通过示波器抓取电压信号波形,电压载波波形基本无变化。通过调光模块发送的耦合调光载波信号,在调光驱动电源的输入端实时响应,波形不变;由调光模块的MOSFET高速开关造成的电压纹波,实际幅值不超过2 V,满足设计要求;载波上升沿和下降沿变化时间均不超过2.5 ms,呈现方波特性,与硬件设计参数吻合,既满足设备带载工况下可实现调光,也可以在空载时通过假负载设计实现调光。

采用新型调光技术为核心技术研制的轨道交通直流集中照明供电系统,先后承担合肥轨道交通工程多个地铁站的全站照明工程。某站直流集中照明工程的直流配电柜和全站直流照明图如图6所示。

图6 某站直流集中照明工程的直流配电柜和

该地铁站全站照明额定功率30 kW,按设计冗余需求共配置10台直流配电柜,灯具总数超1 500盏,全部采用直流方案进行照明供电。

直流照明配电工程于2020年6月中旬启动现场安装和调试,4天内完成全部现场安装、通电和调试,并体现如下优势。

(1) 电能质量数据完全符合国家标准,输电综合效率不低于传统交流配电效率。

(2) 直流配电柜和灯具完全适配,灯具对应响应率为100%。

(2) 施工时间,较传统地铁站使用的基于DALI系统的交流可调光照明配电工程缩减80%。

(3) 造价方面,较DALI配电工程降低10%。

(4) 与传统交流照明配电工程对比,直流配电系统具有同样的电压等级,并且由于直流电不存在功率因数与谐波问题,由传统的三相五线制5×4 mm2电缆改为3×4 mm2电缆,进一步降低工程造价。

因此,基于载波调光技术的直流配电照明系统具有良好的工程适用性。

4 结 语

为解决直流集中供电技术在工程应用中存在的问题,提出一种新型载波调光技术,通过在配电柜中引入载波调光模块,结合灯具上的直流调光驱动电源,实现了高性价比的分回路光亮度调整。经某地铁实际工程验证,基于载波调光技术的直流照明配电工程,技术应用有效、合理,电能质量好,单回路调光成功率达100%,可节省80%以上施工时间,在实践项目中得到了良好的应用效果。