（控制理论与控制工程专业论文）智能照明调光系统的节能研究.pdf

川1 1 11 1i i11 11 1i ii ii iilll y 18 9 6 9 6 6 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签字： 卒五p p 日期：必p 年3 月1 日 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意将所著硕士学位论文智能照明调光系统的节能研究著作权中的数字 化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工程学院研究生处行使。上述 授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的责 任。 北京建筑工程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的著 作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年。 论文作者( 签章) p 衅朔妒 作者联系方式： 地址：北京市西城区展览馆路1 号3 号宿舍6 3 1邮编：1 0 0 0 4 4 电话：传真： 手机：13 4 2 6 210 8 4 8 电子信箱：z h u 1 i y a n g c c d i c o n c n 摘要 摘要 ， 节能减排是当前一个重要的课题，照明能耗在建筑能耗中占有很大的比重。 智能照明控制系统在当前建筑照明领域所发挥的作用越来越大，使用也越来越广 泛，而调光系统是智能照明控制系统的重要组成部分。 照明调光过程会产生大量的高次谐波，使得输出信号为非正弦信号。本文通 过傅立叶级数进行分析，应用谐波四边形法则来对电流、电压、功率变化进行分 析。 为了研究照明调光的谐波特性和功率变化规律，作者搭建了白炽灯和节能灯 的调光实验电路，并采集大量的实验数据。通过研究白炽灯和节能灯调光系统的 功率特性及谐波特性，分析其调光过程中的功率变化规律，以及谐波特性及变化 规律，了解调光设备作为谐波源的谐波发射特性，对研究照明调光有着重要的意 义。 利用白炽灯和节能灯调光试验的测试数据，得到白炽灯和节能灯调光系统的 输出电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、谐波阻抗、功率因数及谐波 特性与变化规律。通过功率分解，基波功率与谐波功率相等时，提出了节能平衡 点p 点的概念，并用m a t l a b 进行仿真分析，仿真结果与实验结果的基本吻合， 找到了白炽灯高次谐波呈现近似正弦变化规律的原因。 关键词：智能照明；调光；白炽灯；节能灯；谐波 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o ni s a ni m p o r t a n ti s s u ei nt h e c u r r e n t l i g h t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o ni nb u i l d i n g sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o n i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o l s y s t e mi nt h el i g h t i n gp l a y e dab i gr o l e ，a n di t su s ei sv e r ye x t e n s i v e i n t e l l i g e n t d i m m i n gl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es y s t e m i tw i l lp r o d u c eal a r g en u m b e ro fh i g h e rh a r m o n i c si nt h el i g h td i m m i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h eo u t p u ts i g n a li n t oan o n - s i n u s o i d a ls i g n a l s w i t hu s i n gm e t h o d so f f o u r i e rs e r i e sa n dh a r m o n i cq u a d r i l a t e r a l ，w ec a na n a l y z ec u r r e n t ，v o l t a g ea n dp o w e r c h a n g e s w - es e tu pa ni n c a n d e s c e n tl a m pd i m m i n ga n de n e r g y s a v i n ge x p e r i m e n t a lc i r c u i t ， a n dc o l l e c t e dal a r g ea m o u n to f e x p e r i m e n t a ld a t a t h i st e s tc a nb eu s e dt os t u d yt h e p o w e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i m m i n gs y s t e ma n dt h eh a r m o n i c sc a na l s ob eu s e dt o u n d e r s t a n dt h eh a r m o n i ce m i s s i o n l i g h t i n g c o n t r o l e q u i p m e n tc a p a c i t y t h i s e x p e r i m e n th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ed i m m i n gs t u d y b ya n a l y z i n gt h ed a t a ，w ec a ng e tt h eo u t p u tv o l t a g e ，c u r r e n t ，a c t i v ep o w e r ， r e a c t i v ep o w e r , a p p a r e n tp o w e r , h a r m o n i ci m p e d a n c e ，p o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i c v a r i a t i o n w h e nt h ef u n d a m e n t a lp o w e ra n dh a r m o n i cp o w e ra r ee q u a l ，w ep r o p o s e t h ec o n c e p to fpp o i n t - - t h ee n e r g yb a l a n c ep o i n t ，a n ds i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t t h e r e f o r e ，w ef o u n dt h e h i g hh a r m o n i c si na na l m o s ti n c a n d e s c e n ts i n u s o i d a lv a r i a t i o no fr e a s o n s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tl i g h t i n g ，d i m m i n g ，i n c a n d e s c e n t ，e n e r g ys a v i n gl a m p s ，f o u r i e r s e r i e s 目录 目录 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i 目录i 第l 章绪论1 1 1 课题背景一1 1 1 1 照明光源的发展1 1 1 2 绿色照明工程_ 1 1 1 3 照明控制系统2 1 2 国内外研究成果3 1 3 智能照明调光系统存在的问题5 1 4 课题研究的意义。6 1 5 本课题研究主要内容6 第2 章照明调光系统8 2 1 智能照明控制系统8 2 1 1 照明控制系统分类8 2 1 2l o n w o r k s 现场总线控制系统。9 2 1 3k n x e i b 系统1o 2 1 4d y n e t 系统1 1 2 1 5d a l i 荧光灯单灯单控系统1 3 2 2 主要照明调光方法1 4 2 2 1 白炽灯可控硅相控调光法1 4 2 2 2 荧光灯调光方法1 7 2 2 3 其他调光法1 8 2 3 调光器2 3 2 3 1 调光器分类2 3 2 3 2 调光器组成2 4 2 4 电子镇流器的拓扑结构2 6 2 4 1 一级电路拓扑2 6 2 4 2 二级电路拓扑2 6 北京建筑工程学院硕士学位论文 2 4 3 三级电路拓扑2 7 2 4 4 四级电路拓扑2 8 第3 章谐波功率四边形3 0 3 1 谐波3 0 3 1 1 谐波定义3 0 3 1 2 谐波功率因数3 l 3 1 3 基波分量与谐波分量一3 1 3 1 4 总功率、基波功率和谐波功率3 2 3 2 傅立叶级数3 2 3 2 1 非正弦分量的傅立叶级数3 2 3 2 2 白炽灯斩波的傅立叶级数分析3 3 3 3 谐波四边形法则3 4 3 3 1 电流、电压四边形法则3 4 3 3 2 功率四边形法则3 6 第4 章白炽灯与节能灯调光试验3 8 4 1 试验目的3 8 4 2 谐波电流检测要求3 8 4 2 1 谐波测试的标准3 8 4 2 2 试验电源3 9 4 2 3 对检测仪器要求3 9 4 2 4 对照明电器的试验要求4 0 4 3 试验用调光器4 1 4 3 1 白炽灯调光器4 1 4 3 2 节能灯调光器。4 3 4 4 试验用a c r 2 2 0 e l h 谐波表4 4 4 5 白炽灯调光系统试验4 6 4 5 1 白炽灯光源4 6 4 5 2 调光试验方案4 7 4 5 3 调光试验设备4 7 4 5 4 白炽灯调光试验数据采集4 8 4 5 5 白炽灯调光器检测电路4 8 4 5 6 试验步骤4 9 4 6 节能灯调光系统试验。4 9 目录 4 6 1 节能灯光源4 9 4 6 2 调光试验方案。5 0 4 6 3 调光试验设备5 0 4 6 4 节能灯调光试验数据采集5 0 4 6 5 节能灯调光试验电路5 0 4 6 6 试验步骤5 1 第5 章试验数据分析5 2 5 1 试验检测数据5 2 5 1 1 白炽灯调光试验数据5 2 5 1 2 节能灯调光试验数据5 7 5 2 试验数据处理一5 9 5 2 1 试验数据初步统计5 9 5 2 2 定性分析结论6 9 5 3 数据分解与合成6 9 5 3 1 电压、电流和有功功率的分解6 9 5 3 2 谐波阻抗7 4 5 4 结论7 7 5 4 1 白炽灯试验谐波特性7 7 5 4 2 节能灯试验谐波特性7 8 第6 章节能平衡点p 点的研究7 9 6 1p 点的定义7 9 6 2 白炽灯输出端照度功率曲线拟合7 9 6 2 1 白炽灯功率曲线的绘制7 9 6 2 2 输出端照度总功率曲线拟合8 0 6 2 3 输入端照度一总功率曲线拟合8 3 6 3 节能灯输出端照度功率曲线拟合8 3 6 4 白炽灯分次谐波理论分析。8 4 第7 章总结与展望9 0 参考文献9 1 研究生阶段发表论文情况9 5 致谢9 6 i i i 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 照明光源的发展 在我国，最初的照明产品主要是白炽灯泡，发展到后来出现了荧光灯管、节能灯等， 以及现在常用到的l e d 灯，照明光源正向着一个趋于高效节能、环保的方向发展【l 】。 1 9 5 8 年普通白炽灯泡成为照明市场应用的主流。 1 9 9 5 年以节能灯为主的照明产品开始受到市场重视，节能灯产量急剧上升。 2 0 0 6 年l e d 开始进入发展阶段。 国家节能补贴政策于2 0 0 8 年落实，使得1 3 家企业中标，对节能灯的关注得到再次提 高。 l e d 照明于2 0 0 9 年以后渐成市场热点，国家节能补贴政策继2 0 0 8 年后得到继续实施， 同时越来越多的企业被吸引到这个领域进行投资。 1 1 2 绿色照明工程 自从1 9 9 1 年1 月美国环保局于1 9 9 1 年1 月提出了“绿色照明”的概念，并且开始实 施“绿色照明工程 ，许多国家开始对绿色照明工程重视和响应。 我国1 9 9 5 年9 月印发了中国绿色照明工程实施方案，标志着中国绿色照明工程全 面启动。 “九五 期间，我国于1 9 9 8 年开始实施节能法，节能法中就包括了照明节电的内容。 ：关于进一步推进“中国绿色照明工程”的意见于2 0 0 0 年由国家经贸委、建设部、国家质 量技术监督局联合制定并发布，其中就如何推动绿色照明工程提出了具体的政策和措施。 “十五 期间，节能中长期专项规划于2 0 0 4 年1 1 月由国家发展和改革委员会发布， 其中提出了将照明器具列入节能重点领域的内容。 “十一五期间，国家建设部发布的“十一五”城市绿色照明工程规划纲要中就绿 色照明工程提出了以下目标：从2 0 0 5 年底开始，城市照明年节电目标达到5 ，5 年累计 节电目标达到2 5 ；并且大力提倡使用高效节能灯具，灯具效率在8 0 以上的高效节能灯 具，其应用率要达到8 5 以上；高光效、长寿命光源【3 】的应用率要达到8 5 以上。l ：十一 五”十大重点节能工程实施意见1 2 1国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部、建设 部、国家质量监督检验检疫总局、国家环境保护总局等部门联合组织编制，并于2 0 0 6 年7 月在全国节能工作会议上发布。其中一个内容就是关于绿色照明工程的。 北京建筑t 程学院硕十学位论文 1 1 3 照明控制系统 ( 1 ) 传统照明控制方式 传统胡照明控制方法主要有两种，一种是开关控制，另一种是调光控制，而调光控制 又可以分为两种，一个是连续的，一个是不连续的，其中，连续的调光控制是指被控光源 的光通量可以连续变化，而不连续的调光控制是指被控光源的光通量只能按照预设的固定 值来改变。 手动控制主要有两种，一个是利用灯具回路里的开关来进行控制通断，如图1 1 ( a ) 所示。也可以利用灯具回路里的旋钮来控制调节各电气参数，调节灯光的亮度，如图1 1 ( b ) 所示。 光源 l 供电电源 n 手动开关光源 l 供电电源 n 图1 1 传统照明控制方式原理图 f i g 1 - 1t r a d i t i o n a ll i g h t i n gc o n t r o ls c h e m a t i c ( 2 ) 自动控制方式 自动控制方式主要采用数字控制技术，通过遥控灯具来达到控制开关的目的。其主要 工作过程为：首先控制中心向目标发射出信号，然后使用直接数字控制器( d d c ) 接收到 控制中心的信号后，对配电回路进行控制，实现线路的的通断，从而达到了灯具的开关控 制。 自动控制方式的优点是解决了传统方式控制中的相对分散以及无法有效管理等问题， 实现了照明控制的自动化，缺点是不能调光控制功能。其控制原理如图1 2 ，如图中所示， 通过直接数字控制器( d d c ) 对照明设备进行自动控制。 手动升天光源 人入 l 。 ：”弋入，广 供电电源 一 n l 接触器 一 鑫甜骨 白 甲甲 阿司 i 中央数控计算机 2 二十世纪9 0 年代初，智能照明控制系统的出现，使得照明自动控制脱离了楼宇设备 自动管理系统，从而在真正意义上实现了照明控制的独立。 智能照明控制系统可以对光源进行开关控制和调光控制。它集中了多种照明控制方 式、使用现代化数字控制技术以及网络技术等多种控制，是一个综合性系统。它使得照明 控制和维护管理变得更加简单有效，而且实现了建筑照明的艺术性。 控制系统结构随着电子技术特别是计算机通信技术的发展在变化而不断提高，已从7 0 年代第三代的中央控制方式经8 0 年代第四代的集散控制方式发展到如今的第五代的分布 式控制方式【7 】【3 1 。 1 2 国内外研究成果 1 2 1 1 智能照明控制系统 国内外研究开发的智能照明控制系统，按照通信介质分，主要可以分为无线网络型、 总线型、电力线载波型三种。按照网络拓扑结构，可以分为集中式或分布式两种。 按照智能照明控制系统的组成方式分类，可以分为总线型、电力线载波型、无线网络 型等。常见的主要有日本松下的h b s 总线、i - b u s 总线、x 1 0 的电力线载波协议、p h i l i p s 的d a l i 总线和邦奇d y n e t 总线等。 国外主要智能照明产品对比如表1 1 所示。 3 北京建筑t 程学院硕士学位论文 表1 1国外主要智能照明产品对比 t a b l e 1 1c o m p a r i s o no fm a i n l yi n t e l l i g e n tl i g h t i n gp r o d u c t sa b r o a d 薏统黪式势械毋帮式 觥梅惫缝箍憨麟 黼 器斛翘燃鬏j 然鼢 戆蝴黝壤螽形鬈薪宽黠舰缆黟篙崭删躺髓黪 蝴羹黝6 4 瓣剐黼疆嬲器 菇个予嘲群黢臻 个每个予瀚霹联接6 4 争誉妻z 黑二象：羔耋鼹，5 1 2 个灯蘧，l 鲫个鑫：意：z 0 = 毒。： 翕线露羹橇块：芏筠壤多研瑷援楱嫒：主阍疑多研联接：譬盆二2 篓愚”场紫；霹礴过嬲耪黪雾翟三嚣二：囊竺篡0 4 獭6 分攒缓：桶凳援块4 6 个援撬：璃毙撬鹱罂墨妻薹鬈翟：胱讥，个子麓建搂扩天泵绕蛩l 纛：鬟：w 口 中磁存皴9 6 争撼j l 串群存皴妫个筠紧 1 “5 ” 辔羹 ” 魔端裂瓣辫曩瓣瓣t 姒6 n e ) 萋 黼速率黧；黼乞嘞熏6 脚- g6 脚t脚s 驻上脚s 耻 躲累缝嚣舢虬嘲辕w 删s ，量馒较件萎p 墨剐蹦裟：擀嗽：瓣螨 黼怒产醐慧产绷撇黼醒勰线慧尹姗躺髅产舭蝴 蹴好；莱筑豢警篡礁，俸袄嚣糍较大，进入市燃麓黼，黼遘缈嚣蒜然 艘辑 篱擎褰扩巍 小，蔑子宴；磁撼草率耄璃銎羔肿际删平“叶硼疆 第1 章绪论 1 3 智能照明调光系统存在的问题 随着智能照明控制系统中的调光器的大量使用，加之电子镇流器的大量使用，使得系 统存在谐波污染1 8 】【1 9 】【2 0 】【4 1 1 问题。 可控硅技术随着电子工业的迅速发展而产生，2 0 世纪6 0 年代中后期，单向可控硅和 双向可控硅相继被发明。可控硅技术是通过控制导通角来调节白炽灯的功率，从而实现调 光的目的。并且由于可控硅调光器的体积较小，电路简单，便于控制和保护，可控硅器件 的发热量较小，效率比较高，工作比较可靠。由于其众多优点，使得可控硅调光技术得到 了广泛应用。 可控硅调光技术是通过改变导通角的大小，也就是改变了可控硅的导通时间。但是当 正弦波信号通过晶闸管后，其输出信号就不再是正弦波，而是正弦波的一部分，只有导通 时才有输出，不导通时，其输出为零。因此调光过程产生了大量的奇次谐波，从而使得电 网的电压波形产生了畸变，见第二章图2 2 5 所示。 电子镇流器使用的是桥式整流，它在整流侧来加大容量电容，从而使得整流二极管在 很短的时间内便可以导通，电流则为窄脉冲，从而导致了输入侧电网电流产生畸变，如图 1 3 所示。 t l t2 t t it st 6 图1 3 整流电路的电压电流波形 f i g 1 - 3r e c t i f i e rc i r c u i tv o l t a g e c u r r e n tw a v e f o r m 这种畸变后非正弦的电流，会给系统本身以及周围的电磁环境带来许多的危害，尤其 是对电力系统、仪器仪表、通信系统以及办公自动化设备带来危害，因此被称为“谐波污 染 。电流波形畸变的危害主要有以下几点： ( 1 ) 对供电系统的供电产生危害，使得供电质量下降； ( 2 ) 通信系统在高次谐波噪声情况下受到干扰，会出现各种问题； ( 3 ) 一些重要的控制、保护和测量装置在谐波电流和它产生的谐波电压下会导致误 动作； ( 4 ) 谐波成分可以增加输配电以及用电系统中的无形损耗； 5 北泵建筑 程掌阮帧十字位论文 ( 5 ) 同时谐波还可能带来系统失误； ( 6 ) 谐波电流和电压基波之间的相位差降低了系统功率因数，从而显著地降低了发 输电和用电的效率。 1 4 课题研究的意义 ( 1 ) 通过对调光试验数据的分析，了解调光控制的电压、电流、有功功率、无功功 率以及视在功率变化规律。调光是通过改变电路的某些参数来改变调光设备的输出，进而 使得光源的光通量改变而达到调光的目的。研究调光后的电压、电流、有功功率、无功功 率及视在功率等参数在调光过程中的变化， ( 2 ) 将调光装置视为谐波源，分析调光过程产生的谐波，了解其分次谐波特性。不 论是白炽灯的斩波调光，还是节能灯的高频电子镇流器调光，都会产生大量的高次谐波。 高次谐波注入电网，会影响电网质量，引起各种问题。将调光设备视为谐波源，分析其谐 波特性，了解各分次谐波的含量和变化规律，对了解其谐波特性有主要意义。 ( 3 ) 通过研究调光输出的有功功率、无功功率，来分析调光的节能平衡问题，分析 其节能潜力。调光能否节能，节能效果如何，我们通过研究调光系统的输出参数，来了解 和研究其节能指数，有重要的意义。 1 5 本课题研究主要内容 ( 1 ) 研究智能照明调光方法 调光系统为智能照明控制系统的重要组成部分。智能照明控制系统的控制方式主要有 开关控制和调光控制。了解各种调光方法，调光装置，对研究照明调光有着重要的意义。 本章介绍了主要的智能照明控制系统的内容，白炽灯和节能灯的主要调光方法，及其 他常见的调光方法，以及主要照明调光器的相关内容和镇流器的四级拓扑结构。 ( 2 ) 谐波与功率四边形理论 调光过程是有功功率降低的过程，同时也是高次谐波增加的过程。按照谐波分解，采 用傅立叶级数进行分析，根据非正弦信号的功率四边形法则，研究调光过程中的谐波特性 和功率特性，这是这一章的主要内容。 ( 3 ) 调光实验及结果分析 在满足相关规范的前提下，搭建了白炽灯斩波调光电路，以及高频电子镇流器调光的 节能灯调光试验电路。目的是通过试验数据来研究其调光效果。通过大量的试验数据，来 分析调光系统的功率输出特性，从中可以了解调光技术的节能效果及谐波发射能力。 ( 4 ) 调光节能平衡点p 点 根据谐波分解，在基波功率与谐波功率相等时，定义了调光节能平衡点p 点的概念， 并通过试验数据得出调光输出的功率拟合曲线。在试验结果分析中，发现白炽灯斩波产生 6 第l 章绪论 的高次谐波变化，呈现一定的近似正弦规律，采用傅立叶级数进行分析，并m a t l a b 进 行了仿真，得到的拟合结果与试验数据基本吻合，找到了这种变化规律的原因。 调光输出的谐波变化规律以及分次谐波特性这部分内容贯穿了论文的第三章、第四 章、第五章和第六章；第三章介绍了谐波的基本概念、各电气参数的谐波分解、傅立叶级 数的分析方法谐波的四边形法则，第四章的试验采集了大量的电压电流分次谐波及总谐波 含量的数据，第五章使用第三章的谐波分析方法来进行分解与合成，因此得到了第六章的 节能平衡点p 点，并做了理论上的分析，用m a t l a b 进行了仿真。 7 第2 章照明调光系统 2 1 智能照明控制系统 2 1 1 照明控制系统分类 智能照明控制系统的分类如图2 - 1 所示。 主要的智能照明控制系统 f d ：n x e i b 统 ，开关控制 手动控带叫 l - 调光控制 r _ 不可寻址 自动控制 l 可寻址- d a i ，i 图2 - 1 照明控制系统分类 f i g 2 1c l a s s i f i c a t i o no fl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m ( 1 ) 集中式智能照明控制系统 集中式智能照明控制系统的拓扑图如图2 2 所示，它是一种星形的拓扑结构：中央监 控机和中央控制c p u 构成了它的控制中心，外围的各种照明控制器以及控制面板设备连接 到中央控制c p u 上，构成了一种辐射式互连结构，由中央控制器发出控制指令，通过控制 网络向末端的各种控制器输送控制数据包，从而实现了网络控制。 图2 2 集中式智能照明控制系统 f i g 2 - 2c e n t r a l i z e di n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m 集中式智能照明控制系统优点主要有控制功能高，存取协议简单，传输速率较高、故 障的诊断和排除简单。但是由于其过分依赖中央控制器，因此系统的可靠性和经济性相对 第2 章照明调光系统 ( 2 ) 分布式智能照明控制系统 分布式智能照明控制系统如图2 3 所示，首先，中央监控机是其控制中心，控制主网 为一级控制网络，由控制主网分出若干控制子网，然后以控制子网为中心，各照明控制器 和控制面板连接到控制子网上，形成分级的控制网络。其末端设备均有中央处理单元c p u ， 每一个照明控制器和控制面板连接到控制子网上。其控制过程为：首先中央监控机通过控 制主网向靠近末端设备的控制子网发出指令，通过控制子网到达末端设备，然后按照一定 的访问控制策略，来决定控制信号的传输顺序【9 】【1 0 f f l l l 。 图2 3 分布式智能照明控制系统 f i g 2 3d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m 2 1 2l o n w o r k s 现场总线控制系统 在控制中应用最广泛的是l o n w o r k s 现场总线。l o n w o r k s 是一种完整的、可互操作的、 成熟的、全开放的、低成本的分布式的控制网络技术，各制造厂以及用户都在自己的控制 网络方案中使用l o n w o r k s 技术。这种照明控制系统是建立在l o n w o r k s 智能节点基础上的， n e u r o n 芯片是其控制节点，通过n e u r o n 芯片来控制各种执行单元，如图2 - 4 为其控制系 统的总体结构框图。 9 北京建筑丁程学院硕士学位论文 上位控制机 il o n 网簪 一 i ii i 智能节点li 智能节点l 智能节点i 图2 4 系统总体结构 f i g 2 - 4s y s t e m sa r c h i t e c t u r e n e u r o n 芯片既可以进行现场数据的采集和处理，也可以通过传输线路与其他控制节点 相连接，因此，n e u r o n 芯片作为智能控制节点，将现场采集的数据，与上位控制机进行通 讯传输。l o n w o r k s 的控制网络的基本单位就是n e u r o n 智能节点，其主要结构为电源模块、 传感器、控制设备、神经元芯片和收发器，下面介绍了其主要构成的作用。 ( 1 ) 神经元芯片：通过神经元芯片来进行现场数据的输入和输出，同时也可以对数 据进行处理，并可以与l o n w o r k s 网络进行通信。 ( 2 ) i 0 接口：用来测量电路中的采集现场数据，控制电路通过i o 接口将控制命令 传送给执行单元。 ( 3 ) 其它电路：其中晶振电路主要是用来为神经元芯片提供工作时钟；为了避免神 经元芯片工作在低于最小工作电压的情况，还需要用到复位电路【1 2 】【1 3 】【3 3 】【3 4 1 。 2 1 3k 啪i b 系统 该系统目前已经转化为我国标准，其应用前景十分广阔。 欧洲电气接线装置总线( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 智能控制系统，与欧洲楼宇自控标 准( k n x ) 相结合，形成k n x e i b 总线系统，是为电气接线装置专业量身打造的智能化 楼宇控制系统。 灯泡i b 总线系统作为欧洲安装总线标注利用一条双绞线作为控制总线，取代了传统 数量繁多的导线，使照明、调光、百叶窗、场景控制、保安、供热系统实现智能化，并成 为一个完整的总线系统。如图2 5 所示。 1 0 第2 章照明调光系统 = 末 _ “o _ “# - _ 密一 叫霪b 图2 5e i b 燃总线系统 f i g 2 5e i b k n xb u ss y s t e m e i b k n x 系统的工作原理是利用信号控制线，即总线，把系统各个设备连接，通过软 件编程，设定控制设备( 面板、传感器、定时器等) 和受控设备( 开关驱动器、调光驱动器 等) 之间的关系，包括控制设备所能控制受控设备的数量、方式、触发条件等。 e i b k n x 系统的基本构成是由e i b k n x 元件通过总线连接成一条支线( l i n e ) ，几条 支线组成一个区域( a r e a ) ，几个区域构成一个大的系统。一条支线可以最多连接6 4 个 e i b k n x 总线元件，每个区域最多可以容纳1 5 条支线，每个系统最多可以有1 5 个区域。 如图2 - 6 所示。 a c 区域耦含镬 l c 线路耦台鼹 v r c k n x 元伴 p s 电源 图2 - 6k n x e i b 系统结构 f i g 2 6k n x e i bs y s t e ms t r u c t u r e 国家体育场作为2 0 0 8 北京奥运会的标志性建筑，有其灯光控制的独特需求。室内照 明、景观照明、立面照明均采用k n x 智能照明控制系统。室内的贵宾厅及贵宾接待处、 新闻发布处等进行调光控制，走廊、洗手间进行时间控制、红外感应的自动控制。室外立 面照明、景观照明进行调光控制、时间控制、光线感应控制。 2 1 4d y n e t 系统 d y n a l i t e 智能照明控制系统的最大特点是“模块化结构 和“分布式控制 。 1 j 蛋翻 b 昏b 北京建筑t 稃学院硕士学位论文 d y n a l i t e 智能照明控制系统主要由调光模块、控制面板、液晶显示触摸屏、开关模块、 控制面板、智能传感器、编程插口、液晶显示触摸屏、手持式编程器、时钟管理器和p c 监控机等组成，通过一根5 类数据通信线( 4 对双绞线) 将上述各种具备独立功能的控制 器件连接起来，来组成一个d y n e t 控制网络，其典型系统如图2 7 所示。 蠹嘲f 钟黼l 憾伊黼械 e 翻啦l 瓣 鞠魄期嘲确嘲 鼠碉绺 图2 - 7 d y n c t 典型系统 f i g 2 - 7d y n e tt y p i c a ls y s t e m 在d y n e t 系统中，各个模块只能响应网络对该模块的随机“呼叫”，每个状态下，每个 模块则互不影响，从而保证了系统的高可靠性。 d y n e t 系统可以称为是一种“事件驱动式”的网络系统，这种网络系统的优势在于根 本不用通过专f - j j l l 练，就就能够设计大型的照明控制系统。 对于d y n e t 系统中的各种模块的安装位置，其中控制面板和其他的各种控制器件可以 安装于便于操作的位置；控制模块一般情况下安装在配电间中，或在机柜中安装，也可挂 墙明装；当需要对系统进行扩展时，不用更改原有的线路，也不需要对地址重新配置，只 1 2 第2 苹照日月调光系统 要通过数据线将需要扩展的模块连接入原来的系统中就可以了【1 4 】【1 5 】【1 6 】【3 5 1 。 2 1 5d a l i 荧光灯单灯单控系统 灯光控制总线封闭协议的有c l i p s a lb u s 和d y n e t ，开放协议的有d a l i 、d m x 5 1 2 、 x 1 0 和h b s 。由于协议的开放性，d a l i 和d m x 5 1 2 在中国被广泛的使用。 d a l i 是一种数字可寻址照明接口( d i g i t a l a d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e ) 的缩写。d a l i 作为i e c6 0 9 2 9 标准的一部分为照明元件提供通信规则。 d a l i 最早问世于上世纪9 0 年代中期。目前在欧洲d a l i 作为一个标准已经被镇流器 大厂商所采用。 d a l i 系统结构如图2 8 所示。 图2 8d a l i 系统结构 f i g 2 8d a l is y s t e ms t r u c t u r o 与一般的照明控制系统不同的是，d a l i 作为可寻址的控制系统，每一个荧光灯镇流 器都有自己的地址，荧光灯光源就成为了系统中的空间动态元件，每一个末端灯具都能被 寻址控制。在d a l i 控制系统中，每个荧光灯都可以通过控制网络来调节其亮度，一条控 制线中可以连接6 4 个镇流器。 由于每个镇流器都有自己的地址，因此在控制过程中，每个镇流器之间都可以自由组 合，这也是其突出的优点。 荧光灯是目前应用最广的照明灯具，调光功能是其目前发展的趋势。一般具有功率因 数校正( p f c ) ，d a l i 的可调光荧光灯是由p f c 专用i c 、调光控制专用i c 、d a l i 转接微 控制器( m c u ) 此3 部分构成，只有少数的设计是把p f c 和调光控制i c 集成为一体，联 合成2 部分的结构，d a l i 可调光荧光灯方案，是把这3 部分都集成在一起，实现单芯片 实现p f c 、d a l i 、调光功能，调光范围1 0 , - - 1 0 0 ；硬件实现p f c 跟踪，算法简洁，p f _ 0 9 9 ； 红外、电磁频率r f 、环境光、人体感应等多种控制接口扩展；灵活地实现多种功能。 d a l i 的功能集成如图2 - 9 所示。 北京建筑t 稃学院硕士学位论文 2 2 主要照明调光方法 图2 - 9 功能集成 f i g 2 - 9f u n c t i o n a li n t e g r a t i o n 调光也就是改变照明装置的光输出过程。调光主要分为连续调光和步进调光两种方 式。 调光按使用的控制方法可以分为模拟调光( 模拟l i o v 调光) 与数字调光( 数控调光) 两大类。按控制范围大小的实现方法又可以分为现场总线控制和计算机网络调光控制两大 类。下面介绍了一些常见的调光方法。 2 2 1 白炽灯可控硅相控调光法 图2 1 0 是可控硅调光的基本原理图。 图2 1 0 可控硅调光基本原理图 f i g 2 1 0b a s i cs c h e m a t i co f t h es c rd i m m i n g s l 和s 2 为两个单向可控硅或者一个双向可控硅，为调光电路的主要部分。“，为输入 电压，一般为2 2 0 v ，“0 为输出电压，外接灯泡； ( 1 ) 前沿相控调光 采用的调节器件为可控硅。如图2 1 l 所示。 第2 章照明调光系统 图2 1 1前沿相控调光电路示意图 f i g 2 - 11c u t t i n g - e d g pp h a s ec o n t r o ld i m m i n gc i r c u i t 按调光量的要求，c p u 先求得相对应的导通控制角缈，在达到伊角度时触发t l 可控 硅被导通，切割正向的正弦波，产生了相应幅度的电压输出，到q = l s 0 0 时正向导通的可控 硅t l 被反向电压截止。而后，1 8 0 。以后过驴角度使，r 2 导通，切割反向正弦波，到3 6 0 0 时t 2 反向截止，如此为一个电压周期。如图2 1 2 。 h锄每 埘 o 由 蚴 u 曩膏 锄警 d 审 缪一 图2 1 2s c r 后沿相控电压波形 f i g 2 12s c rp h a s ec o n t r o lv o l t a g ew a v e f o r m ( 2 ) 后沿相控调光 用i g b t 代替晶闸管s c r ，可以组成i g b t 晶体管后沿相控调光器，电路图如图2 1 3 所示。 北京建筑t 程学院硕十学位论文 皇量量量量量量曼量量量量罾旨量鼍量量量量量皇量曼量曼曼量量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量量曼皇曼皇曼量量曼量暑量量鲁曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼皇曼量皇奠 图2 1 3后沿相控调光示意图 f i g 2 1 3t r a i l i n ge d g ep h a s ec o n t r o ld i m m e rs c h e m a t i c 按调光量的c p u 求得相应的伊角度，从过零点开始算一个电压周期，过零点后i g b t l 管开始导通，输出正弦波的正半周，到达伊角时i g b t l 管被截止，正弦波正半周被切割， 到达1 8 0 。后i g b t 2 管开始导通，输出正弦波的负半周，过妒角度后i g b t