Осветительные сети представляют собой целый комплекс, оперативно взаимосвязанного электрооборудования. В эту категорию входят вводно-распределительные устройства, световое оборудование различного типа, питающие их линии, коммутационные аппараты и устройства управления и контроля систем освещения.

Управление освещением в зависимости от месторасположения пунктов управления может быть местным или дистанционным.

При местной системе управления включение и выключение освещения производятся коммутационными аппаратами, установленными в каждом из освещаемых помещений или на каждом из освещаемых участков открытой территории. Как правило, выключатели располагаются непосредственно в этих помещениях или у входов в них. Выключатели устанавливаются на фазных проводах.

В сетях освещения взрывоопасных помещений класса В-I применяются двухполюсные выключатели, одновременно отключающие и нулевые провода. Двухполюсные выключатели используются также в сетях с изолированной нейтралью, в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных в отношении поражения током.

Включение и отключение небольшого числа светильников производится одним выключателем, но из соображений экономии электроэнергии рационально при наличии в помещении нескольких светильников устанавливать два и более выключателей.

Можно вместо двух выключателей применить переключатели на два направления. Такая схема управления используется, например, для многоламповых люстр, где требуется обеспечить возможность включения всех ламп полностью или по частям. Переключатель для выполнения такой схемы должен иметь четыре положения, соответствующих включению первой группы ламп, второй группы, обеих групп вместе и полному отключению всех ламп. [1]

На практике при освещении небольших помещений часто необходимо управлять рядами светильников, расположенными параллельно окнам. В этом случае надо раздельно управлять светильниками, находящимися у окон, а светильниками, удаленными от них.

Может быть такой случай, когда питание сети освещения производится со стороны, противоположной выключателям. Тогда приходится применять трехпроводную линию.

Управление освещением туннелей, различных галерей и коридоров должно производиться с различных их концов. Это позволяет при входе, например, в туннель с одного конца включать освещение и при выходе на другом конце выключить его.

Для реализации управлением освещением из двух мест необходимы специальные выключатели, которые называются проходными. Вообще, в данной ситуации термин "выключатель" неправильный. Это "переключатель", т.к. он имеет три контакта - один подвижный и два неподвижных. В зависимости от положения клавиши переключателя подвижный контакт замыкается либо с одним, либо с другим неподвижным контактом. Но, чтобы не запутаться в терминах, будем называть этот переключатель проходным выключателем.

На рисунке 1 видно, что включив два таких выключателя мы получим возможность управлять одним светильником (или несколькими одновременно, если они соединены параллельно) из двух точек независимо друг от друга.

осветительная сеть управление алгоритм

Рисунок 1. Схема управления света с двух мест (положение - выключено)

Особенностью проходных выключателей является то, что они не имеют строгого положения клавиши. Если в обычном выключателе, как правило, включенным положением является нажатие вверх, а выключение вниз, то в проходном выключателе положение "включено-выключено" будет зависеть от положения второго выключателя. Если допустим, вы включили свет с первого выключателя, "щёлкнув" его вверх, а со второго отключили, то в следующий раз при включении света первым выключателем, его необходимо "щёлкнуть" вниз.

Помимо одиночных, существуют сдвоенные проходные выключатели. Они позволяют управлять из двух мест двумя независимыми светильниками. Это фактически два одиночных проходных выключателя в одном корпусе.

Но иногда ситуация требует управления не из двух, а из трёх и более мест. Тут уже одними проходными выключателями не обойтись. Схему необходимо дополнить четырёхконтактными переключателями - так называемыми крестовыми выключателями. Крестовой выключатель имеет четыре контакта и более сложную конструкцию, по сравнению с проходным выключателем. Он устанавливается "в середине" схемы - т.е. первый и последний выключатели в цепи освещения будут проходными, а все во всех "промежуточных" точках должны быть установлены крестовые выключатели. В качестве примера на рисунке 2 показана схема управления светильником из трёх точек. [2]

Рисунок 2. Схема управления света с трёх мест (положение - выключено)

Стоит учитывать, что схема управления с помощью проходных и крестовых выключателей является не самым оптимальным решением, когда нужно управлять освещением из трёх и более мест. Такую схему управления значительно проще организовать с помощью двустабильных, или как их по другому называют, бистабильных реле. Данное реле представляет собой электронную схему триггера - устройства с двумя устойчивыми состояниями и управляется кратковременным импульсом, подаваемым на его вход. Это позволяет использовать для управления освещением не фиксируемые выключатели (кнопки). Все кнопки включаются параллельно друг другу, что позволяет значительно упростить схему и соответственно монтаж освещения. Обычно такое реле представляет собой стандартный 17,5 мм модуль, устанавливаемый на DIN - рейку и монтируемый в распределительном шкафу.

Рассматриваемое двустабильное реле, в зависимости от модификации, может иметь один нормально-разомкнутый контакт, два нормально-разомкнутых контакта или нормально-разомкнутый и нормально-замкнутый контакт. Такие реле могут работать как в сети 220 В, так и при напряжении 24 В. Схемы включения двустабильного реле показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Схемы включения двустабильного реле на напряжение 220 В (слева) и 24 В (справа)

Для реализации схемы управления освещением на двустабильном реле наиболее удобно задействовать его нормально-разомкнутый контакт. В приведённых обеих схемах таким контактом является контакт, имеющий выходы 1-2. Количество кнопок управления может быть любым, и все они включены параллельно. Первое нажатие на любую кнопку подаст управляющий уровень напряжения на вход А1, что вызовет включение реле, замыкание контакта и соответственно включение освещения, второе нажатие - отключение и так далее по кругу. Преимущество данной схемы от рассмотренной выше схемы на проходных выключателях - отсутствие необходимости применения крестовых переключателей и значительно более простой монтаж системы освещения. Недостаток - применение специального двустабильного реле. Но при наличии такого реле, данная схема является наиболее оптимальной как в плане монтажа, так и последующего отыскания неисправностей. [3]

В больших цехах и в помещениях, где устанавливается большое количество светильников, вместо отдельных выключателей применяются групповые щитки, укомплектованные защитой и аппаратурой управления.

Для обеспечения лучших условий эксплуатации и быстрейшего определения мест повреждения при авариях в двух - и трехфазных сетях рекомендуется предусматривать пофазное отключение светильников. Поэтому часто при применении двух - и трехфазной систем питания светильников устанавливаются щитки не с двух - и трехфазными отключающими аппаратами, а с однофазными. Это дает возможность в определенные периоды суток выключить часть светильников и перейти на "дежурное" освещение.

Очень важным вопросом является выбор места установки выключателей или групповых щитков. Места их установки должны быть легко доступны для обслуживания. Установка щитков в помещениях, которые могут быть закрытыми (кладовые и т.п.), не допускается. Желательно для установки щитков выбрать такие места, чтобы лицу, производящему отключение или включение освещения и находящемуся у щитка, были видны подключенные к этому щитку светильники. Рекомендуется, особенно в зданиях, где работа ведется не круглосуточно, щитки или выключатели располагать вблизи основных входом. Щитки без выключателей устанавливаются на лестницах и в коридорах. Размещение щитков должно обеспечивать удобную и короткую трассу питающих и групповых сетей и приемлемые сечения проводов. Щитки и выключатели устанавливаются на высоте 1,5-1,8 м от пола. Выключатели в отдельных комнатах располагаются около входных дверей со стороны дверной ручки.

Во взрывоопасных и пожароопасных помещениях, а также во всех помещениях с тяжелыми условиями среды выключатели устанавливать не рекомендуется. В случае же необходимости установки аппаратов управления в таких помещениях они должны быть выполнены в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок.

Осветительные установки отдельно стоящих пожароопасных складских зданий, а также складских помещений с ценными сгораемыми материалами должны иметь аппараты общего отключения, расположенные вне помещений (например, снаружи, у входной двери).

Иногда по условиям производственного процесса не требуется отключать освещение помещения по частям, т.е. освещение всегда работает полностью и все одновременно в определенное время выключается. В таких случаях применяют групповые щитки только с защитой и без выключателей, а до него на питающем кабеле устанавливается вводный рубильник (или выключатель) и им производится включение или выключение освещения. [4]

Светильники местного освещения должны управляться индивидуальными выключателями, устанавливаемыми в непосредственной близости от рабочего места так, чтобы рабочий, не отходя от своего места, имел возможность включить или выключить светильник местного освещения. Допускается в сетях местного освещения вместо выключателей использовать штепсельные соединения.

При централизованной дистанционной системе управления все управление освещением сосредоточивается в одном или нескольких местах, например на центральном диспетчерском пункте.

Централизованное дистанционное управление подразделяется на две системы управления. Если на освещаемом объекте вся осветительная установка питается от распределительного щита отдельными линиями, то возможно из пунктов питания посредством коммутационных аппаратов, установленных на этих линиях, централизованно управлять всем освещением объекта. Такая схема питания осветительных сетей встречается обычно только на небольших промышленных объектах и в различных административных, учебных, лечебных и других аналогичных зданиях. На больших объектах осветительная установка питается как отдельными линиями от распределительных устройств различных подстанций, так и от различных силовых сборок. В этом случае для возможности осуществления централизованного дистанционного управления на каждой из осветительных линии устанавливаются магнитные пускатели или контакторы, дистанционное управление которыми сосредоточивается в одном или нескольких пунктах управления.

Так же, как и при системе местного управления, коммутационные аппараты централизованного дистанционного управления могут включаться и отключаться вручную или посредством автоматов. Таким образом, возможно управление: местное, индивидуальное и групповое; централизованное дистанционное, с распределительного щита пунктов питания - посредством коммутационных аппаратов, установленных на отходящих осветительных линиях, и централизованное дистанционное из пунктов управления - при помощи устройств, воздействующих током определенного напряжения на катушки контакторов или магнитных пускателей непосредственно или через промежуточные устройства.

Централизованное дистанционное управление может обеспечить:

а) включение и выключение с пункта управления всех осветительных приборов, подключенных к управляемой сети;

б) выключение только части осветительных приборов и оставление включенным "дежурного" освещения;

в) выключение "дежурного" освещения;

г) получение сигналов исполнения команд, т.е. контроль за состоянием освещения.

Существуют две системы дистанционного управления:

а) обычная, когда один канал связи используется для выполнения только одной функции, например передачи импульса на включение контактора или сигнальной лампы;

б) телемеханическая, когда один канал связи используется для выполнения нескольких функций, например включения и выключения контакторов, сигнализации положения контакторов и т.д.

Вторая система лучше, но она значительно сложнее первой, требует более сложной аппаратуры и более квалифицированных кадров для обслуживания.

Устройство централизованного дистанционного управления включает в себя:

а) пункт управления, где размещаются пульт или щит управления и необходимые для него приборы, оборудование и блок питания;

б) исполнительные пункты управления, где размещаются сильноточная и слаботочная аппаратура; количество и месторасположение исполнительных пунктов соответствует количеству и месторасположению пунктов питания управляемой осветительной установки;

в) каналы связи между пунктами управления и исполнительными пунктами.

Пункт управления должен устраиваться в помещениях, где в темное время суток имеется дежурный персонал, который может, когда это потребуется, произвести включение или выключение освещения. В помещении пункта управления должны быть телефон и репродуктор радиотрансляционной сети.

В зависимости от принятой схемы дистанционного управления в пункте управления должен быть надежный источник постоянного или переменного тока. Надежность питания переменным током обеспечивается наличием двух независимых вводов от различных сетей 380/220 В микрорайона, где расположен пункт управления. При аварийном отключении основного питания автоматически включается резервное питание. Наличие дополнительных блок-контактов позволяет на пульте пункта управления устанавливать при необходимости сигнальные лампы, отражающие наличие напряжения на контролируемых участках электрической цепи. Дополнительные сопротивления в схеме устанавливаются при необходимости согласования паспортного напряжения сигнальных ламп и напряжения в сети.

При работе сети дистанционного управления на постоянном токе в схему интегрируется выпрямитель. Также есть возможность в пункте управления устанавливать аккумуляторные батареи 48 или 60 В.

Каналы связи пунктов управления с исполнительными пунктами, совмещенными с пунктами питания осветительной установки, выполняются в виде специальных самостоятельных кабельных и воздушных линий или с использованием линий городской и объектной телефонной сети, или при использовании магистральных сильноточных линий, посредством которых передается электроэнергия от электростанции или районных подстанций к трансформаторным киоскам. В этом случае передача приказов осуществляется с помощью специальных устройств токами различных частот, отличных от принятой рабочей частоты (50 Гц), или условными кратковременными перерывами рабочего тока.

Использование токов других частот требует установки специальной аппаратуры. Например, управление условными кодированными перерывами рабочего тока в электросети города или района требует установки на распределительных устройствах высокого напряжения аппаратуры, разрывающей на один-два периода рабочий ток. На исполнительных пунктах управления при такой системе передачи сигналов устанавливаются специальные устройства, реагирующие на эти заранее обусловленные, кратковременные изменения напряжения.

Отдельные специальные линии управления освещением удобнее и надежнее в эксплуатации, но их устройство требует больших затрат. Поэтому большей частью, где это возможно, используются телефонные сети. Для повышения надежности желательно прямые пары телефонной сети, используемые для управления освещением, не заводить на кросс телефонных станций и в другие узловые пункты телефонной сети. Выбор линий связи в каждом отдельном случае производится с учетом местных конкретных условий и возможностей.

В зависимости от способа управления при помощи коммутационных аппаратов управление может быть ручным или автоматическим. При ручном управлении включение и выключение освещения производятся, когда это необходимо, непосредственно обслуживающим персоналом. Сегодня такой способ становится все более нецелесообразным, так как приводит к неоправданным затратам во время установочных работ, излишнему нагромождению оборудования и неудобствам в управлении.

Автоматическое управление освещением осуществляется при помощи реле времени, фотоэлементов или фотосопротивлений, датчиков движения.

Реле времени можно применять для контроля освещения, а точнее включение/выключение в заданное время, причём контролируемых сетей освещения может быть несколько, например, основное рабочее и дежурное освещение. Рабочее освещение включается выключается в одно заданное время, а дежурные в другое или соответственно внутреннее и наружное освещение объекта.

Реле бывают нескольких типов, наиболее распространенные в применении - электромагнитные и электронные. Мощные осветительные сети подключаются к реле через магнитные пускатели.

Более удобны в эксплуатации фотоэлектронные автоматы, схем и конструкций которых разработано большое количество. Каждый из этих автоматов состоит из четырех основных частей.

В качестве первичного элемента автомата, предназначенного для преобразования световой энергии в электрическую, применяются газонаполненные или вакуумные фотоэлементы или, что лучше, сернисто-кадмиевые фотосопротивления. Величина сопротивления фотоэлементов и фотосопротивлений уменьшается пропорционально величине светового потока, падающего на их поверхность. В темноте их сопротивление настолько велико (порядка 10⁶-10⁷ Ом), что электрическая цепь, в которую они включены, будет в темное время суток практически разомкнута. По мере увеличения освещенности от естественного света сопротивление фотосопротивлений уменьшается и в цепи появится ток. Сила тока, проходящего через фотоэлементы или фотосопротивления, невелика и совершенно недостаточна для срабатывания реле автомата, предназначенного для включения катушки контактора линии. Поэтому вторым элементом автомата является усилитель сигналов. Он может быть выполнен на основе применения электронных ламп или полупроводниковых кристаллических элементов - триодов.

Третьим элементом автомата является выпрямитель тока, выполняемый также либо с применением электронных ламп, либо с полупроводниковыми диодами. Усиленный сигнал попадает далее на четвертый элемент автомата - исполнительное реле, которое включает или отключает катушку пускателя линии.

Недостатком многих разработанных схем фотоэлектронных автоматов является то, что они не имеют цепи задержки исполнения приказов и срабатывают мгновенно при изменении освещенности на светочувствительной поверхности фотосопротивлений или фотоэлементов. Это приводит к тому, что автоматы срабатывают при кратковременных изменениях освещенности. В темное время суток, когда осветительная установка находится во включенном состоянии, такое ненужное выключение освещения может произойти при вспышке молнии, нарушении контакта в трамвайной сети, работе электросварочных аппаратов вблизи места установки автомата и т.п. причин. Особенно часто ненужные включения и отключения освещения происходят в сумеречное время, утром или вечером, когда, например, проходящее небольшое облако может вызвать изменение освещенности от естественного света и тем самым включение осветительной установки. В связи с этим в схемах многих автоматов предусматриваются специальные несложные устройства, задерживающие на секунды исполнение приказов, что создает большую устойчивость в работе автоматов.

Во избежание попадания прямых солнечных лучей непосредственно на поверхность фоторезисторов или фотоэлементов автоматы следует устанавливать таким образом, чтобы отверстие в кожухе прибора, предназначенное для прохождения света, было ориентировано на север или затенялось какими-либо сооружениями.

Серийно фотоэлектронные автоматы выпускаются нескольких конструкций. Принцип их действия один и тот же, но собраны они из различных отдельных элементов и по различным схемам.

Фотореле работает следующим образом. Днем, когда освещенность большая, сопротивление фоторезистора мало и по обмотке реле проходит ток, заведомо больший, чем ток его срабатывания. Замыкающие контакты реле замыкаются и шунтируют обмотку реле. Уменьшение освещенности в вечернее время до величины Е ? 5 лк приводит к увеличению сопротивления фоторезистора и соответственно к уменьшению тока в обмотке реле до величины тока срабатывания реле (0,1 мА), при этом контакты реле размыкаются, ток проходит через обмотку реле, реле срабатывает и замыкает катушку магнитного пускателя - освещение включается.

Утром, при достижении освещенности 10 лк, сопротивление фоторезистора уменьшается, срабатывает реле и вся схема приходит в исходное положение.

Автомат освещения предназначен для автоматического включения и отключения наружного освещения различных территорий и помещений в зависимости от естественной освещенности. Автомат состоит из трех основных узлов: фотодатчика, блока управления и магнитного пускателя. Напряжение питания блока управления - 220 В.

Чувствительным элементом схемы является фоторезистор, заключенный в специальный корпус. Фотодатчик может устанавливается отдельно от блока управления в том месте, где необходимо контролировать уровень освещенности. Фоторезистор включен в цепь базы транзистора. Транзистор управляет реле, которое своими контактами включает или отключает выходное второе реле, к замыкающимся контактам которого подключена катушка магнитного пускателя.

Чтобы не отключалось (или включалось) освещение при случайных явлениях (например, при кратковременном освещении фотодатчика каким-либо внешним источником света - фонарь, свет фар и др., или наоборот при временном затемнении пространства перед ним - облака, какой-либо предмет и прочее), схема имеет элементы временной задержки срабатывания - конденсатор и резистор совместно с замедленным реле. Для управления освещением вручную (в необходимых случаях) устанавливают щиток с выключателем и предохранителем.

При необходимости произвести регулировку нужно руководствоваться следующим:

а) измерение освещенности производить люксметром, фотоэлемент которого устанавливают рядом с фотодатчиком автомата;

б) изменять освещенность следует, возможно, медленнее со скоростью не выше 3 лк/мин;

в) настройку производить, изменяя величину сопротивления, в необходимых случаях допускается изменение сопротивления в пределах 10-40 кОм.

Недостаток фотореле - его относительно высокая стоимость, оно в 3-4 раза дороже автоматов других типов.

Установка часовых и фотоэлектронных автоматов управления, как показала практика их применения на многих объектах различного назначении, приводит не только к упрощению эксплуатации осветительной установки, но и к сокращению длительности ее работы и вследствие этого к снижению расхода электроэнергии на освещение.

Следует указать, что автоматы в большинстве случаев применяются не взамен системы дистанционного управления, а дополнительно к ней. Они устанавливаются пунктах управления осветительной установкой, и при понижении освещенности от естественного света до определенного уровня, на который отрегулирован автомат, он включает цепь управления освещением. Наоборот, при повышении освещенности он в определенный, заданный ему момент выключает освещение. Для этого в цепь питания щита управления дополнительно подключается фотоэлектронный автомат ФЭА.

Установить автоматы взамен системы централизованного дистанционного управления можно только в том случае, когда электрическая схема питания осветительной установки позволяет, если это потребуется, отключить все освещение. При этом возможно временное одновременное отключение и других потребителей электроэнергии, допускающих перерыв в их электроснабжении. При такой системе управления автоматы устанавливаются, например, на отдаленных прожекторных мачтах или отдаленных участках территории и при изменении условий освещенности от естественного света они, замыкая или разрывая цепь катушек магнитных пускателей, включают или отключают освещение. [5]

Таким образом, при автоматическом управлении включение и выключение освещения производятся при помощи фотоэлектронных автоматов, действующих в зависимости от изменений величины освещенности, создаваемой естественным светом, датчиков движения, предполагающих появление человека и включающих световые приборы, или посредством реле времени, осуществляющих включение и отключение осветительной сети в определенное, заданное время.

Разумеется, данный подход является весьма выгодным, поскольку позволяет рационально подходить к потреблению электроэнергии и ресурсу светового оборудования. Однако это лишь малая часть способа автоматизировать систему осветительных сетей.

1.2 Автоматизированная система управления освещением