Синусоидальный димминг - технология XXI века

В течение последних нескольких лет набирала обороты тихая революция – мощный технологический прорыв, который изменил принципы работы диммеров и устранил проблемы акустического шума и гармонических токов, являющихся нормой для сегодняшних диммеров. Эта новая разработка получила название «синусоидальный димминг». Развитие технологий сценического освещения всегда было связано с конкретными требованиями профессионалов театра, концертных площадок, телевидения и киноиндустрии. В прошлом важнейшие разработки – программируемые световые консоли и автоматически управляемое освещение – были изначально созданы для одного сектора развлекательной индустрии, а затем, после некоторого периода адаптации, нашли применение повсеместно.

Многие годы появление технических инноваций в димминге следовало этому общему правилу, хотя последний значительный скачок в развитии систем димминга произошел более 40 лет назад, когда полупроводниковый фазоимпульсный димминг стал мировым стандартом.
Это достижение – третья революция в технологии димминга. Первой из них было применение ручных козырьков для прикрытия свечей или масляных ламп; второй – использование газа, когда с помощью вентилей контролировали уровни освещения; третьей же стало применение электрических средств изменения уровня свечения ламп.

Начало века фазоимпульсного димминга
По сравнению с технологиями димминга 50 и
60-х гг., которые в основном представляли собой потенциометрические и магнитные димминговые технологии, тиристорный полупроводниковый фазоимпульсный димминг предложил значительные улучшения рабочих характеристик и преимущества для развлекательной индустрии. Изначально разработанный для применения в театральных инсталляциях, где низковольтное управление большими мощностями означало, что более компактные световые консоли могут быть установлены в удобном для оператора месте, тиристорный диммер был быстро принят за стандарт и из-за других его эксплуатационных преимуществ. Среди новых характеристик, возможно, важнейшим было то, что теперь на диммерную кривую (графическое отображение зависимости процентного уровня интенсивности света от процентного уровня управляющего сигнала диммера) не влияли лампы разной мощности, и такой диммер мог управлять любой лампой (не зависимо от ее мощности) с одинаковой графической кривой. Прежняя необходимость неэффективных балластных нагрузок, используемых для унификации работы диммеров, ушла навсегда, потребление электричества снизилось, стало возможным сделать диммер легче и компактнее.
Применение тиристорных диммеров имело и свои недостатки. Однако они были хорошо известны, и их научились обходить как при разработке самих диммеров, так и с помощью технологий системной инсталляции. Таким образом, по сравнению с преимуществами новых диммеров недостатки были относительно невелики. Чтобы понять эти проблемы, необходимо вкратце рассмотреть технологии третьей диммерной революции.
Резисторные и магнитные диммеры изменяли амплитуду питающего напряжения, подаваемого на лампу. Тиристоры – это полупроводниковые элементы, способные с высокой частотой работать в режиме включено/выключено и позволившие «вырезать» часть цикла синусоидального напряжения сети питания, чтобы подавать лишь часть напряжения на лампу при необходимости понижения интенсивности ее свечения. Этот процесс «вырезания» происходил 50 или 60 раз в 1 с, но пульсирующий характер питания лампы был незаметен, так как тепловая инерция нити накала лампы усредняла эффект.
Хотя эта технология фазоимпульсного димминга была хорошо известна в ламповый век, тем не менее только в 60-х гг. удалось ее оптимизировать с помощью полупроводниковых электронных компонентов. Технология «вырезания», применяемая в фазоимпульсных диммерах, требовала тщательного планирования электрической инсталляции, чтобы избежать потенциального перегрева трансформаторов и электропроводки, вызываемого гармоническими токами и искажениями формы волны в электросети. Техника такого планирования была хорошо изучена за последние 40 лет, но ее применение требовало дополнительных затрат.
Чтобы минимизировать влияние диммеров на другое оборудование и понизить уровень шума нитей накаливания ламп, последовательно с нагрузкой подключали массивный дроссель, который замедлял скорость изменения тока в лампе, когда тиристоры пропускали «усеченную» синусоиду питающего напряжения. Хотя эти дроссели обеспечивали значительное снижение шума нитей накала ламп, они не могли полностью его устранить. К тому же они снижали эффективность диммеров. Чем больше был дроссель, тем тише работала лампа, но тем больше тепла выделял диммер из-за потерь напряжения в дросселе.

Новые возможности новых полупроводниковых приборов
За последние 40 лет тиристорные диммеры стали мировым стандартом. Новые разработки позволили снизить стоимость на 1 кВт, уменьшить уровень электромагнитных помех и шума ламп, а также добиться большей надежности, стабильности и высокой скорости регулирования. Были созданы приборы с настраиваемыми характеристиками и цифровым управлением. Но принцип работы диммера был прежним: прибор оставался нелинейной нагрузкой на сеть питания, что означало появление гармонических токов.
Когда голландская компания IES в 80-е гг. начала разработку небольшой линейки диммеров для «живых» концертов, фазоимпульсный димминг был единственным доступным методом регулирования источников света, и компания получила репутацию разработчика диммерных систем по индивидуальным заказам местных клиентов. IES очень повезло с ее молодым конструктором Яном де Йонге, который также был главным конструктором-электронщиком в компании – производителе промышленных систем взвешивания и дозирования, поэтому мог использовать технологии, созданные в рамках одной индустрии для решения проблем в другой.
Технические разработки обычно появляются в ответ на требования пользователей. Клиенты IES нуждались в решении проблемы, так как в 1995 г. лампы были слишком шумными, а диммеры – слишком большими и тяжелыми для туров. В связи с этим было решено изменить технологию фазоимпульсного димминга. Использование нового полупроводникового устройства IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, биполярный транзистор с изолированным затвором) сделало возможным выключать ток, а не включать. Благодаря этой разработке появился коммерчески успешный фазореверсивный диммер. Он был тише обычного тиристорного диммера, и громоздкий последовательный дроссель был исключен. IGBT стал применяться во многих областях энергетики, например в быстродействующих переключателях и высокочастотных устройствах управления двигателем (приводах).

Решение проблем шума и гармонических токов
Другая проблема, вызывающая все большую озабоченность театральных проектировщиков и архитекторов, связана с тишиной. Мы все стремимся к тишине в нашей повседневной жизни, устанавливаем окна с двойными стеклами в квартирах, покупаем тихие машины, слушаем компакт-диски, где в тихих местах нет лишнего шума. Когда мы идем в театр, то хотим слышать голоса исполнителей, а не жужжащий хор ламп. Кроме этого, индустрия энергоснабжения была озабочена увеличением количества нелинейных нагрузок и порождаемых ими гармонических токов. Изначально эту озабоченность вызывали не диммеры, а миллионы импульсных источников питания в офисном и бытовом оборудовании, которое порождало тот же эффект – статическое загрязнение системы энергоснабжения и увеличение расходов на электрическую инфраструктуру для борьбы с этим загрязнением.
Хотя технология димминга с применением биполярных транзисторов решила некоторые сегодняшние проблемы относительно шума, проблема гармонических токов оставалась нерешенной, так как питающее напряжение, подаваемое на приборы, все еще состояло из вырезанных кусочков синусоидальной волны сети питания и любая нелинейная нагрузка порождала гармонические токи. Все, кто когда-либо слышал жужжащие лампы в театрах и телестудиях, а также гудение аудиосистем, понимают необходимость тишины. Но что такое гармонические токи, и как они на нас влияют?
Если нагрузка берет ток от сети питания постоянно, ее называют линейной. Традиционные диммеры являются нелинейными нагрузками, потому что они берут ток только тогда, когда он требуется, т.е. часть каждого полуцикла, если лампа работает не на полную мощность. Если электрическая инфраструктура здания не разработана специально для применения таких нелинейных нагрузок, это может привести к искажениям формы волны в питающей сети, что негативно повлияет на другое оборудование, подключенное к ней, а также на электропроводку и трансформаторы.
Эти гармонические токи требуют, чтобы электрическая инфраструктура имела нулевые провода и специальные трансформаторы, разработанные для нелинейных нагрузок. Такие модификации эффективны, однако их применение сопряжено с увеличением расходов на инсталляцию.
Именно эта двойная необходимость – сделать нити накаливания ламп и проводку бесшумными и снизить гармонические токи – стала причиной разработки синусоидального димминга. Так как же он работает?

Рождение бесшумных диммеров
В синусоидальных диммерах нового поколения используется технология широтно-импульсной модуляции для управления амплитудой питания, подаваемого на лампу. Входное питание дискретизируется на высокой частоте (40 кГц), и биполярные транзисторы управляются в течение каждого периода дискретизации путем изменения соотношения времени включения/выключения за один период. Время включения в этом «коэффициенте заполнения» пропорционально электрической энергии, необходимой, чтобы соответствовать амплитуде синусоидальной волны в данной точке цикла.
Форма волны выходного тока сглаживается пассивной сетью, чтобы создать на выходе волну, форма которой точно соответствуюет форме волны входного питания. Процесс широтно-импульсной модуляции вносит менее 1% искажений в питающую сеть и позволяет создать абсолютно бесшумный диммер с внушительной возможностью димминга практически любой осветительной нагрузки.
Для первых пользователей этой технологии отсутствие гармонических токов означало снижение расходов на оплату электричества (не надо было платить за реактивный ток) и увеличение срока эксплуатации местных трансформаторов. Электрическая инфраструктура стала значительно проще и экономичнее в установке. Синусоидальный димминг впервые был представлен в 2001 г. и смог решить как проблему шума, производимого лампами, так и проблему возникновения гармонических токов, являясь при этом энергосберегающим.
Система синусоидального димминга имеет и другие преимущества. Так как используемые в диммерах биполярные транзисторы с изолированным затвором должны управляться с высокой точностью, применяются высокочастотные измерительные устройства, обеспечивающие работу этих устройств в их заданных пределах. Данные измерений напряжения, тока и температуры постоянно обновляются, и эти данные используются для управления процессом димминга. Это позволяет диммеру делать различие между броском пускового тока, порождаемым холодной нитью накаливания лампы, и коротким замыканием. Кроме того, система измерения тока дает возможность осуществлять различие между глухим коротким замыканием (например, при пробое изоляции) и кратковременным, возникающим в момент разрушения нити накала лампы. В первом случае диммер автоматически отключится, чтобы избежать перегрузки или пожара, а во втором – моментально отключится, затем проверит соединение с нагрузкой, после чего продолжит работать в обычном режиме. Эта возможность позволяет продолжать работу, если в одной из параллельно подключенных ламп перегорает нить накала.
Автоматическая реакция на неполадки в цепи и наличие надежной сетевой системы передачи данных стали ключевыми факторами в развитии «распределенного» димминга – практики размещать диммеры там, где они необходимы, например недалеко от ламп и на фермах, а не ставить их все вместе в удаленной диммерной комнате.

Синусоидальная технология делает распределенный димминг реальностью
Препятствием для развития этой идеи в прошлом была необходимость постоянного доступа к диммерам с целью замены предохранителей, установки и изменения DMX-адреса, настройки и переподключения. Также, конечно, шум, производимый диммерами, налагал свои ограничения на их расположение. Теперь наличие на каждом диммерном канале мощного процессора, запрограммированного на контроль работы диммера и управление его эксплуатационными характеристиками, позволяет легко отправлять данные по сети на главную точку, например компьютер. Необходимость обеспечить моментальную электрическую безопасность, которая может защитить электроприборы быстрее любого предохранителя или прерывателя цепи, стала причиной создания автоматического устройства, которое информирует о неполадке и дает возможность удаленно перенастроить диммер после устранения неполадки (например, после замены лампы в приборе). Эти данные, так же как и внутренние настройки диммера, передаются по сети, позволяя оператору просматривать, анализировать и исправлять работу диммера из любой удаленной точки помещения. Управляющее программное обеспечение для такой сети называется DimSTAT, и так как оно является сетевым, то позволяет объединить несколько зон (например, несколько студий в телевизионном комплексе), соединенных с сетью компьютеров. В Национальном театре в Лондоне все три театральных помещения оснащены системой синусоидального димминга IES. Компьютеры с DimSTAT находятся в диммерных и контрольных комнатах и даже рядом с самими приборами, чтобы техники могли справляться о состоянии диммеров из легкодоступных точек в театрах.
Другая проблема диммеров предыдущего поколения заключается в шуме. Сами диммеры производят слышимый жужжащий шум (в основном от дросселей), который особенно заметен при изменении уровней освещения, а диммеры с вентиляторным охлаждением еще более увеличивают шум. Синусоидальные распределенные диммеры IES имеют только конвекционное охлаждение, их корпуса работают как радиаторы, поэтому шум практически отсутствует, даже если поднести ухо к самому корпусу.

Решение проблемы гармонических токов
До появления технологии синусоидального димминга IES существовало еще одно ограничение, особенно касающееся подъемно-опускных ферм, и причина его заключалась в появлении гармонических токов. Обычная система димминга требует применения питающих кабелей, способных выдерживать высокие гармонические токи, и такие кабели, как правило, на 40% толще обычных. Большие кабели имеют больший вес, и полезная нагрузка на ферму снижается. Синусоидальные диммеры IES не производят гармонических токов, и можно применять более легкие обычные кабели. Этот простой факт позволил таким крупным площадкам, как Копенгагенский оперный театр, Het Muziektheater в Амстердаме и Lyttelton Theatre в Лондоне, воспользоваться преимуществами размещения диммеров на осветительных фермах над сценой. Какие это преимущества? Не требуется пространства в удаленной диммерной комнате, снижаются затраты на кабели и появляется возможность устанавливать диммеры там, где они необходимы. В Het Muziektheater вообще нет предустановленных осветительных ферм, а имеется набор многоцелевых ферм, которые располагаются по требованию светового дизайна, туда же подается питание и управляющий сигнал.
Синусоидальные диммеры показали себя как толерантные к плохой сети питания и не оказывающие пагубного влияния на генераторы и трансформаторы. Одна телевизионная студия в Лондоне, страдающая от высоких искажений в сети питания (зачастую возникает необходимость переключаться на запасные генераторы), была выбрана для тестирования синусоидальных диммеров в сравнении с другими технологиями. Синусоидальные диммеры не только идеально работали, но и очистили питающую сеть, снизив искажения. Генераторы и трансформаторы воспринимают синусоидальные диммеры как линейную нагрузку, это означает, что генераторы будут тарифицироваться по их фактической нагрузке, а не активной и реактивной мощности из-за гармонических токов, срок же эксплуатации трансформаторов значительно увеличится, так как нагревание, связанное с возникновением гармонических токов, отсутствует.
Применение распределенного димминга имеет множество скрытых преимуществ, которые еще только осознаются после нескольких лет постоянной эксплуатации этой технологии в самых разных инсталляциях. Театры и киностудии сообщили о значительном увеличении срока службы ламп, что снижает затраты на техническое обслуживание. Но одно из самых интересных преимуществ распределенного димминга можно увидеть в старых зданиях. Добавление новой осветительной проводки или даже замена старой может оказаться сложным или вообще невозможным мероприятием. Длинные кабели, поиск места для новых диммерных рэков в забитых и перегретых диммерных комнатах, увеличение нагрузки – все это может превратить относительно простое обновление в настоящий кошмар. Компактные распределенные синусоидальные диммеры – идеальное решение для добавления новых осветительных приборов там, где они необходимы, требующее лишь подачи питания (от ближайшей розетки питания) и управляющего сигнала. Многие театры сегодня оборудуются для работы по беспроводной сети Ethernet, что еще больше уменьшает количество кабелей к диммерам. Если же диммеры не нужны в определенных местах для следующего представления, они могут быть убраны, как и любые декорации.

Яркое будущее с синусоидальным диммингом
Со времен первых экспериментальных инсталляций в 2000 г. компании IES технология была усовершенствована, ее надежность проверена в театрах, вещательных телестудиях и киностудиях по всей Европе. Инженеры-акустики уже указывают синусоидальные диммеры в спецификациях для критичных к уровню фонового шума инсталляций, таких как концертные залы и телестудии. Практические преимущества и экономия на слишком дорогих компонентах при инсталляции дают повод пересмотреть затраты на содержание обычной полупроводниковой системы димминга. Если же учесть еще и преимущества теперь доступного распределенного димминга, то можно сказать, что четвертая революция в технологии димминга уже наступила. Синусоидальная технология станет мощным инструментом для диммерных систем XXI века.

Редакция выражает благодарность компании LPD и лично Павлу Щелканову за помощь в подготовке статьи.

Перевод Елены Прокопенко