Systémové elektrické instalace KNX/EIB (11. část) Ing. Josef Kunc Stmívací akční členy Hlavním úkolem těchto přístrojů je spínání a stmívání světelného zdroje. Stejně jako v klasických elektrických instalacích i v systémové KNX/EIB instalaci je nutné nejdříve stanovit druh a velikost zátěže. Teprve poté lze zvolit potřebný typ stmívacího přístroje. Tyto požadavky je ale nutné doplnit i případnými požadavky na zůsob řízení osvětlení, na způsoby vytváření světelných scén. Stmívací akční členy musí být vybaveny nejméně třemi základními komunikačními objekty: - jednobitovým komunikačním objektem pro spínání, - čtyřbitovým komunikačním objektem pro průběh stmívání a - osmibitovým komunikačním objektem pro nastavenou hodnotu. Tlačítkové snímače vybavené aplikačním programem pro řízení stmívání musí být vybaveny pouze prvními dvěma z uvedených komunikačních objektů. Krátkým stiskem snímače potom můžeme zapínat nebo vypínat, dlouhým stiskem regulovat nastavení úhlu otevření polovodičového ventilu. Naproti tomu osmibitovým komunikačním objektem lze nastavit hodnotu osvětlení od 0% do 100%, což se využívá především ve světelných scénách. Stmívací akční členy pro žárovkovou zátěž Polovodičové prvky stmívacího akčního členu mohou být dimenzovány pro provozování jen žárovkové zátěže nebo i pro regulaci primárního napětí klasických transformátorů pro napájení halogenových žárovek na malá napětí. Jiné vnitřní zapojení vyžaduje přístroj vyhovující navíc i pro halogenové žárovky malého napětí napájené elektronickými transformátory. Anebo bude vytvořen stmívač pro všechny uvedené zátěže – tzv. univerzální stmívač. Principiálně se jedná o mikroprocesorem řízený elektronický výkonový prvek, který nejdříve otestuje zatěžovací obvod. Teprve podle výsledku testu zvolí vhodný režim činnosti. Jedná-li se o odporovou (žárovkovou) zátěž anebo o zátěž induktivní (vinuté transformátory pro napájení halogenových žárovek), stmívač pracuje v režimu spínání na náběžné hraně. Zjistí-li zátěž tvořenou elektronickým transformátorem, spíná na sestupné hraně. To ovšem znamená, že do zatěžovacího obvodu nelze vkládat klasické vinuté transformátory společně s transformátory elektronickými – v takovém případě by stmívač nepracoval. Při výběru stmívače se nesmí zapomínat na vlastní spotřebu transformátorů, o niž je nutné redukovat přípustnou zátěž. U elektronických transformátorů činí toto snížení kolem 5% a u klasických transformátorů pak přibližně 20% jmenovité zátěže. Uveďme si příklad halogenových žárovek malého napětí, napájených ze sekundárního vinutí klasického (vinutého) transformátoru. Přitom použijeme stmívač pro jmenovitou zátěž 500 W. 20% z tohoto výkonu stmívače musíme uvažovat jako spotřebu transformátoru, takže ve skutečnosti bude možné použít žárovky s příkonem nejvýše 400 W. Bude-li však použit elektronický transformátor, při stejném odběru energie bude možné instalovat žárovky s příkonem až 475 W. Stejně jako v klasických instalacích, také v instalacích systémových KNX/EIB je nutné kontrolovat nejen maximální, ale také minimální přípustnou zátěž. Bude-li ke stmívači připojena zátěž menší, než je nejnižší udávaná výrobcem, snadno se může stát, že přístroj nebude pracovat správně anebo nebude vůbec fungovat. Tato dolní
mezní hodnota se pohybuje běžně mezi 40 W až 60 W pro jmenovité zátěže kolem 500 W. S probíhajícím rozvojem výroby a užití energeticky úsporných světelných zdrojů se svítivými diodami (LED) by stmívače s minimální zátěží v desítkách W již nebyly schopné spolehlivě regulovat intenzitu osvětlení. Proto byly vyvinuty stmívače, které mohou pracovat v rozmezí odporových zátěží od 2 W např. do 350 W. Poměrně často se setkáváme s potřebou stmívat nedělitelné zátěže o vyšších příkonech, než připouštějí běžné stmívače. Skutečně elegantní řešení skýtá použití stavebnicových prvků pro montáž do rozváděčů. Příkladem může být řídicí modul 500W typu Master s paralelně připojenými nejvýše šesti přídavnými moduly 420 W typu Slave s pomocnou sběrnicí. Takovýto malý řídicí systém umožňuje sestavit stmívač pro nedělitelnou zátěž až 3 kW a může opět pracovat jak v klasických, tak i v systémových instalacích (obr. 1).
Obr. 1: Zapojení stavebnicového stmívacího akčního členu
Výkonové stmívače jsou samostatnými konstrukčními prvky, které lze spínat a stmívat přímo připojenými klasickými tlačítkovými ovladači anebo použít řídicí moduly, které dovolují naprogramování způsobu řízení osvětlení. Obzvláště v systémové instalaci KNX/EIB lze vytvářet působivé světelné scény (kombinace provozních stavů i vysokého počtu svítidel). Parametrizací řídicí jednotky KNX/EIB stmívače lze v širokých mezích nastavit rychlost stmívání od skokové změny až po desítky či stovky hodin. Kromě toho je možné použít různých časových zpoždění pro zahájení i ukončení stmívacího cyklu. To dovoluje využití stmívačů pro prakticky libovolné osvětlovací systémy, pro vytváření požadovaných světelných scén v obytné sféře, ve výstavnictví, v kulturních a společenských místnostech a různých dalších objektech.
Výhodou takového stavebnicového uspořádání stmívačů je také možnost paralelního řízení i několika stmívačů. Jedním výstupem řídicího modulu tak lze ovládat například 9 paralelních větví stmívačů, každou pro zátěž 3 kW. Celkový společně regulovaný výkon žárovek potom bude 27 kW, při dvou plně vytížených kanálech tedy až 54 kW. Poněkud problematičtěji se jeví regulace zářivkové zátěže. Starší koncepce některých stmívačů umožňovala stmívání běžných zářivek s paralelním zapojením ztrátové zátěže (odpor nebo žárovka). Takovýto způsob regulace intensity osvětlení je neekonomický. Nyní se používá technicky dokonalejšího způsobu. Zářivková svítidla musí být vybavena stmívatelnými elektronickými předřadníky s řídicím vstupem 10 V DC nebo s digitálním řízením. Snadno řešitelná jsou zadání, jakými je regulace vyšších příkonů. Další variantou je použití speciálních předřadníků DALI (digital addressable lighting interface – digitální adresovatelné rozhraní pro osvětlení). Regulace zářivkové zátěže je nejčastější v komerčních objektech, ve školách, v administrativních a podobných budovách. Způsoby vytváření světelných scén
Obr. 2: Odesílané a přijímané skupinové adresy při spouštění jednobitové scény s osmi účastníky
Již klasickými jsou tak zvané jednobitové scény. Pro spuštění jedné takovéto kombinace provozních stavů spínaných i stmívaných svítidel, ale také žaluzií, případně i dalších funkcí v budovách, je v první fázi potřebné odeslat na sběrnici jeden jednobitový (spínací) telegram se skupinovou adresou přiřazenou právě této scéně. Tento telegram bude odeslán například po stisku jednoho kontaktu tlačítkového snímače (odesílá vždy pouze hodnotu „1“, kterou se spouští tato scéna). Telegram přijme logický člen, který je vybaven aplikačním programem pro spouštění scén. Teprve nyní začíná druhá, závěrečná fáze spouštění scény. Po vyhodnocení
přijaté zprávy odesílá logický člen telegramy každému ze zúčastněných akčních členů. Odešle tedy tolik telegramů, kolik elektrických předmětů a tedy i kolik akčních členů se podílí na scéně. Tak například zúčastněným spínaným svítidlům jsou odesílány jednobitové telegramy, stmívaným svítidlům jsou odesílány telegramy osmibitové. Čím vyšší počet ovládaných elektrických předmětů se má na scéně podílet, tím vyšší počet telegramů musí být odeslán a tím delší dobu je sběrnice zaneprázdněna přenosem telegramů. Na obr. 2 je příklad s řízením scény s osmi účastníky – se čtyřmi spínanými svítidly.se dvěma spínanými a stmívanými svítidly a se dvěma motorovými pohony (např. žaluziemi). Tlačítkový snímač odešle telegram se akupinovou adresou 3/1/1, který přijme a vyhodnotí logický člen a následně odesílá osm telegramů určených pro postupné uvedení všech osmi elektrických předmětů do požadovaných provozních stavů.
Obr. 3: Spouštění osmibitové scény jediným telegramem
Jednobitové scény s nižšími počty účastníků lze často spouštět jednobitovým telegramem, který není doručován po sběrnici, ale je vnitřním telegramem v aplikačním programu sběrnicové spojky tlačítkového snímače. Potřebný počet telegramů potom odesílá tato sběrnicová spojka.
Protože však neustále rostou nároky na počty účastníků ve scénách, narůstá i zatížení sběrnice, což někdy může způsobit určité zpoždění při doručování telegramů. Proto se v současnosti začíná používat nový způsob řízení scén. Při něm jediným osmibitovým telegramem bude spuštěna libovolně rozsáhlá scéna, s libovolným počtem účastníků. Teoreticky je takto možné definovat až 255 různých scén, prakticky je jich však nyní možné spustit „pouze“ 64. Tlačítkový snímač odešle telegram s číslem scény a všechny akční členy, které jsou do této scény zařazeny, se nastaví do polohy pro tuto scénu předem definovanou (obr. 3). Počet účastníků ve scéně není nijak omezen. Především rozsáhlé scény je vhodné spouštět osmibitově. Hodláme-li využít tento způsob řízení, musíme se ale nejdříve přesvědčit, zda aplikační programy uvažovaných akčních členů jsou vybaveny touto novou možností. Tepelné ztráty stmívacích akčních členů Pro správnou činnost stmívače je zcela nezbytné pečlivě kontrolovat tepelné poměry v místě stmívače. Správná činnost při plném zatížení je zpravidla zaručena pro okolní teploty do 35°C, výjimečně do 45°C. Při překročení okolní teploty nad výrobcem stanovenou mez je nutné omezovat zatižitelnost přístroje. Příslušné závislosti mezi zatížením a okolní teplotou je potřebné vyhledat v dokumentaci k přístroji. Moderní stmívací akční členy i stmívače pro klasické elektrické instalace bývají zpravidla vybaveny vestavěnými elektronickými ochranami před přetížením, zkratem či přepólování. Dojde-li tedy například k přetížení stmívače, zvýší se výkonová ztráta na výkonovém polovodičovém prvku stmívače a s tím i oteplení tohoto přístroje. Vestavěná elektronická ochrana reaguje na zvýšené oteplení rozpojením silového obvodu stmívače. Po poklesu teploty stmívače se silový obvod opět uvede do předchozího provozního stavu. Za těchto podmínek dochází k postupnému rozsvěcování a opětovnému zhášení světelného zdroje. Setkáme-li se s takovouto činností osvětlení, bude se zpravidla jednat o tzv. tepelné problémy, tedy o ne zcela správný návrh rozváděče nebo jeho umístění. S dokonalou (nejen) systémovou instalací souvisí i dokonalý návrh rozváděčů Mnohdy se můžeme setkat se skutečně neprofesionálně navrženými rozváděči. Obvyklým postupem projektantů v těchto případech bývá totiž výběr „vhodného“ rozváděče pouze podle počtu modulů, které je potřebné s určitou rezervou uložit do vybrané skříně. V úvahu nebývají brány tepelné ztráty na jednotlivých prvcích, i když pro každý rozváděčový přístroj bývá příslušná výkonová ztráta běžnou katalogovou hodnotou. Pokud je rozváděč osazen pouze klasickými elektromechanickými přístroji, u nichž má výkonová ztráta na spínacích kontaktech poměrně malou hodnotu, nemusí ještě nastat prakticky žádné problémy. Ovšem ve stále větším měřítku se používají výkonové stmívače, na nichž je výkonová ztráta podstatně vyšší a navíc nepřipouštějí tak vysoké oteplení, jaké je možné dovolit u elektromechanických přístrojů. Touto problematikou se zabývá ČSN EN 60670: Krabice a kryty elektrických přístrojů pro domovní a podobné pevné elektrické instalace. Její část 24: „Zvláštní požadavky na kryty ochranných přístrojů a podobných výkonových rozvodných zařízení“ byla v minulém roce schválena jako EN 60670-24, což znamená, že do norem ČSN musí být zavedena nejdéle do dvou let (tedy přibližně do poloviny roku 2007). Část 24 platí pro rozvodnice a rozváděče pro jmenovitý proud do 125 A, při jmenovitém napětí do 400V a pro zkratové proudy do 10kA (přístroje se zkratovým proudem do 17 kA), tedy pro rozváděče.
Každý návrh rozváděče vychází z maximální výkonové ztráty Pde určené výrobcem pro dodávaný typový rozváděč, která se normou popisovaným způsobem ověřuje při typové zkoušce. Z hlediska uživatele normy – projektanta – je nejzajímavější částí příloha A s výpočtem výkonových ztrát všech v rozváděči instalovaných přístrojů Ptot a jejich porovnání s přípustnou maximální ztrátou Pde. Při výpočtech se uvažuje s faktorem rozmanitosti K, jehož hodnota se vypočte jako poměr jmenovitého proudu zařízení Inq a odchozího jmenovitého proudu Inu (součet jmenovitých proudů výstupních zařízení, současně provozovaných). Pokud tyto hodnoty nejsou zcela zřejmé, faktor rozmanitosti K se určí z následující tabulky: Počet hlavních obvodů 2a3 4a5 6 až 9 10 a více
Faktor rozmanitosti K 0,8 0,7 0,6 0,5
Jmenovitý proud zařízení Inq se vypočte jako součin součtu jmenovitých proudů všech odchozích jisticích a řídicích přístrojů, které jsou současně v provozu a koeficientu využití Ke. Přitom koeficient využití pro příchozí obvody je uvažován ve výši Ke = 0,85. Potom jmenovitý proud zařízení Inq bude součinem jmenovitého proudu nebo součtu jmenovitých proudů všech vstupních jisticích nebo řídicích přístrojů, které jsou současně v provozu a koeficientem využití Ke. Celkové ztráty vybavení rozváděče budou: Ptot = Pdp + 0,2 Pdp + Pau, kde Pdp jsou výkonové ztráty jisticích prvků s uvážením vlivu faktoru rozmanitosti K a koeficientu využití Ke, 0,2 Pdp je součet výkonových ztrát na svorkách, zásuvkách, relé, časových spínačích a podobných dalších malých přístrojích, Pau je součet výkonových ztrát na dalších elektrických přístrojích umístěných v rozváděči a nezahrnutých do oblasti Pdp a 0,2 Pdp, jako jsou signální svítidla, zvonkové transformátory, stmívače atd. Tyto celkové ztráty Ptot musí být menší nebo rovny jmenovité ztrátě rozváděče Pde. Výpočet výkonových ztrát si můžeme ukázat na jednoduchém příkladu, znázorněném na schematu na obr. 4.
Obr. 4: Příklad zapojení přístrojů použitých v rozváděči
Nejdříve je nutné stanovit ztráty Pdp:
Vstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod Výstupní obvod
Ztráta na přístroj (W)
15,9
Koeficient využití Ke Faktor rozmanitosti K 0,85
3
13,5
0,724
9,774
3,3
3
9,9
0,724
7,168
3
3,3
3
9,9
0,724
7,168
4
1,1
2
2,2
0,724
1,593
5
2,8
3
8,4
0,483
4,057
6
2,8
3
8,4
0,483
4,057
7
2,8
3
8,4
0,483
4,057
CELKEM
Pdp (W)
51,389
Číslo obvodu
Ztráta na pól (W)
Počet pólů
Ztráta Pd (W)
0
5,3
3
1
4,5
2
13,515
Při výpočtu faktoru rozmanitosti se uvažuje přístroj podle toho, zda je v první úrovni za vstupním jističem, nebo v některé z dalších úrovní. Ke = 0,85 K pro první úroveň: K1 = Ine x Ke / (Inu1 + Inu2 + Inu3 + Inu4) = 63 x 0,85 / (40 + 16 + 16 + 2) = 0,724 K pro druhou úroveň: K2 = Inu1 x K1 / (Inu5 + Inu6 + Inu7) = 40 x 0,724 / (20 + 20 + 20) = 0,483 Stanovení výkonových ztrát dalších přístrojů: Číslo obvodu
Přístroj
08 09
transformátor stmívač
Výkonová ztráta 5 6 CELKEM
Počet přístrojů 1 1 Pau (W)
Takže celkové ztráty: Ptot = Pdp + 0,2 Pdp + Pau = 51,389 + 10,278 + 11 = 72,667 W
Ztráta celkem 5 6 11
Znamená to, že použitá prázdná rozvodnice nebo rozváděč musí být výrobcem deklarován pro výkonovou ztrátu alespoň 73 W. Máme-li počítat nejméně se 20% prostorovou i výkonovou rezervou pro budoucí úpravy a doplňování, měli bychom použít rozváděč otypovaný pro výkonovou ztrátu nejméně 90 W.
