Zbigniew GABRYJELSKI

Politechnika Łódzka, Instytut Elektroenergetyki

Świetlówki kompaktowe jako źródła zaburzeń

elektromagnetycznych

Streszczenie.

W artykule przedstawione zostały wyniki badań laboratoryjnych odkształcenia prądu wywołanego pracą świetlówek kompaktowych

dostępnych na rynku krajowym. Wyniki pomiarów porównane zostały z wartościami dopuszczanymi przez normy.

Abstract

. The paper presents the results of laboratory tests of current distortion due to operation compact fluorescent lamps available in the

domestic market. These results have been compared with the permissible values given in related standards. (Compact fluorescent lamps as a
source of electromagnetic disturbances

).

Słowa kluczowe: świetlówka kompaktowa, wyższe harmoniczne, zakłócenia.
Keywords: compact fluorescent lamp, higher harmonics, disturbances.

Wstęp

Odkształcenie prądu w obwodach świetlówek
kompaktowych ze statecznikiem indukcyjnym

Zastosowanie energooszczędnych źródeł światła, do

których należą lampy wyładowcze pozwala na ograniczenie
zużycia energii elektrycznej. W szczególności świetlówki
kompaktowe są szeroko reklamowane i promowane także
w Polsce, w przyszłości planowane jest całkowite wycofanie
żarowych źródeł światła w całej Unii Europejskiej.

Świetlówki kompaktowe pracujące w połączeniu ze

statecznikiem indukcyjnym zwane są świetlówkami typu SL.
Ich układ elektryczny jest identyczny jak układ świetlówek
liniowych, identyczny jest także proces zapłonu. Lampa
zasilana jest bezpośrednio z sieci o częstotliwości 50 Hz,
w związku z czym statecznik ma stosunkowo dużą masę.
Schemat świetlówki typu SL pokazany został na rys. 1 [2].
Lampa jest elementem silnie nieliniowym a jej
charakterystyka prądowo-napięciowa ma dla wartości
chwilowych kształt pętli (rys. 2) [3] co wynika z fizycznych
właściwości wyładowań elektrycznych w gazie.

Za szerokim stosowaniem świetlówek kompaktowych

przemawia - oprócz wysokiej skuteczności świetlnej - także
kilkakrotnie większa trwałość, jednakże mają one szereg
wad, które z oczywistych względów nie są wymieniane
przez producentów. Do wad tych należą między innymi
zależność strumienia świetlnego od temperatury otoczenia i
pozycji pracy, zależność trwałości od częstości włączeń,
niski współczynnik mocy i wysoki poziom wyższych
harmonicznych prądu [1].

4

3

1

2

Ostatnia z wymienionych wad może prowadzić do

różnych szkodliwych zjawisk, takich jak dodatkowe straty
mocy czynnej, odkształcenie napięcia w sieci zasilającej, a
także zakłócenia w pomiarze energii elektrycznej.

Nasilenie tych niekorzystnych zjawisk zależy przede
wszystkim od stopnia odkształcenia prądu lamp. Jako miarę
odkształcenia prądu przyjmuje się najczęściej zawartość
wyższych harmonicznych określaną wskaźnikiem HR

Rys. 1. Schemat świetlówki kompaktowej SL: 1

− zapłonnik,

2

− kondensator zapłonowy, 3

− statecznik indukcyjny,

4

− za-

bezpieczenie termiczne

k

wg

zależności (1), lub współczynnikiem odkształceń
nieliniowych THD obliczanym wg zależności (2).

100

1

⋅

=

I

I

HR

k

k

(1)

100

1

41

2

2

⋅

=

∑

I

I

THD

k

(2)

gdzie: I

1

, I

k

– odpowiednio wartość skuteczna pierwszej

harmonicznej i k-tej harmonicznej prądu.

W artykule przedstawione zostały wyniki badań

laboratoryjnych zawartości wyższych harmonicznych w
obwodach świetlówek

kompaktowych dostępnych na rynku

krajowym. Badano świetlówki zintegrowane ze
statecznikiem, których konstrukcja umożliwia stosowanie
ich w oprawach oświetleniowych jako zamienniki lamp
żarowych. Badania przeprowadzono także dla grup
świetlówek zasilanych w układzie jednofazowym. Wyniki
badań porównane zostały z wymaganiami normy PN-EN
1000-3-2 [4].

Rys. 2. Przebieg napięcia na lampie połączonej ze statecznikiem
indukcyjnym w funkcji prądu lampy u

l

=f(i )

l

Oscylogramy

napięcia sieci, napięcia na zaciskach

lampy i prądu lampy podano na rys.

3. Jak widać

z oscylogramów, przy sinusoidalnym napięciu sieci napięcie
na zaciskach lampy jest niesinusoidalne, zbliżone kształtem
do przebiegu trapezowego.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007

100

Wyniki badań zamieszczono w tab. 1 Badane świetlówki

kompaktowe oznaczono numerami 1 i 2. Pomiary
wykonane zostały za pomocą przyrządu Power Analyzer
D 4355 produkcji Norma.

t

Z przedstawionych wyników pomiarów widać duże

podobieństwo odkształcenia prądu w obwodach świetlówek
kompaktowych ze statecznikiem indukcyjnym i
odkształcenia prądu w obwodzie świetlówki liniowej.
Zawartość wyższych harmonicznych jest stosunkowo niska,
co jest regułą dla wszystkich świetlówek pracujących w
szeregowym połączeniu z dławikiem. Niska wartość
współczynnika mocy takiego obwodu powoduje
konieczność stosowania kompensacji mocy biernej. Ze
względu na ograniczone wymiary w świetlówkach
kompaktowych kompensacji indywidualnej nie stosuje się,
natomiast stosowanie kondensatorów kompensacyjnych w
obwodach świetlówek liniowych jest regułą. Jak można
zauważyć z wyników pomiarów przyłączenie kondensatora
równoległego do obwodu świetlówki liniowej powoduje
bardzo istotny, bo około dwukrotny wzrost zawartości
wyższych harmonicznych w prądzie dopływającym z sieci,
co jest spowodowane zmniejszeniem pierwszej
harmonicznej prądu przy niezmiennych wartościach
pozostałych harmonicznych

.

Rys. 3. Przebiegi prądu i napięcia dla świetlówki kompaktowej typu
SL: u

s

− napięcie sieci, u − napięcie na zaciskach lampy, i

l

l

− prąd

lampy

Prąd lampy jest także odkształcony i przy symetrii

elektrod lampy posiada odwrotną zgodność półokresów, tj.

)

(

)

(

π

ω

ω

+

−

=

t

i

t

i

(3)

Rozkład Fouriera dla takiego przebiegu daje wyłącznie
harmoniczne nieparzyste, a wartość chwilowa prądu
wyrażona jest zależnością:

(4)

(

)

∑

∞

=

+

=

1

sin

2

k

ik

lk

l

t

k

I

i

ϕ

ω

gdzie: I

lk

−

wartość skuteczna k-tej harmonicznej prądu,

ϕ

ik

−

faza początkowa k-tej harmonicznej.

Wykonano badania laboratoryjne odkształcenia prądu w

obwodach świetlówek kompaktowych typu SL oferowanych
przez firmę Philips na rynku krajowym. Badania wykonane
zostały zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 1000-3-2 [4].
Dla porównania wykonano również analogiczne pomiary dla
świetlówki liniowej o mocy 40

W ze statecznikiem

indukcyjnym bez kompensacji mocy biernej i z
kompensacją mocy biernej za pomocą kondensatora
równoległego.

Rys. 4. Schemat świetlówki kompaktowej PL Electronic: 1

− układ

prostujący, 2

− kondensator elektrolityczny,

3

− statecznik

indukcyjny, 4

− układ podgrzewania elektrod

Odkształcenie prądu w obwodach świetlówek
kompaktowych ze statecznikiem elektronicznym

Świetlówki kompaktowe pracujące ze statecznikiem

elektronicznym nazywane są świetlówkami typu PL. Na

rys. 4 pokazany został przykładowy
schemat takiej świetlówki z układem
podgrzewania elektrod, prosto-
wnikiem i generatorem pracującym
przy częstotliwości ok. 45 kHz [2].
Statecznik indukcyjny lampy przy tej
częstotliwości jest niewielki, dzięki
czemu lampa zintegrowana z całym
układem ma małe rozmiary i masę.

Podstawową wadą świetlówek

kompaktowych ze statecznikiem
elektronicznym jest bardzo silne
odkształcenie prądu dopływającego z
sieci, znacznie silniejsze niż w
przypadku świetlówek kompaktowych
ze stabilizacją indukcyjną. Na rys. 5
przedstawiono przykładowe
oscylogramy prądu

świetlówek

oferowanych przez znane firmy
europejskie. Na podstawie dużego
podobieństwa prezentowanych
przebiegów można sądzić, że zasada
działania obwodów elektronicznych

Tabela 1.

Wyniki badań laboratoryjnych świetlówek ze statecznikiem indukcyjnym

Producent

Philips (1)

Philips (2)

Sylwania

Sylwania

Typ

SL 9D Decor

SL Prismatic

F 40 W/UW

F40/UW

z kondensatorem
kompensacyjnym

Napięcie

znamionowe

[V]

230 230 230 230

Moc

znamionowa

[W]

9 18 40 40

Prąd [A]

0,126

0,220

0,435

0,251

Współczynnik

mocy

0,39 0,46 0,45

0,87

THD [%]

25,6 18,0 13,7

25,3

Zawartość harmonicznych prądu [%] w stosunku do harmonicznej podstawowej

2 0,4 0,2 0,3

0,5

3 24,8 17,2 12,8 23,4
5 6,5 4,2 4,7

8,6

7 3,5 2,8 2,3

4,3

9 0,6 0,4 0,5

1,1

11 0,3 0,3 0,2

0,4

1

2

4

3

T1

T2

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007

101

lamp pochodzących od różnych producentów jest taka
sama. Można też przypuszczać, że zawartości procentowe
poszczególnych harmonicznych i ich przesunięcia fazowe
mają podobne wartości. Optycznie można także stwierdzić
że przebiegi prądu posiadają odwrotną zgodność
półokresów, a więc prąd zawiera przede wszystkim
harmoniczne nieparzyste. Wyniki badań kilku świetlówek
kompaktowych ze statecznikiem elektronicznym
zamieszczono w tabeli 2. Badane świetlówki oznaczono
numerami od 3 do 8. Na podstawie wyników pomiarów
można stwierdzić, że w przebiegu prądu badanych lamp
dominują harmoniczne nieparzyste, współczynnik
odkształceń nieliniowych THD w większości przypadków
przekracza 100%, natomiast zawartość trzeciej
harmonicznej waha się w granicach od 63 do 81%.
Zawartość procentowa pozostałych harmonicznych prądu
jest także bardzo duża: piątej od 37 do 61%, siódmej od 30
do 46%, dziewiątej od 24 do 41% i jedenastej od 14 do
39%.

Badania wykonano dla dwóch grup lamp. W grupie
pierwszej do układu przyłączono wyłącznie świetlówki ze
statecznikiem elektronicznym; oznaczone w tablicy 2
numerami od 3 do 8 oraz dodatkowo następujące lampy:
• Economy

20 W

prod. Philips – 1szt.

• Economy

0

9 W prod. Philips – 1szt.

• Dulux Star

21 W

prod. Osram – 1szt.

• Dulux Electronic 15 W prod. Osram – 1szt.
• Dulux Energy Saver 11 W prod. Osram – 1szt

W sumie włączono jednocześnie jedenaście lamp

różnych typów i różnych producentów.
Grupa druga zawierała te same lampy co grupa

pierwsza, ale dodatkowo dołączone do niej zostały dwie
świetlówki kompaktowe ze statecznikiem indukcyjnym
oznaczone w tabeli 1 numerami 1 i 2. Wyniki pomiarów
zawartości wyższych harmonicznych prądu dla obu grup
zostały przedstawione w tabeli

3, a przebiegi prądu

zasilającego na rys 6.

Na podstawie wyników

pomiarów i przedstawionych
przebiegów prądu stwierdzić
można, że w przypadku
grupy pierwszej odkształć-
cenie prądu dopływającego
z sieci jest równie silne jak
dla pojedynczych

świetlówek

kompaktowych ze sta-
tecznikiem elektronicznym.
Podobne są wartości
współczynnika odkształceń
nieliniowych, podobne
zawartości poszczególnych
harmonicznych prądu oraz
podobne przebiegi prądu.
Jest to wynikiem bardzo
zbliżonych przesunięć
fazowych prądów wyższych
harmonicznych o tych
samych numerach. W
przypadku drugiej grupy
świetlówek odkształcenie
prądu jest nieco mniejsze,
co wynika z obecności w

układzie dwóch świetlówek ze statecznikiem indukcyjnym,
które - jak wynika z wcześniejszych badań - powodują
znacznie mniejsze odkształcenie prądu.

Tabela 2. Wyniki badań laboratoryjnych świetlówek ze statecznikiem elektronicznym

Philips

Philips

Osram

Panasonic

Sylwania

Leuci

Producent

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Gemini

Saving

Elektronica

25 W

Economy

20 W

Economy

11 W

Dulux Star

24 W

Electronic

20/860

Typ

EL 20 W

Napięcie

znamionowe

[V]

230 230 230 230 230 230

Moc

znamionowa

[W]

20 11 24 20 20 25

Prąd

[A] 0,13 0,076 0,154 0,14 0,14 0,145

Współczynnik

mocy

0,67 0,63 0,68 0,58 0,62 0,75

THD [%]

114 110 89,3

122,5 134 121,5

Zawartość harmonicznych prądu w stosunku do harmonicznej podstawowej [%]

2 0,3 0,2 0,1 0,4 0,3 0,2
3 73,7 72,4 63 79,4 81,3 74,1
5 46,9 43,3 37 50,1 60,7 47,3
7 44,8 40,1 35,7 30,4 38,3 46,2
9 38,3 34,7 24,2 33,6 32,5 40,9

11 27,7 26,4 14,3 32,6 39,4 29,8

Tabela 3. Wyniki badań odkształcenia prądu dla dwóch grup
świetlówek kompaktowych zasilanych w układzie jednofazowym

Pierwsza grupa

świetlówek

Druga grupa

świetlówek

Oznaczenie prądu

I

mA 1120

1220

mA 824

904

Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu

I

1

% 100

100

mA 584

602

I

3

% 70,9

66,6

mA 336

345

I

5

% 40,8

38,2

mA 272

323

I

7

% 33,0

35,7

mA 200

206

I

9

% 24,3

22,8

mA 84

102

Dopuszczalne poziomy wyższych harmonicznych prądu

wywołane pracą odbiorników o charakterze nieliniowym
zasilanych z sieci niskiego napięcia zostały przedstawione
w normie PN-EN 1000-3-2 [4]. Znajdują się tam wytyczne
dla dopuszczalnej zawartości wyższych harmonicznych
prądu generowanych przez sprzęt oświetleniowy i inny
sprzęt elektrotechniczny zasilany z publicznej sieci niskiego
napięcia, którego prąd fazowy nie przekracza 16 A. Według
tej normy sprzęt oświetleniowy wraz ze ściemniaczami
zaliczany jest do klasy C.

I

11

% 10,2

11,3

THD

% 112

91

Porównując wyniki pomiarów przedstawione w tab. 1,

tab. 2 i tab. 3 z dopuszczalnymi poziomami wyższych
harmonicznych prądu można stwierdzić, że odkształcenie
prądu w obwodach świetlówek kompaktowych typu SL ze
statecznikiem indukcyjnym nie przekracza poziomów
dopuszczonych w normie. To samo odnosi się do
świetlówek liniowych ze stabilizacją indukcyjną.

Odkształcenie prądu dla grupy świetlówek
kompaktowych w układzie jednofazowym.

Badania odkształcenia prądu wykonano dla grupy

świetlówek kompaktowych zasilanych z sieci 230 V, 50 Hz.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007

102

a) nr 8

b) nr 3

Rys. 5. Przebiegi prądu świetlówek kompaktowych ze statecznikiem elektronicznym. Numery przebiegów odpowiadają numeracji lamp

podanej w tab. 2.

a)

b)

Rys. 6. Przebiegi prądu dla grup świetlówek: a) przebieg dla grupy 1, b) przebieg prądu grupy 2.

Natomiast zawartość wyższych harmonicznych w

obwodach wszystkich badanych świetlówek typu PL ze
statecznikiem elektronicznym kilkakrotnie przekracza
wartości określone przez normę jako dopuszczalne. Ten
sam wniosek odnosi się do zbadanych grup świetlówek
różnych typów zasilanych z sieci niskiego napięcia.

Podsumowanie

Świetlówki kompaktowe są źródłem odkształcenia prądu

w sieci zasilającej. Największe odkształcenia prądu
powodują świetlówki ze statecznikiem elektronicznym.
Zawartość wyższych harmonicznych w obwodach tych lamp
kilkakrotnie przekracza wartości dopuszczalne. Negatywne
zjawiska z tym związane zostały wymienione we wstępie.
Jednym z nich jest możliwość wystąpienia odkształcenia
napięcia w sieci zasilającej o wartości przekraczającej
wartości dopuszczalne [5]. Może to mieć miejsce przy dużej
mocy lamp zgrupowanych w jednym miejscu i stosunkowo
małej mocy zwarciowej w punkcie przyłączenia odbioru.
Stwierdzenie odkształcenia napięcia w sieci jest możliwe
dla konkretnego obiektu za pomocą pomiarów, można

także określić je analitycznie w fazie projektowania
dysponując danymi konkretnego obiektu i danymi sieci
zasilającej.

LITERATURA

[1]

M i e l c z a r s k i W . ,

M i c h a l i k G .

L a w r e n c e W . B . ,

G a b r y j e l s k i Z .:, Side effects of energy saving lamps. 8

th

International Conference on Harmonics and Quality of Power.
Athens, Greece 1998.

[2] Ś l ę k

B .: Lampy fluorescencyjne. Technika Świetlna.

Wydawnictwo PKOś, Warszawa 1998.

[3]

G a b r y j e l s k i Z . : Lampy wyładowcze jako nieliniowe

elementy sieci oświetleniowej. SEP Kraków 2005.

[4] PN-EN 1000-3-2 1997. Kompatybilność elektromagnetyczna –

Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu (fazowy prąd
zasilania odbiornika

≤16A).

[5] PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w sieciach

rozdzielczych.

Autor

: dr inż. Zbigniew Gabryjelski, Politechnika Łódzka, Instytut

Elektroenergetyki, ul. Stefanowskiego 18/22, 90-924 Łódź, E-mail:
[e-mail]

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007

103