Roman SIKORA, Przemysław MARKIEWICZ
Politechnika A
ódzka, Instytut Elektroenergetyki
Wpływ nowoczesnych opraw oświetleniowych na sieć zasilającą
Streszczenie. W referacie zostały przedstawione wyniki badań pomiarowych wybranych nowoczesnych opraw oświetleniowych mających na celu
oszacowanie ich wpływu na sieć zasilającą, przede wszystkim emisję wyższych harmonicznych prądu oraz wartości współczynnika mocy. Wyniki
badań porównano z wartościami dopuszczalnymi podanymi w normie PN-EN 61000-3-2: 2007. Ponadto zamieszczono oscylogramy prądów i napięć
podczas załączenia wybranych opraw oświetleniowych.
Abstract. The results of measurement researches of selected luminaries, which the main aim was their influence estimation on supply network,
were presented. The under consideration were generations of higher harmonics to the supply network and power factor by these luminaries. The
presented results were compared with limited values given by PN-EN 61000-3-2:2007. Moreover the instantaneous waves of currents and voltages
of selected luminaries were presented. (The influence of modern luminaires on the supply network)
Słowa kluczowe: oprawy oświetleniowe, z
ródła światła, jakość energii elektrycznej.
Keywords: luminaries, light sources, .electrical power quality.
Tabela 1. Poziomy dopuszczalne dla sprzętu klasy C według. [1]
Wstęp
Maksymalny dopuszczalny prąd
W związku ze stałym rozwojem nowoczesnych
Rząd harmonicznej harmonicznej wyrażony
technologii oświetleniowych obserwuję się zjawisko
n w procentach składowej
wprowadzania na rynek opraw oświetleniowych
podstawowej prądu wejściowego [%]
wyposażonych w matryce wieloz
ródłowe oparte na różnych
2 2
wariantach technologii LED. Proces zastępowania w
3 30*l�
oprawach oświetleniowych żarowych z
ródeł światła trwa już
5 10
od kilkunastu lat.
Jednym z podstawowych celów tych działań jest 7 7
poprawa efektywności energetycznej instalacji
9 5
oświetleniowych poprzez zastosowanie energooszczędnych
11 Ł� n Ł� 39
z
ródeł światła. Jednocześnie w rozwiązania oświetlenia
(tylko harmoniczne 3
wnętrzowego zgodnie z zaleceniami Unii Europejskiej w
nieparzyste)
najbliższych latach z handlu wycofane zostaną żarowe
z
ródła światła a wykorzystywać będzie można jedynie
Normowane są tylko harmoniczne nieparzyste do 39
energooszczędne z
ródła światła w postaci świetlówek
harmonicznej włącznie. Współczynnik l� oznacza
kompaktowych lub matryc LED. Proces ten trwa już od
współczynnik mocy obwodu obliczany jako iloraz mocy
jakiegoś czasu i zapewnie trwał będzie kilka najbliższych
czynnej urządzenia i iloczynu wartości skutecznych prądu i
lat. Dla zapewnienia wysokiej efektywności energetycznej
napięcia zasilającego.
instalacji oświetleniowych należy przede wszystkim
powszechnie stosować z
ródła światła o wysokiej
Badania porównawcze opraw zewnętrznych
skuteczności świetlnej we wszystkich możliwych obszarach
z matrycami LED
zastosowań.
W trakcie modernizacji instalacji oświetlenia ulicznego
Nowoczesne oprawy oświetleniowe z matrycami LED
może pojawić się potrzeba zastąpienia istniejącej oprawy
muszą, ze względu na sposób zasilania diod, być
sodowej oprawą z matrycą LED będącą jej zbliżonym
wyposażone w zasilacze impulsowe powodujące jako
zamiennikiem. W celu oszacowania oddziaływania
elementy silnie nieliniowe odkształcenia krzywej prądu
rozważanych opraw oświetleniowych na sieć zasilającą
zasilającego. Problem ten występuje również w innych
zostały wykonane badania ich parametrów elektrycznych.
tradycyjnych oprawach oświetleniowych wyposażonych w
Do badań została wybrana typowa oprawa sodowa oraz
wyładowcze z
ródła światła. Pojawia się zatem pytanie, czy
dwie oprawy z matrycami LED. Oprawy LED zostały
zastąpienie tradycyjne oprawy oświetleniowej spowoduje
wybrane w taki sposób aby zilustrować wpływ rodzaju
nasilenie zjawiska odkształcenia krzywej prądu zasilającego
zasilacza na kształt krzywej prądu lampy. Do dalszych
wraz ze znanymi skutkami tego zjawiska czy też nie będzie
rozważań zostały przyjęte następujące oznaczenia:
to miało istotnego znaczenia. Kształt krzywej prądu w
�� Oprawa 1- tradycyjna oprawa sodowa,
sposób oczywisty decyduje charakterze widma wyższych
�� Oprawa 2- oprawa LED,
harmonicznych. Oprawy oświetleniowe zaliczane są do
�� Oprawa 3- oprawa LED innego wytwórcy.
grupy odbiorników klasy C, dla których dopuszczalne
Parametry elektryczne wybranych opraw zostały
poziomy wyższych harmonicznych prądu zamieszczono w
zestawione w tabeli 2. Badania wykonane zostały za
tabeli 1 wg [1].
pomocą przyrządu pomiarowego firmy FLUKE typu TOPAS
Instalacje oświetleniowe zasilane są z reguły z
1000.
obwodów wydzielonych ze stacji transformatorowych, które
zasilają również inne odbiory. Zatem do oceny wpływu
Tabela 2. Zestawienie parametrów elektrycznych wybranych opraw
instalacji oświetleniowych na jakość energii elektrycznej w
oświetleniowych
punkcie przyłączenia (PCC) należy zastosować wymagania
Oznaczenie P [W] Q[var] cosj� [-] THDi [%]
normy PN-EN 50160 [2] oraz rozporządzenie Ministra
Oprawa 1 153 33 0.98 ind 30
Gospodarki z dnia. 20 grudnia 2004 r. w sprawie
Oprawa 2 151 -50 0.95 poj 9
szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci
Oprawa 3 37 -31 0.91 poj 121
elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci [3].
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 6/2010 61
400 1,5 100,00
90,00
300
1
80,00
200
70,00
0,5
100
60,00
Ih
0 0
50,00
6 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08 Idop
40,00
-100
-0,5
30,00
-200
20,00
-1
-300
10,00
-400 -1,5
0,00
t [s]
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
h
Rys. 1. Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
Rys.6 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilające oprawy 2
zasilającego oprawy 1
porównane z wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
30
Na rys.1-2 zostały przedstawione uzyskane wyniki
pomiarów dla oprawy 1 , na rys.3-4 dla oprawy 2 a na rys.5-
25
6 dla oprawy 3. Dla tradycyjnej oprawy oświetleniowej
20
wyposażonej w sodowe z
ródło światła krzywa prądu
zasilającego jest nie jest sinusoidalna, a wyznaczona
Ih
15
Idop
wartość współczynnika THDi wynosi 30%. Zastąpienie
10 oprawy 1 oprawą 2 wyposażoną w dobrej jakości zasilacz
powoduje polepszenie kształtu krzywej prądu skutkującą
5
spadkiem wartości współczynnika THDi do wartości 9%. W
0 przypadku zastąpienia oprawy 2 oprawą 3 kształt krzywej
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
h
prądu zmienia się z odkształconej sinusoidy dla oprawy 2 w
Rys.2 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilające oprawy 1 przebieg prawie impulsowy, dla którego wartość
porównane z wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
współczynnika THDi rośnie aż do wartości 121%.
Występowanie znacznych odkształceń krzywej prądu
400 1,5
zasilającego, a szczególnie istnienie w widmie
300
1 harmonicznych składowych rzędu 3n powoduje przy
200
obciążeniu symetrycznym sieci zasilającej przepływ w
0,5
100
przewodzie neutralnym prądu o wartości skutecznej
0 0 porównywalnej lub w skrajnym przypadku większej od
2 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08
wartości prądu płynącego w przewodzie fazowym.
-100
-0,5
Powoduje to występowanie dodatkowych strat energii oraz
-200
-1 może być groz
ne dla samej sieci zasilającej (przegrzanie
-300
istniejącego przewodu neutralnego). Wybranie oprawy
-400 -1,5
t [s] wyposażonej w niskiej jakości zasilacz może podważyć
założenie poprawy efektywności energetycznej
Rys.3 Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
zasilającego oprawy 2 eksploatowanej instalacji. Dodatkowe straty energii w
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
sposób oczywisty dodatkowo obciążają kosztami
użytkownika instalacji.
20,00
18,00
Zastosowanie zewnętrznego regulatora mocy
16,00
w oprawach sodowych
14,00
Problematy związana z możliwościami technicznymi
12,00
Ih
regulacji mocy oprawy, a tym samym strumienia świetlnego
10,00
Idop
8,00 w celu ograniczenia zużycia energii elektrycznej jest znana
6,00
od wielu lat. W wykonaniu tradycyjny regulacja mocy
4,00
oprawy była realizowana poprzez zastosowanie statecznika
2,00
magnetycznego z odczepami. Pomimo swojej prostoty tak
0,00
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 realizowana zmiana mocy oprawy wymaga zastosowania
h
specjalnego statecznika oraz przyłączenia jednego bieguna
Rys.4 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilające oprawy 2
zasilania, zwykle jest to przewód fazowy, do odpowiedniego
porównane z wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
odczepu statecznika, a wiec niezbędnym się staje
dodatkowy przewód sterujący. W praktyce występuje zatem
400 1
0,8 konieczność przebudowy całej istniejącej instalacji oraz
300
0,6
wymiany wszystkich opraw. Wysokie koszty inwestycyjne
200
0,4
zwykle zniechęcały potencjalnych inwestorów do
100
0,2
ponoszenia dużych kosztów wbrew rachunkowi
0 0
2 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 ekonomicznemu. Wychodząc naprzeciw tym problemom
-0,2
-100
pojawiły się na rynku elektroniczne regulatory mocy opraw
-0,4
-200
pozwalające na płynną regulacje strumienie bez poważnych
-0,6
-300 ingerencji w sieć zasilającą oraz w same oprawy. Regulator
-0,8
taki w założeniu producentów można umieścić wewnątrz
-400 -1
t [s]
słupa jedynie tor prądowy zasilający oprawę bez
Rys.5 Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
konieczności ingerencji jej konstrukcje.
zasilającego oprawy 3
W celu sprawdzenie wpływu takiego regulator na sieć
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
zasilającą zostały wykonana pomiary parametrów
62 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 6/2010
i(t)
u(t)
h
I [%]
h
I [%]
i(t)
u(t)
h
I [%]
i(t)
u(t)
70,00
elektrycznych układu regulator-oprawa dla wybranych
poziomów mocy oprawy. Do badań została wybrana typowa
60,00
oprawa sodowa o mocy znamionowej 70W. Celem
50,00
pomiarów jest oszacowanie wpływu stopnia wysterowania
40,00
regulatora na kształt krzywej prądu zasilającego oprawę.
Ih
Idop
30,00
Do dalszych rozważać, jako interesujące z punktu widzenia
możliwości porównania uzyskanych wyników następujące
20,00
poziomu mocy oprawy:
10,00
�� 100 % mocy oprawy (regulator nie działa),
0,00
�� 60% mocy oprawy (moc w zakresie wartości
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
h
średnie uzyskiwanej przy działaniu regulatora),
Rys.10 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilającego układ
�� 20% mocy oprawy (minimalna wartość mocy
regulator-oprawa dla 60% mocy znamionowej porównane z
możliwa do uzyskania).
wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
W tabeli 3 zestawiono pomierzona podstawowe
parametry elektryczne układu regulator-oprawa dla
400 1,5
założonych poziomów jego obciążenia.
300
1
200
Tabela 3. Zestawienie parametrów elektrycznych układu regulator-
0,5
100
oprawa
0 0
Obciążenie I [A] P [W] Q [var] THDI
cosj�
6 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08
[%]
-100
-0,5
20% 0,34 14 -42 -0,33 146
-200
60% 0,42 50 -58 -0,66 74 -1
-300
100% 0,44 93 20 0,98 29
-400 -1,5
t [s]
400 1
Rys.11 Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
0,8
300
zasilającego układ regulator-oprawa dla 20% mocy znamionowej
0,6
200
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
0,4
100
0,2
100,00
0 0
6 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08
90,00
-0,2
-100
80,00
-0,4
-200
70,00
-0,6
60,00
-300
-0,8
Ih
50,00
Idop
-400 -1
t [s]
40,00
30,00
Rys.7 Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
20,00
zasilającego układ regulator-oprawa dla 100% mocy znamionowej
10,00
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
0,00
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
h
30,00
Rys.12 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilającego układ
25,00
regulator-oprawa dla 20% mocy znamionowej porównane z
wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
20,00
Ih
15,00
Idop Na rys.7-12 zostały przedstawione przebiegi chwilowe
prądów i napięć oraz uzyskane widma harmonicznych
10,00
prądu dla założonych poziomów mocy. Dla pełnej mocy
5,00
kształt krzywej prądu jest typowy dla oprawy sodowej.
Stopniowa zmiana mocy poniżej znamionowej powoduje
0,00
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
znaczny wzrost stopnia odkształcenia krzywej prądu co jest
h
.
ilustrowane wzrostem wartości współczynnika THDi z 29%
Rys.8 Widmo wyższych harmonicznych prądu zasilającego układ
do 146%. W sposób istotny zmienia się wartość
regulator-oprawa dla 100% mocy znamionowej porównane z
współczynnika mocy, a co gorsze również jego charakter.
wartościami dopuszczalnymi z [1] (kolor szary)
W konsekwencji powoduje to wzrost dodatkowych strat
400 1 energii związanych z przepływem prądu przez przewód
0,8
neutralny oraz trudności w uzyskami pożądanej wartości
300
0,6
współczynnika mocy.
200
0,4
100
0,2
Badanie stanów nieustalonych podczas załączenia
0 0
6 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08
opraw oświetleniowych
-0,2
-100
W ramach badań zarejestrowano przebiegi chwilowe
-0,4
-200
prądu wejściowego i napięcia zasilającego podczas
-0,6
-300
załączenia opraw. Pomiary wykonano dla następujących
-0,8
-400 -1 opraw
t [s]
1. Oprawa sodowa o mocy znamionowej 150W,
Rys.9 Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia
2. Oprawa LED o mocy znamionowej 140 W,
zasilającego układ regulator-oprawa dla 60% mocy znamionowej
3. Oprawa rtęciowa o mocy znamionowej 1000W.
(kolor szary  przebieg napięcia, kolor czarny-przebieg prądu)
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 6/2010 63
h
I [%]
i(t)
u(t)
i(t)
u(t)
h
I [%]
h
I [%]
i(t)
u(t)
400 35
" Nowoczesne oprawy oświetleniowe(LED) mogą z
30
300
punktu widzenia oddziaływania na sieć zasilającą z
25
200 powodzeniem zastąpić tradycyjne przy założeniu
20
zastosowania w nich zasilacza dobrej jakości nie
100
15
powodującego znacznych odkształceń krzywej prądu
0
4,4 4,42 4,44 4,46 4,48 4,5 4,52 4,54 4,56 4,58 4,6
10
lampy,
-100
5
" Oprawy z zasilaczami złej jakości mogą być z
ródłem
-200
0
dodatkowych strat energii co może pogorszyć efektywność
-300
-5
energetyczna proponowanych rozwiązań i narazić
-400 -10
potencjalnego inwestora na dodatkowe koszty, których nie
t [s]
jest do końca świadomy,
Rys.13 Przebiegi chwilowe prądu i napięcia w chwili załączenia
" Obecne na rynku nowoczesne oprawy oświetleniowe
oprawy sodowej o mocy 150W
nie w każdym przypadku posiadają w karcie katalogowej
podanych w sposób jednoznacznie rzetelny danych
400 40
35 znamionowych, w szczególności rzeczywistej wartości
300
30
mocy znamionowej i współczynnika mocy, co może
200
25
wprowadzać w błąd projektanta instalacji oświetleniowej
100
20
" Dodatkowym problemem, które nie był tematem tego
0 15
6,4 6,41 6,42 6,43 6,44 6,45 6,46 6,47 6,48 6,49 6,5 artykułu, a powinien zainteresować potencjalnego inwestora
10
-100
jest zakładana trwałość oprawy, gdzie na razie nie są
5
-200
publikowane rzetelne wyniki badań tego istotnego
0
zagadnienia,
-300
-5
" Zastosowanie elektronicznego regulatora mocy opraw
-400 -10
t [s]
może oprócz oczywistej możliwości sterowania mocą może
Rys.14 Przebiegi chwilowe prądu i napięcia w chwili załączenia
powodować dodatkowe straty energii oraz trudności w
oprawy LED o mocy 140W
uzyskaniu pożądanej wartości współczynnika mocy.
Wyczerpującą odpowiedz
na te przedstawione problemy
400 120
mogą dać jedynie badania pomiarowe wykonane dla
300 100
proponowanego regulatora wykonane przed podjęciem
200 80
decyzji inwestycyjnej.
100 60
" Zastąpienie opraw sodowych ich odpowiednikami
0 40 wykonanymi w technologii LED nie powinno powodować
1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2
konieczności zmian istniejących zabezpieczeń, choć
-100 20
synchroniczne załączenie wielu opraw należałoby
-200 0
sprawdzić,
-300 -20
" Dobierając zabezpieczenia do opraw oświetleniowych
-400 -40
t [s] dużej mocy w szczególności w wykonaniach specjalnych
należy przeprowadzić dodatkową analizę dotyczącą
Rys.15 Przebiegi chwilowe prądu i napięcia w stanie ustalonym
oszacowania wartości i czasu trwania przetężenia , gdyż
oprawy rtęciowej o mocy 1000W
jego wartość i czas trwania zależą od chwili załączenia.
Na rysunkach od 13 do 15 zostały przedstawione
przebiegi chwilowe prądu i napięcia podczas załączenia
LITERATURA
badanych opraw. Podczas załączania w przypadku każdej
[1] PN-EN 61000-3-2: 2007. Kompatybilność elektromagnetyczna
oprawy występuje przetężenie o wartości maksymalnej (EMC), Część 3-2: Poziomy dopuszczalne  Poziomy
dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd
wielokrotnie przewyższającej wartość prądu znamionowego
zasilający odbiornika
oprawy. Negatywne skutki przetężenia zależą przede
[2] PN-EN 50160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych
wszystkim od jego wartości ale i czasu trwania. Zastąpienie
sieciach rozdzielczych. PKN, 2002
typowej oprawy sodowej oprawą LED o zbliżonej mocy nie
[3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki I Pracy z dnia 20 grudnia
powinno powodować zadziałania zabezpieczeń
2004 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia
nadprądowych zaprojektowanych dla sieci oświetleniowej,
podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji
pomimo że oprawa LED stanowi dla sieci odbiór o
tych sieci
charakterze pojemnościowym (rys. 13 i 14). Rysunek 15 [4] PN-EN 61000-4-7: Kompatybilność elektromagnetyczna
(EMC). Metody badań i pomiarów. Ogólny przewodnik
przedstawia przebiegi prądu i napięcia w czasie załączenia
dotyczący pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz
oprawy rtęciowej o dużej mocy w wykonaniu specjalny do
stosowanych do tego celu przyrządów pomiarowych dla sieci
oświetlenia szklarni. W takim przypadku prawidłowy dobór
zasilających i przyłączonych do nich urządzeń. PKN, 2004
typu zabezpieczenia nadprądowego i jego prądu
[5] P a b j ańczyk W., Marki ewi cz P., Si kora R.:
znamionowego powinien być poprzedzony odpowiednią
oddziaływanie opraw LED na sieć zasilającą. VII Ogólnopolska
analizą. W tym przypadku dobrane zabezpieczenie o
Konferencja Naukowo-Techniczna PES-7 POST
PY W
charakterystyce B było nieprawidłowe, ponieważ
ELEKTROTECHNICE STOSOWANEJ, Kościelisko, 22-
występowały jego niepożądane pobudzenia. Po wykonaniu 26.06.2009 r., ss. 231-234
szeregu prób zastosowano zabezpieczenie o
charakterystyce D o takiej samej wartości prądu
Autorzy: dr inż. Roman Sikora, Instytut Elektroenergetyki,
znamionowego zabezpieczenia.
Politechnika A
ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 A
ódz
, tel.
042-631-25-93, fax. [phone], e-mail: [e-mail]
Podsumowanie
dr inż. Przemysław Markiewicz, Instytut Elektroenergetyki,
Przedstawione w niniejszym artykule wyniki badań
Politechnika A
ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 A
ódz
, tel.
pomiarowych wykonane prze autorów pozwalają na
042-631-25-93, fax. [phone], e-mail:
sformułowanie następujących wniosków:
przemysł[e-mail]
64 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 6/2010
i(t)
u(t)
u [V]
i(t)
u(t)