DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.93.0004
__________________________________________
* Uniwersytet Warmińsko-Mazurski
** Politechnika Śląska
Andrzej LANGE*, Marian PASKO**
WPŁYW PRACY LED-OWYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA NA PARAMETRY OKREŚLAJĄCE JAKOŚĆ ENERGII
ELEKTRYCZNEJ, CZĘŚĆ 2
W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki pomiarów parametrów określających jakość energii elektrycznej pobieranej przez nowoczesne LED-owe źródła światła sto- sowane w przemyśle do oświetlania pomieszczeń biurowych, hal produkcyjnych oraz stosowanych do oświetlenia dróg i placów. Przedstawiono przebiegi prądów wybranych opraw podczas załączania ich do sieci elektroenergetycznej.
SŁOWA KLUCZOWE: parametry jakości energii elektrycznej, wyższe harmoniczne napięć i prądów, moc bierna, filtry pasywne
1. WSTĘP
Do oświetlenia pomieszczeń wewnętrznych w domach i zakładach przemy- słowych oraz miejsc zewnętrznych np. ulic coraz częściej stosowane są źródła światła wykorzystujące technologię LED. Zastępują one mniej ekonomiczne żarowe źródła światła oraz bardziej energooszczędne wyładowcze źródła takie jak: fluorescencyjne, rtęciowe, sodowe niskoprężne i wysokoprężne oraz meta- lohalogenkowe. Wszystkie energooszczędne źródła światła powodują pobieranie prądu odkształconego od kształtu sinusoidalnego, co skutkuje pogorszeniem się jakości energii elektrycznej i występowaniem wyższych harmonicznych w prą- dzie obciążenia i napięciu zasilającym [1, 2, 15]. W artykule [16] omówiono dosyć dokładnie wymagania jakie określają przepisy [3, 4, 5, 13 i 14] i normy [6, 7, 8, 9, 10 i 11] w stosunku do napięć zasilających odbiorców na różnych poziomach napięcia zasilającego, jak również wymagania w stosunku do pobie- ranych prądów wyższych harmonicznych iwspółczynnika mocy PF oprawy oświetleniowej. Wybrane zapisy dyrektyw, rozporządzeń i norm odnoszących się do jakości energii elektrycznej zawarto w załączonej literaturze od [3] do [14]. W niniejszym artykule skupiono się na analizie źródeł LED-owych stoso- wanych w zakładach przemysłowych i użyteczności publicznej oraz źródeł świa-
tła stosowanych do oświetlenia dróg, placów, ulic i wysokich hal produkcyj- nych.
2. OGÓLNA BUDOWA LED-OWYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA
Oprawy LED-owe są zbudowane z następujących elementów (rys.1): układu prostowniczego 1, kondensatora 2 służącego do wygładzenia napięcia otrzyma- nego z prostownika, stabilizatora prądowo-napięciowego 3 oraz układu diod 4 połączonych szeregowo i równolegle generujących strumień świetlny. W zależ- ności od typu i przeznaczenia oprawy (domowa, przemysłowa) układ prostowni- czo-zasilający pojedyncze diody LED może być mniej lub bardziej rozbudowa- ny, co z kolei ma istotny wpływ na przebieg pobieranego prądu.1 2 3 4
Rys. 1. Ogólna budowa LED-owego źródła światła
3. POMIARY I ANALIZA UZYSKANYCH WYNIKÓW
Dla przedstawienia wpływu LED-owych źródeł światła na parametry jakości energii elektrycznej w niniejszym artykule wytypowano do porównania urzą- dzenia reprezentujące dwie grupy urządzeń. Pierwszą grupę źródeł LED-owych stanowią oprawy stosowane w zakładach przemysłowych i użyteczności pu- blicznej (rys. 2), zastępujące świetlówki liniowe powszechnie tam stosowane.
Drugą grupę analizowanych źródeł światła stanowią oprawy drogowe (rys. 3), stosowane do oświetlenia dróg, placów, ulic i wysokich hal produkcyjnych.
Rys.2. LED-owe oprawy stosowane w przemyśle i budynkach użyteczności publicznej
Rys.3. LED-owa oprawa drogowa
W celu dokonania analizy parametrów charakteryzujących jakości energii elektrycznej pobieranej przez oświetlenie LED-owe dokonano pomiaru kilku losowo wybranych źródeł, za pomocą analizatora jakości zasilania typu HIOKI 3196. Podczas prób dokonano pomiarów nie tylko prądów, napięć i mocy, ale również pomiaru prądów i napięć wyższych harmonicznych w punkcie zasilania oprawy oświetleniowej. Dodatkowo zbadano stany przejściowe podczas załą- czania i wyłączania oprawy do sieci zasilającej.
3.1. Oświetlenie przemysłowe
W celu określenia oddziaływania przemysłowych lamp LED na sieć zasilają- cą do pomiarów wybrano dziewięć losowo wybranych opraw przedstawionych w tabeli 1.
Tabela 1. Typy i dane znamionowe badanych opraw przemysłowych LED
Lp. Typ żarówki Moc
1 LIGHTING SIGMA LED PAR PXF 27 W
2 GTV VERONA LED 4-60 50 W
3 GTV CELTA LED 4-60 50 W
4 LENA LIGHTING VECTOR SMD LED 32 W 5 LENA LIGHTING SATURN SMD LED 14 W
6 PHILIPS TUBE LED T8 18 W
7 BEMKO HLA-150-500-4K 50 W
8 MODUS US 38 W
9 MODUS BRSB 15 W
Na rys. 5 przedstawiono procentową zawartość poszczególnych wyższych harmonicznych prądów oraz THDI podczas pracy wybranych opraw LED.
Z pomiarów wynika, że urządzenia te pobierają mniejsze wartości nieparzystych wyższych harmonicznych niż żarówki domowe (cz. 1). Największą wartość osiąga 3 harmoniczna do 15%. Kolejne nieparzyste harmoniczne mają mniejsze wartości, a całkowity THDI nie przekracza 18%. Na rys. 6, 7 i 8 przedstawiono
przebieg załączania oprawy LIGHTING SIGMA LED PAR PXF. Na początku pobierany prąd ma zdecydowanie mniejszą wartość, a następnie wzrasta do war- tości znamionowej. Z całego przebiegu załączenia wynika, że na początku na- stępuje ładowanie samego kondensatora, gdyż napięcie opóźnia się względem prądu o -90º (rys. 6). Następnie po ok. 0,5 s następuje załączenie diod LED (rys. 7). Po zakończeniu stanu przejściowego kąt przesunięcia pomiędzy prą- dem, a napięciem wynosi -25º (rys. 4 i 8). Analogiczne przebiegi zarejestrowano w pozostałych oprawach przemysłowych i drogowych (rys. od 9 do 14).
W oprawach LENA LIGHTING Vector LED 32W 1258 MAT 4000K i BEKO HLA-120-500-4K załączanie diod LED po naładowaniu kondensatora następuje w sposób łagodny w czasie ok. 200 ms. W tym czasie zmienia się kąt przesunię- cia między prądem a napięciem z -90º do ok. -20º (rys. 10 i 13).
-23,3
-14,7
-20,4 -22,2
-20,4 -24,0 -27,7
-15,3 -24,8
-20,7
-22,1
-12,3 -16,3
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
LIGHTING SIGMA LED PAR PXF GTV VERONA LED 4-60
GTV CELTA LED 4-60
LENA LIGHTING VECTOR SMD LED LENA LIGHTING SATURN SMD LED PHILIPS LED TUBE
BEMKO HLA-150-500-4K MODUS US: 38W MODUS BRSB: 15W POLARIS VIGO-1-79-D POLARIS VIGO-1-96-D POLARIS PLUM-46-D LUG URBINO LED: 56W
stopnie
Rys.4. Zmierzony kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem dla podstawowej harmonicznej dla różnych opraw LED-owych
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
3 5 7 9 11 13 15 17 THDi
LIGHTING SIGMA LED PAR PXF: 27 W GTV VERONA LED 4-60: 50 W
GTV CELTA LED 4-60: 50 W
LENA LIGHTING VECTOR SMD LED: 32 W LENA LIGHTING SATURN SMD LED: 14 W PHILIPS LED TUBE: 18 W
BEMKO HLA-150-500-4K: 50 W MODUS US: 38W
MODUS BRSB: 15W In
%
n
THDI Rys.5. Zawartość procentowa wyższych harmonicznych prądów oraz THDI pobieranego z sieci
zasilającej nn przez LED-owe oprawy przemysłowe
-4 -2 0 2 4 6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 ms
t A i
-0,2 -0,1 0 0,1 0,2
40 50 60 70 80
-400 -200 0 200 400
ms t A i
u
u V
Rys.6. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową LIGHTING SIGMA LED PAR PXF - moment załączenia
-1 -0,5 0 0,5 1
0 50 100 150 200 250
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms
t A i
i u
V u
Rys.7. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową LIGHTING SIGMA LED PAR PXF - stan przejściowy
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
160 170 180 190 200
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.8. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową LIGHTING SIGMA LED PAR PXF - stan ustalony i wyłączenie
-8 -6 -4 -2 0 2
0 10 20 30 40 50 60 ms
t A i
-0,2 -0,1 0 0,1 0,2
20 30 40 50
-400 -200 0 200 400
ms t A i
i u
u V
Rys.9. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową LENA LIGHTING Vector LED 32W 1258 MAT 4000K - moment załączenia
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
400 450 500 550
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.10. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową LENA LIGHTING Vector LED 32W 1258 MAT 4000K - stan przejściowy
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
30 40 50 60 70
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.11. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową
LENA LIGHTING Vector LED 32W 1258 MAT 4000K - stan ustalony i wyłączenie
-5 -4 -3 -2 -1 0 1
180 190 200 210 220 230 240 250 260ms
t A i
-0,04 -0,02 0 0,02 0,04
220 230 240 250
-400 -200 0 200 400
ms t A i
i u
u V
Rys.12. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową BEKO HLA-120-500-4K - moment załączenia
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
70 90 110 130 150 170
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.13. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową BEKO HLA-120-500-4K - stan przejściowy
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
160 170 180 190 200
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.14. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę przemysłową BEKO HLA-120-500-4K - stan ustalony
3.2. Oświetlenie uliczne
W celu określenia oddziaływania opraw drogowych LED na sieć zasilającą do pomiarów wybrano cztery losowo wybrane oprawy przedstawione w tabeli 3.
Z pomiarów wyższych harmonicznych prądów oraz THDI (rys. 15) wynika, że oprawy drogowe LED pobierają podobne wartości wyższych harmonicznych, jak oprawy przemysłowe.
Z przebiegów prądów i napięć wynika (rys. 16 do 26), iż oprawy w czasie załączenia pobierają najpierw mały prąd ładowania kondensatora (rys. 16, 20, 24) a następnie w ciągu ok. 0,5 s po załączeniu następuje łagodne załączenie diod LED (rys. 17, 21, 24, 25). Przebiegi te są analogiczne do przebiegów lamp przemysłowych.
Tabela 2. Typy i dane znamionowe badanych opraw drogowych LED
Lp. Typ żarówki Moc
1 LIGHTING SIGMA LED PAR PXF 27 W
2 GTV VERONA LED 4-60 50 W
3 GTV CELTA LED 4-60 50 W
4 LENA LIGHTING VECTOR SMD LED 32 W
02 46 108 1214 1618 20
3 5 7 9 11 13 15 17 THDi
POLARIS VIGO-1-79-D: 79 W POLARIS VIGO-1-96-D: 96W POLARIS PLUM-46-D: 46W LUG URBINO LED: 56W In
%
n THDI
Rys.15. Zawartość procentowa wyższych harmonicznych prądów oraz THDi pobieranego z sieci zasilającej nn przez oprawy drogowe LED
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
0 10 20 30 40
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.16. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS VIGO-1-79-D - moment załączenia
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
220 270 320 370 420
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.17. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS VIGO-1-79-D - stan przejściowy
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
500 505 510 515 520 525 530
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i u
u V
Rys.18. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS VIGO-1-79-D - stan ustalony
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
0 10 20 30 40 ms
t A i
Rys.19. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS PLUM-46-D - moment załączenia
-0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04
35 40 45 50 55 60
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.20. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS PLUM-46-D - przebieg 25 ms po załączeniu
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
280 330 380 430 480 530ms
t A i
Rys.21. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS PLUM-46-D - stan przejściowy
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
600 605 610 615 620 625 630
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.22. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową POLARIS PLUM-46-D - stan ustalony
-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
0 50 100 150 200 250ms
t A i
Rys.23. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową LUG URBINO LED 56 W - moment załączenia
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
300 350 400 450 500 550
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.24. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową LUG URBINO LED 56 W - stan przejściowy
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
0 50 100 150 200 250
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.25. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową LUG URBINO LED 56 W - stan przejściowy cd.z rys. 31
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
0 5 10 15 20 25 30
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
ms t A i
i
u
u V
Rys.26. Przebieg prądu pobieranego przez oprawę drogową LUG URBINO LED 56 W - stan ustalony
4. UWAGI I WNIOSKI
Nowoczesne oświetlenie LED-owe mają nie tylko wysoką skuteczność świetlną i dużą trwałość, ale również powodują:
pobieranie prądu odkształconego, co wiąże się z generowaniem do sieci wyż- szych harmonicznych prądów (rys. 5 i 15),
pogorszenie współczynnika mocy przy stosowaniu oświetlenia LED-owego od PF=0,53 dla żarówek domowych [16] do PF=0,93 dla lamp drogowych (rys. 4),
większość opraw domowych ma proste układy prostownikowe z kondensato- rem do wygładzenia napięcia wyjściowego na diody LED przez co mają większy kąt przesunięcia pomiędzy prądem a napięciem, który wynosi ok. - 55º [16]. Przez to generują również wyższe wartości wyższych harmonicz- nych dochodzące do THDI = 140% (cz. 1) niż lampy przemysłowe i drogowe, które generują wyższe harmoniczne o wartościach nie przekraczających THDI = 20% (rys. 5 i 15)
oprawy przemysłowe i drogowe najpierw ładują kondensator (rys. 6, 9, 12, 16, 20 i 24) a następnie po kilkunastu okresach przebiegu napięcia łagodnie załączają się diody LED (rys. 10, 13, 17, 21, 24 i 25)
wzrost wartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym w wyniku poboru wyższych harmonicznych prądów oraz możliwości wystąpienia rezo- nansów prądowych,
pobieranie z sieci mocy biernej pojemnościowej.
wszystkie lampy LED prócz LENA LIGHTING VECTOR SMD LED speł- niają wymagania w zakresie współczynnika mocy PF (rys 4 i tabela 8 w [16]
wszystkie żarówki LED spełniają wartości dopuszczalnych zawartości wyż- szych harmonicznych generowanych do sieci zasilającej (tabela 6 w [16].
LITERATURA
[1] Kurkowski M., Mirowski J., Popławski T., Pasko M., Białoń T., Pomiary energii biernej w instalacjach niskiego napięcia. Przegląd Elektrotechniczny, R.92 (2016), nr 4, 144- 147.
[2] Mirowski J., Kurkowski M., Białoń T., Pasko M., Harmoniczne prądu w instalacjach oświetleniowych, Przegląd Elektrotechniczny R.91 (2015), nr 8, 180-184.
[3] Prawo energetyczne z dnia 25 września 2012, Dz.U, poz. 1059, tom 1.
[4] EMC 2014/30/UE - Dyrektywa 2014/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodastw państw członkowskich odnoszą- cych się do kompatybilności elektromagnetycznej.
[5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, Dziennik Ustaw Nr 93 poz.
623.
[6] PN-EN 50160: 1998, Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach roz- dzielczych.
[7] IEEE Std 1459-2010 Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions;
IEEE, New York, 2010.
[8] PN-EN 61000-3-2:2014-10, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 3-2:
Poziomy dopuszczalne - Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 16 A).
[9] PN-EN 61000-3-12:2012, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 3-12:
Poziomy dopuszczalne - Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu dla od- biorników o znamionowym prądzie fazowym > 16 A i < lub = 75 A przyłączonych do publicznej sieci zasilającej niskiego napięcia.
[10] PN-EN 61000-4-30:2015-05, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 4- 30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii.
[11] PN-EN 61000-4-7:2007/A1:2011, Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 4-7: Metody badań i pomiarów - Ogólny przewodnik dotyczący pomiarów har- monicznych i interharmonicznych oraz przyrządów pomiarowych, dla sieci zasilają- cych i przyłączonych do nich urządzeń.
[12] Kurkowski M., Popławski T., Mirowski J., Energia bierna a przepisy Unii Europej- skiej, Rynek Energii, nr 2 (111), 2014, s. 18-25.
[13] Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 1194/2012 z dnia 12 grudnia 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp kierunkowych, lamp z diodami elek- troluminescencyjnymi i powiązanego wyposażenia.
[14] Rozporządzenie Komisji (WE) Nr 244/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wyko- nania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do użytku domowego.
[15] Wandachowicz K., Taisner M., Lampy i moduły diodowe zasilane napięciem prze- miennym. Poznan University of Technology Academic Journals, No. 92, 2017, pp.
117-122.
[16] Lange A., Pasko M., Wpływ pracy LED-owych źródeł światła na parametry określają- ce jakość energii elektrycznej, część 1, Poznan University of Technology Academic Journals. No.93, 2018, pp. 37-52.
EFFECTS OF LED LIGHT SOURCES ON THE PARAMETERS DEFINING THE QUALITY OF ELECTRICITY, PART 2
This article presents the results of measurements of parameters determining the quality of electricity consumed by modern LED light sources used in industry to illuminate office rooms, production halls and used for lighting roads and squares.
Current waveforms of selected luminaires during switching them to the power grid are presented.
(Received: 11.02.2018, revised: 06.03.2018)
