Wpływ opraw LED na sieć zasilającą.pdf

Wies!awa PABJA"CZYK, Roman SIKORA, Przemys!aw MARKIEWICZ, Zbigniew GABRYJELSKI

Politechnika !ódzka, Instytut Elektroenergetyki

Wp!yw opraw LED na sie# zasilaj$c$

Streszczenie . W artykule przedstawiono wyniki analizy porównawczej oddzia!ywania na sie" zasilaj#c# oprawy do wysokopr$%ne lampy sodowej

oraz opraw z matrycami wielo&ród!owymi LED o zbli%onej mocy. Badaniami obj$to sprawdzenie wp!ywu temperatury otoczenia na parametry

elektryczne, ze szczególnym uwzgl$dnieniem poziomu generowanych zaburze' do sieci zasilaj#cej.

Abstract . The article presents results of analysis of the effect of high-pressure sodium lamps on the supply network, compared with effect of multiple

source LED matrices luminaires, of similar power rating. The study covered verification of impact of ambient temperature on electrical parameters,

with particular emphasis on the level of generated interferences to the mains supply. ( Influence of LED luminaires on supply network ).

S!owa kluczowe: diody LED, oprawy o"wietleniowe, jako"# energii elektrycznej.

Key words: LED diodes, luminaires, electrical power quality.

Wst%p

Dyrektywy Unii Europejskiej dotycz$ce efektywno"ci

energetycznej wymuszaj$ na krajach cz%onkowskich

dzia%ania zmierzaj$ce do redukcji zu&ycia energii

elektrycznej równie& na cele o"wietleniowe. W praktyce

realizowane jest to poprzez wymian' &arowych (róde%

"wiat%a na "wietlówki kompaktowe lub (ród%a LED. W

przypadku o"wietlenia ulicznego alternatyw$ dla opraw do

wysokopr'&nych lamp sodowych s$ wielo(ród%owe oprawy

LED. Oprawy LED mog$ by# wykorzystywanie równie&

m.in. do iluminacji obiektów architektonicznych oraz

o"wietlenia akcentuj$cego.

Integraln$ cz'"ci$ opraw LED s$ zasilacze ze

stabilizacj$ pr$du lub napi'cia. Obydwa typy zasilaczy s$

stosowane w praktyce, zaleca si' jednak stosowanie

zasilaczy ze stabilizacj$ pr$du, które s$ zasilaczami

impulsowymi. W takim przypadku zestaw zasilacz –

matryca LED jest odbiornikiem nieliniowym, powoduj$cym

odkszta%cenie pr$du pobieranego z sieci. Wy&sze

harmoniczne pr$du wywo%uj$ w sieci zasilaj$cej ró&ne

niekorzystne zjawiska, a mi'dzy innymi odkszta%cenia

napi'cia zasilaj$cego, nadmierne obci$&enie przewodów

neutralnych oraz dodatkowe straty mocy, dlatego zgodnie z

przepisami [1] poziom wy&szych harmonicznych pr$du

powinien by# ograniczany.

W artykule przedstawiono wyniki bada) opraw LED pod

wzgl'dem generowania przez nie wy&szych harmonicznych

pr$du. Wyniki bada) porównane zosta%y z analogicznymi

badaniami wykonanymi dla powszechnie stosowanych

opraw z wysokopr'&nymi lampami sodowymi.

Oprawy instalowane na zewn$trz budynków nara&one

s$ na zmieniaj$ce si' warunki atmosferyczne, przy czym

najwi'kszy wp%yw na ich prac' ma temperatura otoczenia.

Diody stosowane w oprawach wymagaj$ odpowiednich

warunków termicznych dla uzyskania wymaganej

skuteczno"ci "wietlnej. W artykule przedstawione zostan$

wyniki bada) pomiarowych wykonanych w szerokim

zakresie temperatur otoczenia. LED, ze szczególnym

uwzgl'dnieniem poziomu generowanych wy&szych

harmonicznych pr$du do sieci zasilaj$cej.

Wyniki pomiarów podstawowych parametrów

elektrycznych badanych opraw zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Zmierzone parametry elektryczne badanych opraw

Oprawa

P [W]

92,63

101,15

113,60

I [A]

0,44

0,45

0,53

cos "

0,98

-0,97

-0,94

tg "

0,22

-0,26

-0,35

THD I [%]

28,93

9,21

21,67

Na rysunkach 1, 2 oraz 3 przedstawiono odpowiednio

przebiegi chwilowe pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego opraw O1, O2 i O3. Wyznaczone widma

wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego oprawy O1

przedstawiono na rysunku 4, za" na rysunkach 5 i 6

zamieszczono odpowiednio widma wy&szych

harmonicznych pr$du opraw O2 i O3 porównane z

warto"ciami dopuszczalnymi podanymi w normie PN-EN

61000-3-2: 2007 [1] dla sprz'tu klasy C.

400

300

0,8

0,6

200

0,4

100

0,2

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6, 0 8

-0,2

-100

-0,4

-200

-0,6

-300

-0,8

-400

-1

T [s]

Rys. 1. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy O1

Na podstawie przeprowadzonej analizy mo&na

stwierdzi#, &e zast$pienie oprawy sodowej opraw$ LED z

odpowiednio zaprojektowanym zasilaczem nie spowoduje

zwi'kszenia a nawet maleje ilo"# generowanych zaburze)

do sieci zasilaj$cej, co ilustruje przyk%ad oprawy O2.

Warto"# wspó%czynnika THD I pr$du dla tej oprawy wynosi

9,21 %, co w porównaniu z warto"ci$ tego wspó%czynnika

dla oprawy sodowej wynosz$cego 28,93 % powoduje

ponad trzykrotne zmniejszenie odkszta%cenia pr$du. Dla

oprawy sodowej O1 wyst$pi%y przekroczenia warto"ci

dopuszczalnych pr$dów dla nast'puj$cych harmonicznych:

5, 7, 9, 11, 15 i 17 odpowiednio o 1,1 %, 5,6 %, 4,2 %,

8,1 %, 4,1 % i 1,3 %.

Porównanie parametrów opraw LED i oprawy z

wysokopr%&n$ lamp$ sodow$

Porównanie wykonane zosta%o dla trzech opraw o

zbli&onej mocy:

! tradycyjnej oprawy do lampy sodowej wysokopr'&nej o

mocy 100 W, oznaczonej jako O1,

! oprawy LED o mocy 100 W oznaczonej jako O2,

! oprawy LED o mocy 110 W o znaczonej jako O3.

Pomiary wykonane zosta%y za pomoc$ analizatora

jako"ci energii elektrycznej TOPAS 1000 firmy FLUKE.

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 229

400

0,8

300

0,6

Idop

200

0,4

100

0,2

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6,08

-100

-0,2

-200

-0,4

-300

-0,6

-400

-0,8

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

T [s]

Rys. 2. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy O2

Rys. 6. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy O3

Wp!yw temperatury otoczenia na parametry elektryczne

opraw LED

Oprawy o"wietlenia zewn'trznego pracuj$ w szerokim

zakresie temperatur otoczenia. W przypadku tradycyjnych

opraw o"wietleniowych problem ten nie jest istotny ze

wzgl'du na wysok$ temperatur' (ród%a "wiat%a. W

przypadku opraw LED nale&y rozwa&y# wp%yw temperatury

otoczenia na zmiany parametrów elektrycznych.

Do celów pomiarowych wykorzystano komory

klimatyczne, w których umieszczone badane oprawy.

Pomiary wykonano dla nast'puj$cych warto"ci temperatury

otoczenia T = [-25 -10 0 +25 +40 +60] # C. Do bada)

wybrano trzy oprawy, które zosta%y oznaczone nast'puj$co:

OT1 – oprawa o mocy 16,5 W,

OT2 – oprawa o mocy 35,4 W,

OT3 – oprawa o mocy 17,2 W.

Podane warto"ci mocy opraw zosta%y wyznaczone w

sposób do"wiadczalny i odnosz$ si' do temperatury

otoczenia +25 # C.

Pomiary przeprowadzono w czasie 1 godziny za%$czaj$c

opraw' po ustabilizowaniu si' parametrów termicznych w

danej temperaturze. Do analizy przyj'to warto"ci

u"rednione w ci$gu ko)cowych 5 minut pomiaru.

Na rysunku 7 przedstawiono przebiegi chwilowe pr$du

wej"ciowego i napi'cia zasilaj$cego dla temperatury +25 # C

za" na rysunku 8 widmo wy&szych harmonicznych pr$du

oprawy OT1 dla rozwa&anego zakresu temperatur.

Rysunek 9 ilustruje zmiany warto"ci mocy czynnej oraz

wspó%czynnika zawarto"ci harmonicznych pr$du THD I w

funkcji temperatury otoczenia T . Ponadto zmierzono zmiany

warto"ci wspó%czynnika mocy cos " oraz tg " , równie& w

funkcji temperatury, co ilustruje rysunek 10.

400

300

0,8

0,6

200

0,4

100

0,2

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6, 0 8

-0,2

-100

-0,4

-200

-0,6

-300

-0,8

-400

-1

T [s]

Rys. 3. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy O3

Idop

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

Rys. 4. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy O1

Idop

400

0,6

300

0,4

200

0,2

100

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6,08

-100

-0,2

-200

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

-0,4

-300

Rys. 5. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy O2

-400

-0,6

T [s]

Rys. 7. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy OT1

230 PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010

I H [%]

400

0,3

100,00

-25 °C

-10 °C

0 °C

25 °C

40 °C

60 °C

90,00

300

0,2

80,00

200

70,00

100

0,1

60,00

50,00

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6,08

-100

40,00

-0,1

30,00

-200

-0,2

20,00

-300

10,00

-400

-0,3

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

Rys.11. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy OT2

Rys. 8. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy OT1 dla rozwa&anego zakresu temperatur otoczenia

I H [%]

10,00

-25 °C

-10 °C

0 °C

25 °C

40 °C

60 °C

30,00

180,00

9,00

THDi

25,00

175,00

8,00

170,00

7,00

20,00

165,00

6,00

5,00

15,00

160,00

4,00

10,00

155,00

3,00

150,00

2,00

5,00

145,00

1,00

0,00

140,00

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

-25

-10

T [°C]

Rys. 12. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy OT2 dla rozwa&anego zakresu temperatur otoczenia

Rys. 9. Zmiany warto"ci mocy czynnej P oraz wspó%czynnika THD I

oprawy OT1 w funkcji temperatury otoczenia

Rysunki 11, 12, 13 oraz 14 przedstawiaj$ odpowiednio

przebiegi chwilowe pr$du i napi'cia, widmo wy&szych

harmonicznych pr$du, zmiany mocy czynnej i

wspó%czynnika THD I oraz zmiany cos " i tg " oprawy OT2.

Na rysunkach 15,16,17 i 18 przedstawiono analogiczne

przebiegi dla oprawy OT3.

Jak mo&na zaobserwowa#, temperatura otoczenia ma

znaczny wp%yw na warto"# mocy czynnej oraz

wspó%czynnika THD I oprawy OT1. Dla wspomnianej oprawy

warto"# wspó%czynnika tg " przekroczy% dopuszczaln$

warto"# 0,4 [2, 3] dla temperatury -25 # C.

36,20

12,00

36,00

10,00

35,80

8,00

35,60

6,00

35,40

35,20

4,00

35,00

2,00

THDi

34,80

0,00

-25

-10

T [°C]

-0,96

-0,95

-0,45

-0,40

-0,35

Rys. 13. Zmiany warto"ci mocy czynnej P oraz wspó%czynnika THD I

oprawy OT2 w funkcji temperatury otoczenia

-0,94

-0,93

-0,92

-0,91

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

-0,99

-0,30

cos

-0,25

-0,99

-0,20

-0,98

cos

-0,15

-0,98

-25

-10

-0,10

T [°C]

Rys. 10. Zmiany warto"ci wspó%czynnika mocy cos " oraz tg "

oprawy OT1 w funkcji temperatury otoczenia

-0,97

-0,05

-0,97

0,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 14. Zmiany warto"ci wspó%czynnika mocy cos " oraz tg "

oprawy OT2 w funkcji temperatury otoczenia

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 231

400

0,2

W przypadku oprawy OT2 zmiany zarówno mocy

czynnej P oraz wspó%czynnika THD I s$ na tyle ma%e, &e nie

powinny powodowa# utrudnie) w eksploatacji tej oprawy.

W przypadku oprawy OT3 obserwuje si' wzrost warto"ci

THD I i spadek mocy P wraz ze wzrostem temperatury

otoczenia.

300

0,15

200

0,1

100

0,05

6,01

6,02

6,03

6,04

6,05

6,06

6,07

6,08

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych bada) mo&na

stwierdzi#, &e zastosowanie opraw LED nie spowoduje

pogorszenia parametrów jako"ci energii elektrycznej w

porównaniu z parametrami dopuszczanymi przez przepisy.

Porównanie tych parametrów z analogicznymi dla

tradycyjnych opraw do lamp sodowych wypada

zdecydowanie na korzy"# opraw LED, pod warunkiem &e

wspó%pracuj$ one z odpowiednio zaprojektowanym

zasilaczem.

Oprawy zewn'trzne powinny pracowa# w szerokim

zakresie temperatur przy zachowaniu parametrów, jak

najbli&szych parametrom znamionowym. Jak mo&na

zaobserwowa# na podstawie zaprezentowanych wyników

bada) temperatura otoczenia ma znaczny wp%yw na

parametry elektryczne opraw LED. Pomimo, &e w

temperaturze odniesienia równej +25 # C oprawa posiada

odpowiednie parametry zgodne z wymaganiami, to w

zakresie ekstremalnie niskich lub wysokich temperatur

otoczenia warto"ci parametrów elektrycznych tych opraw

mog$ ulec radykalnej zmianie, zwi'kszaj$c lub

zmniejszaj$c ich negatywne oddzia%ywanie na sie#

zasilaj$c$.

-100

-0,05

-200

-0,1

-300

-0,15

-400

-0,2

T [s]

Rys. 15. Przebieg chwilowy pr$du wej"ciowego i napi'cia

zasilaj$cego oprawy OT3

I H [%]

10,00

-25 °C

-10 °C

0 °C

25 °C

40 °C

60 °C

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

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

Rys. 16. Widmo wy&szych harmonicznych pr$du wej"ciowego

oprawy OT3 dla rozwa&anego zakresu temperatur otoczenia

LITERATURA

[1] P N - E N 6 1 0 0 0 - 3 - 2 : 2 0 0 7 , Kompatybilno"#

elektromagnetyczna (EMC), Cz'"# 3-2: Poziomy dopuszczalne

– Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych pr$du (fazowy

pr$d zasilaj$cy odbiornika % 16 A).

[2] P N - E N 5 0 1 6 0 : 2 0 0 2 , Parametry napi'cia zasilaj$cego w

publicznych sieciach rozdzielczych.

[3] Rozporz$dzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w

sprawie szczegó%owych warunków funkcjonowania systemu

elektroenergetycznego (Dz. U. z dnia 29 maja 2007 r.)

[4] P a b j a)c z y k W . , M a r k i e w i c z P . , S i k o r a R . ,

Oddzia%ywanie opraw LED na sie# zasilaj$c$, VII

Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna PES-7

POST(PY W ELEKTROTECHNICE STOSOWANEJ ,

Ko"cielisko, 22-26.06.2009 r., 231-234

[5] M a r k i e w i c z P . , S i k o r a R ., Wp%yw nowoczesnych opraw

o"wietleniowych na sie# zasilaj$c$, I Konferencja Naukowo –

Techniczna „Energooszcz$dne Innowacyjne Technologie

O)wietleniowe” EITO 2010 , !ód(, 04-05.03.2010 r., 101-110

20,00

16,00

18,00

14,00

16,00

12,00

14,00

12,00

10,00

8,00

6,00

4,00

2,00

THDi

2,00

0,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 17. Zmiany warto"ci mocy czynnej P oraz wspó%czynnika THD I

oprawy OT3 w funkcji temperatury otoczenia

-0,98

-0,60

-0,96

-0,50

Autorzy dr in%. Wies!awa Pabja'czyk, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika *ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 *ód&,

tel. 042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

wieslawa.pabjanczyk@p.lodz.pl

dr in%. Roman Sikora, Instytut Elektroenergetyki, Politechnika

*ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 *ód&, tel. 042-631-25-93,

fax. 042-631-26-06, e-mail: roman.sikora@p.lodz.pl

dr in%. Przemys!aw Markiewicz, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika *ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 *ód&,

tel. 042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

przemys!aw.markiewicz@p.lodz.pl

dr in%. Zbigniew Gabryjelski, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika *ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 *ód&,

tel. 042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

zbigniew.gabryjelski@p.lodz.pl.

-0,94

-0,40

-0,92

-0,30

-0,90

-0,88

-0,20

-0,86

cos

-0,10

-0,84

0,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 18. Zmiany warto"ci wspó%czynnika mocy cos " oraz tg "

oprawy OT3 w funkcji temperatury otoczenia

232 PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: