Tekst 3 CELMA AC _SM_004_ELC Power-Quality - Pol

Wpływ elektronicznego sprzętu oświetleniowego
na jakość zasilania sieciowego
Streszczenie
Władze państw i niezaleŜne organizacje pozarządowe zajmujące się środowiskiem promują
wśród konsumentów wykorzystanie efektywnego energetycznie elektronicznego sprzętu
oświetleniowego jako sposób ograniczenia zuŜycia energii oraz spowolnienia zmian
klimatycznych. Europejscy przedstawiciele producentów oświetlenia, Europejska Federacja
Spółek Oświetleniowych (ELC), dostrzegają wyraŜane w publicznych dyskusjach obawy o
negatywny wpływ elektronicznego sprzętu oświetleniowego na jakość zasilania sieciowego, które
doprowadziły do wysunięcia propozycji zaostrzenia wymogów. ELC pozytywnie przyjmuje te
dyskusje. Jednak według naszej wiedzy, opartej na danych pomiarowych, wymagania zawarte w
międzynarodowej normie IEC 61000-3-2 „Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu” w
stopniu wystarczającym chronią jakość zasilania sieciowego. Stosowanie elektronicznego sprzętu
oświetleniowego, który spełnia tę normę, nie powinno wiązać się zatem z Ŝadnym ryzykiem. ELC
podkreśla takŜe, Ŝe zaproponowane zaostrzenie wymogów będzie niekorzystne.
Wstęp
Wymiana konwencjonalnych lamp Ŝarowych na efektywny energetycznie elektroniczny sprzęt
oświetleniowy obniŜa obciąŜenie sieci elektrycznej, zmniejsza ilość energii wytwarzanej w
elektrowni i skutkuje ogromnym spadkiem ilości emitowanego CO2. Elektroniczny osprzęt
oświetleniowy stanowi jednak obciąŜenie nieliniowe, które wprowadza harmoniczne do sieci
zasilania. Ogólnie rzecz biorąc, wprowadzenie harmonicznych do sieci elektrycznej zakłóca
kształt fali napięcia sieci, zwiększa straty w sieci (zarówno w produkcji jak i podczas przesyłania) i
moŜe prowadzić do przeciąŜenia przewodu PEN w trójfazowych sieciach dystrybucyjnych typu Y
(gwiazda). Ograniczenie negatywnego wpływu wprowadzanych harmonicznych jest ustalone
przez normę IEC 61000-3-2 „Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu”.
Obecnie norma ta, regulowana przez zainteresowane strony (usługodawcy, centra testowe,
producenci oświetlenia) nakłada wysokie ograniczenia harmonicznych dla elektronicznego
sprzętu oświetleniowego o mocy czynnej (P) powyŜej 25W i mniejsze ograniczenia
harmonicznych dla elektronicznego sprzętu oświetleniowego o mocy czynnej (P) równej lub
niŜszej niŜ 25W.
Harmoniczne wprowadzane do sieci określane są takŜe przez współczynnik zawartości
harmonicznych (THD). Współczynnik THD jest zdefiniowany równaniem
gdzie in to amplituda n-tej harmonicznej prądu zasilania.
THD oraz przesunięcie fazowe – obliczane jako róŜnica w fazie (cos ϕ1) między pierwszą
harmoniczną prądu zasilania a napięciem zasilania – pozwalają obliczyć współczynnik mocy λ.
ZaleŜność między λ, cosϕ1 a THD opisuje następujące równanie:
Uwaga: Typowa wartość cos ϕ1 elektronicznego sprzętu oświetleniowego ≈ 0,9 – 1.
Dyskusja
ELC zanotowała wyraŜane dyskusjach publicznych obawy o negatywny wpływ elektronicznego
sprzętu oświetleniowego na jakość zasilania sieciowego, które poskutkowały wysunięciem
propozycji zaostrzenia wymogów. Wspomniane obawy o jakość zasilania moŜna podzielić na:
1. Zwiększenie zniekształcenia napięcia sieci
Zniekształcenie napięcia sieci nie jest wywoływane tylko przez elektroniczny sprzęt
oświetleniowy, ale takŜe przez inne obciąŜenia nieliniowe, na przykład komputery, elektronikę
rozrywkową, ładowarki do akumulatorów itd. Oznacza to, Ŝe w rzeczywistości zawsze mamy do
czynienia z obciąŜeniem mieszanym. PoniewaŜ, wprowadzane przez róŜne odbiorniki nieliniowe,
harmoniczne są przesunięte w fazie względem siebie, połączenie róŜnych obciąŜeń nieliniowych
prowadzi do znacznie niŜszego spektrum harmonicznych prądu zasilania i daje duŜo lepszy
współczynnik mocy (λ), niŜ wynikałoby to z poszczególnych obciąŜeń. Obrazują to przykłady
przedstawione w Załączniku 1. Przyjmują one obciąŜenia nieliniowe rzędu 20% do 68%
obciąŜenia całkowitego. Biorąc pod uwagę róŜne kąty przepływu prądu i kąty fazowe róŜnych
obciąŜeń nieliniowych, nawet wysoki udział prądów zniekształconych nie jest szkodliwy w sytuacji
obciąŜenia mieszanego. Zatem w realistycznych warunkach obciąŜenia mieszanego obciąŜenia
nieliniowe nie mają zauwaŜalnego wpływu na jakość zasilania sieciowego i nie wywołują Ŝadnych
istotnych zniekształceń napięcia sieci, nawet przy wysokich impedancjach sieci. MoŜna więc z
pewnością wyeliminować moŜliwość uszkodzenia filtrów i innego sprzętu elektronicznego.
2. PrzeciąŜenie przewodu PEN w trójfazowej sieci typu Y (gwiazda)
Jeśli obciąŜenia nieliniowe o identycznym spektrum harmonicznych są podłączone do trójfazowej
sieci dystrybucyjnej typu Y (gwiazda), trzecia składowa harmoniczna oraz jej nieparzyste
wielokrotności (9., 15., 21. itd.) kumulują się w przewodzie PEN. MoŜe to spowodować jego
przeciąŜenie. PoniewaŜ prąd w przewodzie PEN zwykle nie jest monitorowany, istnieje
teoretyczne niebezpieczeństwo przegrzania i zapalenia się przewodu. Jeśli jednak elektroniczny
sprzęt oświetleniowy jest stosowany w systemach okablowania zaprojektowanych na tradycyjne
wartości znamionowe prądu (dostosowanych do lamp Ŝarowych), nie powinny wystąpić Ŝadne
problemy. Obrazują to wyliczenia przedstawione w Załączniku 2. Obliczenia te nie wykazują
Ŝadnych nieprawidłowości dla przewodu PEN, który moŜe przyjąć obciąŜenie do 16 A. Jest to
bezpieczne nawet jeśli przekrój przewodu PEN stanowi jedynie 60% przekroju przewodu
zewnętrznego i wobec tego moŜe przyjąć jedynie obciąŜenie do 9,6 A. Zmniejszone przekroje
przewodu PEN nie są jednak zalecane z innych powodów. Zmniejszenie obciąŜenia jednej lub
dwóch faz o niezakłóconym obciąŜeniu równieŜ moŜe prowadzić do przegrzewania.
Co więcej, w przypadku obciąŜeń mieszanych, potencjalne przeciąŜenie przewodu PEN na
skutek trzeciej (i 9., 15., 21. itd.) harmonicznej zostaje uniemoŜliwione lub znacząco ograniczone.
Zostało to wyjaśnione w pierwszym punkcie Dyskusji.
3. Zwiększenie strat sieci (podczas wytwarzania i przesyłania)
Niekiedy stawiane są zarzuty, Ŝe elektroniczny sprzęt oświetleniowy zwiększa straty w
przewodach zasilających, transformatorach i generatorach, na skutek niskiego współczynnika
mocy (λ) o wartości ok. 0,6. To nie jest zgodne z prawdą! O ile elektroniczny sprzęt oświetleniowy
o współczynniku mocy (λ) 0,6 zmniejsza prąd zasilania sieci do „jedynych” 60%, zuŜycie energii
zmniejsza się do 20%. Wobec tego, 20% pozostałej mocy uŜytecznej wymaga 33% pierwotnego
prądu zasilania usuniętej Ŝarówki. JednakŜe, biorąc pod uwagę kwadratową zaleŜność między
prądem a przegrzewaniem się przewodu (oraz transformatorów), powoduje to nieproporcjonalnie
wysoką redukcję strat przewodzenia, w wyniku zmniejszenia przepływu prądu. NaleŜy takŜe
uwzględnić geometryczne sumowanie się prądu rzeczywistego i biernego. Pokazano to w
Załączniku 3.
Proponowane działania oraz ich efekty
Proponowane zaostrzenie wymogów dotyczy ograniczenia harmonicznych, THD i współczynnika
mocy (λ) elektronicznego sprzętu oświetleniowego. (NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe te wymogi są
wzajemnie zaleŜne od siebie, jak wyjaśniano we Wstępie). Większość propozycji dotyczy wzrostu
współczynnika mocy (λ) z 0,55 do 0,7 w przypadku elektronicznego sprzętu oświetleniowego o
mocy znamionowej do 25 W, i z 0,90 do 0,95 w przypadku elektronicznego sprzętu
oświetleniowego o mocy znamionowej powyŜej 25 W. Nie ma jednak dobrego rozwiązania
technicznego, pozwalającego osiągnąć proponowany średni współczynnik mocy (MPF) o
wartości 0,7. Współczynniki mocy wysokie (HPF), o wartości 0,9, i bardzo wysokie (VHPF), o
wartości >0,95, są technicznie moŜliwe do uzyskania, poprzez zastosowanie biernych
(sprzęŜenie zwrotne i/lub „valley-fillling”) lub czynnych (przetwornik podwyŜszający napięcie)
technik korekcji współczynnika mocy (PFC).
ELC zgadza się, Ŝe te techniki pozwolą w (bardzo) ograniczonym stopniu poprawić jakość
zasilania sieciowego. W dalszej części artykułu omówiono właściwości technik HPF i VHPF,
podkreślając właściwości niekorzystne, wynikające z wydajności źródła światła, jego wielkości,
kosztów i odpadów elektronicznych. Przedstawiono to w Załączniku 4 (dla kompaktowych
świetlówek fluorescencyjnych CFL) oraz Załączniku 5 (dla oświetlenia półprzewodnikowego
SSL). (Podobne obliczenia moŜna przeprowadzić dla innego elektronicznego sprzętu
oświetleniowego).
Wnioski
Międzynarodowa norma IEC 61000-3-2 „Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu” w
stopniu wystarczającym chroni jakość zasilania sieciowego.
Elektroniczny sprzęt oświetleniowy, który spełnia tę normę, nie zwiększa ryzyka zakłócenia
napięcia sieci ani przeciąŜenia przewodu PEN w systemach okablowania, które zostały
zaprojektowane dla tradycyjnych wartości znamionowych prądu.
Zaproponowane zaostrzenie wymogów ma więcej wad niŜ zalet.
Załącznik 1
Ryc. 1 przedstawia typowy przepływ prądu dla elektronicznego sprzętu oświetleniowego o
obciąŜeniu 18,3 W.
Ryc. 2 przedstawia typowy przepływ prądu dla transformatora o obciąŜeniu wyprostowanym 35
W.
Ryc. 3 przedstawia całkowity przepływ prądu dla elektronicznego urządzenia oświetleniowego i
transformatora z obciąŜeniem wyprostowanym 35 W.
Ryc. 4 przedstawia całkowity przepływ prądu dla elektronicznego urządzenia oświetleniowego,
transformatora z obciąŜeniem wyprostowanym 35 W oraz obciąŜenia omowego (lampa Ŝarowa)
25 W.
Ryc.1.
Ryc. 2
Ryc.3.
Ryc. 4
Wyniki pomiarów w tych czterech sytuacjach zestawiono w tab.1.
Ryc.
1
2
3
4
P [W]
18.3
35.3
53.6
79
λ
0.63
0.72
0.88
0.94
I [mA]
125
213
265
365
i1 [mA]
84.5
189
245
352
i3 [%]
82
47
35
24
i5 [%]
54
21
10
6
i7 [%]
28
5
13
9
i9 [%]
17
5
4
3
Tab. 1: Składowe harmoniczne prądu dla czterech róŜnych obciąŜeń.
Jak pokazuje kształt krzywych oraz pomiary w tabeli, samo zuŜycie energii 18,3 W
elektronicznego urządzenia oświetleniowego (z krzywą wiodącą) oraz transformatora o
obciąŜeniu wyprostowanym 35 W (z krzywą opóźnioną) sumują się do wartości PF równej 0,88;
jeśli dodać do tego obciąŜenie oporowe w wysokości jedynie połowy obciąŜeń nieliniowych,
całkowita wartość PF wzrasta do 0,94!
NaleŜy zwrócić uwagę, jeśli chodzi o pkt. 2 Dyskusji, Ŝe skumulowane 3. i 9. harmoniczne na
przewodzie PEN osiągają bezpieczne wartości, odpowiednio, 24% i 3%.
Aby przybliŜyć kumulatywne efekty mieszania obciąŜeń, przedstawiono obciąŜenie omowe 200
W, dwa elektroniczne urządzenia oświetleniowe o łącznym obciąŜeniu 33 W (PF = 0,6) oraz
włączone źródło zasilania o obciąŜeniu 20 W (PF = 0,5). (Układ ten nie zawiera transformatora z
podłączonym obciąŜeniem wyprostowanym; jego prąd opóźniający jeszcze bardziej ulepszyłby
całkowitą wartość PF!)
Ryc. 5
Ryc.
5
P [W]
249
λ
0.97
I [mA]
1113
i1 [mA]
1087
i3 [%]
17
i5 [%]
11
i7 [%]
6
i9 [%]
2
Tab. 2: Prądy harmoniczne obciąŜenia mieszanego bez transformatorów
ObciąŜenia nieliniowe odpowiadają w takim przypadku za 1/5 całkowitego obciąŜenia. Mimo
tego, całkowita wartość PF w wysokości 0,97 jest bardzo dobra.
Warto zauwaŜyć, jeśli chodzi o pkt. 2. Dyskusji, Ŝe 3. harmoniczna (17%) i 9. harmoniczna
(jedynie 2%) (zsumowane geometrycznie:
obciąŜenia przewodu PEN (<33%).
0,17 2 + 0,02 2 = 17,1% ) są zupełnie nieistotne dla
Załącznik 2
Jeśli elektroniczny sprzęt oświetleniowy jest stosowany w systemach okablowania
zaprojektowanych na tradycyjne wartości znamionowe prądu (dostosowanych do lamp
Ŝarowych), nie powinny wystąpić Ŝadne problemy.
Przedstawia to następujący przykład:
ZuŜycie prądu Ŝarówki 100 W wynosi 435 mA. Wobec tego, jeśli system jest chroniony np.
bezpiecznikiem 16 A, (16 A / 0,435 A = 36,8), w jednej fazie moŜe świecić ok. 37 Ŝarówek. Jeśli
wszystkie te Ŝarówki zostaną zamienione na 18,3 W elektroniczne oświetlenie z Załącznika 1,
prądy w przewodzie PEN przy 3. i 9. harmonicznej wyniosą 3 x 37 x 71 mA1) ≤2) 7,88 A. Nie
stanowi to problemu dla przewodu PEN, który moŜe przyjąć obciąŜenie do 16 A. Jest to
bezpieczne nawet jeśli przekrój przewodu PEN stanowi jedynie 60% przekroju przewodu
zewnętrznego i wobec tego moŜe przyjąć jedynie obciąŜenie do 9,6 A.
1)
18,3 W elektroniczny sprzęt oświetleniowy zuŜywa prąd 125 mA (wartość pomierzona). Wartość prądu przy 3.
harmonicznej stanowi 82% z 84,5 mAfund, czyli 69,3 mA, a przy 9. harmonicznej wynosi 14,4 mA. PoniewaŜ wartości
skuteczne prądów róŜnej częstotliwości kumulują się w sposób geometryczny, suma 3. i 9. harmonicznej jest równa 70,8
mA. Zaokrąglamy tę wartość do 71 mA i pomijamy wyŜsze harmoniczne (15., 21., ...), poniewaŜ odpowiadają one za
coraz mniejszą część sumy.
2)
NałoŜenie się prądów harmonicznych poszczególnych źródeł światła w fazie jest moŜliwe tylko wtedy, gdy impedancja
sieci (Zgrid) równa jest zero om. Całkowity prąd harmoniczny przewodu PEN będzie w warunkach normalnych niŜszy (Zgrid
> 0 Ohm). Stosujemy zatem obliczenia uproszczone, ale uwzględniające najgorszy scenariusz.
Załącznik 3
Efekt geometrycznego sumowania się prądu rzeczywistego i biernego jest zilustrowany przez
poniŜsze uproszczone obliczenia:
W 230 V (mała wyspa) systemie zasilania 10% obciąŜenia biernego w wysokości 1 kW jest
zastępowane przez 20 W elektroniczne urządzenie oświetleniowe. Pozostałe 900 W to nadal
obciąŜenie bierne. Elektroniczne urządzenie oświetleniowe o mocy 20 W ma współczynnik mocy
(λ) 0,6, co daje prąd pozorny 144,9275 mA (suma geometryczna prądu rzeczywistego 86,9565
mA oraz prądu biernego 115,9420 mA).
Dodatkowe straty przewodzenia w naszej 1 kW sieci przyjmujemy na poziomie 7% (=70 W) – co
jest realistyczne dla większości krajów europejskich. ZałóŜmy, Ŝe wszystkie straty zachodzą w
oporniku podłączonym szeregowo, co stanowi najgorszy moŜliwy scenariusz dla dodatkowych
prądów biernych (brak strat równoległych). Daje to opór równowaŜny 3,7030 Ω dla wszystkich
strat dystrybucji z obciąŜeniem 230 V (w naszym przykładzie z wyspą) i stąd prąd 4,3478 A. Jeśli
wykorzystywane jest jedno elektroniczne urządzenie oświetleniowe o mocy 20 W, zastępując
10% zuŜycia biernego, obciąŜenie spada do 920 W, a prąd spada do 4,0017 A. NaleŜy zwrócić
uwagę, Ŝe część rzeczywista prądu zuŜywanego przez elektroniczne oświetlenie sumuje się
liniowo z pozostałym oporem biernym, poniewaŜ prądy rzeczywiste mają taki sam kształt fali i kąt
fazowy; jednakŜe część bierna prądu płynącego przez urządzenie dodaje się do sumy części
rzeczywistych w sposób geometryczny.
4,3478 A
4,0017 A
4,0021 A
Górny wektor pokazuje prąd obciąŜenia 1 kW przy napięciu sieci 230 V, czyli nasz stan
wyjściowy. Środkowa suma wektorów pokazuje sytuację po zastąpieniu 10% obciąŜenia
elektronicznym oświetleniem o współczynniku mocy (λ) 0,6. Wektor ostatni przedstawia prąd w
przypadku, gdy elektroniczne urządzenie oświetleniowe miałoby idealny współczynnik mocy (λ)
równy 1, uwzględniając dodatkowe straty.
Zmniejszenie całkowitego prądu, przy oporze 3,7030 Ω, prowadzi teraz do strat energii w
wysokości jedynie 59,30 W. Oznacza to redukcję strat dystrybucji w wysokości 15,29%, nawet
jeśli moc zuŜywającego energię urządzenia została zmniejszona tylko o 8%! Straty dystrybucji
rosną w sposób nieproporcjonalny!
ZbliŜenie PF do 1 zwiększyłoby straty wewnętrzne elektronicznego sprzętu oświetleniowego o ok.
0,5 W, powodując pobór 20,5 W z sieci (głównie straty dodatkowego zespołu obwodów,
niezbędnego do osiągnięcia wysokiego współczynnika mocy). Prąd całkowity ma wtedy 4,0021 A,
więcej niŜ dla PF równego 0,6, i 20,0 W, poniewaŜ dodatkowe starty wywołują prądy rzeczywiste,
a te dodają się liniowo. Całkowite straty sieci wynoszą zatem 59,31 W, a zmniejszenie strat sieci
w porównaniu ze stanem wyjściowym wynosi 15,27%. Współczynnik mocy 0,6 oświetlenia
zastępującego 5 razy wyŜsze obciąŜenie Ŝarówki daje lepszą całkowitą wydajność!
Niektórzy krytycy mogą twierdzić, Ŝe prądy harmoniczne mogą powodować zwiększone straty na
skutek wyŜszej częstotliwości. Z drugiej strony „niski” współczynnik mocy (λ) elektronicznego
sprzętu oświetleniowego nie wynika tylko z harmonicznych, ale takŜe z pojemnościowego
przesunięcia fazowego prądu podstawowego. Nasz współczynnik mocy o wartości (λ) 0,6
uwzględnia oba efekty: cosϕ wynosi zwykle 0,88 (a udział PFharm to 0,68). W rzeczywistości
obciąŜenia indukcyjne dominują (nieskompensowane stateczniki magnetyczne, silniki,
transformatory, długie okablowanie itd.), dlatego kompensacja obciąŜeń pojemnościowych prądu
opóźniającego się w fazie przez prąd wiodący jest poŜądana i zmniejsza straty sieci. Przykład:
ok. 8 elektronicznych urządzeń oświetleniowych o mocy 20 W kompensuje opóźniający się w
fazie prąd bierny jednej nieskompensowanej 36 W świetlówki fluorescencyjnej ze statecznikiem
magnetycznym. MoŜna zatem przyjąć, Ŝe korzystny wpływ efektu pojemnościowego równowaŜy
potencjalny wzrost strat dzięki wyŜszej częstotliwości harmonicznych.
Załącznik 4 Kalkulacja wpływu HPF i VHPF dla świetlówek CFL
wartość
rzeczywista
(odniesienie)
dodatkowe zmniejszenie strat przesyłowych
ryzyko przeciąŜenia PEN
ryzyko zniekształcenia napięcia sieci
koszty:
przekrój gniazdka (=obudowa statecznika):
wydajność (lm/W)
odpady elektroniczne
LPF 1)
0,5 (0,55)
0%
2)
2)
100%
100%
100%
100%
brak dobrego
rozwiązania dla
niewielkiej
poprawy PF
poza „zgrubnym”
rozwiązaniem z
wysokimi
stratami
MPF
0,7
PFC bierna
PFC czynna
HPF
0,9
∼ 0%
brak
brak
130%
120%
95%
150%
VHPF
0,95
∼ 0%
brak
brak
150%
130%
97%
170%
1) Typowa wartość LPF wynosi 0,6 dla obwodów P < 25 W zgodnych z normą IEC 61000-3-2.
2) Mało prawdopodobne w systemach okablowania, które zaprojektowano dla tradycyjnych wartości znamionowych prądu.
Załącznik 5 Kalkulacja wpływu HPF i VHPF dla oświetlenia SSL
wartość
rzeczywista
(odniesienie)
dodatkowe zmniejszenie strat przesyłowych
ryzyko przeciąŜenia PEN
ryzyko zniekształcenia napięcia sieci
koszty:
przekrój gniazdka (=obudowa statecznika):
wydajność (lm/W)
odpady elektroniczne
LPF 1)
0.5 (0.55)
0%
2)
2)
100%
100%
100%
100%
brak dobrego
rozwiązania dla
niewielkiej
poprawy PF
poza „zgrubnym”
rozwiązaniem z
wysokimi
stratami
MPF
0.7
PFC bierna
PFC czynna
HPF
0.9
∼ 0%
brak
brak
103% 3)
120%
97%
150%
VHPF
0.95
∼ 0%
brak
brak
105% 3)
130%
97%
170%
1) Typowa wartość LPF wynosi 0,6 dla obwodów P < 25 W zgodnych z normą IEC 61000-3-2.
2) Mało prawdopodobne w systemach okablowania, które zaprojektowano dla tradycyjnych wartości znamionowych prądu.
3) Obecnie koszty całkowite zdominowane są przez koszty LED. Zmieni się to w przyszłości, zwiększając względny udział kosztów HPF i
VHPF.