Tekst 3 CELMA AC _SM_004_ELC Power-Quality - Pol
Transkrypt
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.