CC BY
22
УДК 628.9.041:620.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПАКТНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП
Н.В. ДЕНИСОВА, А.А. ШЛЯПЧЕНКОВ
Казанский государственный энергетический университет
В работе проведено исследование электрических параметров компактных люминесцентных ламп с помощью анализатора качества электроэнергии Fluke 43B. Показано, что компактные люминесцентные лампы ряда фирм ухудшают показатели качества электроэнергии в электросети.
Ключевые слова: компактные люминесцентные лампы, гармоники тока, гармоники напряжения, полные гармонические искажения.
Исследование влияния компактных люминесцентных ламп на качество электроэнергии является актуальной задачей в связи с программой правительства РФ по энергосбережению и замене ламп накаливания (ЛН) на компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). С 2011 года с прилавков должны исчезнуть лампы накаливания мощностью 100 ватт и более. Еще через 2 года та же участь постигнет самые популярные в народе лампы в 75 ватт, а с 14-го года исчезнут и слабенькие лампы в 25 ватт [1].
Методика исследования
Для исследования влияния КЛЛ на гармоники тока и напряжения был создан лабораторный стенд, состоящий из 20 патронов для ламп с цоколем Е27. Все патроны разделены на две равные группы, управление которыми осуществлялось двумя выключателями. В одной группе подключалось 5-10 КЛЛ одного типа.
Для исследования использованы КЛЛ:
- feron esb14 (W=24 Вт, F=1500 Лм, Т= 6400 K) - 5 шт.;
- lh26-4u (W=26 Вт, F=1300 Лм, Т= 2700 K) - 10 шт.;
- uniel (W=32 Вт, F=1780 Лм, Т= 2700 K) - 5 шт.;
- feron esb25 (W=34 Вт, F=1500 Лм, Т= 4200 K) - 5 шт.
Анализатором качества электроэнергии Fluke 43B были измерены различные характеристики КЛЛ [2]: амплитудные и действующие значения токов и напряжений; форма волны токов и напряжений; изменение тока, напряжения и мощности во времени; действующие значения активной, реактивной и полной мощности; коэффициент мощности PF; частота сети; амплитудные значения гармоник напряжения и тока; полные гармонические искажения THD; К-фактор - число, указывающее потери в трансформаторах, обусловленные гармоническими токами.
С помощью пирометра (в комплекте с Fluke 43B), была измерена температура поверхности КЛЛ. Измерения производились через 10 минут после включения.
Введение
© Н.В. Денисова, А.А. Шляпченков Проблемы энергетики, 2011, № 5-6
Основные результаты
Результаты измерений температур поверхностей КЛЛ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Сравнение температур поверхностей КЛЛ
Тип КЛЛ feron esb14 lh26-4u uniel feron esb25
W, Вт 24 26 32 34
t С 60,2±0,02 79,2±0,05 65,3±0,05 57,4±0,02
Получено, что температура поверхности КЛЛ не определяется их потребляемой мощностью.
Ниже приведены результаты измерений электрических параметров группы ламп одного типа, подключенных с помощью лабораторного стенда.
На рис.1 показаны экраны прибора Fluke 43B с гистограммами гармоник тока КЛЛ двух типов feron esb14 и uniel .
feron esb14
uniel
Рис. 1. Гистограммы гармоник тока для двух типов КЛЛ
На экране прибора Fluke 43B в левом столбце приведены: полное гармоническое искажение THD, действующее значение полного тока, К-фактора; в правом столбце -- номер гармоники на которую в данный момент наведен курсор, частота данной гармоники, ее сила тока, процентная доля данной гармоники от общего гармонического тока, а также угол между выделенной гармоникой и основной.
На рис. 2 показаны типичные для всех исследуемых типов ламп гистограмма гармоник напряжения (а) и форма кривой напряжения и тока (б).
(а) (б)
Рис. 2. Гистограмма гармоник напряжения (а) и форма напряжения и тока (б)
У всех типов КЛЛ наблюдалась характерная форма гистограммы гармоник тока: плавное уменьшение амплитуд гармоник с увеличением порядкового номера
гармоники. Порядок гармоники - отношение частоты гармоники п к частоте основной гармоники: п = fn / f Из сравнения данных на рис. 1 и 2 видно, что гармоники тока существенно больше гармоник напряжения. THD для тока намного больше допустимого значения и может достигать до 74,5% (согласно IEC 6100-3-2, рекомендуемое значение должно лежать в пределах 30%); THD для напряжения не превышает допустимого значения и находится в пределах 4,2^5,2%.
Синусоидальная форма напряжения и далекая от синусоидальной форма тока, представленные на рис. 2, б, отражают их гармонический состав.
Дополнительно было выяснено, как количество одновременно включенных КЛЛ одного типа влияет на параметры качества электроэнергии в групповой линии. С увеличением числа включенных ламп от 0 до 10 THD изменяется в пределах от 70% до 75% и не зависит от количества одновременно включенных ламп и величины потребляемого тока. При одновременном включении различных типов ламп поведение THD остается прежним.
Все изученные нами КЛЛ являлись емкостной нагрузкой с низким коэффициентом мощности, измеренная величина PF находилась в пределах 0,61^0,65. Согласно IEC 6100-3-2, рекомендуемое значение должно превышать 0,85.
Наиболее существенным результатом измерений явилось выявление большой величины третьей гармоники тока по сравнению с основной, а также девятой и пятнадцатой, которые в сумме сопоставимы с третьей гармоникой. Третья гармоника составляет до 47 % от общего значения тока. В табл. 2 приведены значения токов полного и четырех гармоник для пяти одновременно включенных ламп каждого типа.
Таблица 2
Значения токов полного и четырех гармоник
Тип КЛЛ I, А Величина тока гармоники, А
11 13 19 115
feron esb14 0,73 0,52 0,34 0,17 0,06
1к.26-4и 0,80 0,56 0,36 0,19 0,09
тЫ 0,84 0,57 0,37 0,21 0,07
feron esb25 0,92 0,62 0,45 0,24 0,11
Согласно ГОСТу 1ЕС 61000-3-2: 2005 «Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16А» для лампы с мощностью более 25Вт нормируется содержание высших гармоник тока. В табл. 3 приведены величины токов некоторых нормируемых гармоник КЛЛ feron esb25. Из табл. 3 видно, что только величина гармоники второго порядка не превышает установленный ГОСТом предел.
Таблица 3
Соответствие ГОСТу норм эмиссии гармонических составляющих тока КЛЛ feron esb25
Номер гармонической Величина тока гармоники, %
составляющей Измеренная По 1ЕС 61000-3-2: 2005
1 100 -
2 0 2
3 72,6 19
5 43,5 10
7 40,3 7
9 38,7 5
15 17,7 3
Установлено, что и другие типы ламп мощностью более 25 Вт (lh26-4u и uniel) по спектральному составу тока не удовлетворяли требованиям ГОСТа. Для ламп мощностью менее 25Вт ГОСТом установлены иные допустимые значения.
Обсуждение результатов
Амплитуды гармоник, частота которых равна утроенной основной частоте, умноженной на нечетный множитель (гармоники порядка 3М), складываются в нейтральном проводе. КЛЛ представляют собой нелинейную нагрузку, в которой протекает несинусоидальный ток. При этом в нейтральном проводнике, даже симметрично загруженном, будет протекать ток, по величине превышающий ток линейного проводника. Несложно подсчитать силу тока в нейтральном проводе для ламп feron езЬ14 при условии равенства нагрузок по фазам. Ток в нейтрали будет равен 1,15 А и будет превышать в полтора раза ток в фазном проводнике.
Чтобы избежать таких последствий, необходимо обеспечить мероприятия либо по устранению гармоник порядка 3N N - нечетное число), либо по увеличению пропускной способности и тепловой защите нейтрального проводника. Для защиты сети необходимо установить четырехполюсные выключатели с защищенной нетралью (за исключением системы Т^С). Выключатель должен одновременно разъединять цепи фаз и нейтрали, он служит как для защиты от перегрузок, так и для размыкания всех полюсов в случае короткого замыкания.
Как видно из табл. 2, величина полного тока в 1,4 раза больше тока основной гармоники. Это вызывает увеличение нагрузки на кабель без увеличения переноса полезной мощности.
Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармоник в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок.
Для подавления высших гармоник в сети в основном применяются: линейные дроссели, пассивные фильтры, разделительные трансформаторы, магнитные синтезаторы, активные фильтры гармоник. Возможно, нет необходимости компенсировать все гармоники, достаточно подавить наиболее опасную третью гармонику.
Другой способ борьбы с гармониками - это недопускать их попадания в сеть. Для трубчатых люминесцентных ламп выпускаются электронные балласты с корректором коэффициента мощности и сетевым фильтром, что обеспечивает энергопотребление с коэффициентом мощности в номинальном режиме на уровне 0,98 (против 0,61 без корректора) и подавление помех, создаваемых электронным балластом. Возможно, в скором времени такие балласты появятся и для компактных люминесцентных ламп. По заявлениям производителей таких балластов потребляемый ими ток и напряжение имеют практически синусоидальную форму [3].
Выводы
Доступные для населения КЛЛ вносят нелинейные искажения в электрическую сеть, в силу чего имеется риск негативных последствий для сетей 0,4 кВ. Таким образом, при замене ламп накаливания на энергосберегающие необходимо проводить дополнительные мероприятия по борьбе с генерацией
гармоник и защите нейтрали.
На этапе проектирования осветительной установки необходимо проводить расчеты электроснабжения зданий с учетом токов высших гармонических составляющих и предусмотреть необходимые меры в уже эксплуатируемых зданиях. При анализе систем электроснабжения с нелинейными нагрузками следует, в дополнение к действующим российским нормативным документам, использовать стандарты США IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis (IEEE Brown book) (ANSI) IEEE Std 399—1997, где проблема гармоник достаточно проработана.
Считаем своим долгом выразить благодарность заведующему кафедрой «Светотехника и медико-биологическая электроника» КГЭУ проф., заслуженному деятелю науки РТ Тукшаитову Р.Х. за участие в обсуждении работы и полезные рекомендации.
Summary
In clause research of electric parameters of compact fluorescent lamps with the help of the analyzer of quality of electric power Fluke 43B is described. Problems which it is necessary to collide at replacement of lamps накаливания on compact luminescent lamps come to light. And as some recommendations for elimination of these problems are given.
Key words: compact luminescent lamps, harmonics of a current, harmonics of the voltage, total harmonic distortion.
Литература
1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Fluke 43B. Измеритель показателей качества электрической энергии: Руководство пользователя. С. 8-13.
3. Панфилов Д.И., Поляков В.Д., Поляков Ю.Д., Барышников А.Н. Электронные балласты для трубчатых люминесцентных ламп // Инженерная микроэлектроника. 1999. № 2. С. 18-22.
Поступила в редакцию 14 марта 2011 г.
Денисова Наталья Вячеславовна - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Шляпченков Андрей Анатольевич - аспирант кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-917-9096067. Е-mail: [email protected].
