Исследование работы светодиодных светильников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ

© 2018 В. И. Бирюлин1, А. С. Чернышев2, Д. В. Куделина3

1канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения

e-mail: birl956@mail.ru 2канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения

e-mail: tscherl@rambler.ru 3старший преподаватель кафедры электроснабжения e-mail: mary_joy@mail.ru

Юго-Западный государственный университет

В статье рассмотрено влияние светодиодных светильников на электрическую питающую сеть. Приведенные в статье результаты показывают, что при работе светодиодного осветительного оборудования возникают искажения синусоидальных форм тока и напряжения, что может неблагоприятно сказаться на работе как электрических сетей, так и присоединенных к ним потребителей. Также в статье рассмотрены параметры работы светодиодного светильника при значительном снижении питающего напряжения.

Ключевые слова: светодиодные светильники, электрическая сеть, высшие гармоники, напряжение, ток, кривые тока и напряжения.

За последнее время в мире проводится в значительных масштабах замена осветительных ламп с низкой светоотдачей и соответственно с большим расходом электроэнергии на единицу светового потока на более экономичные. Также быстрыми темпами разрабатываются и осваиваются производителями светотехнической продукции новые светильники различного назначения на светодиодах [Справочная книга... 2008].

По своей функциональности, эксплуатационным характеристикам и экономичности светодиодные осветительные установки во многом превосходят ранее разработанные, как на газоразрядных лампах, так и на лампах накаливания [Симуткин 2014; Шуберт 2008]. Среди них можно выделить:

- обеспечение более высокой энергоэффективности по сравнению с традиционными системами освещения;

- больший срок службы, то есть светодиодные лампы работают и излучают свет в течение многих тысяч часов, когда газоразрядные лампы и лампы накаливания уже прекращают свою работу;

- обеспечивают более высокую стойкость, чем лампы со стеклянными колбами, к воздействию вибрации и эффективно работают при низких температурах.

Светодиодное освещение уже занимает лидирующие позиции на мировом светотехническом рынке, ведь это направление максимально позволяет сберечь бесценные ресурсы нашей планеты. В условиях общего снижения удельного потребления энергетических ресурсов в различных областях человеческой деятельности, разработки и принятия новых природоохранных стандартов, инициатив и законодательных актов создаются большие возможности для широкого распространения светодиодных осветительных установок как на национальном, так и на международном уровне.

Для работы светодиодных светильников используются драйверы, представляющие собой электронное устройство, на выходе которого после стабилизации образуется постоянный ток необходимого значения, обеспечивающего

нормальную работу светодиодных элементов. В этом случае стабилизируется именно ток, а не напряжение. Устройства, стабилизирующие выходное напряжение, называются блоками питания. Оба вида этих устройств реализуются на электронной базе, что превращает светодиодные светильники в нелинейных потребителей [Драйверы для светодиодов...].

Использование нелинейных потребителей электроэнергии приводит к появлению в электрической сети высших гармоник тока и напряжения. Эти гармоники, распространяясь по сети, создают различные негативные последствия, в числе которых и повышенный нагрев нулевых проводников электрической сети токами гармоник, кратными трем [Суднова 2000].

В статье исследуется работа трех светодиодных светильников следующих типов: АГРО-25, SE-HP 25, СПП-Э-2/18. Исследования производились с целью определения влияния данных светильников на питающую электрическую сеть. Один из светильников - АГРО-25 также изучался при его работе в случае значительного понижения напряжения в питающей сети, что может возникнуть при аварийных ситуациях, когда будет требоваться обеспечение безопасной эвакуации людей из производственных и других помещений. Для проведения экспериментов использовался анализатор количества и качества электроэнергии типа AR5. Этот прибор позволяет измерять и запоминать различные параметры работы электрических сетей и потребителей электроэнергии.

Проведем анализ полученных данных по всем трем светильникам, прежде всего, по искажениям кривых тока и напряжения. На рисеуг! 1 приведен вид кривых напряжения сети и тока, потребляемого АГРО-25.

а)

-

: ! ^.......iNrr

б)

Рис. 1. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником АГРО-25: а) кривая напряжения; б) кривая тока

На рисунке 2 приведен спектральный состав гармоник напряжения и тока. На вертикальной оси приведены проценты отношения соответствующей гармоники напряжения и тока к первым гармоникам, по горизонтальной оси - номера гармоник.

с 4->

2 —

а)

. 1.1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

б)

Рис. 2. Состав гармоник напряжения сети и тока, потребляемого светильником АГРО-25: а) гармоники напряжения; б) гармоники тока

На рисунках 3-6 приведены аналогичные результаты для светильников БЕ-ИР 25, СПП-Э-2/18.

0.0

а)

о.о

б)

Рис. 3. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником БЕ-ИР 25: а) кривая напряжения; б) кривая тока

6--

14+

2 + 0

а)

ю--

с

£ : 5 —

^ ■ ' ' I -■ !| -I !■ -■ !| I !■ -I ■ -I ■■ -I .I -I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

б)

Рис. 4. Состав гармоник напряжения сети и тока, потребляемого светильником 8Е-НР 25: а) гармоники напряжения; б) гармоники тока

о.о

а)

0.0

б)

Рис. 5. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником СПП-Э-2/18: а) кривая напряжения; б) кривая тока

2 — О

а)

10 —

5 —

О-1-»

1 I 1 I' 1 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

б)

Рис. 6. Состав гармоник напряжения сети и тока, потребляемого светильником СПП-Э-2/18: а) гармоники напряжения; б) гармоники тока

Как видно из рисунков 1-6, работа исследуемых светодиодных светильников сопровождается появлением в питающей сети высших гармоник тока и напряжения. Все три светильника создают достаточно высокий уровень тока третьей гармоники. Токовые гармоники могут создавать дополнительный нагрев токоведущих жил проводов и кабелей.

Этот нагрев определяется по формуле [Светодиодные светильники...]:

= II • я + 2II • я

(1)

где IX, ^ - токи основной частоты и высшей гармоники, R1 и Rn - значения активных сопротивлений жил проводов и кабелей на основной частоте и высших гармониках тока.

Величину теплоты, выделямой в нулевом проводе, можно оценивать по формуле [Там же]:

40

Р2 - 3 • 212п. яп, (2)

А п-3Ж15...

п

15.

где ^ - величина тока фазы, который создается гармониками, кратными трем.

Следовательно, при проектировании осветительных установок на основе светодиодов следует принимать меры по ограничению дополнительного нагрева электрической сети освещения.

Рассмотрим результаты, полученные при работе светильника АГРО-25 от источника регулируемого переменного напряжения. На рисунке 7 приведены зависимости питающего напряжения и потребляемой активной мощности от времени.

На рисунках 8-10 показаны формы кривых напряжения в сети и тока при регулировании напряжения.

а)

б)

Рис. 7. Зависимости напряжения сети и потребляемой активной мощности, потребляемой светильником АГРО-25: а) напряжение; б) потребляемая активная мощность

а)

Рис. 8. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником АГРО-25 при питающем напряжении 160 В: а) кривая напряжения; б) кривая тока

-

N ./ V

а)

б)

Рис. 9. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником АГРО-25 при питающем напряжении 130 В: а) кривая напряжения; б) кривая тока

- /" \

\

- V./

а)

1111111 ' ""1 1 1

б)

Рис. 10. Кривые напряжения сети и тока, потребляемого светильником АГРО-25 при питающем напряжении 100 В: а) кривая напряжения; б) кривая тока

Также при исследовании работы светильника АГРО-25 при регулируемом питающем напряжении определялась зависимость искажений тока от величины питающего напряжения. Эти результаты приведены в таблице.

Как видно по рисункам 1, 8-10 и данным таблицы, искажения кривых тока и напряжения начинают заметно возрастать при значительных понижениях напряжения, что необходимо учитывать при проектировании систем аварийного освещения.

Зависимость искажений тока от величины питающего напряжения

светильника АГРО-25

Напряжение, В Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока, %

219 7,6

198 7,6

192 7,7

181 7,7

163 7,5

155 7,6

139 7,7

101 7,9

90 8,3

Представленные результаты наглядно показывают, что широкое внедрение светодиодных светильников может сопровождаться возникновением проблем, связанных с поддержанием нормативных значений показателей качества электроэнергии.

Работа таких светильников приводит к появлению в питающих электрических сетях высших гармоник тока и напряжения. Особенно большие искажения кривых тока и напряжения могут возникать при глубоких снижениях напряжения, например, при аварийных ситуациях.

Поэтому наиболее эффективное использование светодиодных осветительных установок может быть только тогда, когда учитываются как достоинства, так и недостатки этих устройств.

Библиографический список

Драйверы для светодиодов: что это и для чего они нужны [Электронный ресурс]. URL: https://homemyhome.ru/drajjvery-dlya-svetodiodov.html (дата обращения: 25.06.18).

Симуткин М.Г. Разработка методов оценки влияния нелинейных электроприемников на режимы работы оборудования распределительных сетей: дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 163 с.

Светодиодные светильники - шаг в будущее [Электронный ресурс]. URL: http://www.diy.ru/post/6240 (дата обращения: 15.06.18).

Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: ООО «Типография КЕМ», 2008. 952 с.

Суднова В.В. Качество электрической энергии. М.: ЗАО «Энергосервис», 2000.

80 с.

Шуберт Ф. Светодиоды / пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. М.: Физматлит. 2008. 495 с.