ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ И ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.016.3:628.93.003.12:621.3.015

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ И ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА

О.Г. Широков, Т.В. Алферова, В.В. Бахмутская, И.Ю. Юрлов

УО « ГГТУ им. П.О. Сухого», г.Гомель Республика Беларусь

Аннотация. Статья посвящена исследованию влияния осветительных приборов со светодиодными и галогенными источниками света, предназначенных для сценического, театрального и постановочного освещения, праздничных мероприятий на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока. Определены значения показателей несинусоидальности напряжения и тока и выполнена оценка соответствия высших гармоник тока в точке питания осветительных приборов со светодиодными и галогенными источниками света требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (1ЕС 61000-3-2:2009), которая показала превышение норм по отдельным гармоническим составляющим тока, потребляемого светодиодными осветительными приборами.

Ключевые слова: показатели качества электрической энергии, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения, суммарный коэффициент гармонических составляющих тока, осветительные приборы со светодиодными и галогенными источниками света.

Введение. В настоящее время повсеместно расширяется применение осветительных приборов со светодиодными и галогенными источниками света, использующимися в качестве фасадного, промышленного, магистрального и уличного освещения [1,2,3]. Однако, производители этого осветительного оборудования в технических характеристиках не указывают характер его влияния на качество электрической энергии и на соответствие требованиям нормативных документов, регламентирующих уровни электромагнитной совместимости. Снижение качества электроэнергии оказывает негативное влияние на работу электрооборудования, сокращая срок его службы, приводит к увеличению потерь напряжения и мощности в сети, уменьшению ее пропускной способности. В такой ситуации работы, направленные на оценку влияния осветительной нагрузки на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока являются актуальными.

Целью работы является оценка влияния осветительных

приборов со светодиодными и галогенными источниками света, предназначенных для сценического, театрального и постановочного освещения, на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока.

Основная часть. Оценка показателей несинусоидальности напряжения и тока, потребляемого осветительными приборами со светодиодными и галогенными источниками света, предназначенными для сценического, театрального и постановочного освещения.

В настоящее время измерения напряжения гармонических составляющих должны проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.7-2013 [6], однако, с учетом допущений, разрешаемых ГОСТ 32144-2013 [4] и ГОСТ 30804.4.30-2013 [5] (измерения класса В), некоторые задачи приборного контроля качества электрической энергии могут решаться с помощью существующих средств измерения параметров электрической энергии.

В данной работе оценивалось влияние на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока следующих осветительных приборов со светодиодными и галогенными источниками света, предназначенных для сценического, театрального и постановочного освещения:

- прожектор галогенный PG 500 Ultralight, мощностью 500 Вт;

- проектор Swarm FX5, мощностью 66Вт;

- светодиодный прожектор Showtec Par 64 Short, RGB LED, мощностью 30 Вт;

- лазер Reke 91s, мощностью 30 Вт.

Значение показателей несинусоидальности напряжения и тока, потребляемого осветительными приборами, оценивалось на основании измерительной информации, полученной с помощью "Комплекса регистрации параметров электрических сигналов" (КРПЭС), подключенного по схеме, представленной на рисунке 1, где ТТ -измерительный трансформатор тока; ИПТ - измерительный преобразователь тока; ИПН - измерительный преобразователь напряжения; АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 1 - Схема определения влияния осветительной нагрузки на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока

В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013, суммарный коэффициент гармонических составляющих (total harmonic distortion, THD) THDy. отношение среднеквадратичного значения суммы всех гармонических составляющих YH,h до порядка к hmax среднеквадратичному значению основной составляющей YH1.

THDy =JT,

Y

Y

V ±H .1 У

(1)

При необходимости У символ заменяют символом I для тока и символом и для напряжения, Нтах принимают равным 40, если иное значение не установлено в международных стандартах, устанавливающих нормы эмиссии гармоник.

В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Ки рассчитывается по формуле

Ки =

Е

и

у

V UH ,1 у

(2)

В соответствии с ГОСТ 30804.4.7-2013, суммарный коэффициент гармонических составляющих тока ТИ01 рассчитывается по формуле

H .h

h=2

h=2

THD, =

z

V 1h л J

(3)

В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 30804.3.2—2013 (1ЕС 61000-3-2:2009) [7] световое оборудование по классификации технических средств (ТС) относится к классу С. В п.7.3 [7] регламентированы нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С при активной потребляемой мощности, превышающей 25 Вт, которые не должны превышать значений, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С

H ,h

h=2

Максимальное допустимое значение

Порядок гармонической гармонической составляющей тока, % от

составляющей п основной гармоническои составляющей потребляемого тока

2 2

3 30-Х*

5 10

7 7

9 5

11 < п < 39 (только для

нечетных гармонических составляющих) 3

* Коэффициент мощности цепи.

На рисунке 2 представлена осциллограмма напряжения и тока в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight.

Рисунок 2 - Осциллограмма напряжения и тока в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight

Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight Kv, согласно формуле 2, составляет: Kv = 0,03%.

В таблице 2 представлен спектр гармоник тока в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight

Таблица 2 - Спектр гармоник тока в точке питания прожектора

галогенового PG 500 Ultralight

№ Спектр, о.е. № Спектр, о.е. № Спектр, о.е.

1 0,9894266 15 0,0000005 29 0,0000001

2 0,0000042 16 0,0000000 30 0,0000000

3 0,0004337 17 0,0000003 31 0,0000000

4 0,0000001 18 0,0000000 32 0,0000000

5 0,0000059 19 0,0000012 33 0,0000001

6 0,0000001 20 0,0000000 34 0,0000000

7 0,0000023 21 0,0000014 35 0,0000001

8 0,0000000 22 0,0000000 36 0,0000000

9 0,0000286 23 0,0000006 37 0,0000003

10 0,0000001 24 0,0000000 38 0,0000000

11 0,0000117 25 0,0000002 39 0,0000003

12 0,0000000 26 0,0000000 40 0,0000000

13 0,0000143 27 0,0000005

14 0,0000001 28 0,0000000

Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight THDi согласно формуле 3 составляет: THDi = 0,044%.

Оценка соответствия высших гармоник тока в точке питания прожектора галогенового PG 500 Ultralight требованиям Г0СТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009) показала, что гармонические составляющие тока, рассматриваемого ТС класса С не превышают установленных максимально допустимых значений.

На рисунке 3 представлена осциллограмма напряжения и тока в точке питания проектора Swarm FX5.

JL

JL

JL

JL

Рисунок 3 - Осциллограмма напряжения и тока в точке питания проектора Swarm FX5

Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания проектора Swarm FX5 KUf согласно

формуле 2, составляет: Kv = 0,03%.

В таблице 3 и иа рисунке 4 представлен спектр гармоник тока в точке питания проектора Swarm FX5.

Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока THD] в точке питания проектора Swarm FX5 согласно формуле 3 составляет: THD] = 112,6 %.

На рисунке 5 представлен график оценки соответствия высших гармоник тока в точке питания проектора Swarm FX5 требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009), который показывает, что 3, 5, 7, 9, 11 гармонические составляющие тока, рассматриваемого ТС класса С превышают установленные максимально допустимые значения.

Таблица 3 - Спектр гармоник тока в точке питания проектора Swarm FX5.

№ Спектр, о.е. № Спектр, о.е. № Спектр, о.е.

1 0,259144 15 0,003582 29 0,000781

2 0,000231 16 0,000034 30 0,000000

3 0,236504 17 0,004396 31 0,000643

4 0,000172 18 0,000014 32 0,000000

5 0,129452 19 0,004283 33 0,000279

6 0,000131 20 0,000013 34 0,000000

7 0,098613 21 0,002746 35 0,000045

8 0,000055 22 0,000010 36 0,000000

9 0,048034 23 0,000972 37 0,000025

10 0,000082 24 0,000006 38 0,000000

11 0,018299 25 0,000344 39 0,000109

12 0,000023 26 0,000005 40 0,000000

13 0,005869 27 0,000555

14 0,000021 28 0,000005

спектр, o.t,

0,300 ■

0.3S0 -0,200 ■ 0,150 ■ 0,100 0,050 -0,000 ■ i i

1 3 5 7 9 11 13 IS 17 19 ?1 23 75 V 19 31 33 35 37 39 номер гарыопвкв

Рисунок 4 - Спектр гармоник тока в точке питания проектора Swarm FX5

% от основной гармонической

составляющей тока

100,0

90,0

80,0

70,0

60,0

50,0

40,0

30,0

20,0

10,0 F

0,0 п J

. Максимальное допустимое з гармонической составляющей тока, % от основной гармонической составляющей потребляемого тока

16 18 20 22 24

номер гармоники тока

26 28 30 32 34 36 38

2

4

10 12

14

40

Рисунок 5 - Оценка соответствия высших гармоник тока в точке питания проектора Swarm FX5 требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009) На рисунке 6 представлена осциллограмма напряжения и тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB

Рисунок 6 - Осциллограмма напряжения и тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED

Суммарный коэффициент гармонических составляющих

напряжения в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED Kv, согласно формуле 2, составляет: Kv = 0,03%.

В таблиуце 4 и на рисунке 7 представлен спектр гармоник тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED.

Таблица 6 -Спектр гармоник тока в точке питания

светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED.

№ Спектр, o.e. № Спектр, o.e. № Спектр, o.e.

1 0,259144 15 0,003582 29 0,000781

2 0,000231 16 0,000034 30 0,000000

3 0,236504 17 0,004396 31 0,000643

4 0,000172 18 0,000014 32 0,000000

5 0,129452 19 0,004283 33 0,000279

6 0,000131 20 0,000013 34 0,000000

7 0,098613 21 0,002746 35 0,000045

8 0,000055 22 0,000010 36 0,000000

9 0,048034 23 0,000972 37 0,000025

10 0,000082 24 0,000006 38 0,000000

11 0,018299 25 0,000344 39 0,000109

12 0,000023 26 0,000005 40 0,000000

13 0,005869 27 0,000555

14 0,000021 28 0,000005

-.11 -к-1:. '.t

0,.100

0,200 0,150 0,100 от 0,000

ill

Lli_

1 3 S 7 J Ц 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 35 ноиер гарн< beki

Рисунок 7 - Спектр гармоник тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED

Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока THDi в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED согласно формуле 3 составляет: THDi = 110,15%.

На рисунке 8 представлен график оценки соответствия высших гармоник тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-32:2009), который показывает, что 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 гармонические составляющие тока, рассматриваемого ТС класса С превышают установленные максимально допустимые значения.

% 0

гармоническои

90,0

80,0

70,0

60,0 Максимальное допустимое значение

50,0 ЕРяд2 гармонической составляющей тока, % от

40,0 потребляемого тока

30,0

20,0 10,0 0,0 !

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 номер гармоники тока

Рисунок 8 - Оценка соответствия высших гармоник тока в точке питания светодиодного прожектора Showtec Par 64 Short, RGB LED требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009)

На рисунке 9 представлена осциллограмма напряжения и тока в

Рисунок 9 - Осциллограмма напряжения и тока в точке питания

светового прибора "Лазер Reke 9^"

Суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в точке питания светового прибора "Лазер Reke 9^" Кц, согласно формуле 2, составляет: Ки = 0,03%.

В таблице 5 и на рисунке 10 представлен спектр гармоник тока в точке питания светового прибора "Лазер Reke 9^".

Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока ТИБ\ в точке питания светового прибора "Лазер Reke 9^"согласно формуле 3 составляет: ТИВ} = 113,01%.

Таблица 5 -Спектр гармоник тока в точке питания светового

прибора "Лазер Reke 91S".

№ Спектр, o.e. № Спектр, o.e. № Спектр, o.e.

1 0,2634530 15 0,0098539 29 0,0004922

2 0,0000683 16 0,0000949 30 0,0000081

3 0,2139534 17 0,0076428 31 0,0004063

4 0,0000378 18 0,0000828 32 0,0000061

5 0,1630188 19 0,0065033 33 0,0003432

6 0,0000624 20 0,0000630 34 0,0000035

7 0,1043139 21 0,0052887 35 0,0002324

8 0,0000330 22 0,0000413 36 0,0000032

9 0,0619806 23 0,0034013 37 0,0000556

10 0,0000966 24 0,0000213 38 0,0000042

11 0,0326433 25 0,0016826 39 0,0000152

12 0,0001016 26 0,0000122 40 0,0000026

13 0,0160065 27 0,0008790

14 0,0001078 28 0,0000071

спектр, o.e. 0,300

(I.ÜÜ -0,200 -0,150 -0,100 0Д30 -0,000 -

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 вомер гарчоввкп

Рисунок 10 - Спектр гармоник тока в точке питания светового прибора "Лазер Reke 91S"

На рисунке 11 представлен график оценки соответствия высших гармоник тока в точке питания светового прибора "Лазер Reke 91S" требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009), который показывает, что 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 гармонические составляющие тока,

рассматриваемого ТС класса С максимально допустимые значения.

превышают установленные

% от основной гармонической составляющей тока 90,0

80,0

70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0

Максимальное допустимое значение Ряд2 гармонической составляющей тока, % от основной гармонической составляющей потребляемого тока

I

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 номер гармоники тока

Рисунок 11 - Оценка соответствия высших гармоник тока в точке питания светового прибора "Лазер Reke 9^" требованиям ГОСТ30804.3.2—2013 (1ЕС 61000-3-2:2009)

Выводы. Влияние прожектора галогенного PG 500 Ultralight, мощностью 500 Вт на показатели несинусоидальности напряжения и потребляемого тока крайне незначительны, поскольку суммарные коэффициенты гармонических составляющих тока и напряжения составили соответственно THDi = 0,044% и Kv = 0,03%.

Гармонические составляющие тока, потребляемого проектором Swarm FX5, светодиодным прожектором Showtec Par 64 Short, RGB LED, лазером Reke 91s превышают установленные Г0СТ30804.3.2— 2013 (IEC 61000-3-2:2009) максимально допустимые значения для технических средств класса С при активной потребляемой мощности, превышающей 25 Вт. При этом, суммарные коэффициенты гармонических составляющих тока THDh потребляемого указанными источниками, соответственно составляют THDj = 112,6 %, 110,15%, 113,01%. При этом, влияние на кривую напряжения в точке питания этих световых приборов практически отсутствует, поскольку суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения Kv = 0,03%. Тем не менее, в случае достаточного увеличения доли таких электроприемников, следует ожидать заметного их влияния на несинусоидальность напряжения.

Список использованных источников:

1. Закгкейм, A.A. Светодиодные ситемы освещения: эффективность, зрительное воспритие, безопасность для здоровья (обзор)/ АЛ. Закгейм // Светотехника.-2012. - № 6.- С.12-20.

2. Радкевич В.Н. Электрическое освещение: справочник / В.Н.

Радкевич, В.Б. Козловская, В.Н. Сацукевич. - Минск: Технперспектива, 2007. - 225 с.

3 Журавкин, А.Ш. Руководство по устройству электроустановок / А.Ш. Журавкин, // Технические решения Schneider Electric.-2013.-№1 - С. 1-77.

4. ГОСТ 32144- 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (EN 50160:2010, NEQ). Госстандарт Республики Беларусь. 2015.

5. ГОСТ 30804.4.30-2013 (IEC 61000-4-30:2008) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. Госстандарт Республики Беларусь. 2014.

6. ГОСТ 30804.4.7-2013 (IEC 61000-4-7:2009) Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. Госстандарт Республики Беларусь. 2014.

7. Межгосударственный стандарт Г0СТ30804.3.2—2013 (IEC 61000-3-2:2009) Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. (IEC 61000-3-2:2009, MOD) Москва, Стандартинформ, 2014.

ASSESSMENT OF THE IMPACT OF LIGHTING LOAD ON THE INDICES OF NON-SINUSOIDAL VOLTAGE AND CONSUMED

CURRENT

O. G. Shirokov, T. V. Alferova, V. V. Bakhmutskaya, I. Yu. Yurlov

EE "Gomel State Technical University named after P.O. Sukhoy ", Gomel,

Republic of Belarus

Abstract. The article is devoted to the study of the influence of lighting devices with LED and halogen light sources intended for stage, theater and stage lighting, festive events on the indices of non-sinusoidal voltage and current consumption. The values of non-sinusoidal voltage and

current indices are determined and the conformity of the highest current harmonics at the power supply point of the lighting devices with LED and halogen light sources to the requirements of GOST30804 is estimated.3.2-2013 (IEC 61000-3-2:2009), which showed the excess of the norms for individual harmonic components of the current consumed by led lighting devices.

Keywords: power quality indices, total coefficient of voltage harmonic components, total coefficient of current harmonic components, lighting devices with LED and halogen light sources.