CC BY
37
УДК 621.314
ВЛИЯНИЕ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА НА СОДЕРЖАНИЕ ГАРМОНИК ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
А. А. АЛФЕРОВ, Е. А. ЯКИМОВ, О. Г. ШИРОКОВ, Т. В. АЛФЕРОВА
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
В настоящее время во всем мире стремительно расширяется сфера применения светодиодных технологий освещения. Если еще 5-7 лет назад светодиодное освещение применялось на промышленных предприятиях и в дизайнерской среде исключительно как локальное, то сейчас светодиодные технологии применяются повсеместно. Например, уличные прожекторы со светодиодными излучателями используются в качестве фасадного освещения, когда требуется создать двунаправленный световой поток - освещение вверх и вниз от прожектора. В качестве промышленного, магистрального и уличного освещения также используются светодиодные приборы освещения [1].
Светодиодные прожекторы способны не просто осветить какой-то объект. Гораздо более важно, что они улучшают цветовое восприятие, делают освещаемый объект более четким. Мощный направленный свет может использоваться для освещения цехов, улиц, магистралей, фасадов и т. д. С одной стороны, компании-производители научились делать более мощные светодиоды, что расширило сферу их применения. С другой стороны, светодиод имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что приводит к появлению гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения. Гармонические искажения и связанные с этим проблемы становятся все более превалирующими в распределительных сетях.
Снижение качества электрической энергии может приводить к следующим последствиям [2]:
- перегреву и разрушению нулевых рабочих проводников линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники;
- ускоренному старению изоляции при повышении рабочей температуры токонесущих проводников;
- помехам в сетях телекоммуникаций, возникающим там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияние на телекоммуникации оказывают гармоники кратные трем. Чем выше порядок гармоники, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях;
- необоснованному срабатыванию автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств.
Все эти воздействия негативно влияют на работу электрооборудования. Для уменьшения их вредного влияния необходимо знать источник и природу их возникновения, а также зону их действия.
Гармонические искажения тока, вызываемые нелинейной нагрузкой, можно уменьшить за счет использования активных фильтров гармоник. В настоящее время наиболее распространенными из-за своего качества и цены являются активные фильтры серии SPC.
SPC представляет собой управляемый цифровым процессором однофазный активный силовой фильтр, в котором используется статистическая обработка и метод ин-жекции тока. SPC состоит из выключателя, предохранителя, схемы защиты от перенапряжений, фильтра синусоиды, конденсатора и процессорной схемы управления. Процессор производит измерения мощности, потребляемой нелинейной нагрузкой в реальном времени, вычисляет параметры гармоник тока нагрузки и затем с помощью IGBT-ключей добавляет в сеть компоненты тока фазы. В результате работы SPC кривые тока в системе электроснабжения имеют чистую синусоидальную форму [3].
Целью работы является исследование степени влияния светодиодных источников света ДПО 03-12-001 «ИКАР-03» на содержание гармоник тока и напряжения в системах электроснабжения промышленных предприятий.
Основная часть
Светильник ДПО 03-12-001 «ИКАР-03» предназначен для внутреннего освещения общественных помещений. Светильник выполнен на основе светодиодных модулей, характеризуется малым энергопотреблением, отсутствием мерцания, а также длительным сроком эксплуатации [3].
Светильник соответствует классу светораспределения П. Его основные технические характеристики:
- номинальная частота 50 Гц, номинальное напряжение питания 230 В;
- максимальная потребляемая мощность - не более 20 Вт;
- ток, потребляемый из сети, - не более 0,2 А;
- коэффициент мощности не менее - 0,9.
Светильник сертифицирован на соответствие требованиям электромагнитной совместимости СТБ ЕН 55105, СТБ IEC 61547, СТБ МЭК 61000-3-3 и является экологически безопасным, не содержит ртути, не выделяет в окружающую среду токсичных веществ. Светильник не требует специальной утилизации.
Для измерений использовалось устройство контроля параметров качества электрической энергии УК1 (ТУ РБ 100230547.012-2002), представляющее собой высокоточный измерительный прибор, построенный на основе современных цифровых технологий.
Гармонический анализ кривой тока и напряжения. На рис. 1 представлена вольт-амперная характеристика исследуемого источника света.
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика светодиодного светильника ДПО 03-12-001 «ИКАР-03»
Анализ рис. 1 показал, что исследуемый источник света имеет нелинейную характеристику и способен работать в достаточно широком диапазоне напряжений. Напряжение зажигания и отключения светильника «ИКАР-03» составляет 40 и 60 В соответственно.
Авторами данной работы также были получены кривые напряжения и тока для различного количества (от одного до двенадцати) одновременно работающих светильников «ИКАР-03». Для одного светильника кривые напряжения и тока приведены на рис. 2, а их спектры представлены на рис. 3 и 4.
Рис. 2. Кривые напряжения и тока для одного светильника «ИКАР-03»
Рис. 3. Спектр кривой напряжения при питании одного светильника «ИКАР-03»
1.Я1---1---1—I--1—I—I—|—I—I--------—I—|—I—I—1—I--1—I---1--------1---1—I——I—I—
Ш--!-!-;-\-:-!—:-:-:—!-:--:-т-1-!-;—:-;-:-:-;-:-1-!-1-;--г-г-:-!-=-Г"
о ч& зю л +» м «о пи ЯП же НИ- ПС ЧПП >П 1« ТЯО !НС 1!ТХ >ПВ 1ПС яга ЛЮ 2И -IX :*х
Рис. 4. Спектр кривой тока при питании одного светильника
«ИКАР-03»
Из анализа спектра кривых напряжения и тока видно, что в них преобладают нечетные гармоники. Для точного сравнения значения гармоник разложим спектр кривых напряжения и тока в ряд Фурье (см. таблицу) [4].
Разложенный спектр напряжения и тока в ряд Фурье
Номер гармоники Значение гармоники кривой напряжения, В Значение гармоники кривой тока, А
3 4,51Е-04 5,27Е-03
5 2,15Е-04 2,96Е-03
7 1,76Е-05 1,19Е-04
9 4,52Е-05 1,56Е-03
11 3,77Е-06 4,60Е-05
13 2,20Е-08 7,80Е-05
15 4,12Е-06 3,09Е-04
17 7,35Е-07 2,85Е-05
19 1,58Е-08 3,46Е-05
21 3,10Е-06 4,03Е-04
23 1,24Е-06 7,96Е-04
25 1,35Е-07 3,00Е-04
27 5,84Е-07 1,92Е-04
29 1,89Е-07 9,68Е-04
31 7,67Е-08 4,14Е-04
33 3,27Е-08 4,06Е-04
35 5,26Е-08 4,28Е-06
37 7,98Е-08 3,05Е-04
39 1,37Е-08 2,22Е-04
41 1,00Е-08 2,22Е-06
43 2,64Е-08 5,28Е-05
45 8,70Е-09 6,51Е-06
47 4,96Е-08 1,51Е-04
49 7,43Е-08 6,85Е-04
Графики спектрального состава напряжения и тока для одного светильника приведены на рис. 5 и 6 соответственно.
Рис. 5. График спектрального состава напряжения одного светильника «ИКАР-03»
Рис. 6. График спектрального состава тока одного светильника «ИКАР-03»
Из анализа графиков видно, что значение нечетных гармоник по кривым тока и напряжения с увеличением номера гармоники уменьшается во всем диапазоне частот. На рис. 5 и 6 изображены гистограммы спектрального состава светильника «ИКАР-03», из которых видно, что доминирующими гармониками в этих светильниках являются третья и пятая.
В связи с этим практический интерес представляет наблюдение за поведением тока и напряжения третьей и пятой гармоник при различном количестве светильников «ИКАР-03». Графики изменения третьей и пятой гармоник напряжения от количества светильников приведены на рис. 7 и 8, а для гармоник тока - на рис. 9 и 10.
Количество светильников
Рис. 7. График третьей гармоники напряжения при различном количестве светильников «ИКАР-03»
1 Напряжение 5 ой гармоники
2,00 Е 04
1,50Е-04
Я 9 10 и 12 Количество светильников
Рис. 8. График пятой гармоники напряжения при различном количестве светильников «ИКАР-03»
а Ток 3-ей гармоники
5,00Е-03
1,00Е-03
0,00Е+00
123456789 10 11 12
Количество светильников
Рис. 9. График третьей гармоники тока при различном количестве светильников «ИКАР-03»
4,50Е-03
1Ток 5-ой гармоники
7 8 9 10 11 12 Количество светильников
Рис. 10. График пятой гармоники тока при различном количестве светильников «ИКАР-03»
Заключение
Из анализа результатов опытов следует, что при увеличении количества светильников «ИКАР-03» значения напряжения третьей и пятой гармоник уменьшаются, а значения тока третьей и пятой гармоник незначительно, но увеличиваются, что негативно сказывается на качестве электроэнергии, особенно для протяженных осветительных сетей.
Литература
1. Радкевич, В. Н. Электрическое освещение : справочник / В. Н. Радкевич, В. Б. Козловская, В. Н. Сацукевич. - Минск : Техноперспектива, 2007. - 255 с.
2. Кравцов, А. В. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Показатели качества электроэнергии / А. В. Кравцов. - 2004. - Режим доступа: http://khomovelectro.ru/articles/filtry-garmonik.html. - Дата доступа: 20.11.2014.
3. Журавкин, А. Ш. Руководство по устройству электроустановок / А. Ш. Журавкин // Технические решения Schneider Electric. - 2013. - № 1. - С. 1-77.
4. Анушкин, С. В. Гармонические колебания в сети / С. В. Анушкин. - 2006. - Режим доступа: http://sfiz.ru/page.php?id=76. - Дата доступа: 20.10.2014.
Получено 29.07.2016 г.
