WPŁYW KSZTAŁTU NAPIĘCIA ZASILANIA NA PARAMETRY ŚWIETLNE I ELEKTRYCZNE NISKOCIŚNIENIOWYCH RTĘCIOWYCH LAMP WYŁADOWCZYCH

Transkrypt

1 Antoni RÓŻOWICZ Marcin LEŚKO WPŁYW KSZTAŁTU NAPIĘCIA ZASILANIA NA PARAMETRY ŚWIETLNE I ELEKTRYCZNE NISKOCIŚNIENIOWYCH RTĘCIOWYCH LAMP WYŁADOWCZYCH STRESZCZENIE Niskociśnieniowe rtęciowe lampy wyładowcze są podstawowym źródłem światła w oświetleniu przemysłowym. W ostatnich latach coraz powszechniejsze staje się stosowanie elektronicznych układów stabilizacyjno-zapłonowych zamiast stateczników elektromagnetycznych. W znacznym stopniu rośnie także liczba odbiorników nieliniowych pracujących w sieci zasilającej. Nagromadzenie dużej liczby odbiorników nieliniowych może prowadzić do odkształcenia napięcia w sieci. Odkształcenia generowane przez odbiorniki nieliniowe mogą powodować zakłócenia w pracy innych urządzeń, m.in. aparatury zabezpieczeniowej, czy innych odbiorników, np. lamp fluorescencyjnych zasilanych przez stateczniki elektroniczne. W artykule omówiono wpływ kształtu napięcia sieci zasilającej na parametry świetlne i elektryczne niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych zasilanych przez elektroniczne układy stabilizacyjno-zapłonowe. Słowa kluczowe: niskociśnieniowa rtęciowa lampa wyładowcza, elektroniczny układ zapłonowy, kształt napięcia, strumień świetlny dr hab. inż. Antoni RÓŻOWICZ, prof. PŚk rozowicz@tu.kielce.pl Politechnika Świętokrzyska Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce mgr inż. Marcin LEŚKO mlesko@prz.edu.pl Politechnika Rzeszowska Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki al. Powstańców Warszawy 12, Rzeszów PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 267, 2014

2 146 A. Różowicz, M. Leśko 1. WSTĘP Dynamiczny rozwój elektronicznych układów stabilizacyjno-zapłonowych dla niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych oraz coraz bardziej przystępne ceny tych układów spowodowały wzrost popularności tego rozwiązania i wypieranie tradycyjnych układów elektromagnetycznych z rynku. Stateczniki elektroniczne w porównaniu z układami elektromagnetycznymi posiadają wiele zalet, między innymi zwiększają skuteczność świetlną, zwiększają żywotność lampy, minimalizują tętnienie oraz inne, w efekcie są coraz powszechniej stosowane. Dynamiczny rozwój elektroniki i jej aplikacji w układach urządzeń odbiorczych skutkuje wzrostem liczby odbiorników nieliniowych. Szerokie spektrum urządzeń, jak np. układy napędowe, sprzęt elektroniczny, komputery czy energooszczędne układy oświetleniowe powodują odkształcenie prądu zasilającego. Nagromadzenie dużej liczby odbiorników nieliniowych może prowadzić do odkształcenia napięcia w sieci, które z kolei może powodować zakłócenia pracy innych urządzeń, np. aparatury zabezpieczeniowej, odbiorników elektronicznych, lamp wyładowczych zasilanych przez stateczniki elektroniczne itd. W artykule, na podstawie przeprowadzonych badań, przeanalizowano wpływ kształtu napięcia sieci zasilającej na parametry optyczne i elektryczne niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych zasilanych przez elektroniczne układy stabilizacyjno-zapłonowe. Badaniami objęto wiele typów układów stabilizacyjno-zapłonowych współpracujących z lampami typu TL8. 2. WARUNKI ZASILANIA NISKOCIŚNIENIOWYCH LAMP WYŁADOWCZYCH Niskociśnieniowe rtęciowe lampy wyładowcze charakteryzują się nieliniową, ujemną zależnością prądu od napięcia zasilającego lampę [1, 2, 3], wobec tego nie jest możliwe zasilanie lampy bezpośrednio z sieci, ze względu na konieczność ograniczenia prądu zasilającego lampę. W efekcie do prawidłowej pracy lampy wymagane jest zastosowanie układu stabilizacyjno-zapłonowego. Istotnym parametrem zasilania, mającym wpływ na pracę lampy fluorescencyjnej, jest częstotliwość prądu zasilania [2, 4]. Przy niskiej częstotliwości w napięciu zasilania lampy występują piki, wynikające z ponownego zapalania lampy co pół okresu fali napięcia. Zjawisko to nie występuje przy zwiększonej częstotliwości prądu zasilania lampy, skutkiem czego jest większa sprawność lampy, większa skuteczność świetlna układu; znika efekt tętnienia światła. Zasilanie wyższą częstotliwością powoduje także zmniejszenie wymiarów i masy elementów statecznika. Przyjmuje się, że częstotliwość zasilania lampy powinna być wyższa od 20 khz, aby wyeliminować częstotliwości akustyczne oraz nie przekraczać 50 khz ze względu na kompatybilność elektromagnetyczną (trzecia harmoniczna prądu). Zwiększenie żywotności lamp i układu stabilizacyjno-zapłonowego można uzyskać, stosując zasilanie lampy prądem o wyższej częstotliwości, a więc prądem czysto sinusoidalnym [4, 5].

3 Wpływ kształtu napięcia zasilania na parametry świetlne i elektryczne Elektroniczne układy stabilizacyjno-zapłonowe Schemat typowego układu statecznika elektronicznego przedstawia rysunek 1. Głównymi elementami są: przekształtnik, układ filtracji harmonicznych prądu sieci zasilającej i poprawy współczynnika mocy, falownik, obwód sterujący (w zaawansowanych układach wykorzystuje się sterowanie mikroprocesorowe) oraz obwód rezonansowy. Do najczęściej stosowanych układów falowników należą układy półmostkowe, mostkowe oraz typu flyback [4, 6]. Filtr harmonicznych Prostownik Falownik wysokiej częstotliwości Obwód rezonansowy Lampa Rys. 1. Układ zasilania lampy fluorescencyjnej ze statecznikiem elektronicznym Obwód sterujący Układ zasilania niskociśnieniowej rtęciowej lampy wyładowczej, przedstawiony na rysunku 1, zasadniczo różni się od układu pracy lampy z układem elektromagnetycznym sprzężeniem lampy z zasilaniem oraz częstotliwością prądu w obwodzie lampy. Konfiguracja tych układów w sposób istotny wpływa zarówno na parametry świetlne, jak i poziom oraz rodzaj generowanych zakłóceń do sieci [7]. 3. ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA SIECI I ICH WPŁYW NA PRACĘ ODBIORNIKÓW Dopuszczalny poziom odkształcenia napięcia w sieci zasilającej określają odpowiednie akty prawne. Za główną miarę odkształceń napięcia przyjmuje się współczynnik zniekształceń nieliniowych, określony równaniem: gdzie: n U n 2 THDU 100% (1) U 1 2 h U 1 wartość skuteczna podstawowej harmonicznej napięcia, U h wartość skuteczna harmonicznej rzędu n. Według [8] wartość współczynnika THD U, liczona dla wyższych harmonicznych do rzędu 40, nie powinna przekraczać w sieciach niskiego napięcia 8%. Niestety, w pewnych okolicznościach może dochodzić do przekroczenia dopuszczalnych wartości

4 148 A. Różowicz, M. Leśko THD U, szczególnie w obiektach przemysłowych lub biurowych, gdzie występuje duży udział odbiorników generujących wyższe harmoniczne prądu, takich jak sprzęt komputerowy, układy napędowe, oświetlenie. Duże odkształcenia prądu nie pozostają bez wpływu na krzywą napięcia sieci [7, 9]. Z kolei odkształcenie napięcia może powodować nieprawidłową pracę wielu urządzeń, m.in. aparatury zabezpieczeniowej albo elektronicznych układów stabilizacyjno-zapłonowych lamp fluorescencyjnych, zakłócając np. pracę falownika, ponieważ nie występuje w układzie pracy lampy separacja galwaniczna od sieci. W efekcie możliwe jest pogorszenie warunków pracy lampy [10], objawiające się zmianami strumienia świetlnego, barwy, pogorszeniem współczynnika mocy układu, zwiększonym poborem mocy biernej. 4. BADANIA EKSPERYMENTALNE Do badania wpływu kształtu napięcia zasilającego na parametry świetlne i elektryczne niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych wybrano stateczniki elektroniczne dla lamp TL8, których dane przedstawiono w tabeli 1. TABELA 1 Dane badanych stateczników Producent Model Moc lampy producent 1 A1 2*18 W producent 2 A2 2*18 W producent 3 A3 2*18 W producent 4 A4 1*18 W producent 5 A5 1*18 W Wymienione układy stabilizacyjno-zapłonowe zostały wykorzystane do zasilania świetlówek liniowych o mocy 18 W i temperaturze barwowej 6500 K. Do zasilania badanych układów zastosowano programowalne źródło napięcia przemiennego Chroma 61501, dzięki któremu możliwe było wygenerowanie napięcia o żądanym kształcie przebiegu (sinus, prostokąt, trójkąt, trapez) oraz generowanie przebiegów o zmiennej zawartości wyższych harmonicznych (zmiany THD U ). Przy zadanych warunkach zasilania (napięcie 230 V, częstotliwość 50 Hz) i zmiennym kształcie przebiegów oraz zawartości wyższych harmonicznych, dokonano pomiaru parametrów świetlnych lamp fluorescencyjnych: strumienia świetlnego i temperatury barwowej oraz parametrów elektrycznych układu pracy lampy: mocy czynnej i biernej, współczynnika mocy. Wyniki badań wielkości energetyczno-świetlnych przedstawiono na rysunkach Uzyskane wyniki (rys. 2) wskazują, że ta sama lampa zasilana z różnych stateczników generuje różne wartości strumienia świetlnego. Przy zmianie kształtu przebiegu napięcia zasilającego stateczniki 2, 3, 4 zachowują praktycznie stały strumień, natomiast stateczniki 1 i 5 wykazują zwiększony strumień przy zasilaniu napięciem o kształcie trójkątnym. Z kolei temperatura barwowa (rys. 3) różni się w zależności od statecznika i kształtu napięcia zasilającego.

5 Wpływ kształtu napięcia zasilania na parametry świetlne i elektryczne 149 Rys. 2. Wielkość strumienia świetlnego lampy pracującej z różnymi układami stabilizacyjno-zapłonowymi zasilanymi napięciem o różnym kształcie Rys. 3. Wielkość temperatury barwowej lampy pracującej z różnymi układami stabilizacyjno-zapłonowymi zasilanymi napięciem o różnym kształcie Moc czynna pobierana przez układy zmienia się w minimalnym stopniu w zależności od kształtu napięcia (rys. 4), natomiast widoczne na rysunku 5 zmiany mocy biernej są znaczne; dość nietypowo pracuje statecznik 1, który pobiera największą moc bierną przy napięciu sinusoidalnym, a najmniejszą przy trapezowym kształcie napięcia.

6 150 A. Różowicz, M. Leśko Rys. 4. Wielkość mocy czynnej układów zasilanych napięciem o różnym kształcie Rys. 5. Wielkość mocy biernej układów zasilanych napięciem o różnym kształcie Otrzymane wyniki zmian wartości współczynnika mocy układu przy zmianie kształtu napięcia przedstawiono na rysunku 6. Układy pracy lampy ze statecznikiem nr 2-5 wykazują wysoki współczynnik mocy, niezależnie od kształtu napięcia zasilającego. Układ ze statecznikiem nr 1 charakteryzuje się niskim współczynnikiem mocy przy napięciu sinusoidalnym, wartość jego wzrasta przy pozostałych kształtach napięcia, osiągając maksimum dla napięcia o kształcie trapezowym.

7 Wpływ kształtu napięcia zasilania na parametry świetlne i elektryczne 151 Rys. 6. Wielkość współczynnika mocy układów zasilanych napięciem o różnym kształcie Na rysunkach 7-11 przedstawiono wyniki badań parametrów świetlnych układu w funkcji zawartości wyższych harmonicznych w napięciu sieci, charakteryzowanych przez współczynnik THD U. Rys. 7. Wielkość strumienia świetlnego lampy pracującej z różnymi układami stabilizacyjno-zapłonowymi zasilanymi napięciem o różnym współczynniku THD U Otrzymane wyniki (rys. 7) wskazują, że zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym lampy nie ma istotnego wpływu na wartość strumienia świetlnego lamp, podobnie jak na moc czynną układu (rys. 9). Natomiast temperatura barwowa zmienia się w nieznacznym stopniu, co pokazują wyniki (rys. 8).

8 152 A. Różowicz, M. Leśko Rys. 8. Wielkość temperatury barwowej lampy pracującej z różnymi układami stabilizacyjno-zapłonowymi zasilanymi napięciem o różnym współczynniku THD U Rys. 9. Wielkość mocy czynnej układów zasilanych napięciem o różnym współczynniku THD U Moc bierna pobierana przez układ pracy lampy nieznacznie wzrasta przy zwiększaniu zawartości wyższych harmonicznych napięcia (rys. 10). Jedynie dla układu pracującego ze statecznikiem 1 moc bierna przy napięciu odkształconym jest wyraźnie mniejsza, niż przy przebiegu sinusoidalnym. Na rysunku 11 przedstawiono wyniki badań współczynnika mocy układu przy różnej zawartości THD U. Wyniki wskazują, że zawartość wyższych harmonicznych praktycznie nie wpływa na zmiany wartości współczynnika mocy, za wyjątkiem układu ze statecznikiem 1, którego współczynnik mocy znacznie rośnie przy zwiększeniu poziomu odkształceń napięcia sieci zasilającej.

9 Wpływ kształtu napięcia zasilania na parametry świetlne i elektryczne 153 Rys. 10. Wielkość mocy biernej układów zasilanych napięciem o różnym współczynniku THD U Rys. 11. Wielkość współczynnika mocy układów zasilanych napięciem o różnym współczynniku THD U 5. WNIOSKI Zaprezentowane wyniki badań pokazują, że kształt krzywej napięcia zasilającego oraz poziom zawartości wyższych harmonicznych w tym napięciu mają wpływ na pracę niskociśnieniowej rtęciowej lampy wyładowczej w układzie ze statecznikiem elektronicznym. Poziom oddziaływania jest zróżnicowany w zależności od zastosowanego układu stabilizacyjno-zapłonowego, podobnie jak efektywność pracy lampy. Należy przy tym zaznaczyć, że badane układy stabilizacyjno-zapłonowe wykazują

10 154 A. Różowicz, M. Leśko mniejszą zmienność w zakresie parametrów świetlnych lampy, niż w zakresie parametrów elektrycznych układu pracy lampy w zależności od stopnia odkształcenia napięcia sieci. Najwyższą stabilnością strumienia świetlnego przy zmianach warunków zasilania charakteryzują się układy 2, 3 i 4, co ma swoje uzasadnienie w fakcie, że wymienione stateczniki wykorzystują układy mikroprocesorowe do sterowania pracą falownika wysokiej częstotliwości. Podziękowania Praca powstała z wykorzystaniem aparatury zakupionej w wyniku realizacji Programu Regionalnego Narodowa Strategia Spójności, współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego na lata LITERATURA 1. Mader U., Horn P.: A Dynamic Model for the Electrical Characteristics of Fluorescent Lamps. IEEE Industry Applications Society Meeting, Conf. Records, pp , Różowicz A.: Wpływ częstotliwości prądu zasilającego lampy fluorescencyjne na ich wybrane parametry eksploatacyjne. WPŚ, Kielce Różowicz A., Deląg M., Różowicz S.: Model matematyczny niskociśnieniowej rtęciowej lampy wyładowczej zasilanej różną częstotliwością. Prace Instytutu Elektrotechniki, z. 245, str , Alonso J.M.: Electronic Ballasts, Power Electronics Handbook. AP, Rea M.S.: The IESNA Lighting Handbook. Reference & Application. IESNA, New York Citko T., Tunia H., Winiarski B.: Układy rezonansowe w energoelektronice. WPB, Białystok Różowicz A., Różowicz S.: Układy pracy niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych jako źródła i odbiorniki zakłóceń. Przegląd Elektrotechniczny, nr 8/2008, str , PN-EN Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. 9. Różowicz A.: Zawartość harmonicznych i współczynnik mocy jako wielkości określające jakość energii w instalacjach zasilających niskociśnieniowe rtęciowe lampy wyładowcze. Technika Transportu szynowego, nr 10/2013, str , Leśko M.: Analiza wpływu warunków zasilania na parametry świetlne niskoprężnych rtęciowych lamp wyładowczych. Technika Transportu szynowego, nr 10/2013, str , Rękopis dostarczono dnia r.

11 Wpływ kształtu napięcia zasilania na parametry świetlne i elektryczne 155 THE IMPACT OF GRID VOLTAGE WAVEFORM ON LUMINOUS AND ELECTRICAL PARAMETERS OF FLUORESCENT LAMPS Antoni RÓŻOWICZ, Marcin LEŚKO ABSTRACT Low-pressure mercury-vapor discharge lamps are fundamental light sources in industry lighting. Last years the usage of electronic ballasts instead of electromagnetic ballasts becomes more common. The number of non-linear loads in grid is significantly increasing. Accumulation of a large number of non-linear loads can lead to distortion of the mains voltage. Deformation generated by non-linear loads may cause disruption of other devices in mains, e.g. fluorescent lamps driven by electronic ballasts. This paper discusses the impact of the mains voltage waveform for luminous and electrical parameters of electronic ballasted low-pressure mercury-vapor discharge lamps. Keywords: low-pressure mercury-vapor discharge lamp, electronic ballast, voltage waveform, luminous flux Dr hab. inż. Antoni RÓŻOWICZ, prof. PŚk pracuje w Katedrze Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach. Studia wyższe ukończył na Wydziale Elektrycznym Politechniki Częstochowskiej w Częstochowie. Doktoryzował się w 1987 r. na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej. Jest autorem wielu publikacji i opracowań naukowo-badawczych z zakresu elektroenergetyki i oświetlenia elektrycznego. Mgr inż. Marcin LEŚKO pracuje na stanowisku asystenta w Katedrze Energoelektroniki i Elektroenergetyki Politechniki Rzeszowskiej. Studia wyższe ukończył w 2011 r. na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Rzeszowskiej, gdzie następnie rozpoczął studia doktoranckie. Obecnie przygotowuje rozprawę doktorską z zakresu techniki świetlnej.

12 156 A. Różowicz, M. Leśko