MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL'06
Wpływ sposobu zasilania nowoczesnych układów oświetleniowych
na jakość energii elektrycznej
Kazimierz Herlender, Edward Cadler
Gospodarka rynkowa wymusiła zmiany struktury Wyższe harmoniczne prądów i napięć
odbiorców energii elektrycznej. Zmiany te pojawiają się
Występowanie w obwodach elektrycznych wyższych harmonicz-
w sektorze przemysłowym, publicznym, a zwłaszcza
nych powoduje niepożądane skutki, do których zalicza się [3]:
w miejscach, gdzie w większym stopniu korzysta się
 rezonans sieciowy dla określonej harmonicznej, która przepięciem
z odbiorników nieliniowych i niespokojnych.
lub podwyższonym prądem może obciążać elementy sieciowe,
 przegrzewanie oraz przeciążanie elementów sieciowych (kable,
Zmiany struktury zużycia są spowodowane przede wszystkim transformatory),
ogromnym rozpowszechnieniem technologii informatycznych  błędna praca zabezpieczeń (tzn. różne zabezpieczenia transforma-
i energetycznie oszczędnych urządzeń odbiorczych. Jest oczywiste, tora, przeciwdziałające nagłym dużym obciążeniom),
że mają one wpływ na parametry jakości energii elektrycznej.  zakłócenie linii telekomunikacyjnych (z powodu indukowanego
Należy zdawać sobie sprawę, że nie ma jednego rozwiązania dla szumu, generowanego przez zerową składową harmoniczną prądu
problemów dotyczących jakości energii. Dla każdego rodzaju pro- przepływającego w przewodach),
blemu istnieją pewne metody postępowania, które mogą pomóc go  niesprawne działanie obwodów sterowniczych urządzeń sterowa-
rozwiązać. W konkretnych zastosowaniach jest prawdopodobne, że nych elektronicznie.
kilka problemów będzie występować jednocześnie i przyjęte roz-
TABELA I. Wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu
wiązania muszą być kompatybilne wzajemnie oraz kompatybilne
sieci elektroenergetycznej (odbiorcy) dla napięć do 1 kV i rzędów do 25,
z odbiornikami w instalacji.
wyrażone w procentach Uc (Un)
Coraz większa liczba eksploatowanych urządzeń zasilanych za
Harmoniczne nieparzyste
pośrednictwem układów przekształtnikowych (począwszy od stero- Harmoniczne parzyste
nie będące krotnością 3 będące krotnością 3
wanych urządzeń gospodarstwa domowego, poprzez komputery,
wartość wartość wartość
oprawy oświetleniowe z lampami wyładowczymi, a skończywszy
rząd względna rząd względna rząd względna
na przekształtnikowych układach napędowych dużej mocy i pie-
h napięcia h napięcia h napięcia
cach łukowych) powoduje odkształcenie napięcia zasilającego. [%] [%] [%]
Wówczas głównym problemem jest niesinusoidalny charakter prą- 5 6 5,0*) 2 2
7 5 3 1,5 4 1
du płynącego przez układy przekształtnikowe.
11 3,5 9 0,5 6 24 0,5
Różnice w cyklu pracy urządzeń elektrycznych i zmienność cha-
13 3 15 0,5
rakteru ich pracy mają swój udział w ciągle zmieniającym się obcią-
17 2 21
żeniu. W rezultacie problemy związane z jakością energii mają czę-
19 1,5
sto charakter statystyczny i wymagajÄ… starannego monitorowania, 23 1,5
25 1,5
aby można było je w pełni zdefiniować.
W dokumentach [1, 2] do najważniejszych parametrów energii *)W zależności od układu sieci, wartość trzeciej harmonicznej może być znacząco
mniejsza. Uwaga. Nie podano wartości harmonicznych o rzędach większych niż 25,
elektrycznej zaliczono:
ponieważ są one zwykle małe i w dużym stopniu niemożliwe do przewidzenia ze
 odchylenie częstotliwości napięcia zasilającego i jego wartości od
względu na efekty rezonansowe.
wartości znamionowych,
 asymetrie napięcia zasilającego i wskaz
niki długotrwałego migo-
TABELA II.
tania światła,
Dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu dla sprzętu klasy C
 zawartość harmonicznych w napięciu,
Maksymalny dopuszczalny
 przerwy w dostarczaniu energii elektrycznej.
Rząd harmonicznej prąd harmonicznej wyrażony
n w procentach składowej podstawowej
Ze względu na ograniczoną objętość artykułu i obszerną problema-
prądu wejściowego [%]
tykę dotyczącą jakości energii, w niniejszym opracowaniu zostanie
2 2
zaprezentowane zagadnienie wpływu sposobu zasilania wybranych
3 30 
odbiorników nieliniowych na zawartość wyższych harmonicznych.
5 10
7 7
9 5
11 d" n d" 39 3
Mgr inż. Kazimierz Herlender  Instytut Energoelektryki Politechniki
(tylko harmoniczne nieparzyste)
Wrocławskiej, mgr inż. Edward Cadler  ENEA SA, Oddział Dystrybucji
  współczynnik mocy obwodu
Gorzów Wlkp.
30 Rok LXXIV 2006 nr 3
MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL'06
Wyższe harmoniczne napięcia charakteryzuje współczynnik od-
kształcenia harmonicznych napięcia  THD , którego wartość dla
u
napięcia zasilającego zgodnie z normą PN-EN 50160: 2002 [2] po-
winna być mniejsza lub równa 8%. W normie [2] podano również
wartości poszczególnych harmonicznych napięcia w złączu sieci
elektroenergetycznej dla rzędów do 25, wyrażone w procentach
(tab. I).
Innym bardzo istotnym elementem jest emisja harmonicznych
prÄ…du w obwodach elektrycznych przez urzÄ…dzenia w nich zainsta-
lowane. W normie PN-EN 61000-3-2: 2004 [4] dokonano klasyfi-
kacji urządzeń na klasy: A, B, C i D. Dla każdej klasy podano tam
dopuszczalne poziomy prądów poszczególnych harmonicznych.
Opisywane w artykule lampy wyładowcze należą do klasy C, dla
której poziom dopuszczalnych prądów wyższych harmonicznych
podano w tabeli II.
Sposoby ograniczania skutków harmonicznych
Poprawę jakości energii elektrycznej ze strony odbiorców zasila-
nych z sieci niskiego napięcia można uzyskać przez:
 wzmocnienie i rekonstrukcję własnej sieci,
 filtracje składowej zerowej spowodowanej przez trzecią harmo-
nicznÄ…, przy zastosowaniu odpowiedniego transformatora zasila-
jÄ…cego,
 filtry pasywne,
 filtry aktywne.
Praktyczne aspekty poprawy parametrów jakości energii elek-
trycznej w obwodach oświetlenia zewnętrznego z wykorzystaniem
filtrów pasywnych i aktywnych opisano w pracy [5]. W niniejszym
artykule zaprezentowano możliwość poprawy parametrów jakości
energii elektrycznej związanej z występowaniem wyższych harmo-
nicznych, przez wykorzystanie innych sposobów zasilania odbior-
ników nieliniowych niż tylko ze wspólnej sieci rozdzielczej.
Okazuje się, że w wielu przypadkach odbiorniki, które są wraż-
liwe na obecność harmonicznych, zasila się już z wydzielonych
obwodów. Zaleca się również zasilanie odbiorów o dużych mo-
cach i znacznych prądach rozruchowych z własnych (osobnych)
obwodów, tak aby podczas rozruchu nie oddziaływały na inne od-
Przebiegi czasowe i widma amplitudowo-częstotliwościowe prądu oraz zmierzone
biorniki.
parametry obwodu dla oprawy OUS 400 z wysokoprężną lampą sodową WLS 400 W,
zasilanÄ… z: a) przetwornicy tyrystorowej, b) wydzielonego obwodu, c) publicznej sieci
Wyniki pomiarów harmonicznych
rozdzielczej
w nowoczesnych układach oświetleniowych
W niniejszym artykule przedstawiono wybrane wyniki pomiarów Na rysunku zamieszczono następujące współczynniki, które uzy-
współczynników charakteryzujących oddziaływanie wyższych har- skano w trakcie prowadzonych pomiarów:
monicznych przy zasilaniu nieliniowych odbiorników  nowocze- Współczynnik odkształcenia harmonicznych prądu THD (Total
i
snych układów oświetleniowych, przeprowadzone dla trzech róż- Harmonic Distortion), który oblicza się jako pierwiastek kwadra-
nych systemów zasilania: towy z sumy kwadratów pierwszych 31 harmonicznych, podzielony
 publicznej sieci niskiego napięcia, przez kwadrat podstawowej harmonicznej [7].
 wydzielonego w stacji transformatorowej 15/0,4 kV obwodu ni- Rzeczywisty współczynnik mocy TP (True Power Factor)
F
skiego napięcia,  zdefiniowany jako stosunek mocy czynnej do pozornej.
 przetwornicy tyrystorowej DC/AC firmy Bening [6]. Współczynnik szczytu prądu K (jest to iloraz wartości szczy-
S
Nowoczesne układy oświetleniowe z lampami wyładowczymi są towej i skutecznej).
powszechnie stosowane [5]. Na rysunku przedstawiono przebiegi Wpółczynnik oddziaływania odkształconego prądu na transfor-
czasowe i widma amplitudowo-częstotliwościowe prądu oraz zmie- mator K , uwzględniający wagowy udział harmonicznych, będący
F
rzone parametry obwodu dla przykładowej oprawy OUSd 400 syntetycznym wskaz
nikiem szkodliwego oddziaływania prądu od-
z wysokoprężnÄ… lampÄ… sodowÄ… WLS: P = 400 W, U = 220÷240 V, ksztaÅ‚conego na transformator. Wskazuje on, ile razy wzrosnÄ… stra-
n n
pracującej z układem stabilizacyjno-zapłonowym i zasilanej ty dodatkowe w transformatorze przy danym obciążeniu nielinio-
z trzech różnych układów zasilających. wym. W przypadku braku harmonicznych K =1.
F
Rok LXXIV 2006 nr 3 31
MATERIAA
Y KONFERENCYJNE MITEL'06
W celu wyeksponowania różnej wartości parametrów jakości Najczęstsze przekroczenie wartości dopuszczalnej prądu zaobser-
energii elektrycznej (przy różnych systemach zasilania), wykonano wowano dla 13. i 15. harmonicznej. W obwodach zasilających: wy-
pomiary na siedmiu lampach sodowych różnej mocy, wyproduko- dzielonego i z publicznej sieci rozdzielczej nie wykonano analizy,
wanych przez dwóch producentów, które pracowały w oprawach ponieważ zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym prze-
trzech firm. Wyniki pomiarów przedstawiono jako średnie wartości kroczyła wartości dopuszczalne.
z kilkunastu pomiarów wykonanych w różnym czasie, przy różnych
Podsumowanie
współczynnikach odkształcenia napięcia zasilającego THD . Po-
u
miary i ich rejestrację wykonano przenośnym analizatorem harmo- Jakość energii elektrycznej jest złożoną dziedziną, obejmującą
nicznych i mocy typu HARMONALYZER HA 2000 [7]. kilkanaście obszarów problemowych, dla których istnieje jeszcze
Wartości współczynników odkształcenia prądu THD wysoko- większa liczba rozwiązań. Jednym z mało rozpowszechnionych me-
i
prężnych lamp sodowych o dużej intensywności promieniowania tod poprawy jakości energii elektrycznej w sieciach rozdzielczych
HID (High Intensity Discharge), pracujących w oprawach o mocy: jest instalowanie w jej węzłach bateryjnych zasobników energii ty-
50, 70, 100, 150, 250 i 400 W, zasilanych z przetwornicy tyrystoro- pu BES (Bartery Energy Storage) [9].
wej, zawieraÅ‚y siÄ™ w przedziale 17,3÷25,3. Współczynnik ten dla W artykule przedstawiono możliwość redukcji wystÄ™powania
wydzielonego obwodu zasilającego oprawy wzrósł o ok. 50%, wyższych harmonicznych w obwodach zasilających odbiorniki nie-
z wyjątkiem lampy 100 W (inny producent)  wzrost o 97% liniowe, przez zastosowanie wydzielonych obwodów zasilających
i 400 W (wzrost o 21%). Dalszy wzrost nastąpił w obwodzie zasila- te odbiorniki.
nym z publicznej sieci rozdzielczej (od 2 do 3 razy). Jest mało prawdopodobne, że pojedyncze rozwiązanie będzie sku-
Współczynnik mocy opraw TP najkorzystniejszy był w obwo- teczne. Przeważnie potrzebne jest staranne projektowanie rozwią-
F
dach zasilanych z przetwornicy tyrystorowej, a najmniej korzystny zań łącznych, indywidualnie dopasowanych do istniejących proble-
w obwodach zasilanych z publicznej sieci rozdzielczej. Jeszcze mów związanych z jakością energii elektrycznej, oparte na dokład-
większe dysproporcje zaobserwowano dla współczynników oddzia- nym zrozumieniu przyczyn problemów związanych z jakością ener-
ływania odkształconego prądu na transformator K . W obwodzie za- gii. Może to być m.in.: określenie przez producentów odbiorników
F
silanym z publicznej sieci rozdzielczej byÅ‚ on 6÷9-krotnie wiÄ™kszy (urzÄ…dzeÅ„) nieliniowych (np. energooszczÄ™dnych ukÅ‚adów oÅ›wietle-
niż w obwodzie zasilanym z przetwornicy tyrystorowej. niowych) widm prądowych generowanych przez te odbiorniki oraz
Współczynnik szczytu prądu K oprawy 150 W był najbardziej ich zmianę w czasie (przy określonym poziomie współczynnika od-
S
zbliżony do optymalnego i wynosił 1,40 w obwodzie zasilanym kształcenia napięcia THD ).
u
z przetwornicy tyrystorowej i nie przekraczał dopuszczalnej warto-
ści 1,8, podanej w normie PN-EN 60662:2002 [8]. LITERATURA
Trzecia harmoniczna prądu (małej wartości) wyraz
nie dominuje
[1] RozporzÄ…dzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 r. w sprawie
w obwodach zasilanych z przetwornicy tyrystorowej. W wydzielo- szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych,
ruchu i eksploatacji tych sieci. Dz.U. 2005 nr 2 poz. 6
nych obwodach istotne znaczenie majÄ… 3. i 5. harmoniczna. Nato-
[2] Norma PN-EN 50160: 2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach
miast w obwodach zasilanych z publicznej sieci rozdzielczej najbar-
rozdzielczych
dziej znaczącą rolę spełniają 5. harmoniczne. Współczynnik od-
[3] Dan A. i in.: Jakość energii elektrycznej w sieciach niskiego napięcia. Polskie Cen-
kształcenia napięcia THD o większej wartości powoduje pogorsze-
u trum Promocji Miedzi, Wrocław 2002
nie współczynników: odkształcenia prądu THD , oddziaływania od- [4] Norma PN-EN 61000-3-2: 2004 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część
i
3 2: Dopuszczalne poziomy. Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prÄ…du
kształconego prądu na transformator K i kształtu K oraz mocy TP .
F S F
(fazowy prÄ…d zasilajÄ…cy odbiornika d" 16 A)
Norma [4] określa dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu
[5] Cadler E.: Praktyczne aspekty poprawy parametrów jakości energii elektrycznej
dla sprzętu oświetleniowego klasy C o wejściowej mocy czynnej
w obwodach oświetlenia zewnętrznego. III Lubuska Konferencja Naukowo-Tech-
większej od 25 W, które nie powinny przekraczać dopuszczalnych
niczna MITEL-2004, Gorzów Wlkp. 2004
wartości względnych podanych w tabeli II. W czasie wykonywania [6] Instrukcja fabryczna producenta. Przetwornica DC/AC FBE 220/230/2,5 EUE firmy
BENNING Power Electronics
pomiarów w obwodzie elektrycznym zasilanym z przetwornicy ty-
[7] Instrukcja obsługi analizatora harmonicznych i mocy. Harmonalyzer HA 2000 firmy
rystorowej, zawartość harmonicznych w napięciu zasilającym opra-
Amprobe Instrument, 1997
wy nie przekroczyła wartości określonych w ww. normie.
[8] Norma PN-EN 60662: 2002 Lampy sodowe wysokoprężne
We wszystkich typach opraw sodowych zmierzona wartość prądu
[9] Herlender K., Stawski P., Harasimowicz L.: Współpraca bateryjnych zasobników
7. harmonicznej przekroczyła wartość dopuszczalną (od 4 do 62%). energii z siecią elektroenergetyczną Elektro-Info 2003 nr 7
Szanowni Państwo!
W trosce o Naszych Czytelników i Współpracowników, chcielibyśmy prosić o zwrócenie szczególnej uwagi
na pisma i formularze przesyłane przez firmę CONSTRUCT DATA VERLAG AG, dotyczące usługi FAIRGUIDE.
Anglojęzyczny formularz, wyglądający na prośbę o potwierdzenie danych,
w rzeczywistości okazuje się być zamówieniem reklamy, wiążącym zamawiającego
z firmÄ… VERLAG na trzy lata.
32 Rok LXXIV 2006 nr 3


Wyszukiwarka