Obecność różnego typu złożonych urządzeń w sieci elektrycznej generuje coraz wyższy poziom zakłóceń, w tym wyższych harmonicznych. Do ich powstawania przyczyniają się także elementy obwodów oświetleniowych. Ponieważ wyższe harmoniczne mogą niekorzystnie wpływać na działanie urządzeń, czynnik ten należy również uwzględnić przy projektowaniu oświetlenia.

Duża zawartość harmonicznych prądu w sieci może być przyczyną zakłóceń a nawet uszkodzeń urządzeń pracujących w danej instalacji. W artykule przedstawiono typowe rozwiązania stosowane w oświetleniu oraz ich oddziaływanie na sieć zasilającą. Do pomiarów wykorzystano zasilacz dużej mocy, generujący „czyste”, sinusoidalne napięcie 230 V / 50 Hz oraz typowe urządzenia będące przedstawicielami danej kategorii sprzętu oświetleniowego. Na wykresach (rys. 1) przedstawione są przebiegi napięcia (kolor zielony) oraz natężenia prądu (kolor fioletowy) pobieranego przez urządzenie. W tabeli 1 zamieszczono podstawowe wyniki pomiarów procentowych zawartości harmonicznych w przebiegu prądu, wskaźnik THD oraz cos j dla danego urządzenia. Norma PN-EN 61000-3-2 dla sprzętu oświetleniowego określa dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu w dwóch kryteriach – dla urządzeń o mocy wejściowej mniejszej lub równej 25 W oraz powyżej 25 W. Dla sprzętu oświetleniowego o mocy wejściowej Ł 25 W, dopuszczalne poziomy harmonicznych prądu są bardzo wysokie, dlatego proste, tanie konstrukcje stateczników elektronicznych są w stanie je spełnić.

Rys. 1. Wykresy prądu i napięcia w funkcji czasu

Żarowe źródła światła

Żarowe źródła światła, w tym popularne żarówki, jeśli są zasilane bezpośrednio z sieci zasilającej, nie odkształcają prądu. Są to jedyne źródła światła o charakterze czysto rezystancyjnym, a więc również z cos φ = 1. Dla instalacji elektroenergetycznej żarówki są więc idealnym odbiornikiem. Źródła te są jednak również najmniej efektywne, dlatego obecnie już coraz rzadziej stosowane. Bardzo popularne halogenowe żarówki zasilane napięciem 12 V przy zasilaniu z sieci muszą korzystać z urządzenia obniżającego napięcie. Dobrej jakości transformatory indukcyjne obciążone rezystancją (żarówkami) mają również wysoki cos j (bliski wartości 1) oraz nie wprowadzają znacząco harmonicznych prądu. Przykładowy transformator toroidalny 150 VA (średniej mocy) obciążony żarówkami o mocy znamionowej jest praktycznie idealnym przetwornikiem energii. Transformatory o małej mocy oraz niedociążone wprowadzają niewielką zawartość harmonicznych rzędu III przy cos j < 1 o charakterze indukcyjnym. Popularny zasilacz elektroniczny do żarówek halogenowych 12 V również ma wysoki cos j (praktycznie równy 1) przy niewielkiej zawartości harmonicznych. Kształt prądu jest już jednak wyraźnie zmieniony przez układ startujący przetwornicy (wyraźne opóźnienie po przejściu napięcia sieci przez zero).

Stateczniki indukcyjne

Stateczniki indukcyjne małej mocy mają znacznie odkształcony prąd, głównie przez III harmoniczną. Przykładem jest statecznik zasilający szeregowe połączenie świetlówek T1U G23 2 x 9 W. Dopiero w statecznikach o większej mocy (>25 W) obwód magnetyczny jest zaprojektowany wyraźnie staranniej. Klasyczny układ zapłonowy w oprawie T8 36 W pobiera prąd zbliżony do sinusoidy, z niewielką zawartością harmonicznych, praktycznie do IX-rzędu. Jednak im większa moc, tym większym problemem jest bardzo niska wartość współczynnika cos j klasycznych układów zapłonowych. Dla tego samego układu w oprawie T8 36 W włączenie kondensatora do równoległej kompensacji mocy biernej powoduje wzrost wartości harmonicznych prądu, a także wygenerowanie kolejnych harmonicznych, nawet do 39 rzędu. Skutkiem tego jest bardzo duże odkształcenie prądu pobieranego przez oprawę. Im wartość cos j jest bardziej zbliżona do 1, tym większa jest zawartość harmonicznych. Producenci w większości kompensują swoje oprawy do wartości cos φ > 0,95, choć z wielu względów lepiej nie przekraczać wartości 0,9. Klasyczne układy zapłonowe do lamp wysokoprężnych mają znacznie mniej odkształcony prąd pobierany z sieci, nawet przy kompensacji mocy biernej. Jednak i w tej sytuacji, kształt prądu różny jest od sinusoidy.

Rys. 2. Oprawy typu downlight wykorzystujące różne źródła światła i układy zapłonowe

Rys. 3. Oprawa MAH-1236 ze statecznikiem indukcyjnym lub elektronicznym

Rys. 4. Oprawa rastrowa Graf T5 4 x 14 W ze statecznikiem elektronicznym

Stateczniki elektroniczne

Stateczniki elektroniczne o mocy > 25 W, jeśli mają spełnić wymagania norm EMC, muszą posiadać układ korygujący kształt prądu. Układ ten również zwiększa wartość cos j do jedności. Dlatego ta sama oprawa ze świetlówką T8 36 W wyposażona w statecznik elektroniczny ma prąd pobierany z sieci kształtem zbliżony do sinusoidy. Zależnie od konstrukcji statecznika, kształt prądu może być pewnego rodzaju aproksymacją sinusoidy. Jednak większość konstruktorów dąży do uzyskania kształtu „czystej” sinusoidy, który gwarantuje najmniejszą ilość wyższych harmonicznych. Stateczniki elektroniczne małej mocy (do 25 W) mają zwykle prostszą konstrukcję, bez układu PFC. Prąd pobierany z sieci ma charakter wąskich impulsów, które są efektem pracy kondensatora w układzie prostowniczym. Układy te zdecydowanie najbardziej oddziałują na sieć zasilającą, mimo że są to urządzenia małej mocy. Świadczy o tym również poziom harmonicznych, szczególnie III i V rzędu oraz wskaźnik THD.
Stateczniki te są powszechnie wykorzystywane w świetlówkach kompaktowych, będących zamiennikami żarówek na trzonkach E14 i E27.

Rys. 5. Świetlówka kompaktowa serii BH supershape

Podsumowanie

W większości obiektów oświetlenie ma niewielki udział w bilansie mocy. Jednak należy pamiętać o obecności harmonicznych również w instalacjach oświetleniowych. Dobierając staranniej oprawy można w naturalny sposób zmniejszyć ich poziom.

mgr inż. Paweł Sadowski
Autor jest pracownikiem
firmy Kanlux