Vliv používání moderních světelných zdrojů na síť

-- Ing. František Žák --

Klasická žárovka jako světelný zdroj, který patentoval Thomas Alva Edison roku 1879, je dnes nahrazována výkonnějšími světelnými zdroji. V současné době si lze dopřát halogenové žárovky, různé typy nízkotlakých nebo vysokotlakých výbojek a rovněž LED světelné zdroje. Na štítku si zákazník může přečíst údaje o dlouhé životnosti, nízké spotřebě a o ekvivalentním výkonu odpovídajícím klasické žárovce.

Avšak s využíváním LED svítidel a úsporných výbojek, které co do složitosti zapojení nelze s prostými žárovkami srovnávat, je třeba se připravit i na problémy. Tyto světelné zdroje nemají jen klady. Připojení většího množství úsporných světelných zdrojů může v elektrické síti vyvolat problémy. Mohou se stát zdrojem rušení pro ostatní spotřebiče. Aby bylo možné posoudit, jak se tento jev ve skutečnosti projevuje, je vhodné se blíže seznámit s charakterem odebíraného proudu. K tomuto tématu autor v úvodu pouze upozorňuje, že srovnávací měření na světelných zdrojích uvedená v dalším textu byla pouze orientační, provedená za účelem porovnání. Proto zde nejsou uvedeni výrobci ani označení výrobků. Výsledky není možné zobecňovat, neboť jednotlivé typy svítidel se mohou svými vlastnostmi výrazně lišit, a to i když jsou vyrobeny stejným výrobcem.

Výpočet proudového zatížení žárovky je jednoduchý. Žárovka má pouze činný charakter příkonu a jako odporový spotřebič není zdrojem harmonických proudů. Na štítku nynějších úsporných světelných zdrojů je uveden pouze činný příkon, stejně jako je tomu u žárovky. Jde však o neúplný údaj (s výjimkou halogenových žárovek). Tento údaj je však pro výpočet zátěžového proudu nevyhovující. Moderní světelné zdroje totiž vedle činného výkonu odebírají i jalovou energii. Je tedy nutné uvést ještě i jalový příkon nebo nejlépe zdánlivý příkon. U moderních „úsporných žárovek“ a LED svítidel má jalový příkon kapacitní charakter. Navíc velikost jalového odběru těchto úsporných zdrojů a svítidel většinou převyšuje hodnotu činného příkonu. Doplněním údaje o zdánlivém příkonu by bylo možné určit nejen odebíranou hodnotu efektivního proudu, ale i hodnotu požadovaného dekompenzačního, popř. kompenzačního jalového výkonu. Samostatnou kapitolou pak ale i nadále zůstává eliminace vyšších harmonických v proudu. Zde je nutné provést alespoň základní analýzu odebíraného proudu a pak je možné navrhnout optimální způsob eliminace zpětných vlivů.

Obr. 1. Zastoupení lichých harmonických proudu pro LED zdroj 8 W (červené sloupce) a limitní hodnoty povolené normou (modré sloupce)

Obr. 2. Zastoupení lichých harmonických proudu pro LED zdroj 6 W (červené sloupce) a limitní hodnoty povolené normou (modré sloupce)

Obr. 3. Kompaktní zářivka 20 W s paticí E27 a naměřeným celkovým THDi 120 % číslo harmonické

Moderní úsporné světelné zdroje odebírají jalový výkon kapacitního charakteru. Pro dekompenzaci jalového výkonu kapacitního charakteru je nutné využívat tlumivky. Tlumivka má ale také činné ztráty, které jsou ve srovnání s kondenzátory výrazně vyšší. Tyto činné ztráty jsou závislé na konstrukci tlumivky a bývají v rozmezí 1 až 5 % z jejího indukčního výkonu. Tlumivka je nelineární prvek a je zdrojem harmonických proudů. Jde zejména o 3., 5. a 7. harmonickou v proudu.

LED světelné zdroje patří mezi módní zdroje. Těžko lze srovnávat světelný tok dnešních diod LED s hodnotami, kterých bylo dosahováno před dvaceti, či i pouhými deseti lety. Problémem je, že pro použití těchto světelných diod je nutné upravit nevyhovující síťové napětí 230 V AC. K tomuto účelu jsou určeny elektronické obvody, které jsou u některých typů LED svítidel zároveň významným zdrojem tepla a ztrát. Při podrobnějším pohledu na příkon takovýchto svítidel je zřejmé, že se jejich vlastnosti výrazně mění podle použitého elektronického předřadného obvodu. V tab. 1 jsou uvedeny naměřené hodnoty náhodně vybraných tří typů LED zdrojů od jednoho českého výrobce. První typ s uvedeným příkonem 8 W má starší typ elektronického obvodu a další dva typy (12 W, 6 W) mají modernější elektronický obvod.

Tab. 1. Naměřené hodnoty odběrů LED svítidel (proud I, činný příkon P, jalový příkon Q a zdánlivý
příkon S)

Porovnají-li se hodnoty v tab. 1, objeví se výrazný rozdíl v celkovém harmonickém zkreslení odebíraného proudu. Harmonické zkreslení proudu ovlivňuje činný příkon jen málo, ale významně ovlivňuje odběr jalové energie. Čím vyšší je harmonické zkreslení, tím větší je rozdíl mezi jalovým příkonem 1. Harmonické a celkovým jalovým příkonem respektujícím všechny harmonické v proudu. Porovnáním hodnoty činného příkonu LED svítidel s hodnotou zdánlivého příkonu lze zjistit, že hodnota zdánlivého příkonu zahrnující všechny harmonické je v tomto případě dvou- až 2,7násobkem udávaného činného příkonu svítidla. Pro připojení úsporných svítidel je proto nutné počítat s vyšší hodnotou odebíraného proudu, než je možné odvodit pouze z udávaného činného příkonu svítidla.

Vedle LED svítidel byly měřeny i některé typy kompaktních zářivek (tzv. úsporné zářivky) s paticí E27 od různých výrobců. Zde se u náhodně vybraných vzorků celkové harmonické zkreslení v proudu pohybovalo od 80 do 120 %. Celkové harmonické zkreslení proudu neumožňuje jednoznačně stanovit, zda dané svítidlo bude vyhovovat, nebo nikoliv. Obecně lze předpokládat, že čím vyšší bude hodnota celkového harmonického zkreslení, tím hůře lze označit světelný zdroj za vyhovující. Jednoznačné posouzení je stanoveno normou ČSN EN 61000-3-2. V normě jsou pro světelné zdroje stanoveny přípustné úrovně jednotlivých harmonických proudu a je zde popsán i tvar proudové vlny. Ve změně A1 uvedené normy z března 2010 je zobrazen tvar této proudové vlny.

Podle kritéria a) omezený podíl jednotlivých harmonických proudu jsou na grafech v obr. 1 až obr. 3 zobrazena srovnání naměřených úrovní jednotlivých harmonických proudu v porovnání s limity stanovenými normou. Z grafu na obr. 1 je zřejmé, že 8W LED zdroj , který měl celkové harmonické zkreslení 194 %, vysoce překračuje stanovené limity jednotlivých harmonických proudu a nesplňuje uvedené kritérium. Pro porovnání je dále uveden graf (obr. 2) 6W LED zdroje s celkovým harmonickým zkreslením 39,8 %. Vzhledem k nízké hodnotě celkového harmonického zkreslení je tento světelný zdroj výrazně lepší. Přesto opět nevyhovuje kritériu stanovenému normou, neboť i zde některé harmonické proudu překračují limity stanovené normou. Na grafu v obr. 3 je zobrazeno zastoupení jednotlivých harmonických u kompaktní zářivky s paticí E 27. Celkové harmonické zkreslení proudu tohoto zdroje bylo 120 %. Zdroj rovněž nevyhovuje, protože vysoce převyšuje všechny limity jednotlivých harmonických proudu normou stanovené.

Dalším kritériem je b) tvar vlny vstupního proudu. V normě je stanoveno, že úhel 0° je stanoven pro okamžik průchodu nulou základní harmonické napětí. Úhel se měří na cyklu, který zahrnuje absolutní vrcholovou hodnotu. Podle citované normy je z obr. 4 patrné, že proměřované LED svítidlo 8 W nevyhovuje ani této podmínce. Na obr. 5 je znázorněn tvar vlny vstupního proudu pro LED svítidlo 6 W. Vzhledem k fázovému posunu proudu je měření úhlu bráno od počátku záporné části periody napětí, protože se zde nachází absolutní vrcholová hodnota (obr. 4). Znamená to, že ani LED svítidlo 6 W nesplňuje druhou podmínku požadovanou normou (tj. b) tvar vlny vstupního proudu). Toto svítidlo má příliš vysokou hodnotu odebíraného jalového kapacitního příkonu. Kdyby byl odebíraný jalový výkon alespoň částečně dekompenzován, tvar vlny vstupního proudu by požadavkům normy vyhovoval. Kompaktní zářivka s příkonem 20 W, s paticí E27 a naměřeným celkovým THDi 120 % tvarem odebírané proudové vlny vyhovuje požadavkům normy – viz obr. 6.

Obr. 4. Tvar odebíraného proudu LED zdrojem 8 W

Obr. 5. Tvar odebíraného proudu LED zdrojem 6 W

Obr. 6. Tvar odebíraného proudu kompaktní zářivkou 20 W s integrovaným předřadníkem s paticí E27 a naměřeným celkovým THDi 120 %

Z grafů je patrné, že o sinusovém průběhu odebíraného proudu si u těchto světelných zdrojů lze zatím jen nechat zdát. Nejsou to žárovky. Přesto je možné konstatovat, že je tvar vlny odebíraného proudu postupně zlepšován. Běžný spotřebitel však při koupi nemá možnost zjistit, jak na tom dané svítidlo nebo zdroj je, a neví ani, zda tento spotřebič normě vyhovuje. Přestože daná norma existuje již několik let, v obchodě lze stále koupit světelné zdroje, které požadavkům norem platných v EU nevyhovují. Otázkou je, zda je tomu tak pouze v našich obchodech nebo i v obchodech jiných států EU. Běžný spotřebitel má teoretickou možnost využívat kontrolní orgány, ale popravdě řečeno, proč by se tím zatěžoval.

Jinak tomu je u projektantů, kteří navrhují osvětlení větších celků, např. pro administrativní centra apod., kde je instalováno velké množství světelných zdrojů. Pro projektanty je vedle činného příkonu rovněž důležitý údaj o zdánlivém příkonu svítidla. Projektant zodpovídá za řešení, které musí být v souladu s platnými normami. Navrhuje a předepisuje zařízení s parametry získanými přímo od výrobce. Snad tedy pouze tlak od projektantů, ovlivněný výběrem pouze vyhovujících zdrojů, popř. i kontrolních orgánů, by mohl přimět výrobce a obchodníky ke zlepšení situace na našem trhu.

Zatím nelze spoléhat na to, že by v dohledné době na pultech našich obchodů byly velmi účinné světelné zdroje, které díky svému provedení budou ze sítě odebírat pouze činný příkon se sinusovým proudem. Doplnění údaje o zdánlivém příkonu by proto zákazníkům zcela jistě poskytlo více informací ve srovnání s dnes běžně uváděným údajem pouze o činném příkonu svítidla.

Reference: Tato práce je podporována studentským vědeckým projektem SGS-2012-047.
Recenze: Ing. Karel Dvořáček