Анализ энергопотребления современных светодиодных ламп



Системы освещения, построенные на основе светодиодных источников света, в последние годы стали приобретать все большую популярность. Светодиодные лампы практически полностью заместили собой компактные люминесцентные лампы в категории «энергосберегающие». Этому в первую очередь способствует их высокая светоотдача и низкое энергопотребление, которые и формируют высокий спрос на них.

С позиции снижения энергопотребления следует отметить, что применение светодиодных ламп, безусловно, является решением определенной задачи энергосбережения. Однако, рассматривая термин «энергосбережение» в более широком смысле, следует несколько критически оценивать эффективность этих ламп. Принимая тот факт, что снижение энергопотребления — это, безусловно, положительный момент, следует также объективно оценивать качество потребления этих ламп. Под термином «качество потребления» в данном контексте следует понимать уровень негативного воздействия этих ламп на качество электроэнергии в питающей их сети.

Светодиодные лампы, являясь нелинейными потребителями, выступают в роли источника высших гармоник токов, протекающих в сети, вызывая тем самым повышение уровня несинусоидальности напряжения в данной сети. Малая единичная мощность таких потребителей нивелируется их большим количеством, причем рост количества таких потребителей в низковольтных сетях с годами только увеличивается. Следует отметить, что с 2014 года был принят ряд нормативных документов, например [1, 2], нормирующих уровень эмиссии высших гармоник тока в сеть, однако, несмотря на это, проблема несинусоидальности не только не теряет своей актуальности, но и имеет некоторую тенденцию к обострению [3–5].

Для проведения исследований были отобраны 22 светодиодные лампы различной мощности и исполнения. Основные технические характеристики исследуемых ламп приведены в таблице 1. При этом в выборку вошли в основном лампы достаточно низкого ценового диапазона (до 150 рублей), что, на наш взгляд, определяет массовость использования таких ламп.

Таблица 1

Характеристики исследуемых светодиодных ламп

№	Страна-производитель	Мощность*, Вт	Световой поток*, Лм	Цена, руб.
1	Гонконг	5	450	60
2	Гонконг	7,5	675	75
3	Китай	5	420	60
4	Китай	7	600	75
5	Китай	5	420	60
6	Гонконг	11	817	110
7	Китай	7	560	75
8	Китай	7	560	75
9	Китай	5,5	495	75
10	Китай	10	800	99
11	Китай	7	700	99
12	Китай	5,5	530	85
13	Нидерланды	7	540	129
14	Гонконг	10	865	148
15	Китай	10	820	99
16	Китай	11	870	65
17	Китай	10	700	62
18	Китай	7	570	78
19	Китай	6	420	57
20	Китай	5	390	65
21	Китай	5	410	65
22	Китай	7	560	90

^*Характеристика, заявленная производителем

В процессе измерения синхронно с частотой дискретизации 25 кГц фиксировались ток исследуемой лампы и напряжение на ее зажимах. Измерение напряжений и токов во всех случаях осуществлялось непосредственно без использования первичных преобразователей. Результаты измерений отфильтровывались с выбором окна интегрирования (500 единичных измерений на периоде основной частоты) и обрабатывались с использованием алгоритма дискретного преобразования Фурье. Спектральный анализ токов и напряжений в рамках данной работы было решено ограничить первыми 50-ю гармониками.

Исследования показали, что все лампы, принимавшие участия в эксперименте можно условно разделить на три группы по виду кривой потребляемого тока. Первая группа характеризуется наличием в осциллограмме токов относительно узких импульсов одиночных в пределах одного полупериода и отделенных друг от друга бестоковыми паузами (рис. 1). Вторая группа ламп имеет осциллограмму тока близкую к первой группе, стой лишь разницей, что в середине импульса имеется видимый провал (рис. 2). Третья группа ламп характеризуется более широким импульсом сложной конфигурации и меньшими бестоковыми паузами (рис. 3). Соотношение ламп по группам приведено в таблице 2.

Рис. 1. Осциллограмма тока лампы № 3 (1-я группа)

Рис. 2. Осциллограмма тока лампы № 7 (2-я группа)

Рис. 3. Осциллограмма тока лампы № 2 (3-я группа)

Таблица 2

Распределение исследуемых ламп по группам

Группа	1	2	3
№ лампы	3, 5, 6, 8, 14, 15, 19, 22	4, 7, 10, 11, 13, 16, 17, 18, 20, 21	1, 2, 9, 12,
Средняя мощность ламп в группе, Вт	7,6	7,6	5,9

Как видно из таблицы 2, в исследуемой выборке ламп самой малочисленной является 3-я группа. При этом в данной группе средняя мощность ламп ниже, чем в первых двух группах. Таким образом, можно предположить, что вид осциллограммы токов ламп 3-й группы объясняется меньшей емкостью сглаживающего конденсатора на выходе диодного моста драйвера этих ламп, обусловленной их малой мощностью.

Результаты спектрального анализа (рис. 4–6) показали, что в спектрах потребляемых лампами токов практически отсутствуют четные гармоники. Это объясняется симметричностью сигналов относительно оси времени. Следует отметить, что в спектре тока лампы 3-й группы доля высших гармоник заметно ниже, чем в спектрах ламп 1-й и второй группы. Для оценки степени несинусоидальности потребляемого тока был рассчитан суммарный коэффициент высших гармонических составляющих (THD). Коэффициент рассчитывался с использованием методики предложенной в [6]. Методика предполагает выделение из исследуемого сигнала тока только основной (первой) гармоники. При этом THD_I рассчитывается по формуле:

(1)

где i(t)– мгновенное значение потребляемого тока; i₁(t) — мгновенное значение тока основной гармоники; T — период основной гармоники.

Для дискретных измерений тока лампы выражение (1) будет выглядеть следующим образом:

(2)

где N — количество дискретных отсчетов за период; — потребляемый ток в k-м отсчете; — ток основной гармоники в k-м отсчете.

Предлагаемый метод оценки предполагает проведение дискретного преобразования Фурье только для выделения основной гармоники сигнала. Это значительно сокращает вычислительную работу при оценке THD, поскольку расчет остальных гармоник не требуется. При этом использование данной методики позволяет проводить оценку THD с учетом гармоник с порядковым номером значительно выше 50-го. Максимальная частота учитываемой высшей гармоники, ограничивается только частотой Найквиста и определяется частотой дискретизации при измерениях. Результаты расчетов приведены в таблице 3. Распределение значений THD по группам ламп приведено в таблице 4.

Таблица 3

Суммарные коэффициенты гармонических составляющих тока ламп

№лампы	THDI(%)	№лампы	THDI(%)
1	52,4	12	65,0
2	62,9	13	136,2
3	171,6	14	135,2
4	112,3	15	151,2
5	177,5	16	116,3
6	175,6	17	114,9
7	129,8	18	118,1
8	126,5	19	149,9
9	50,3	20	114,1
10	136,0	21	109,7
11	135,5	22	151,5

Таблица 4

Суммарные коэффициенты гармонических составляющих тока по группам ламп

1 группа		2 группа		3 группа
Min THDI(%)	Max THDI(%)	Min THDI(%)	Max THDI(%)	Min THDI(%)	Max THDI(%)
126,5	177,5	109,7	136,5	50,3	65,0

Как видно из таблицы 3, суммарный коэффициент гармонических составляющих распределен в достаточно большом диапазоне: от 50,3 % (лампа № 9) до 177,5 % (лампа № 5). При этом из таблицы 4 следует, что наибольшая эмиссия высших гармоник тока в сеть наблюдается со стороны ламп, отнесенных к 1-й группе, немного меньше эмиссия гармоник со стороны ламп 2-й группы. Лампы же 3-й группы в наименьшей степени влияют на синусоидальность параметров сети. Оценка связи уровня THD_I с принадлежностью к той или иной группе ламп показала, что коэффициент детерминации этой связи относительно высок и составляет 0,827 (рис. 4).

Рис. 4. Линейная регрессионная модель зависимости THD_I по группам ламп

В рамках исследования была проведена работа по оценке активной мощности, потребляемой лампами. Оценка мощности в данном случае может быть проведена двумя способами.

Первый способ предполагает оценку активной мощности как среднеинтегральную оценку произведения функций тока и напряжения по периоду основной гармоники. Т. е. активная мощность сигнала произвольной формы равна:

.(3)

Для дискретно заданных сигналов формула (3) преобразуется к виду:

,(4)

где N — количество дискретных отсчетов за период.

Второй способ позволяет определить активную мощность по расчетным мощностям спектральных составляющих сигнала:

,(5)

где n — количество учитываемых гармоник. P_k — активная мощность k-й гармоники.

Поскольку активная мощность высших гармоник представляет собой мощность искажения, было принято решение о целесообразности расчета потребляемой активной мощности только по первой гармонике. Таким образом, было проведено три различных оценки активной мощности ламп:

‒ по мгновенным значениям тока и напряжения;

‒ по мощностям спектральных составляющих;

‒ по параметрам первой гармоники.

Также была произведена оценка суммарной мощности высших гармоник:

,(6)

Из таблицы 5 видно, что расчет активной мощности с использованием формулы (4) дает практически такой же результат, как и использование формулы (5). Незначительное отличие (порядка 0,1 %) в отдельных случаях обусловлено гармониками более высокого порядка в сравнении с 50-й — максимальной гармоникой, учитываемой в (5).

Таблица 5

Результаты расчета потребляемой мощности

№	Группа	Руст, Вт	, Вт	, Вт	Р1, Вт	РВГ, Вт
1	3	5	4,127	4,127	4,098	0,029
2	3	7,5	6,303	6,302	6,305	-0,003
3	1	5	3,922	3,922	3,929	-0,007
4	2	7	5,184	5,184	5,203	-0,019
5	1	5	3,741	3,741	3,742	-0,001
6	1	11	8,883	8,883	8,896	-0,013
7	2	7	6,798	6,798	6,817	-0,020
8	1	7	6,922	6,922	6,937	-0,015
9	3	5,5	3,825	3,825	3,803	0,022
10	2	10	9,693	9,692	9,717	-0,025
11	2	7	7,918	7,918	7,952	-0,035
12	3	5,5	5,328	5,328	5,337	-0,010
13	2	7	5,534	5,534	5,546	-0,012
14	1	10	9,722	9,722	9,730	-0,008
15	1	10	8,361	8,361	8,298	0,063
16	2	11	10,818	10,818	10,845	-0,027
17	2	10	9,022	9,022	9,044	-0,021
18	2	7	7,162	7,162	7,175	-0,013
19	1	6	5,371	5,371	5,369	0,002
20	2	5	6,028	6,027	6,043	-0,016
21	2	5	5,734	5,734	5,742	-0,008
22	1	7	13,973	13,972	13,979	-0,007

Расчет потребляемых мощностей показал следующее: заявленное производителем значение потребляемой мощности не соответствует реальному потреблению практически для всех ламп. В этой связи был произведен расчет абсолютного и относительного отклонения потребляемой мощности от заявленного (установленного) значения (рис. 5 и рис. 6).

Рис. 5. Абсолютное отклонение реальной мощности ламп от заявленных значений

Рис. 6. Относительное отклонение реальной мощности ламп от заявленных значений

Как видно из рис. 5 и 6, у значительного количества исследуемых ламп заявленная мощность не соответствует реальным значениям. При этом у 17 из 22 ламп (77 %) реально потребляемая активная мощность ниже заявленной.

Следует отметить, что у большинства (18 из 22) исследуемых ламп мощность высших гармоник имеет отрицательный знак (таблица 5 и рис. 7). Это свидетельствует о том, что в условиях существующей картины несинусоидальности напряжения данные лампы формируют ток, ухудшающий общую картину по данному показателю, т. е. являются источниками искажающего воздействия [7].

Рис. 7. Мощность искажения исследуемых ламп

Те лампы (4 из 22), у которых мощность высших гармоник положительна, формируют мощность искажения, направленную встречно существующим искажениям. Т. е. некоторым образом улучшают картину несинусоидальности напряжения в сети. Однако из этого не следует, что данные лампы являются средством повышения качества электроэнергии, поскольку наблюдаемый положительный эффект вызван только существующей картиной несинусоидальности напряжения в сети и при изменении фазового состава спектра напряжения данный эффект может стать отрицательным.

Выводы:

1. Анализ заявленных характеристик исследуемых ламп показал, что указываемая производителем светоотдача является в определенной степени приблизительной и не может использоваться при проведении точных светотехнических расчетов.
2. Спектральный анализ токов, потребляемых лампами, показал, что в спектрах потребляемых лампами токов практически отсутствуют четные гармоники. При этом мощность высших гармоник большинства исследуемых ламп имеет отрицательный знак, что говорит о том, что исследуемые лампы являются источником искажений.
3. Выявлено, что реальная потребляемая мощность ламп в большинстве случаев отлична от мощности, заявленной производителем. При этом, как правило, производитель завышает номинальную мощность.

Литература:

1. ГОСТ 30804.3.2–2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2014.
2. ГОСТ 30804.3.12–2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током более 16 А, но не более 75 А (в одной фазе), подключаемыми к низковольтным распределительным системам электроснабжения. Нормы и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2014.
3. Кузьмин Д. А., Горячев В. Я. Исследование качества электрической энергии при наличии потребителей с нелинейными нагрузками // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2011. — № 1 (17). — С.148–155.
4. Боярская Н. П., Темербаев С. А., Довгун В. П., Кабак А. Л., Колмаков В. О. Анализ спектрального состава токов и напряжений светодиодных и газоразрядных источников света // Вестник КрасГАУ, № 8–2013. С.180–184.
5. Коверникова Л. И. Некоторые свойства параметров режимов гармоник в сети с распределенными нелинейными нагрузками // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Управление качеством электрической энергии». — Москва, 2014. — С.101–108.
6. Петров А. В., Мартусенко В. Е., Дейникин Р. Н. Метод экспресс-оценки суммарных коэффициентов гармонических составляющих в электрических сетях // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2017. Вып.2 (59). С.26–29.
7. Cristaldi, L. Harmonic power flow analysis for the measurement of the electric power quality / L. Cristaldi, A. Ferrero // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 44, June 1995.