Особенности проектирования светодиодного освещения

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЕТОДИОДНОГО

ОСВЕЩЕНИЯ

1 2 Моргунов Д.Н. , Лабунский Л.С.

1Моргунов Денис Николаевич - аспирант;

2Лабунский Леонид Сергеевич - доцент, кандидат технических наук, кафедра электроснабжения железнодорожного транспорта,

факультет систем обеспечения движения поездов, Самарский государственный университет путей сообщения, г. Самара

Аннотация: новые технологии, программы ресурсосбережения, переход на высокоэкономичные устройства светодиодной техники в ОАО «РЖД». Проблемой является недостаточное количество опыта проектирования светодиодных устройств освещения. Требования, предъявляемые к приборам освещения, регламентированы институтами отрасли и требуют точных выполнений. К основным требованиям относят качественные, светотехнические, электрические и устойчивость к внешним воздействиям.

Ключевые слова: качества изготовления, допустимые пределы, качества электроэнергии, микроимпульсные помехи, пиковые напряжения, коэффициент мощности, динамических искажений, световая эффективность, корректор мощности, кривая силы света, пиковое ударное ускорение.

УДК 621.311.6

Различные программы и стратегии энергосбережения, как и постановление правительства РФ №898 «Эб энергетической эффективности» приводят к необходимости внедрения и замены существующих типов освещения (лампы накаливания, ртутные, металл галогеновые, натриевые), на современные светодиодные светильники.

Применение светодиодных светильников в бытовых нуждах не требует внимания, а применение светодиодных светильников в масштабах больших производств, автодорог, тоннелей и других больших объектах требует основательного подхода и проектирования.

Одной из первых с проблемой массового не обдуманного применения светодиодных приборов освещения столкнулось ОАО «РЖД». На волне энергетической стратегии холдинга «РЖД» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года был проведен ряд программ ресурсосбережения. В период с 2010 год по 2015 осуществлена массированная закупка светодиодного оборудования для сети железных дорог РФ, во-первых, не соответствующая качеству и, во-вторых, с неправильно выбранными типами источников света [1].

На основании проявившихся проблем в ОАО «РЖД» было принято решение создать на базе Московского института НИИАС отдел контроля внедрения светодиодных светильников. Проведена огромная работа по аудиту и оценке внедренных программ ресурсосбережения, разработан регламент определения характеристик соответствия светодиодного освещения требованиям ОАО «РЖД». По такому же пути сегодня пошли такие организации как: Газпром, Росавтодор, Транснефть. Более того, в ноябре 2017 года премьер министром правительства РФ Д.А. Медведевым подписано постановление №1356, в котором утверждены требования к осветительным устройствам [3].

В чем же заключается сложность применения светодиодных источников света, из -за чего потребители устанавливают к ним достаточно жёсткие требования?

1. Это характеристики качества изготовления (требования к надежности и конструктивному исполнению) - элементарные требования к прибору освещения,

выпускаемому на специализированном производстве. До выпуска в серию прибор проходит ряд проектных этапов: составление технических условий, разработка конструкторской документации, изготовление опытного образца, испытания и измерение характеристик, получение разрешительных сертификатов и деклараций. После этого можно говорить о качестве представленного товара. Но зачастую мелкие производители (так называемого «гаражного» уровня) не считают необходимым выполнение все этапов. Это приводит как к мелким проблемам в несоответствии габаритных размеров и кронштейнов крепления, так и к серьезным несоответствиям требований стандартов, принятых в Российской Федерации.

2. Это требования к светотехническим и электрическим параметрам, которые являются наиболее важными. Большинство крупных производств сегодня устанавливают срок службы светодиодных светильников не менее 12 лет, указывая при этом снижение светового потока не более чем на 30% [4].

Очень важно при проектировании учесть, что диапазон питающих напряжений при в сетях переменного тока может быть от 176 до 264 В, что выходит за допустимые пределы 230 В±10%. Поэтому проектировать светодиодное освещение в сетях электроснабжения с отклонением от принятых норм качества электроэнергии без дополнительной защиты, значит обрекать светильники на быстрый выход из строя. Качество электрической энергии может быть плохим из-за старых сетей 0,4 кВ (голый провод АС среди деревьев, обычно частном секторе, частые соединения проводов и кабелей), из-за большой нелинейной сторонней нагрузки либо подключения электроустановок с большой реактивной мощностью.

Наиболее яркий пример отклонения показателей качества электроэнергии наблюдается в электрических цепях электроподвижного состава. На стоянке, в режиме дежурного освещения (питание от аккумулятора), работа светодиодного светильника не представляет сложностей, А в движении (основном режиме работы) прибор освещения переносит значительные перегрузки от микроимпульсных помех большой энергии, возникающих в электрической сети освещения вследствие осуществления моторвагонным подвижным составом режима рекуперации. Сложности работы светильников в сети моторвагоного подвижного состава также возникают при включении компрессора (резкопеременная нагрузка), а именно, возникают значительные динамические искажения напряжения. Прибор освещения для работы в таких условиях должен быть дополнен с рядом защит: изолировочным трансформатором достаточной мощности с ограничителем пиковых напряжений, дополнительным блоком активного корректора мощности и фильтром для защиты от значительных динамических искажений питающего напряжения [5]. Синусоида напряжения в момент включения компрессора изображена на Рис. 1.

\

У

у и ( п

ДУ 1 А«^ Ч ( } 1 к

/

и/ /1 * \

л! Л| / \

V

о Ю 20 Время зо , ллс 40 50 60

Рис. 1. Диаграмма динамических искажений питающего напряжения

Особо следует отметить, что цвет излучения светодиодных осветительных устройств, предназначенных для освещения производственных, бытовых или офисных помещений, должен находится в диапазоне 3500 К -5500 К. при этом индекс цветопередачи CRI должен составлять не менее 60. Это требование распространяется и на внутренние помещения моторвагонного подвижного состава.

Другой не менее важный показатель, это световая эффективность, которая в соответствии с ГОСТ 54350-2015 должна составлять не менее 85 Лм/Вт. Большинство крупных производителей светодиодных осветительных приборов уже перешагнули порог в 95 Лм/Вт. Но, к сожалению, на рынке в дешёвом сегменте до сих пор предлагаются приборы освещения, у которых данный показатель не достигает даже 80 Лм/Вт. В таком случае можно вести речь об отсутствии какой-либо энергетической эффективности.

Из других электрических характеристик необходимо также учитывать коэффициент пульсации светового потока (в зависимости от места установки разные нормы пульсации), снижение светового потока за время его стабилизации, класс электробезопасности, и, как наиболее важный, коэффициент мощности.

Коэффициент мощности - показатель эффективности потребления электрической мощности, если точнее, величина, характеризующая потребителя переменного тока с точки зрения реактивной составляющей или сдвиг фаз тока по отношению приложенного к нему напряжения. Согласно ГОСТ 55705-2013 коэффициент мощности для приборов освещения более 20 Вт должен составлять не менее 0,9.

Низкий коэффициент мощности обуславливается наличием сложной нелинейной схемы источника питания. Использование таких приборов в частных случаях при небольшом их количестве не критично, но в комплексе системы освещения при большом числе светодиодных светильников выполнение требований вышеуказанного стандарта требует тщательного подхода.

При питании от трехфазной четырёх проводной сети большого числа светильников с установленными в их источниках питания активными корректорами мощности, наблюдается генерирование помех и появление токов обратной и нулевой последовательности. Это отрицательно сказывается на работе силового трансформатора, от которого получает питание осветительная сеть, а также и всех электроустановок, подключенных к данной схеме. Осциллограмма трехфазного напряжения, зафиксирована анализатором электрической энергии рис. 2.

Рис. 2. Осциллограмма вторичного напряжения силового трансформатора

В зависимости от условий применения, светодиодные светильники также проходят ряд испытаний на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости, которые включают в себя испытания на электростатические разряды, микросекундные импульсные помехи, эмиссию гармонических составляющих радиочастотного электромагнитного поля.

Важную роль при проектировании играет использование приборов освещения с различной вторичной оптикой и, как следствие, имеющие различные формы кривых сил света. Наиболее распространенными кривыми силами света являются: концентрированная с зоной максимальной силы света 30 град, глубокая 60 град, косинусная 120 град, полу широкая 140 град, широкая 160 град, равномерная 180 град, синусная 90 град. Также применяются различные ассиметричные кривые и другие не входящие в стандарт. Комбинации вторичной оптики дает возможность наиболее эффективно осветить объект с использованием оптимального количества приборов освещения согласно норм освещенности и минимизацией затрат электрической энергии, что необходимо при составлении технико-экономического обоснования.

3. Требования по устойчивости к внешним воздействиям. Кроме того, что светильники в зависимости от района применения, должны соответствовать требованиям устойчивости к климатическим воздействиям согласно ГОСТ 15150-69, они также разделяются по защите от внешних воздействий, обеспечиваемой оболочками (степень пыле-влаго защищенности). Проектирование осветительных приборов в условиях вибрации требуют дополнительного подхода к способам испытания опытного образца на механические воздействия. Особенно это актуально при креплении светильников к фермам мостовых переходов, высокомачтовым осветительным установкам, различным движущимся и грузоподъёмным механизмам. Для применения светильников в этих условиях прибор обязательно должен пройти испытания на пиковое ударное ускорение [2].

Всем выше указанным, требованиям соответствует узкий ряд светильников, указанный в перечне АО «НИИАС». Светильники типа ЭСС-40М, производства ООО ПТП «ЭнергоСтандарт» полностью соответствуют установленным критериям и пригодны к установке на объектах ОАО «РЖД».

Список литературы

1 [Электронный ресурс]: Инновационный дайджест. Режим доступа: http://www.rzd-expo.ru/ (дата обращения: 20.05.18).

2 [Электронный ресурс]: АО НИИАС. Режим доступа: http://www.vniias.ru/ (дата обращения: 20.05.18).

3 [Электронный ресурс]: Контур норматив. Режим доступа: https://normativ.kontur.ru/ (дата обращения: 21.05.18).

4 Журнал «Наука, техника и образование». № 5 (23), 2016. Статья «Достоинства и недостатки светодиодного освещения».

5 Журнал «Проблемы науки». № 11, 2017 Статья «Исследование качества электроэнергии сети питания осветительных приборов электропоезда».