background image

68 

 

II Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu 

„Energooszczędność w oświetleniu” 

DIODY LED 

Poznań, 24 ÷ 25 maja 2011 r. 

___________________________________________________________________________ 

 
 

ANALIZA PORÓWNAWCZA ZAMIANY OPRAW SODOWYCH  

NA OPRAWY LED  

W O

Ś

WIETLENIU DROGOWYM 

 

Wiesława Pabja

ń

czyk, Zbigniew Gabryjelski,  

Przemysław Markiewicz, Roman Sikora 

Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Łódzka 

 
 
 
Słowa kluczowe: oprawy LED, oświetlenie drogowe, jakość energii elektrycznej 
 

Streszczenie:  W  artykule  zostały  przedstawione  wyniki  analizy  porównawczej  oprawy  do 
wysokoprężnej lampy sodowej o mocy 70W z czterema oprawami wykonanymi w technologii 
LED,  stanowiącymi  potencjalne  zamienniki  oprawy  sodowej.    Na  przykładzie  drogi  o  klasie 
ME5,  wyznaczono  parametry  oświetleniowe  uzyskane  dla  analizowanych  opraw.  Porównano 
również parametry elektryczne, w tym poziom generowania wyższych harmonicznych prądu.  

 

1. WST

Ę

P 

 
 

Obecnie  na  rynku  krajowym  występuje  szereg  różnych  typów  opraw  LED 

przeznaczonych  do  oświetlenia  drogowego.  Oferowane  są  one  jako  zamienniki  dla 
tradycyjnych  opraw  drogowych  do  wysokoprężnych  lamp  sodowych.  Mocno  też  oferenci 
podkreślają  zalety  opraw  LED,  takie  jak:  duża  trwałość,  sięgająca  nawet  100  tys.  godzin, 
coraz wyższa skuteczność świetlna diod LED, możliwość uzyskania światła białego o barwie 
ciepłej  i  chłodnej,  niewrażliwość  na  wstrząsy,  uzyskiwanie  pełnego  strumienia  świetlnego 
zaraz po włączeniu, brak wrażliwości na częste włączanie i wyłączanie, uzyskiwanie światła 
kierunkowego  bez  konieczności  stosowania  odbłyśników,  itp.    Rzadziej  mówi  się  o  wadach 
opraw  LED,  m.in.  o  zależność  skuteczności  świetlnej  od  warunków  środowiskowych,  a  w 
szczególności  od  temperatury  zewnętrznej  [3]  oraz    niekorzystnym  oddziaływaniu  na  sieć 
zasilającą w postaci generacji wyższych harmonicznych prądu.  Coraz częściej spotyka się już 
oprawy  LED  o  akceptowalnym  poziomie  zaburzeń  generowanych  do  sieci  zasilającej,  co 
wynika głównie z poprawy jakości zasilaczy, stanowiących integralną część opraw.  Ponadto 
cena takich opraw jest   najczęściej znacznie wyższa od cen tradycyjnych  opraw drogowych.  
 

artykule 

zostanie 

przedstawiona 

analiza 

porównawcza 

parametrów 

oświetleniowych na określonej drodze z oprawami  sodowymi i różnymi typami opraw LED, 
dostępnych na rynku krajowym i stanowiących pod względem strumienia świetlnego i mocy 
zamienniki.  Analizę  przeprowadzono  na  podstawie  obliczeń  symulacyjnych  oświetlenia  z 
programu  DIALux,  wykorzystując  bryłę  fotometryczną  określoną  dla  tych  opraw  w 
Laboratorium  Fotometrycznym  Instytutu  Elektroenergetyki  PŁ.  Porównano  również  wyniki 
badań    parametrów  elektrycznych  dla  rozważanych  opraw,  pomierzonych  za  pomocą 
analizatora jakości energii elektrycznej TOPAS 1000.  
 

background image

69 

 

 

2. ANALIZA PARAMETRÓW O

Ś

WIETLENIOWYCH  

 

2.1. Zało

ż

enia 

 
 

Przyjęto następujące założenia: 

1.

 

Porównanie  opraw  potraktowano  jako  modernizację  oświetlenia  drogowego,  dotyczącą 
wyłącznie  wymiany  opraw  sodowych  na  oprawy  LED,  stanowiące  dostępną  ofertę 
rynkową.  

2.

 

W  analizie  zrezygnowano  z  podawania  szczegółów  konstrukcyjnych  opraw  oraz    nazw 
producentów. 

3.

 

Analizie  poddano  oświetlenie  drogi  o  klasie  ME5  z  oprawami  oświetleniowymi  do 
wysokoprężnych  lamp  sodowych  70W.    Dane  geometryczne  drogi  oraz  instalacji 
oświetleniowej pozostały niezmienione. 

4.

 

Jako zamienniki opraw sodowych 70W przyjęto cztery oprawy LED o mocach od 36W do 
84W,  dla  których  wykonano  pomiar  rozkładu  przestrzennego  światłości,  niezależnie  od 
charakterystyki fotometrycznej podawanej w karcie katalogowej.  

 
 

Przyjęto  następujące  założenia  dla  geometrii  instalacji  oświetleniowej  drogi  o  klasie 

ME5:  

 

rozmieszczenie słupów – jednostronne, 

 

odstęp pomiędzy słupami – 30m, 

 

szerokość drogi – 7m, 

 

wysokość zawieszenia oprawy – 10m, 

 

wysięg – 1m, 

 

nachylenie wysięgnika - 10º, 

 

Oprawy  oznaczono  jako:  OT1  –  oprawa  uliczna  do  wysokoprężnych  lamp  sodowych 

(moc 80W), oprawy LED1 (moc 84W), LED2 (moc 59W), LED 3 (moc 36W), LED 4 (moc 
70W).  
 
 

W tabeli 1 zestawiono wartości parametrów oświetleniowych wymaganych dla drogi o 

klasie oświetlenia ME5 wg [2]. 
 

Tabela1. Wartości parametrów oświetleniowych dla drogi klasy ME5 wg [2] 

 

 

L

m

 [cd/m²] 

U

0

 

U

l

 

TI [%] 

Klasa ME5 

 0,5 

 0,35 

 0,4 

 15 

 

Na  poniższych  rysunkach  przedstawiono  krzywe  rozsyłu  światłości  analizowanych 

opraw. Wśród opraw  LED, oprawa oznaczona  LED2 posiada krzywą światłości odbiegającą 
od typowych charakterystyk dla opraw ulicznych, ale ze względu na to, że oprawa ta została 
zadeklarowana  przez  producenta  jako  oprawa  do  oświetlenia  drogowego,  rozważono  ją  w 
analizie.  
 

background image

70 

 

 

 

Rys. 1. Krzywa rozsyłu światłości oprawy OT1 

Rys. 2. Krzywa rozsyłu światłości oprawy LED1 

 

 

 

Rys. 3. Krzywa rozsyłu światłości oprawy LED2 

Rys. 4. Krzywa rozsyłu światłości oprawy LED3 

 

 

Rys. 5. Krzywa rozsyłu światłości oprawy LED4 

 

2.2. Wyniki oblicze

ń

 

 
 

Za  pomocą  programu  DIALux  zostały  wykonane  obliczenia  parametrów 

oświetleniowych dla rozważanej drogi, a uzyskane wyniki zostały zamieszczone w tabeli 2. 
 
 

background image

 

 

Tabela 2. Wartości parametrów o

 

OT1 

Obserwator 1
Obserwator 2

Spełnia / Nie spełnia 

wymagań drogi klasy ME5

LED1 

Obserwator 1
Obserwator 2

Spełnia / Nie spełnia 

wymagań drogi klasy ME5

LED2 

Obserwator 1
Obserwator 2

Spełnia / Nie spełnia 

wymagań drogi klasy ME5

LED3 

Obserwator 1
Obserwator 2

Spełnia / Nie spełnia 

wymagań drogi klasy ME5

LED4 

Obserwator 1
Obserwator 2

Spełnia / Nie spełnia 

wymagań drogi klasy ME5

 

Wymagania  oświetleniowe  stawiane  drogom  klasy  ME5  spełnia  oprawa  OT1  oraz 

oprawa  LED1.  Pozostałe  rozpatrywane  oprawy
odpowiedniego  poziomu  średniej 
wymaganych  od  20%  do  nawet  80%.  Oprawa  LED4  nie  spełnia  równie
dotyczących  zapewnienia  okre
mniejsza o 60% w stosunku do warto
 

3. ANALIZA PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH OPRAW

 

Oprawy  oświetleniowe  zaliczane  s

dopuszczalne poziomy wyższych harmonicznych pr
EN 61000-3-2: 2007 [1].  

 

Tabela 3. Poziomy dop

 

Rząd harmonicznej n 





11 

 n 

 39 

(tylko harmoniczne nieparzyste)

 

71 

ci parametrów oświetleniowych obliczonych dla drogi klasy ME5

 

 

L

m

 

[cd/m

2

U

0

 

Obserwator 1 

0,5 

0,59 

Obserwator 2 

0,5 

0,58 

Spełnia / Nie spełnia  

ń

 drogi klasy ME5 

 

 

 

 

Obserwator 1 

0,5 

0,44 

Obserwator 2 

0,6 

0,47 

Spełnia / Nie spełnia  

ń

 drogi klasy ME5 

 

 

 

 

Obserwator 1 

0,1 

0,42 

Obserwator 2 

0,1 

0,5 

Spełnia / Nie spełnia  

ń

 drogi klasy ME5 

 

 

 

Obserwator 1 

0,2 

0,54 

Obserwator 2 

0,2 

0,52 

Spełnia / Nie spełnia  

ń

 drogi klasy ME5 

 

 

 

Obserwator 1 

0,4 

0,43 

Obserwator 2 

0,4 

0,41 

Spełnia / Nie spełnia  

ń

 drogi klasy ME5 

 

 

 

wietleniowe  stawiane  drogom  klasy  ME5  spełnia  oprawa  OT1  oraz 

Pozostałe  rozpatrywane  oprawy  LED  nie  spełniają  wymaga

ś

redniej  luminancji  drogi.  Uzyskane  wartości  s

wymaganych  od  20%  do  nawet  80%.  Oprawa  LED4  nie  spełnia  równie

cych  zapewnienia  określonej  równomierności  wzdłużnej,  a  obliczona  warto

mniejsza o 60% w stosunku do wartości wymaganej.  

PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH OPRAW 

wietleniowe  zaliczane  są  do  grupy  odbiorników  klasy  C,  dla  których 

ż

szych harmonicznych prądu zamieszczono w tabeli 3 według PN

. Poziomy dopuszczalne dla sprzętu klasy C według  [1]

 

Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej wyra

w procentach składowej podstawowej prą

[%] 

30

⋅λ

 

10 


(tylko harmoniczne nieparzyste) 

wietleniowych obliczonych dla drogi klasy ME5 

U

I

 

TI [%] 

0,5 

0,6 

 

 

 

 

0,4 

0,7 

 

 

 

 

0,5 

0,5 

 

 

 

 

0,4 

0,5 

 

 

 

 

0,2 

0,3 

 

 

 

wietleniowe  stawiane  drogom  klasy  ME5  spełnia  oprawa  OT1  oraz 

  wymagań  dotyczących 

luminancji  drogi.  Uzyskane  wartości  są  mniejsze  od 

wymaganych  od  20%  do  nawet  80%.  Oprawa  LED4  nie  spełnia  również  wymagań 

a  obliczona  wartość  jest 

  do  grupy  odbiorników  klasy  C,  dla  których 

du zamieszczono w tabeli 3 według PN-

[1] 

d harmonicznej wyrażony 

w procentach składowej podstawowej prądu wejściowego 

background image

72 

 

 

Wymagania zostały określone tylko dla harmonicznej nieparzystej do 39 harmonicznej 

włącznie.  Współczynnik 

λ

  oznacza  współczynnik  mocy  obwodu  obliczany  jako  iloraz  mocy 

czynnej urządzenia i  iloczynu wartości skutecznych prądu i napięcia zasilającego.

  

Na  podstawie  analizy  parametrów  oświetlenia  drogi,  porównanie  parametrów 

elektrycznych  opraw  wykonano  wyłącznie  dla  oprawy  OT1  oraz  LED1,  jako  tych,  które 
spełniają wymagania normy PN-EN 13201 [2]. 

W  tabeli  4  zestawiono  podstawowe  parametry  elektryczne  opraw  OT1  i  LED1,  

pomierzone  za  pomocą  analizatora  jakości  energii  elektrycznej  TOPAS  1000  po  upływie  4 
godzin od chwili załączenia. 
 

Tabela 4. Parametry elektryczne opraw OT1 i LED1 

 

 

Oprawa OT1 

Oprawa LED1 

P [W] 

93,33 

99,81 

Q [var] 

-11,04 

-5,56 

S [V

A] 

102,00 

100,39 

I [A] 

0,43 

0,43 

THD

I

 [%] 

39,64 

9,55 

cos

ϕ

 [-] 

-0,993 

-0,998 

 

 

Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono odpowiednio przebiegi wartości chwilowych prądu 

wejściowego i napięcia zasilającego opraw OT1 i LED1. 

 

Rys.6. Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia zasilającego oprawy OT1 

 
W  celu  analizy  oddziaływania  rozważanych  opraw  na  sieć  zasilającą  wyznaczono 

widma wyższych harmonicznych prądu wjściowego opraw, które zamieszczono na rysunkach 
8 i 9 odpowiednio dla opraw OT1 i LED1. Dodatkowo na rysunkach zamieszczono wartości 
dopuszczalne  harmonicznych  prądu  wejściowego  zgodnie  z  normą  PN-EN  61000-3-2:  2007 
[1], oznaczone kolorem szarym. 

Obydwie  oprawy  mają  bardzo  zbliżone  wartości  mocy  czynnej  oraz  prądu 

wejściowego.  Istotnia  różnica  zachodzi  w  wartości  mocy  biernej  oraz  współczynnika  THD 
prądu. Dla oprawy OT1 współczynnik THD prądu wynosi prawie 40%, natomiast dla oprawy 
LED1 jest czterokrotnie mniejszy i wynosi 9,55%.  Oznacza to, że również oprawy tradycyjne 
powinny  być  kontrolowane  pod  kątem  generowania  zaburzeń  do  sieci  zasilającej.  Oprawa 
LED1  pod  tym  względem  jest  lepsza.  Dodatkowo  ilustrują  to  przebiegi  chwilowe  oraz 
wyznaczone  widma  wyższych  harmonicznych  prądu  wejściowego.  W  przypadku  oprawy  do 

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

t [s]

u

(t

)

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

i(

t)

background image

73 

 

wysokoprężnej lampy sodowej przekroczone są wartości dopuszczalne harmonicznych prądu 
rzędów: 5, 7, 9, 11, 15 i 17. 

 

Rys.7. Przebiegi chwilowe prądu wejściowego i napięcia zasilającego oprawy LED1 

 

Rys.8. Widmo wyższych harmonicznych prądu wejściowego oprawy OT1  

 

Rys.9. Widmo wyższych harmonicznych prądu wejściowego oprawy LED1 

 
 

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

t [s]

u

(t

)

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

i(

t)

0

5

10

15

20

25

30

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

h

I

h

 [

%

]

Ih

Idop

0

5

10

15

20

25

30

35

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

h

I

h

 

[%

]

Ih

Idop

background image

74 

 

Rysunki  10  i  11  przedstawiają  przebiegi  chwilowe  prądu  wejściowego  opraw  OT1 

oraz  LED1  w chwili ich załączenia. Jak można zauważyć, przebieg chwilowy prądu oprawy 
LED1  znacznie  się  różni  od  przebiegu  prądu  oprawy  OT1.  W  chwili  załączenia  oprawy 
występują  dwa  przetężenia  o  wartościach  ok.  4  A  i  większych  niż  3  A.  Jednoczesne 
załączenie  wielu  opraw  LED  może  powodować  niekorzystne  zjawiska  w  sieci  zasilającej. 
Duża  wartość  prądu  rozruchowego  opraw  powoduje,  że  należy  ten  fakt  uwzględnić  przy 
doborze zabezpieczeń sieci oświetleniowej. 

 
 

 

Rys.10. Przebieg chwilowy prądu wejściowego oprawy OT1 w chwili załączenia 

 

 

Rys.11. Przebieg chwilowy prądu wejściowego oprawy LED1 w chwili załączenia 

 
 
 
 

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

1,8

2

2,2

2,4

2,6

2,8

3

3,2

3,4

3,6

3,8

t  [s]

i(

t)

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

2,8

3

t  [s]

i(

t)

background image

75 

 

4. WNIOSKI 

 
 

W ostatnich latach ze względu na coraz niższe ceny oraz rosnącą skuteczność świetlną 

diod  LED,  oprawy  budowane  w  tej  technologii  stają  się  alternatywą  w  stosunku  do  opraw  
sodowych.  Decyzja  dotycząca  wyboru  typu  oprawy  drogowej  powinna  zostać  poprzedzona 
wnikliwą  analizą  techniczno  –  ekonomiczną  proponowanego  rozwiązania.  W  ramach  takiej 
analizy powinno się rozważyć kilka wariantów dotyczących zagadnień technicznych, a przede 
wszystkim uwzględnic konieczność zapewnienia odpowiednich parametrów oświetleniowych 
drogi. Należy rozważyć również oddziaływanie opraw na sieć zasilającą. Zarówno oprawy do 
wysokoprężnych opraw sodowych oraz oprawy LED generują wyższe harmoniczne prądu do 
sieci  zasilającej.  W  przypadku  opraw  LED  wynika  to  z  faktu,  że  matryce  LED  wymagają 
zasilania  napięciem  stałym  ze  stabilizacją  prądu,  a  więc  muszą  pracować  z  zasilaczami. 
Stosowane  obecnie  zasilacze  są  najczęściej  zasilaczami  impulsowymi  o  silnie  nieliniowych 
charakterystykach. Daje się zauważyć, że w ostatnich latach producenci znacznie udoskonalili 
konstrukcję  zasilaczy  stosowanych  w  oprawach  LED,  co  spowodowało  ograniczenie 
generowanych  zaburzeń  do  sieci  zasilającej.  Ilustruje  to  rys.  7,  gdzie  przebieg  prądu 
wejściowego jest bardzo zbliżony do sinusoidy, a wartość współczynnika THD nie przekracza 
10%.  Oprawy  LED  mogą  w  mniejszym  stopniu  oddziaływać  na  sieć  zasilającą  niż  oprawy 
sodowe, co zostało potwierdzone pomiarami.   
 

Oprawy  z  diodami  LED  mogą  być  równoważne  pod  względem  oświetleniowym  z 

oprawami  sodowymi,  zapewniając  na  drodze  właściwe  poziomy  oświetlenia.  Można  więc 
oczekiwać,  że  ich  stosowanie  w  oświetleniu  drogowym  będzie  coraz  szersze.  W  takim 
przypadku    o  wyborze  rozwiązania  mogą  zadecydować  koszty  inwestycyjne  (cena  opraw) 
oraz koszty konserwacji. 
 

5. LITERATURA 

 

1.  PN-EN  61000-3-2:  2007.  Kompatybilność  elektromagnetyczna  (EMC),  Część  3-2:  Poziomy 

dopuszczalne  –  Poziomy  dopuszczalne  emisji  harmonicznych  prądu  (fazowy  prąd  zasilający 
odbiornika 

 16 A). 

2.  PN-EN 13201:2007. Oświetlenie dróg,  
3.  Pabjańczyk  W.,  Sikora  R.,  Markiewicz  P.,  Gabryjelski  Z.:  Wpływ  warunków  środowiskowych  na 

pracę opraw z modułami LED, Przegląd Elektrotechniczny, nr 10, 2010 r. 

 
 

COMPARISON ANALYSIS OF CHANGING SODIUM LUMINAIRES TO LED 

LUMINAIRES IN THE ROAD LIGHTING 

 

 

Summary 

 

In  the  paper  a  comparison  analysis  of  changing  of  the  traditional  luminaires  for  high-

preassured  sodium  lamp  about  rating  power  equal  to  70W  to  LED  lminaires  was  presented.  The 
lighting  parameters  for  example  road  about  class  ME5  were  compared  for  high-preassured  sodium 
lamp  to  available  on  the  market  LED  luminaires,  which  have  near  parametres.  Moreover  were 
compared an electrical parameters of considered luminaires.