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.

W

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.

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.

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.

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

2
3
5
7
9

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

[%]

2

30

⋅λ

10

7
5

(tylko harmoniczne nieparzyste)

3

wietleniowych obliczonych dla drogi klasy ME5

U

I

TI [%]

0,5

2

0,6

3

0,4

5

0,7

5

0,5

1

0,5

1

0,4

1

0,5

1

0,2

1

0,3

1

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

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)

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

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)

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.