Во время включения осветительного прибора (ОП) со светодиодными источниками света в его электрической схеме происходят переходные процессы:
- зарядка емкостных элементов входных фильтров драйвера при подаче напряжения (длительность менее 1 мс);
- запуск схемы драйвера (десятки мс);
- стабилизация тока светового LED-модуля (до 0,5 с).
Эти процессы сопровождаются серией импульсов потребляемого тока и обусловливают кратковременное увеличение входного тока ОП по сравнению с его значением в рабочем режиме. На рис. 1 [1] приведена зависимость изменения входного тока светодиодного светильника во время включения и выделены четыре фазы:
1 — момент подачи напряжения на вход схемы, сопровождающийся импульсом тока, зарядкой элементов входного каскада и элементов внутренних каскадов;
2 — включение в работу схемы драйвера в целом и зарядка элементов внутренних каскадов;
3 (примерно 0,5 с) — включение LED-кластера;
4 — установившийся ток рабочего режима светильника.
Пусковой ток ОП со светодиодными источниками света — это токовый импульс или импульсы фиксированной длительности с амплитудными значениями, многократно превышающими величину рабочего тока, возникающие при включении ОП в сеть электропитания. На практике даже маломощные светодиодные лампы могут создавать значительные пусковые токи (рис. 2), кратностью до 300 раз!
На величину пускового тока влияет момент включения ОП относительно фазы и мгновенного значения напряжения сети питания. Пусковой ток будет максимален в случае включения на максимуме напряжения и минимален — при включении в зоне перехода через нулевое значение (рис. 3).
Рис. 3. Изменение параметров импульса пускового тока в зависимости от момента включения ОП: а) пусковой ток амплитудой 22 А при включении ОП в зоне максимальных значений напряжения; б) пусковой ток амплитудой 3,5 А при включении ОП в зоне минимальных значений напряжения
Параметры пускового процесса ОП (особенно при групповом подключении ОП в составе осветительных установок, (ОУ)) определяют требования как к исполнению схемотехнического решения драйвера, так и к системам электроснабжения, управления, учета электропотребления, устройствам защиты и др. При проектировании системы электроосвещения важно подобрать устройства защиты с учетом возникновения заданного числа импульсов пускового тока. Для этого пусковые параметры ОП должны быть доступно описаны и представлены для потребителей.
Работа автоматического выключателя определяется двумя механизмами срабатывания расцепителей: тепловым и электромагнитным [4]. Такая комбинация позволяет отслеживать достаточно длительные, но не мгновенные превышения тока (тепловой) и резкое значительное возрастание тока (электромагнитный). В итоге правильно выбранный автоматический выключатель, предохранитель, с одной стороны, обеспечивает отсутствие ложных срабатываний, с другой — защищает сеть в случае аварийной ситуации. Для правильного выбора типа защитного устройства следует знать параметры возможных импульсов тока перегрузки, в том числе и во время включения ОП, а именно величину амплитуды токового импульса, его длительность и форму.
Для количественной оценки влияния импульса пускового тока светодиодного светильника следует рассматривать оба типа его воздействия на механизм автоматического выключателя: тепловой и электромагнитный. В качестве примера рассмотрим пусковой импульс, в составе которого имеется и «кратковременный» начальный импульс (менее 100 мкс), формирующий электромагнитное воздействие, и достаточно длительный основной «хвост», определяющий тепловое воздействие (рис. 4).
Тепловое воздействие тока импульса на элемент электроустановки оценивается при помощи условной величины — интеграла Джоуля:
Интеграл Джоуля ЕI — величина, численно равная интегралу от квадрата амплитудного значения тока импульса (i) по времени (t) в пределах длительности импульса (t0 — t1) (А2 с). Основной импульс, показанный на рис. 4, имеет характерную форму с практически вертикальным стартовым фронтом и затухающим правым (выделен красным цветом). Его амплитудное значение составляет 53,5 A, а длительность 760 мкс. Для этого характерного случая формы импульса пускового тока интеграл Джоуля можно описать следующим образом:
где It — мгновенное максимальное значение импульса тока ОП, возникающего при включении, А; Δt — длительность импульса пускового тока, измеренная на уровне половины амплитудного значения, с. Соответственно, значение интеграла Джоуля для этой части импульса можно вычислить следующим образом:
Электромагнитное воздействие тока импульса на элемент автоматического выключателя оценим при помощи метода, предложенного специалистами компании АВВ [5, 6]. Для оценки такого воздействия рекомендовано интерпретировать характеристики кратковременных (менее 5 мс) импульсов при помощи поправочного коэффициента и приведения их к «нормированному значению пускового тока — Ir», измеряемому в амперах. Значение поправочного коэффициента можно определить на основании его зависимости от продолжительности длительности импульса, приведенной на рис. 5.
Кроме этого, следует учесть еще один коэффициет (N) [6], характеризующий параметры срабатывания автоматов различных категорий. Так, для автоматов категории В — N = 3; для автоматов категории C — N = 5; для автоматов категории D — N = 10; для автоматов категории K — N = 10. Нормированное значение величины пускового тока определяется делением амплитудного значения импульса на поправочный коэффициент К с учетом коэффициента N:
Применим данный метод к импульсам, показанным на рис. 4. Определим значение коэффициента К для лидер-импульса длительностью 80 мкс. Значение длительности на уровне полуамплитуды импульса — 40 мкс, значение К1 = 70 (красный пунктир на рис. 5). При работе с автоматом защиты категории B (N = 3) нормированное значение величины пускового тока для лидер-импульса равно Ir1 = 120/(70×3) = 0,6 А. Для основного импульса длительностью 760 мкс, при длительности на уровне полуамплитуды импульса 380 мкс значение К2 = 7 (синий пунктир на рис. 5). В этом случае нормированное значение величины пускового тока для основного импульса равно:
В данном случае электромагнитное воздействие тока импульса на элемент автоматического выключателя следует оценивать по нормированному значению большей величины Ir2 = 2,5 А, сформированному основным импульсом. Соответственно, влиянием кратковременного лидер-импульса можно пренебречь.
На основании изложенного вести оценку параметров автоматического выключателя, способного выдерживать пусковые токи данного светильника, будем по следующим параметрам:
• I2 t — кривая, дающая максимальное значение I2 t как функцию ожидаемого тока в заданных условиях эксплуатации;
• ток мгновенного расцепления — минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени.
Соответственно, для обеспечения надежной работы светильника в составе электроустановки необходимо применить защитное устройство, характеристики срабатывания которого больше, чем полученные значения: интеграл Джоуля I2 t = 1,1 А2 с и ток мгновенного расцепления It = 2,5 А.
В качестве примера определим максимально возможное количество ОП (M1) с рассмотренными пусковыми характеристиками для подключения к одному автомату ABB серии S200 B16 с ограничением удельной пропускаемой энергии, равной 35,156 А2 с [6].
Значение интеграла Джоуля для пускового импульса ОП равно ЕI =1,1 А2 с, соответственно, допустимое количество ОП составит M1 = 35,2/1,1 = 32 шт.
Теперь оценим этот параметр по ограничению электромагнитного воздействия, то есть по току мгновенного расцепления. Для автомата ABB серии S200 B16 с током мгновенного расцепления 48 А [6] максимальное количество ОП с нормированным значением пускового тока 2,5 А составит M2 = 48/2,5 = 19 шт.
В итоге следует выбрать допустимое количество ОП для подключения к одному автомату как меньшее из M1 и M2. Получаем: допустимое количество ОП не более 19 шт.
Необходимо помнить, что при групповом включении светильников с одним устройством защиты пусковые импульсы каждого ОП складываются, при этом возрастает амплитуда и длительность суммарного импульса тока, проходящего через устройство при включении ОУ.
На практике существуют приемы для увеличения количества ОП при использовании одного устройства защиты, такие как:
- замена автомата на автомат с бóльшим значением номинального тока срабатывания;
- применение автомата менее чувствительной категории вместо выбранного изначально;
- использование в качестве устройства защиты интеллектуального реле, контактор которого активируется при переходе напряжения питания через ноль.
В заключение отметим, что требования к устройствам защиты сети электропитания ОУ на базе светодиодных ОП следует формировать с учетом пусковых характеристик каждого ОП. Эти характеристики должны быть представлены производителем осветительного прибора в виде как минимум двух параметров:
- It — мгновенное максимальное значение импульса тока ОП, возникающего при включении (А);
- Δt — длительность импульса пускового тока, измеренная на уровне половины амплитудного значения (с) или величиной интеграла Джоуля, It 2 ×Δt (А2 с).
Используемая литература:
1. Impact of LED Lighting on Electrical Networks. www. download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=998- 2095-10-15-14AR0_EN
2. ГОСТ IEC 61009-1-2014 «Выключатели автоматические, срабатывающие от остаточного тока, со встроенной защитой от тока перегрузки, бытовые и аналогичного назначения. Общие правила».
3. ГОСТ IEC 60269-1-2016 «Предохранители плавкие низковольтные. Часть 1. Общие требования».
4. Пищур А. П. Современные автоматические выключатели // Энерго-Инфо. 2012. № 1 (60).
5. Inventronics Circuit Breakers. www.inventronics-co.com/ wp-content/uploads/2018/04/Circuit-Breaker-App-Note. pdf
6. Technische Daten System pro M compact Druck Nr. 2CDC 002 001 D0103 ersetzt 2CDC 002 001 D0102. www.abb.de/ stotz-kontakt
Оригинальный текст статьи опубликован в журнале «Полупроводниковая светотехника» ISSN 2079-9462, №2/2020 стр. 12 – 15
Авторы: Анатолий Абрамов | Александр Богданов | Андрей Данилко | Петр Дмитриев | Александр Карев | Андрей Степанов