Trzecia część cyklu o wadach świetlówek kompaktowych.
W poprzednich odcinkach :-)
Dziś coś na temat wyższych harmonicznych i trochę o tętnieniu strumienia.
Żarówka, której używania zabroniła UE i systematycznie wprowadza jej zakaz jest bardzo prosta w budowie, kawałek wolframowego drucika, który nagrzewa się emitując fale elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego, podczerwonego i ciepło. W sieci zachowuje się więc jak rezystor, pobiera prąd o przebiegu sinusoidalnym.
i=I·sin(ω·t)
gdzie:
i – prąd chwilowy
I – Amplituda
ω – pulsacja, ω=2·π·f
π= liczba Pi, już niedługo zostanie ustalone przez UE że π=3
f – częstotliwość, 50Hz
t - czas
Aby świetlówka mogła świecić potrzebny jest układ odpowiednio przekształcający parametry zasilania, tak by w rurce powstało wyładowanie elektryczne. Taki układ składa się z tyrystorów, kondensatorów i cewek, wszystkie one odkształcają prąd pobierany przez świetlówkę jako całość.
Prąd ten wygląda graficznie tak
Jak widać silnie odbiega on od sinusoidy o częstotliwości 50Hz. Faktyczne jest to superpozycja wielu przebiegów sinusoidalnych o różnej częstotliwości i amplitudzie. Matematycznie przestawia się to tak.
i= I1·sin(ω·t) + I3·sin(3ω·t) +I5·sin(5ω·t)+ I7·sin(7ω·t) + ....
gdzie I1,I2, .... to amplitudy dla kolejnych harmonicznych
Skalę problemu dla świetlówek kompaktowych przedstawia tabela, którą znalazłem w materiałach firmy Kanlux:
Widać że zawartość wyższych harmonicznych w pobieranym prądzie w przypadku świetlówek kompaktowych jest olbrzymia. Powoduje to oczywiście wiele problemów w sieci elektrycznej.
Silniejsze nagrzewanie przewodów
Przewody w naszych domach, są dobrane w taki sposób by płynący przez nie prąd nie nagrzewał ich zbytnio bowiem to niekorzystnie wpływa na izolację, nie następował zbyt duży spadek napięcia oraz by nie wydać na nie zbyt dużo pieniędzy. Teoretycznie projektant stara się przewidzieć jakie odbiorniki mogą pojawić się w mieszkaniu, jak daleko od przyłącza będą się znajdowały, jak .... w praktyce ładuje się najmniejszy przekrój dopuszczalny przez normę czyli w waszej ścianie prawdopodobnie znajduje się przewód miedziany 10mm2, zaś w starszych domach i kamienicach będzie to przewód aluminiowy 10 lub 16 mm2.
To nic złego, jeśli akurat nie próbujecie jednocześnie spawać, dogrzewać się piecykiem elektrycznym a żona nie gotuje wody na kawę w elektrycznym czajniku odkurzając i oglądając telewizję .... albo w waszych domach nie ma zbyt wielu odbiorników nieliniowych.
Problem polega na tym że o ile kiedyś, projektując instalacje ciepło wydzielające się w przewodach liczono według wzoru
ΔP= RI2
I -wartość skuteczna prądu
R- rezystancja przewodu ( interesującego nas fragmentu)
to dziś gdy wyższych harmonicznych nie można już ignorować, należy liczyć
ΔP= RI2+ RI21(THD)2
I1- wartość skuteczna pierwszej harmonicznej
THD – współczynnik zawartości wyższych harmonicznych (patrz tabelka)
Proszę zauważyć że THD świetlówki kompaktowej jest 10-krotnie większy niż zasilacza, ponad 100-krotnie większy niż dla transformatora i znacznie większy od świetlówek liniowych. Żarówka ma THD=0.
Kolejne zjawisko występujące przy podłączeniu do sieci odbiorników o znacznym THD to zjawisko naskórkowości. Wszyscy wiemy że magnesy zbliżone do siebie tym samym biegunem odpychają się. Prąd płynący przez przewody wytwarza własne pole magnetyczne, powoduje to że „prąd” wypychany jest ze środka przewodu ku brzegom. Zjawisko to nasila się wraz ze wzrostem częstotliwości prądu. Jak już wspomniałem, wyższe harmoniczne to przebiegi sinusoidalne o nieparzystej krotności częstotliwości podstawowej. W prądzie pobieranym przez świetlówkę, dużą rolę odgrywają przebiegi o częstotliwości 150 , 250, 350 a nawet 450 Hz. Ogranicza to przekrój czynny przewodu, zwiększając rezystywność i powodując większe nagrzewanie się przewodów.
Większe spadki napięcia
Oba te zjawiska powodują oczywiście że na odbiorniku końcowym mamy mniejsze napięcie. Już nie zapowiadane 230 V a (230 – I*q*l )( prąd , rezystywność, odległość). To z kolei powoduje że odbiornik o konkretnej mocy, zasilany mniejszym napięciem, będzie pobierał większy prąd. A większy prąd to większe straty, większe nagrzewanie.....
Większy prąd w przewodzie neutralnym N/PEN
Wielką zaletą prądu trójfazowego jest możliwość przesłania trzykrotnie większej mocy niż w przypadku prądu jednofazowego, używając tylko jednego przewodu więcej. W praktyce z różnych względów, których nie będę omawiał, używa się również przewodu neutralnego, którym normalnie nie płynie prąd (jeśli jest odbiornik symetryczny) lub płynie mały prąd wynikający z różnic w obciążeniu faz. Jeśli prądy fazowe są równe co do wartości ( długości wektora), to ich suma wynosi zero.
Zdecydowana większość instalacji w naszych domach/mieszkaniach zaprojektowana jest tak, by obciążenie faz było rozłożone równo. Zwykle też dla oszczędności, wiedząc że prąd w przewodzie neutralnym (N) będzie znacznie mniejszy niż w przewodach roboczych, stosuje się dla przewodu N mniejszy przekrój żyły.
Niestety, gdy w grę wchodzą wyższe harmoniczne, dość losowo przesunięte w fazie, mające różne częstotliwości i wartości, rzadko zdarza się sytuacja by suma tego całego bałaganu była zbliżona do zera. Często zdarza się że prąd w przewodzie neutralnym jest większy od prądu roboczego, są pomiary, gdzie prąd w przewodzie N ma wartość przekraczającą wartość 1,7 prądu roboczego. Przypominam, często w przewodzie o mniejszym przekroju. Oznacza to oczywiście większy spadek napięcia, silniejsze nagrzewanie. Tu już powstaje znaczna groźba pożaru. Zwłaszcza że przewód neutralny nie jest zabezpieczony pod względem przeciążenia. Jeśli w przewodzie roboczym prąd wzrośnie ponad pewien dopuszczalny poziom to zabezpieczenie nadprądowe „wybije korki” chroniąc nas przed pożarem czy uszkodzeniem instalacji, przewód N nie jest zabezpieczony.
Odkształcone napięcie pobierane przez inne odbiorniki
Nasze odbiorniki prądu elektrycznego, przystosowane są do poboru prądu o przebiegu sinusoidalnym, szczególnie wrażliwe na jakość zasilania są np. komputery, nowoczesne telewizory itp. dlatego powinny być one zasilane przez filtry, co pewnie ma miejsce u większości czytelników.
Filtry mają jednak też swoje ograniczenia i przy pewnym poziomie zakłóceń nie mogą dłużej chronić odbiorników.
Straty na uzwojeniu wtórnym transformatora
Większość stosowanych w energetyce transformatorów SN ma układ połączeń Dy6 ( trójkąt, gwiazda, o przesunięciu SEM 180o – piszę z pamięci więc mogłem coś poplątać), dzięki czemu wyższe harmoniczne nie przenoszą się na stronę średniego napięcia. Strona wtórna (czyli nasza strona) transformatora jest niestety mocno obciążona. Wprawdzie zmniejsza się obciążenie mocą czynną ale rośnie mocą bierną ( poprzedni wpis) jak również straty wywołane wyższymi harmonicznymi.
Ponieważ transformator to dwie olbrzymie cewki nawinięte na rdzeń, to straty wynikające z przepływu prądu przez reaktancję cewki wyraża się wzorem
ΔP= Σ In22πfLw
In– wartość n-tej harmonicznej prądu
Lw – indukcyjność cewki
fn – częstotliwość
Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu wzrastają straty, przypomnę że częstotliwości wyższych harmonicznych to 150, 250, a nawet 9-ta harmoniczna o częstotliwości 450 Hz jest nie do pominięcia.
Również sporo mocy idzie na ogrzewanie rdzenia transformatora. Rdzenie transformatorów zbudowane są z cienkich blaszek, odizolowanych od siebie, tak by nie indukowały się tam prądy wirowe. Jednak czym większa częstotliwość, tym łatwiej indukowane są prądy wirowe. Do tego dochodzą straty wynikające z magnesowania rdzenia, straty na histerezę. Transformator przez którego zwoje przepływa prąd o częstotliwości 50 Hz, jest przemagnesowywany 50 razy na sekundę, czym wyższa częstotliwość prądu w cewkach transformatora, tym częściej przemagnesowywane są blachy transformatora a więc dla prądu o częstotliwości 150Hz dzieje się to trzykrotnie częściej.
Takie straty można wyrazić wzorem podobnym do poprzedniego
ΔP= Iμ22πfLμ
***
Reasumując, fakt że świetlówkowy odpowiednik 100 W żarówki, na pudełku ma napisane 21W wcale nie oznacza że w rzeczywistości oszczędzimy pięciokrotnie na oświetleniu, lub że generator w elektrowni zostanie obciążony mniejszym prądem. W życiu bowiem nic nie jest takie proste i rzadko coś jest w rzeczywistości takim, na jakie wygląda na pierwszy rzut oka. Zamieniając zwykłą żarówkę na świetlówkę kompaktową wprowadzamy do miejsca w którym przebywamy sporą część życia spore zagrożenie oparami rtęci, do sieci elektrycznej, która często ma kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt lat wprowadzamy typ odbiornika, który nie był brany przy projektowaniu instalacji i często nadal nie jest on brany pod uwagę. Wątpliwe są też oszczędności w emisji dwutlenku węgla przez elektrownie a już zupełną zagadką jest dla mnie ekologiczność kruchej szklanej rurki wypełnionej rtęcią w najgorszej postaci.
***
Trzeba jeszcze zwrócić uwagę na inne zjawisko. Tętnienie strumienia świetlnego. Ponieważ świetlówka mimo układu zasilającego nie jest i nigdy nie będzie zasilana prądem stałym, to światło świetlówki w przeciwieństwie do żarówki zmienia swoje natężenie sto razy na sekundę od maksimum do minimum. To również nie jest zjawisko nowe, wśród projektantów oświetlenia jest ono doskonale znane od wielu lat. Właśnie z powodu tętnienia strumienia świetlnego zaleca się by w przypadku zastosowania świetlówek do oświetlania pomieszczenia były one zasilane z co najmniej dwóch a najlepiej z trzech różnych faz, tak by ograniczyć zmęczenie oczu. W halach produkcyjnych gdzie mamy do czynienia z wirującymi częściami maszyn jest to wręcz wymagane, bowiem ten efekt może spowodować złudzenie jakoby wirująca część maszyny, nie poruszała się.
W naszych mieszkaniach takie zagrożenie nie istnieje, pozostaje jednak problem szybszego męczenia wzroku, trudny do usunięcia, bowiem nie mamy przecież żyrandoli czy lampek biurkowych zasilanych napięciem trójfazowym.
***
Streszczenie dla widzów TVN oraz klikaczy onet.pl: Wyższe harmoniczne wymyślił Jarosław Kaczyński, przy pomocy brata by sypać piach w tryby integracji europejskiej. Ludwik Dorn i Saba też mieli w tym swój udział. To właśnie do nich, zatrwożony wpuszczaniem do sieci, poprzez elektryczną wannę Wassermana, zwrócił się Aleksander Kwaśniewski „ Ludwiku Dornie i psie Sabo nie idźcie tą drogą”. Ludwik Dorn i Saba usłuchali, ale zawzięci Kaczyńscy przerobili kradziony księżyc na wyższe harmoniczne, które od tamtej pory krążą po sieci.
