Электрические характеристики ОП со светодиодными источниками света при включении и требования к устройствам защиты сети электропитания

Во время включения осветительного прибора (ОП) со светодиодными источниками света в его электрической схеме происходят следующие 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).

При включении ОП данные процессы сопровождаются серией импульсов потребляемого тока и обусловливают кратко­временное увеличение входного тока ОП по сравнению с рабочим режимом.

Рис. 1. Изменение мгновенных значений тока в процессе включения ОП

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!

Рис. 2. Кратность амплитудного значения импульса тока (I) по отношению к рабочему току (Inom) при включении LED-ламп

На величину пускового тока влияет момент включения ОП, соответствующий фазе изменения 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. На практике требуется количественное описание пускового процесса в формате, удобном для использования потребителем. А именно, чтобы определить при электротехническом проектировании осветительной установки, сработает или не сработает предохранитель или автоматический выключатель при возникновении заданного числа таких токовых импульсов [2, 3] от одного или совокупности светильников.

Как известно [4], работа автоматического выключателя определяется двумя механизмами срабатывания расцепителей: тепловым и электромагнитным. 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).

Рис. 4. Осциллограмма мгновенных значений пускового тока драйвера светодиодного светильника с комбинированной структурой импульса [5]

Тепловое воздействие тока импульса на элемент электроустановки оценивается при помощи условной величины — интеграла Джоуля:

Интеграл Джоуля Е_I — величина, численно равная интегралу от квадрата амплитудного значения тока импульса (i) по времени (t) в пределах длительности импульса (t₀ — t₁) (А²с).

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 I_t — 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 — I_r», измеряемому в амперах. Значение поправочного коэффициента можно определить на основании его зависимости от продолжительности длительности импульса, приведенной на рис. 5.

Рис. 5. Поправочный «коэффициент АВВ» — К для определения мгновенных значений тока срабатывания автоматического выключателя при малых длительностях импульса тока [6]

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 I_r1 = 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:

I_r2= 53,5/(7×3) = 2,5 А.

В данном случае электромагнитное воздействие тока импульса на элемент автоматического выключателя следует оценивать по нормированному значению большей величины I_r2 = 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:

• I²t — кривая, дающая максимальное значение I²t 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 I²t = 1,1 А²с и ток мгновенного расцепления I_t = 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 А²с [6].

Значение интеграла Джоуля для пускового импульса ОП равно Е_I =1,1 А²с, 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:

• I_t — 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, I_t²×Δt (А²с).