Правда и вымысел о пусковых токах светильников
Светодиодные светильники за последние пять лет превратились из экзотических устройств для сторонников экологического стиля жизни в предметы повседневного обихода. Поэтому не удивительно, что установка таких светильников все чаще осуществляется не инженерами экстра-класса в рамках проектов государственной важности, а в самых обычных офисах рядовыми электриками или вообще людьми, имеющими об электричестве только самые элементарные представления. И каким же бывает разочарование, когда при включении вроде бы «экономичных» светодиодных светильников срабатывает защитный автомат, выбранный, вроде бы, с соблюдением всех правил. Или возникает парадоксальная ситуация, когда при замене люминесцентных светильников на светодиодные срабатывает предохранитель, который ранее без проблем «держал» очень «прожорливые» приборы еще советского производства. Самое время разувериться в экономичности светодиодных светильников. Проблемы возникают потому, что не учитывается важнейший параметр любого светильника — значение пускового тока. Причем такой подход навязывают сами производители светильников, зачастую утверждающие, что у их продукции пусковых токов просто нет.
При включении электрического устройства, как правило, наблюдаются переходные процессы. Кроме этого, для запуска устройства может потребоваться большая мощность, чем в установившемся режиме. Из-за этого наблюдается такое явление как пусковой ток. Значение пускового тока равно максимальному значению входного тока при включении устройства. Пусковой ток выражается либо в абсолютных значениях, либо как кратность максимального значения входного тока к потребляемому току в установившемся режиме. Другим важным значением является длительность пускового тока — время при запуске, в течение которого входной ток устройства превышает потребляемый ток в установившемся режиме.
Наличие пускового тока характерно даже для такого «древнего» и простого источника света как лампа накаливания. Вольфрамовая нить в охлажденном состоянии имеет сопротивление в 10-15 раз меньше, чем в нагретом до температуры, когда она светится. Соответственно, пусковой ток лампы накаливания в 10-15 раз больше потребляемоготокавустановившемся режиме.
Вот, кстати, почему лампы накаливания (и похожи по принципу работы галогенные лампы) выходят из строя чаще всего при включении.
В разрядных источниках света при запуске энергия затрачивается на создание плазмы между электродами, то есть электрического разряда, дающего свечение. К таким источникам света относятся, например, натриевые, металлогалогенные и люминесцентные лампы. Данные по кратности пусковых токов и их продолжительности можно найти в таблице 1.
Таблица 1. Параметры запуска для традиционных источников света
Что такое пусковой ток светодиодного светильника
Вступление или мировой опыт
К сожалению, на данный момент в нашей стране нет единого стандарта по измерению пусковых токов. Нет единого стандарта и в мире. Наиболее близкий к обсуждаемой теме стандарт NEMA-410 описывает коммутирующие устройства, а не источники питания. Почти дословный (не профессиональный) перевод преамбулы стандарта звучит так: «Этот стандарт распространяется на устройства с номинальным напряжением 120 В, 277 В переменного тока и 347 В переменного тока, предназначенные для управления электронными драйверами, разрядными балластами и лампами со встроенным балластом с нагрузкой до 16 А постоянного тока». Описанная методика своей целью ставит испытание «включателей освещения», а не источников питания освещения, что прямо отражено в схеме испытательного стенда, применяемого в этом стандарте. Название стандарта на 2015-ый год: «Performance Testing for Lighting Controls and Switching Devices with Electronic Drivers and Discharge Ballasts». И, к сожалению, стандарт не является международным, его автор — National Electrical Manufacturers Association. Стандарт разработан и действует в США, в нём нет данных для европейских сетевых напряжений, что значительно усложняет его применение на нашем континенте.
Обратимся к опыту крупных мировых производителей драйверов, чтобы понять, как они выходят из этой ситуации. Ниже приведена таблица с образцами параметров, которые производитель указывает в паспорте на продукцию, и описание методик измерения этих параметров.
Параметры пусковых токов в паспорте на драйвер
COLD START 50A (twidth=500μs measured at 50% Ipeak) at 230VAC; Per NEMA 410 [i]
Эквивалент сети из стандарта NEMA-410 (100 мкГн + 450 мОм)
Inrush Current Ipeak 46 A At 230Vac Inrush Current Twidth 440 μs At 230Vac, measured at 50% Ipeak [ii]
Data is based on a mains supply with an impedance of 400 mΩ (equal to 15 m of 2.5 mm² cable and another 20 m to the middle of the power distribution) in the worst-case scenario. [iii]
1.5 A²s At 220Vac input, 25C cold start, duration=656 us, 10%Ipk-10%Ipk. See Inrush Current Waveform for the details [iv]
(в документе так же приводится осциллограмма пусковых токов)
Inventronics simulates turning the driver ON at the peak of the AC input as shown earlier in Figure 5 by using a charged bank of capacitors to serve as the source of power. [v]
In-rush current (peak / duration) 39 A / 286 µs [vi]
(Tridonic: Cable length 40 cm; Resistivity: 0.0172 * mm² / m; inductance: 5 nH / cm; 2 terminal resistance: 2 m [vii]
*Все данные, указанные в таблице, находятся в свободном доступе и доступны по ссылкам в конце статьи.
В этой таблице я позволил себе прямые цитаты из текстов с минимальными комментариями, теперь рассмотрим эту информацию подробнее.
Из приведённых производителей эквивалентом сети из стандарта NEMA-410 для измерений пользуется только один – это MeanWell. Philips производит измерения на эквиваленте сопротивлением 400 мОм. Для имитации включения драйвера в момент максимального мгновенного напряжения в сети, Inventronics использует включение от батареи конденсаторов и не использует ограничивающие ток цепи (рекомендуется сопротивление шунта менее 0,1 Ома, иных сопротивлений нет). Компания Tridonic в своих измерениях использует отрезок кабеля длиной 40 сантиметров.
Из этой информации можно сделать вывод, что при отсутствии единого стандарта производители самостоятельно не пришли к единой методике и не используют иные близкие стандарты. Методики схожи в том, что измерения производятся при амплитудном значении напряжения сети, но даже переменное напряжение в тестовой установке применяется не всеми.
Какие параметры пусковых токов хотят донести до своих клиентов производители? Попробуйте прямо сравнить параметры пусковых токов приведенных драйверов MeanWell и Inventronics. Сложно, правда? Токи были измерены при разных напряжениях, на разных эквивалентах сети, а главное, амплитуду тока одного драйвера невозможно сравнить с площадью под кривой тока второго, а длительности измерены по различным уровням относительно амплитуды.
У многих производителей драйверов можно найти статьи с объяснением значения пусковых токов и рекомендации по подбору комплектующих на основании этой информации. Приведённые в паспортных данных параметры импульсов пускового тока должны упростить клиенту задачу проектирования сети освещения либо рекомендованной ими методикой расчёта, либо же в большинстве документов можно увидеть прямые данные о том, сколько конкретных драйверов можно включить на конкретные типы автоматических выключателей без риска ложноаварийного отключения.
Пусковые токи драйверов Аргос
Компания Аргос разработала и применяет уникальную, как минимум на раннем этапе внедрения, топологию драйвера, в которой нет накопительного электролитического конденсатора на сетевой стороне преобразователя. Это привело к тому, что пусковые токи (в популярном понимании термина) имеют очень маленькие длительности и энергии.
На осциллограмме приведен пусковой ток драйвера ИПС100-700, измеренный на эквиваленте сети очень близком к стандарту NEMA-410 (500 мОм вместо 450 мОм в стандарте). Не будем долго полемизировать об энергетической ценности этого импульса и сделаем себе запас, описав огибающую амплитуд всех импульсов из серии. По уровню 50% амплитуды длительность составляет 120 мксек, амплитуда – 22,5 ампера. Аналогичное испытание мы провели без эквивалента сети.
Здесь длительность импульса сократилась практически до 20 мксек по 50%, а амплитуда выросла до 70 ампер.
Воспользуемся параметрами этих импульсов для практических расчётов. Рассчитаем, сколько драйверов можно безопасно включить одним стандартным автоматическим выключателем. Для расчёта мы выберем выключатель В10 (номинальный ток 10 ампер, кривая В). Будем считать, что драйверы потребляют по питанию 100 Вт каждый и питание производится от сети 230 вольт. Тогда минимальное питающее напряжение составит 198 В (если сеть соответствует ГОСТ). Потребляемый ток составит 100 / 198 = 0,5 А. Номинальный ток выключателя в 10 ампер позволит нам запитать 20 драйверов. Для расчета влияния пусковых токов драйверов на магнитный расцепитель автоматического выключателя воспользуемся информацией из статьи «InventronicsCircuitBreakers», где приведена диаграмма чувствительности автоматических выключателей к импульсам тока короче 10 миллисекунд для автоматических выключателей ABB. Prooffactor (K) – коэффициент, показывающий во сколько раз ток удержания магнитного расцепителя будет выше номинального тока удержания в зависимости от длины импульса. Для импульса длительностью 120 мксек К-фактор равен 25, а для 20 мкс – 100! Для выключателя В10 ток удержания равен 10 * 3 = 30 А. Итоговый ток удержания для импульса 120 мксек 30 * 25 = 750 ампер. Амплитуда импульса пускового тока 20-ти драйверов составит 20 * 22,5 = 450 ампер. Это почти в два раза меньше максимально допустимого значения. Для второго случая при 20 мксек, ток удержания 30 * 100 = 3000 ампер, а суммарный ток драйверов 1400 ампер!
Как мы писали в более ранней статье, драйверы Аргос можно включать на автоматические выключатели исходя только из номинальных токов потребления – пусковые токи учитывать нет необходимости, они не способны привести к ложноаварийному отключению. Оценив ранее эти данные, мы пришли к выводу, что важнее предупредить нашего клиента от перегрузки питающего оборудования.
На картинке зафиксирован весь процесс запуска драйвера Аргос ИПС100-700. Осциллографом зафиксирована форма тока ИПС через шунт 10 мОм (масштаб 10 мВ = 1 А) от источника постоянного тока 230 вольт. На входе драйвера применён фильтр высокочастотных помех с конденсаторами малой ёмкости, которые и заряжаются пиками №1 и №2; далее до запуска преобразователя наблюдается пауза; пик №3 – это заряд конденсатора на выходе драйвера запустившимся в этот момент преобразователем; и №4 – номинальный режим. В отличие от пиков №1 и №2, пик №3 имеет длительность в несколько периодов сети и заканчивается выходом драйвера на номинальный режим работы.
У большинства драйверов, как и на нашей осциллограмме, есть паузы в потреблении тока между включением питания и запуском преобразователя. Большие начальные импульсы тока могут привести не только к отключению автоматов, но и к кратковременным перегрузкам сети питания. Так как за первыми импульсами следует пауза, в которой потребления нет, сеть имеет возможность восстановиться от сверхнагрузок. Однако, при запуске самого импульсного преобразователя, меньшая по амплитуде перегрузка длится уже несколько периодов сетевого напряжения, что способно привести к необратимому краху сети, ошибочно спроектированной или имеющей предаварийное состояние. Эта опасность так же во многом связана с тем, что в отличие от ламп накаливания, большинства магнитных балластов и подобных устройств, потребляемая мощность которых зависит от напряжения в сети, LED-драйверы являются устройствами, стабилизированными по мощности – при снижении напряжения питания, ток потребления растёт. Если источник электропитания не способен обеспечить пусковое энергопотребление линии, то во время запуска, при значительном снижении (просадке) напряжения в системе, процесс роста тока потребления может развиваться лавинообразно и необратимо. В лучшем случае это приведёт к срабатыванию защиты, но возможны и случаи аварий. Следует обратить внимание и на автономные источники питания освещения (аварийные, ИБП, генераторы и т.д.), которые, как правило, имеют меньшую перегрузочную способность, чем промышленные сети.
Именно потому, что пиковые токи при подаче питания на драйверы Аргос не способны привести к ложному срабатыванию автоматических выключателей, а на восстановление источника энергопитания от кратковременной перегрузки есть время (пауза перед запуском преобразователя), мы считаем, что нашим клиентам важнее амплитуда тока при запуске преобразователя (пик №3 на осциллограмме). Именно амплитуда пика №3 – пускового тока импульсного преобразователя — приведена в наших каталогах и паспортах в разделе «пусковой ток».
Нужно ли учитывать пусковые токи светодиодных светильников?
Сегодня очень интересная тема про пусковые токи светодиодных светильников. Недавно я был удивлен, когда узнал, что у светодиодных светильников очень большие пусковые токи и я решил в этом вопросе разобраться чуть глубже, ну и конечно же, поделиться с вами.
Далеко не каждый производитель в каталоге указывает пусковые токи на светильники.
Мощность светильника при этом указана 42 Вт.
Недавно на моем канале youtube было видео, где я на примере рассказал, как бы я выполнил рабочее освещение. Я надеялся, что у меня спросят, а как же пусковые токи, автомат С6 разве не сработает? Почему-то на это никто не обратил внимание.
Дело в том, что сейчас я вам попытаюсь доказать, что на пусковые токи светодиодных светильников в большинстве случаев можно не обращать внимание.
При выборе автоматического выключателя важно знать не только рабочий ток, но и пусковой ток. Но, даже если вам известен пусковой ток, это не значит, что можно правильно выбрать защитный аппарат. Очень важное значение имеет длительность пускового тока.
Поскольку, в каталоге я не нашел длительность пускового тока, то задал вопрос производителю.
В этот же день я получил ответ:
Рекомендуемый тип автоматического выключателя: C. На 16A автомат допускается подключать до 50 устройств.
Как видим, пусковой ток данного светильника составляет всего 3 мкс. На мой взгляд, длительность пускового тока всех светильников будет примерно такая.
Давайте займемся математикой и обоснуем все на цифрах.
Расчетный ток одного светильника: 0,2 А.
Расчетный ток 50 светильников: 0,2*50=10 А.
Пусковой ток одного светильника: 35 А.
Пусковой ток 50 светильников: 50*35=1750 А.
Выберем автоматический выключатель с характеристикой С16.
Отношение пускового тока к номинальному току автоматического выключателя: 1750/16=110.
Давайте определим, какая должна быть длительность данного пускового тока, чтобы сработал электромагнитный расцепитель автоматического выключателя С16.
Округлять буду в большую сторону, задавая таким образом задел прочности нашего расчета.
Время-токовая характеристика автоматического выключателя
По графику можно сказать, что пусковой ток должен иметь длительность приблизительно 0,005 с или 5 мс. А это в 100 раз больше (если считать 5 мкс), чем длительность пускового тока нашего светодиодного светильника.
А теперь давайте, проверим, сработает ли автомат, если запас по току будет всего 20%.
Исходные данные: 40 светильников.
Расчетный ток одного светильника: 0,2 А.
Расчетный ток 40 светильников: 0,2*40=8 А.
Пусковой ток одного светильника: 35А.
Пусковой ток 40 светильников: 35*40=1400 А.
Выберем автоматический выключатель с характеристикой С10.
Отношение пускового тока к номинальному току автоматического выключателя: 1400/10=140.
К этому варианту в принципе применим тот же график: пусковой ток должен составлять 0,005 с, чтобы автомат сработал.
Вывод: при выборе светодиодных светильников, пусковые токи практически не влияют на выбор номинального тока автоматического выключателя, если характеристика автоматического выключателя «С», а запас по току составляет не менее 20%. Я же советую запас автоматического выключателя для светодиодных светильников предусматривать 20-40%.
По светильникам, думаю, еще будут статья либо видео на youtube, где расскажу о некоторых особенностях и нюансах, о которых нужно знать при выборе светильников.
Советую почитать:
комментариев 18 “Нужно ли учитывать пусковые токи светодиодных светильников?”
Производитель светильников выдал Вам не всю информацию. В светильниках МГК «Световые технологии» установлены источники питания (драйвер) DEUS, в спецификации которых кроме «пусковых» фигурируют еще «стартовые» длительностью 1,5 с. Пройдите на сайт DEUS.
Загляните так же в новый каталог ABB, там привели (в предыдущих версиях каталога отсутствовал) график срабатывания АВ при импульсных токах.
Денис все правильно сказал, если углубляться в этот вопрос, то нужно смотреть datasheet на драйвер установки, и, в большинстве случаев, там так же присутствует рекомендация по количеству подключаемых светильников в 1 группу.
В спецификации указано время старта Денис :
Извлечение из СП 256.1325800.2016:
10.3 К групповым линиям рабочего освещения лестничных клеток, поэтажных коридоров,
холлов, вестибюлей, технических этажей, подполий и чердаков разрешается присоединять на
— до 60 ламп накаливания мощностью до 60 Вт;
— до 75 люминесцентных или светодиодных ламп мощностью до 40 Вт;
— до 100 люминесцентных или светодиодных ламп мощностью 20 Вт и менее.
Прим.: светодиодных ламп — читай источников питания (драйверов).
Пункты 10.3 СП 256.1325800.2016, 9.3 СП 31-110-2003, 6.2.10 ПУЭ. Во всех случаях оперируют мощностью групповой линии рабочего освещения безотносительно номинала автомата и сечения кабеля: 3 и 2 кВт на фазу для ламп мощностью до 40 и 20 Вт соответственно. Принцип нормирования не очевиден. Понятно, что номинал автоматического выключателя и сечение кабеля определяется по расчётному току и коэффициенту мощности (и прочие аспекты: коэфф. спроса, пусковые токи, гармоники, потери напряжения и др.). Чем руководствовались при определении максимального количества светильников на фазу? Почему пункты не распространяется на офисные помещения?
За ранее спасибо за ответ!
Я на этот пункт редко обращаю внимание. Это больше актуально для больших торговых залов. Скорее всего как раз пусковыми токами это все определяется. Некоторые вообще чуть ли не на каждое помещение делают отдельную группу. Я бы ввел негласное правило: не более 2 кВт на фазу в сетях внутреннего освещения (10А расчетный ток и автомат на 16А).
Я считаю, если пусковой ток критичен при выборе автоматического выключателя, то производитель его должен указывать в каталоге, не только номинал, но и длительность. Какое значение «стартового» тока? Если до 5In, то ничего страшного.
Не понял один момент: в начале статьи два раза говорится, что пусковой ток светильника — 35А. А затем Вы считаете пусковой ток как 0,2*35=7 А. Что это за расчет и какой всё-таки пусковой ток в итоге — 35А или 7А?