Yli 25W LED-valaisimien sähkönlaatuvertailu

LED-valaisimia vertaillaan tavallisesti valovirran, valotehokkuuden, värintoiston ja käyttöiän perusteella. Tässä vertailussa valotekniset ominaisuudet jätettiin tarkoituksella sivuun. Tarkastelun kohteena olivat valaisimien sähköverkosta ottama virta, tehokerroin, harmoninen särö ja pätöteho. Yli 25W valaisimille on määräyksissä vaatimus, että pitää käyttää tehokertoimen korjainta. Alle 25W valaisimissa tällaista vaatimusta ei ole, joten siellä tulee huomattavan suuria eroja.

Vertailussa olivat mukana:

• SNEP X04W110, 26 W
• SNEP P04MA, 25 W
• Glamox I40, 38 W
• NVC Toronto, 38 W
• NVC Toronto, 60 W

NVC Toronto on tehonvalintakytkimellä varustettu valaisin, joten se mitattiin sekä 38 W:n että 60 W:n asetuksella.

Mittaukset tehtiin OWON OWH9811 -tehoanalysaattorilla. Syöttöjännite tuotettiin ohjelmoitavalla GW Instek APS-7050 -vaihtojännitelähteellä.

Mittausolosuhteet

Valaisimet mitattiin käyttämällä puhdasta siniaaltoa sekä syöttämällä kahta eritasoista jännitesäröä. Type 5 = UTHD 4,3% ja type 11 UTHD17,8%

Puhdas siniaalto

Referenssimittauksessa jännite oli noin 229,8 V, taajuus 50 Hz ja jännitteen kokonaissärö tyypillisesti vain noin 0,1-0,2 %. Syöttöjännite oli siis käytännössä puhdas siniaalto.

Type 5 -aaltomuoto

Type 5 -testissä jännite oli noin 227,5-227,6 V ja jännitteen kokonaissärö noin 4,32 %. Aaltomuoto sisälsi erityisesti 3., 5., 7., 9. ja 11. harmonista komponenttia.

Type 5 -mittauksen tarkoituksena oli tutkia, miten LED-liitäntälaitteet käyttäytyvät kohtuullisesti säröytyneessä sähköverkossa. Kyseessä ei ollut standardin mukainen vaatimustenmukaisuustesti, vaan vertaileva laboratoriomittaus.

Vertailun lisäksi valaisimille tehtiin erittäin voimakkaasti säröytyneellä Type 11 -aaltomuodolla äärikoe. Type 11 -tuloksia käsitellään kirjoituksen lopussa erillään varsinaisesta puhtaan siniaallon ja Type 5:n vertailusta.

Puhdas siniaalto ja Type 5 - yhteenveto

SNEP X04W110

Puhtaalla siniaallolla valaisimen tehokerroin oli 0,931 ja virran kokonaissärö noin 10,3 %. Type 5 -syötöllä tehokerroin pysyi lähes ennallaan arvossa 0,933, mutta virran THD kasvoi noin 11,7 prosenttiin. Pätöteho kasvoi 25,14 watista 25,30 wattiin.

Valaisin sieti 4,3 prosentin jännitesärön hyvin. Muutos näkyi lähinnä virran harmonisissa, ei valaisimen ottamassa pätötehossa tai tehokertoimessa.

SNEP P04MA

P04MA:n tehokerroin oli puhtaalla syötöllä 0,942 ja Type 5 -syötöllä 0,943. Virran THD muuttui 13,7 prosentista noin 13,4 prosenttiin. Pätötehon ero oli vain noin 0,01 W.

Käytännössä valaisimen toiminta ei muuttunut. Erot ovat niin pieniä, ettei niistä kannata tehdä vahvoja johtopäätöksiä ilman useita toistomittauksia.

Glamox I40

Glamox I40 oli puhtaalla siniaallolla vertailun paras 38 W:n valaisin. Tehokerroin oli 0,971 ja virran THD vain noin 6,5 %.

Type 5 -syötöllä pätöteho pysyi käytännössä muuttumattomana ja tehokerroin laski vain hieman arvoon 0,968. Virran THD kuitenkin nousi noin 12,8 prosenttiin.

ITHD lähes kaksinkertaistui, mutta absoluuttinen tulos oli edelleen kohtuullinen. Mittaus osoittaa, että puhtaalla siniaallolla erittäin hyvin toimiva aktiivinen PFC-ratkaisu voi reagoida voimakkaasti syöttöjännitteen harmonisiin, vaikka pätöteho ja tehokerroin säilyvät lähes ennallaan.

NVC Toronto, 38 W

Puhtaalla siniaallolla NVC:n 38 W asetuksen tehokerroin oli 0,949 ja virran THD noin 11,9 %. Type 5 -syötöllä tehokerroin parani arvoon 0,952 ja ITHD pieneni noin 9,8 prosenttiin. Pätöteho kasvoi 37,51 watista 37,60 wattiin.

Tässä tapauksessa säröytynyt jännite ei suurentanut virran kokonaissäröä, vaan tietyt syöttöjännitteen ja valaisimen ottaman virran harmoniset näyttävät osittain kumonneen toisiaan.

Tästä ei kuitenkaan pidä päätellä, että säröytynyt verkko olisi valaisimelle yleisesti parempi. Kyse on tietyn LED-ajurin ja tietyn jänniteaaltomuodon yhteisvaikutuksesta.

NVC Toronto, 60 W

NVC:n 60 W asetus tuotti vertailun parhaat Type 5 -tulokset. Puhtaalla siniaallolla tehokerroin oli 0,977 ja ITHD 7,7 %. Type 5 -syötöllä tehokerroin nousi arvoon 0,978 ja ITHD pieneni noin 6,4 prosenttiin. Pätöteho pysyi 60 watissa.

Tulokset osoittavat selvästi, että säädettävän liitäntälaitteen kuormitusaste vaikuttaa sähkönlaatuun. Sama NVC-valaisin toimi 60 W asetuksella paremmin kuin 38 W asetuksella sekä puhtaalla että säröytyneellä syötöllä.

Tehokerroin ei yksin kerro koko totuutta

Tehokerroin kuvaa pätötehon suhdetta näennäistehoon:

λ = P / S

Mitä lähempänä arvo on yhtä, sitä pienempi RMS-virta tarvitaan saman pätötehon siirtämiseen.

Type 5 -mittauksissa valaisimien tehokertoimet vaihtelivat välillä 0,933-0,978. Yksittäisen valaisimen tehokerroin muuttui puhtaan siniaallon ja Type 5:n välillä vain vähän.

Virran harmoninen särö käyttäytyi kuitenkin eri tavalla:

• Glamoxin ITHD kasvoi selvästi.
• SNEP X04W110:n ITHD kasvoi maltillisesti.
• SNEP P04MA:n tulos pysyi lähes ennallaan.
• NVC:n molemmilla tehoasetuksilla ITHD pieneni.

Pelkkä tehokerroin ei siis kerro, kuinka paljon yksittäisiä harmonisia virtoja valaisin tuottaa.

Virran THD:n paremmuusjärjestys

Puhdas siniaalto

1. Glamox I40: 6,5 %
2. NVC Toronto 60 W: 7,7 %
3. SNEP X04W110: 10,3 %
4. NVC Toronto 38 W: 11,9 %
5. SNEP P04MA: 13,7 %

Type 5

1. NVC Toronto 60 W: 6,4 %
2. NVC Toronto 38 W: 9,8 %
3. SNEP X04W110: 11,7 %
4. Glamox I40: 12,8 %
5. SNEP P04MA: 13,4 %

Puhdas siniaalto ja säröytynyt verkko tuottivat siis erilaisen paremmuusjärjestyksen. Erityisen kiinnostavaa on, että Glamox oli puhtaalla syötöllä selvästi paras 38 W:n valaisin, mutta Type 5 -syötöllä NVC 38 W saavutti pienemmän virran THD:n.

Voiko sähkönlaatua parantamalla säästää merkittävästi energiaa?

Mittauksissa Type 5 -syötön vaikutus valaisimien pätötehoon oli hyvin pieni:

Tarkastellaan suurta valaistusjärjestelmää:

• 500 valaisinta
• käyttö 24 tuntia vuorokaudessa
• 8760 käyttötuntia vuodessa
• sähkön hinta 0,10 €/kWh

Vuotuinen energiavaikutus lasketaan:

E = (ΔP × n × t) / 1000

Kustannus:

C = E × hinta

Laskennallinen Type 5 -vaikutus 500 valaisimella

Suurinkin mitattu ero tarkoittaisi 500 jatkuvasti palavan valaisimen ryhmässä vain noin 70 euroa vuodessa.

Jos valaistuksen käyttöaika olisi esimerkiksi 4000 tuntia vuodessa, suurin laskennallinen kustannusvaikutus jäisi noin 32 euroon vuodessa.

Johtopäätös suorasta energiankulutuksesta

Tämän mittausaineiston perusteella sähkönlaatua parantamalla ei saavuteta merkittävää suoraa säästöä valaisimien ottamassa pätötehossa.

Erot olivat niin pieniä, että niihin voivat vaikuttaa myös:

• mittausarvojen normaali vaihtelu
• syöttöjännitteen pieni ero
• valaisimen lämpeneminen
• tehoanalysaattorin mittausepävarmuus
• yksittäisen valaisinyksilön toleranssit

Sähkönlaadun parantamisen taloudellinen hyöty ei tässä tapauksessa synny siitä, että yksittäinen LED-valaisin kuluttaisi huomattavasti vähemmän energiaa.

Missä harmonisten taloudellinen merkitys näkyy?

Vaikka valaisimen pätöteho ei juuri muutu, harmoniset virrat voivat kasvattaa sähköjärjestelmän häviöitä muualla:

• kaapeleiden I²R-häviöt kasvavat RMS-virran mukana
• muuntajien pyörrevirta- ja lisähäviöt voivat kasvaa
• kolmella jaolliset harmoniset voivat summautua nollajohtimeen
• keskusten ja liitosten lämpötilat voivat nousta
• suojalaitteiden ja kompensointilaitteiden kuormitus voi kasvaa
• käytettävissä oleva siirtokapasiteetti pienenee
• häiriöiden ja yhteensopivuusongelmien riski kasvaa

Tässä vertailussa mitattiin valaisimen ottamaa pätötehoa. Kaapelien, muuntajien ja keskusten todellisia lisähäviöitä ei mitattu.

Koko järjestelmän energiahäviöiden arviointi edellyttäisi ainakin:

• vaihekohtaisia kokonaisvirtoja
• valaisimien harmonisten vaihekulmia
• kaapelien ja nollajohtimien resistansseja
• muuntajan rakennetta ja kuormitusta
• kuormituksen samanaikaisuutta
• muiden samassa verkossa olevien epälineaaristen kuormien vaikutusta

Siksi pelkästä valaisimen ITHD-luvusta ei voida laskea luotettavasti koko rakennuksen energiansäästöä.

Type 11 - äärimmäinen rasitustesti

Type 11 -testi poikkesi olennaisesti puhtaan siniaallon ja Type 5:n mittauksista.

APS-7050:n jänniteasetuksen ollessa 230 V laitteen oma mittaus ja OWON-tehoanalysaattori näyttivät todelliseksi RMS-jännitteeksi noin 269 V. Jännitteen THD oli noin 17,76 %. Testi sisälsi siis samanaikaisesti:

• erittäin suuren jännitesärön
• noin 269 V:n RMS-jännitteen
• valaisimien 220-240 V:n nimellisalueen ylittävän jännitteen

Type 11 ei siten kuvaa pelkästään harmonisten vaikutusta. Se on tarkoituksenmukaisempaa nähdä liitäntälaitteiden äärimmäisenä sietokokeena.

Type 11 -tulokset

SNEP X04W110:n tehokerroin laski arvoon 0,880 ja virran THD nousi noin 23 prosenttiin, vaikka pätöteho pysyi lähes ennallaan.

SNEP P04MA säilytti pätötehonsa, mutta sen tehokerroin laski arvoon 0,902 ja ITHD nousi noin 20 prosenttiin.

NVC Toronto pysyi vakaana molemmilla tehoasetuksilla. Täydellä 60 W teholla sen tehokerroin ja ITHD olivat paremmat kuin 38 W:n osateholla.

Glamoxin vilkkuminen

Glamox I40:n toiminta muuttui Type 11 -testissä epävakaaksi APS-7050:n asetuksella 230 V. Valaisin vilkkui ja mittaustulokset vaihtelivat voimakkaasti:

• pätöteho noin 20-37 W
• ITHD noin 16-44 %
• tehokerroin noin 0,74-0,97

Valaisin tai sen liitäntälaite ei siis pysynyt jatkuvassa vakaassa toimintapisteessä.

Kun APS-7050:n nimellisasetus laskettiin 226 volttiin, todellinen RMS-jännite laski noin 264,6 volttiin ja vilkkuminen loppui. Vakaassa tilassa pätöteho oli 37,8 W, tehokerroin 0,945 ja ITHD noin 23,1 %.

Todellinen RMS-jännite pieneni vain noin 4,8 V, mutta toiminta muuttui epävakaasta vakaaksi. Tämä viittaa liitäntälaitteen kynnysmäiseen toimintarajaan.

Havaintoa ei pidä tulkita Glamoxin normaalin verkkojännitteen sietorajaksi. Type 11:n aaltomuoto ja huippuarvot poikkeavat huomattavasti normaalista sinijännitteestä.

Type 11:n laskennallinen energiavaikutus

Seuraava laskelma on vain havainnollistava ääriesimerkki. Se ei kuvaa normaalin sähköverkon sähkönlaadun parantamisen säästöpotentiaalia, koska Type 11 -testissä jännite oli noin 269 V ja samalla erittäin säröytynyt.

Vertailussa käytetään edelleen:

• 500 valaisinta
• 8760 h/v
• 0,10 €/kWh

Vakaina toimineet valaisimet

Negatiivinen kustannusero tarkoittaa ainoastaan, että mittarilla mitattu pätöteho oli Type 11 -testissä hieman pienempi. Se ei tarkoita, että ylijännite tai jännitesärö olisi energiansäästökeino.

Tulosten vaihteluväli oli noin -245...+149 euroa vuodessa 500 jatkuvasti palavan valaisimen järjestelmässä.

Glamoxin epävakaata 230 V Type 11 -mittausta ei käytetty energialaskennassa, koska valaisin vilkkui eikä pätöteho ollut vakaa.

Type 11 -testin tärkein havainto

Äärimmäisen säröytynyt ja samalla liian korkea jännite ei muuttanut useimpien valaisimien keskimääräistä pätötehoa paljon. Sen sijaan vaikutukset näkyivät voimakkaasti:

• tehokertoimessa
• virran harmonisessa särössä
• loistehossa
• liitäntälaitteen toimintavarmuudessa
• Glamoxin tapauksessa näkyvänä vilkkumisena

Type 11 tukee siten samaa päätelmää kuin Type 5: sähkönlaadun tärkein merkitys ei ole valaisimen suorassa wattikulutuksessa, vaan koko sähköjärjestelmän kuormituksessa ja laitteiden toimintavarmuudessa.

Lopputulos

Vertailun keskeinen havainto on, että LED-valaisimen sähkönlaatua ei voida kuvata yhdellä THD- tai tehokertoimen arvolla.

Eri liitäntälaitteet reagoivat samaan jännitesäröön eri tavoin:

• osassa virran THD kasvoi
• osassa se pysyi lähes ennallaan
• osassa se pieneni
• erittäin voimakkaassa Type 11 -testissä yksi valaisin alkoi vilkkua

Puhdas siniaalto ja Type 5 muuttivat valaisimien pätötehoa vain 0,00-0,16 W valaisinta kohden. Sähkönlaatua parantamalla saavutettava suora säästö valaisimien energiankulutuksessa jäi siten hyvin pieneksi, vaikka valaisimia olisi 500 kappaletta.

Parempi sähkönlaatu on silti tärkeää. Sen merkitys liittyy ennen kaikkea:

• kaapelien ja muuntajien häviöihin
• nollajohtimen kuormitukseen
• sähköverkon kapasiteettiin
• laitteiden yhteensopivuuteen
• käyttövarmuuteen
• liitäntälaitteiden lämpö- ja jänniterasitukseen
• häiriöiden ja ennenaikaisten vikojen ehkäisemiseen

Mittaukset ovat vertailevia laboratoriomittauksia. Ne eivät yksinään osoita valaisimien IEC/SFS-EN 61000-3-2 -standardin mukaista vaatimustenmukaisuutta. Kaikki valaisimet olivat myös yli 25W joten standardi edellyttää niille parempaa sähkönlaatua. Tulokset ovat huomattavan erinlaisia alle 25W valaisimilla. Niistä joskus erillinen blogi.

Mittauspöytäkirjat

Mittauspöytäkirjat kokonaisuutena löytyvät Excel-tiedostosta: valaisinvertailu_sahkonlaatu_type11_harmoniset_62_selitteet.xlsx .