Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Napoli Federico II Via Claudio, 21 80125 - Napoli Caratteristiche di funzionamento del dispositivo ELESAVER ST7-100 Napoli, 07 maggio 2007 1
Rilievi sperimentali effettuati sull alimentatore per sorgenti luminose ELESAVER ST7-100 Il giorno 18 aprile ed il giorno 02 maggio 2007 è stato verificato il funzionamento dell alimentatore Elesaver ST7-100 presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell Università degli Studi di Napoli Federico II. Per verificare il funzionamento dell alimentatore è stato allestito il circuito di prova, sinteticamente schematizzato in fig.1. Fig.1 Schematizzazione del circuito di prova L alimentatore per sorgenti luminose è collegato ad un banco di alimentazione in grado di garantire una tensione di alimentazione nominale pari a 219 V a 50 Hz (valore misurato dai rilievi sperimentali effettuati). E possibile controllare il valore della tensione di uscita del banco, per fornire all alimentatore valori di tensione superiori o inferiori a quello nominale. L alimentatore è direttamente 2
collegato ad un carico modulabile, in grado di rappresentare indifferentemente carichi di natura ohmico ed ohmico-induttiva. Il sistema di acquisizione ed elaborazione dati è costituito da due trasduttori di corrente LEM e un oscilloscopio YOKOWAGA, in grado di registrare, memorizzare, visualizzare e stampare direttamente le grandezze elettriche di interesse. Nel caso particolare, per verificare il funzionamento dell alimentatore sono state rilevate, attraverso campionamento e memorizzazione, le tensioni e le correnti nei nodi e nei rami in ingresso ed in uscita all alimentatore. L alimentatore è stato provato in differenti condizioni di funzionamento. In particolare, nel seguito sono presentati i rilievi sperimentali delle prove aventi ad oggetto: 1) il ciclo di accensione ( SOFT START ); 2) le condizioni di funzionamento di regime su carico; 3) le caratteristiche della tensione di alimentazione durante la fase di regolazione del valore di tensione di uscita. 1) CICLO DI ACCENSIONE ( SOFT START ) La prova prevede l acquisizione dei rilievi delle tensioni in ingresso ed in uscita dall alimentatore. I rilevi della prova effettuata sono riportati nelle seguenti figg.2 e 3. Nelle figure sono riportate le forma d onda di regime della tensione di ingresso (costantemente pari a 219 V) e di uscita (variabile tra il valore minimo di 189,7 V, fig.2, ed il valore massimo di 211,2 V, fig.3). 3
Fig.2 Rilievo prova Soft Start Fig.3 Rilievo prova Soft Start Il ciclo di accensione è di seguito dettagliato. All atto in cui l alimentatore è connesso al banco prova, che fornisce la piena tensione di 219 V, la tensione in uscita all alimentatore raggiunge i 210 V. Successivamente, il valore di tensione di uscita inizia a diminuire con continuità fino a raggiungere il valore di soglia minimo di 190 V (valore comunque in grado di sostenere l alimentazione anche per le lampade a vapori di mercurio). Raggiunto tale valore minimo, la tensione 4
torna nuovamente ad crescere fino al raggiungimento del valore di piena tensione di 219 V, che è sostenuto per un limitato periodo di tempo. Trascorso tale intervallo di tempo, la tensione di alimentazione sul carico si riduce nuovamente fino al raggiungimento del valore finale di regime pari a 211 V. Il ciclo di accensione è sinteticamente riportato nella successiva fig.4. La sequenza di accensione è riportata secondo l inviluppo dei valori massimi della tensione sinusoidale di uscita. Fig. 4 Rilievo prova Soft Start 2) CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO A REGIME SU CARICO La prova prevede l acquisizione dei rilievi delle tensioni e della correnti in ingresso ed in uscita dal regolatore. Il risultato della prova su carico ohmico è riportato nella seguente fig.5. 5
Fig.5 Rilievo prova su carico Le tensioni sono riportate nei canali dell oscilloscopio CH1 e CH3, le correnti fanno riferimento ai canali CH5 e CH7. Il carico alimentato a 210 V è in grado di assorbire una corrente di circa 6.4 A. L analisi dei rilevi mette in rilievo la perfetta sovrapposizione tra le fasi delle tensioni e correnti in ingresso ed uscita. Attraverso l acquisizione e memorizzazione dei valori massimi delle grandezze elettriche in ingresso ed uscita è stato possibile stimare il rapporto tra la potenza (pari al prodotto della tensione per la corrente) erogata in uscita e quella assorbita in ingresso dall alimentatore. Dal riscontro dei valori ricavati è possibile stimare che l alimentatore operi con un rapporto tra le potenze in uscita ed in ingresso praticamente pari al 98%. 3) Caratteristiche della tensione di alimentazione durante la fase di regolazione del valore di tensione di uscita L ultima prova effettuata ha avuto come oggetto la verifica delle caratteristiche della tensione di alimentazione (lato carico) durante la fase di regolazione, in seguito alla variazione della tensione di ingresso. Per mettere in rilievo eventuali disturbi presenti nella tensione di uscita, la frequenza di 6
campionamento dell oscilloscopio è stata portata a 500 ks/s. In fig.6 è riportato il rilevo della prova. Fig.6 Rilievo prova durante regolazione della tensione Come è evidente dal risultato della prova, non sono evidenti disturbi nella caratteristica della tensione di alimentazione in uscita. 7
Dispositivi di gestione e controllo per Sorgenti Luminose 1. Le sorgenti luminose Le sorgenti luminose normalmente utilizzate negli impianti di illuminazione si possono classificare come lampade ad incandescenza ed alogene e lampade a scarica in gas. Le lampade ad incandescenza sono sorgenti di luce a bassa efficienza, solo una piccola parte della potenza elettrica assorbita viene trasformata in luce; le lampade a ciclo di alogeno presentano un efficienza più elevata (circa 25 lm/w). Nelle lampade a scarica l energia elettrica viene direttamente trasformata in energia luminosa. Nella fig.1 le principali sorgenti luminose di normale applicazione sono riportate in forma sintetica. In particolare, si segnala che la produzione tecnologica è in grado di offrire sul mercato lampade a scarica in gas normalmente in grado di assicurare, rispetto le lampade ad incandescenza, maggior compattezza, elevata potenza, maggiore rendimento. Fig. 1 Classificazione delle sorgenti luminose 8
Si segnala che in particolari applicazioni prevedono anche la possibilità di adottare sorgenti luminose ad induzione, per le quali la corrente elettrica genera un campo elettrico. Ogni sorgente luminosa è caratterizzata da specifici indici prestazionali di natura specificatamente tecnica, quali ad esempio il flusso luminoso o l efficienza luminosa, o temporale, la vita utile. I fattori che influenzano tali indici sono molteplici: il naturale processo di invecchiamento; la temperatura ambiente; le variazioni del valore nominale della tensione e della frequenza di alimentazione; il numero e la frequenza di accensioni; le sollecitazioni meccaniche. In particolare, hanno un importanza rilevante sulla durata delle sorgenti le variazioni delle tensioni di alimentazione. In relazione alle caratteristiche dell alimentazione, è possibile individuare il valore nominale della tensione di alimentazione, che assicura il funzionamento della sorgente nelle condizioni ordinarie previste dalla progettazione. La tensione di alimentazione è un dato fondamentale per assicurare la durata di qualsiasi sorgente luminosa. Le lampade ad incandescenza ed alogene sono maggiormente influenzate da tale parametro, ma è comunque vero che le lampade a scarica sono anch esse sensibili, per motivi diversi, alla tensione di alimentazione. Durante il normale esercizio della rete elettrica, accade sovente che il valore della tensione di alimentazione si scosti da quello nominale. Pertanto, è possibile verificare che la sorgente luminosa risulti alimentata con valori di tensione superiori o inferiori a quello nominale previsto. In tali casi il comportamento delle sorgenti luminose risulta influenzato dall entità dello scostamento della tensione rispetto al valore nominale. E tradizionalmente acclarato che valori di tensione superiori a quello nominale, per quanto comportino normalmente l incremento della resa luminosa, determino condizioni 9
di stress sui componenti della sorgente, in grado di accelerarne repentinamente il raggiungimento della vita utile stimata. Viceversa, l alimentazione della sorgente con valori di tensione inferiori a quello nominale, se opportunamente controllato, può determinare solo lievi riduzioni nella resa luminosa, ma anche un non trascurabile incremento nella vita utile. Infatti, le sorgenti luminose possono essere comunque alimentate con valori di tensione inferiori a quello nominale, senza che la resa luminosa possa pregiudicare in modo significativo la resa all occhio umano. Per altro, è necessario puntualizzare che a parità di condizione di alimentazione, la riduzione di resa e la percentuale di risparmio differiscono tra i differenti tipi di lampade. Ad esempio si segnala che le sorgenti ad incandescenza, tradizionali e a ciclo di alogeni, e le sorgenti a luce miscelata sono molto sensibili alle variazioni di tensione. All aumento della tensione, infatti, corrisponde un aumento della velocità di vaporizzazione del filamento di tungsteno. Nel caso di sorgenti a scarica, l aumento della tensione di alimentazione provoca una riduzione dell emissione luminosa ed un aumento della temperatura. Brevi ma brusche diminuzioni di tensione possono portare allo spegnimento delle sorgenti a scarica; frequenti spegnimenti e riaccensioni a seguito di microinterruzioni, portano ad una riduzione della vita della sorgente. Le sorgenti a vapori di sodio ad alta pressione sono in generale più sensibili alle variazioni di tensione rispetto alle altre lampade a scarica, in relazione alla tecnologia utilizzata nel tubo di scarica. Infine, si ritiene opportuno evidenziare che attualmente sono in vigore anche dettagliate leggi regionali (ad esempio L.R. 17/00 della regione Lombardia o L.R. 24/03/00, n. 31 della regione Piemonte), che indicano i criteri di progettazione degli impianti di illuminazione finalizzati all abbattimento del flusso luminoso disperso, al risparmio energetico, al rispetto delle Norme vigenti 10
riguardo la sicurezza. Tali leggi suggeriscono la necessità di regolare il flusso luminoso attraverso il controllo della tensione di alimentazione. Recentemente si è sviluppata in ambito tecnico e normativo una notevole attenzione per la possibilità di regolare il flusso luminoso emesso dalle sorgenti a causa della crescente sensibilizzazione al tema del risparmio energetico e della limitazione dell inquinamento luminoso. Per quanto le sorgenti siano più o meno adatte ad essere regolate, grande attenzione si sta ponendo ai dispositivi dedicati alla regolazione. Con il termine dispositivi di gestione e controllo si intendono generalmente quei dispositivi che consentono la temporizzazione e la riduzione del flusso luminoso, in base alle reali esigenze di fruizione degli ambiti illuminati. 2. Comportamento delle sorgenti luminose al variare delle caratteristiche della tensione di alimentazione Una volta individuate le principali sorgenti luminose e suddivise per tipologia e caratteristiche costruttive, è possibile determinare le più significative informazioni circa la sensitività dei vari parametri elettrici e di resa luminosa al variare dei valori della tensione di alimentazione. In tal modo si è in grado di valutare il comportamento delle sorgenti alle varie caratteristiche dell alimentazione elettrica. Nelle seguiti figure sono riportate le caratteristiche di funzionamento di differenti tipologie di sorgenti luminose in relazione al variare della tensione di alimentazione. In particolare, per ogni sorgente sono riportate le curve della potenza nominale, della corrente assorbita e del flusso luminoso emesso dalla lampada. Dall esame delle caratteristiche è possibile caratterizzare, per ogni sorgente, la legge di variazione del flusso luminoso al variare della tensione di alimentazione. 11
a) Lampada a vapori di sodio a bassa pressione lampade sodio a bassa pressione % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 V % potenza% corrente % flusso luminoso % b) Lampada a vapori di sodio ad alta pressione lampada sodio alta pressione % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 potenza% corrente % flusso luminoso % V% c) Lampada ad alogenuri metallici Alogenuri metallici % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 V% potenza% corrente % flusso luminoso % 12
d) Lampada a vapori di mercurio Vapori di mercurio % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 V% potenza% corrente % flusso luminoso % e) Lampada a fluorescenza Lampada a fluorescenza % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 V% potenza% corrente % flusso luminoso % f) Lampada a incandescenza Lampada a incandescenza % 140 120 100 80 60 40 20 60 70 80 90 100 110 120 V% potenza% corrente % flusso luminoso % 13
3. Dispositivi di alimentazione per sorgenti luminose L uso di dispositivi di alimentazione può concorrere ad incrementare la vita utile delle sorgenti luminose ed assicurare percentuali non trascurabili di risparmio energetico. I dispositivi di alimentazione, attraverso la regolazione della tensione di alimentazione delle sorgenti luminose ad esso sottoposte, sono in grado di controllarne le caratteristiche operative. I dispositivi di alimentazione per sorgenti luminose sono normalmente in grado di: 1) attuare cicli di accensione dedicati; 2) contenere in condizioni di regime la tensione di alimentazione delle sorgenti in limiti prefissati. In merito all attuazione dei cicli di accensione, i regolatori sono in grado di realizzare, attraverso l individuazione di specifici tempi programmabili dall utente, anche in accordo con il costruttore, protocolli di avvio dedicati per l uso dei differenti tipi di sorgenti luminose (i cicli sono attuati per garantire il regolare innesco del processo chimico all interno delle lampade). Trascorso il tempo di accensione il regolatore alimenta la sorgente al valore di tensione predefinito. In caso di black-out, al ritorno dell alimentazione di rete, il regolatore ripete il ciclo di accensione delle sorgenti prima di riportare la tensione di alimentazione al valore programmato. In merito alle condizioni di funzionamento di regime, è possibile prevedere che il regolatore può essere impostato per alimentare la lampada attraverso un valore di tensione di alimentazione in grado di assicurare risparmio energetico, allorquando il livello massimo del flusso luminoso non sia necessario. Il regolatore può essere dotato di più regimi di funzionamento ed il passaggio da un regime all altro avviene normalmente in modo graduale al fine di adattare con continuità il livello di illuminamento e limitare il fastidio arrecato all occhio 14
umano. Inoltre, normalmente il regolatore è in grado di stabilizzare la tensione di alimentazione entro il ±1% rispetto al valore impostato, anche a fronte delle variazioni della tensione in ingresso. 4. Vantaggi nell uso dei regolatori L uso di regolatori di alimentazione per sorgenti luminose può comportare una serie di vantaggi. E possibile classificare tali vantaggi in relazione agli aspetti della sicurezza e del risparmio economico. Nella seguente fig.2 sono sintetizzati i principali vantaggi dell uso. Fig. 2 Classificazione dei vantaggi conseguenti all uso dei regolatori per sorgenti luminose 15
L utilizzo dei regolatori può consentire di: 1) ottenere risparmio energetico, grazie alla programmazione della stabilizzazione e regolazione della tensione di alimentazione in funzione dell orario di accensione. Infatti, il regolatore può essere impostato con valori di tensione diversi, al fine di massimizzare il risparmio energetico, soddisfacendo comunque il livello di illuminamento previsto dalla normativa in vigore. In relazione a tale aspetto si segnala anche la conseguente riduzione di emissione nell atmosfera di CO 2, a seguito della minor energia consumata; 2) definire cicli di accensione dedicati per ogni tipologia di lampada, contribuendo alla riduzione dello lo stress sulla lampada, in termini di pressione e temperatura nella fase di accensione e, conseguentemente, all allungamento della vita utile; 3) alimentare al meglio lampade al sodio, mercurio, ioduri metallici e fluorescenti, soddisfacendone le caratteristiche costruttive nel tempo; 4) ridurre i costi di gestione degli impianti, in relazione alla riduzione dello stress sulle lampade; 5) controllare l inquinamento luminoso in ottemperanza alle nuove disposizioni di legge dettate dalla norma UNI 10819; 6) contenere i relativi costi di smaltimento delle lampade esauste. 16