Le sorgenti luminose

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
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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
la
disturbi
presenti
nella
tensione
di
uscita,
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.
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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.
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a) Lampada a vapori di sodio a bassa pressione
lampade sodio a bassa pressione
%
140
120
100
potenza%
corrente %
80
60
flusso luminoso %
40
20
60
70
80
90
100
110
120
V%
b) Lampada a vapori di sodio ad alta pressione
%
lampada sodio alta pressione
140
120
100
80
60
40
20
potenza%
corrente %
flusso luminoso %
60
70
80
90
100
110
120
V%
c) Lampada ad alogenuri metallici
Alogenuri metallici
%
140
120
100
potenza%
80
corrente %
60
40
flusso luminoso %
20
60
70
80
90
100
110
120
V%
12
d) Lampada a vapori di mercurio
Vapori di mercurio
140
%
120
100
potenza%
80
corrente %
60
40
flusso luminoso %
20
60
70
80
90
100
110
120
V%
e) Lampada a fluorescenza
Lampada a fluorescenza
%
140
120
100
potenza%
80
corrente %
60
40
flusso luminoso %
20
60
70
80
90
100
110
120
V%
f) Lampada a incandescenza
Lampada a incandescenza
%
140
120
100
potenza%
80
corrente %
60
40
flusso luminoso %
20
60
70
80
90
100
110
120
V%
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
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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 CO2, 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.
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