Spenningsregulering av lys

Tap i nett og hos kunder

I dag har en tettere bygg, gjerne kombinert med høy spenning (240-250 Volt). Lyskilder med høy spenning gir stor intern varme i disse byggene, som fører til økt bruk av kjøling.

Kunder som ligger nær trafo er mer utsatt for høyere spenning en de som ligger lenger ute i nettet. Bygg som ligger nær trafo kan en derfor si at koster mer å drifte, samt at de har et høyere energiforbruk og driftskostnader.

For nettselskap og energileverandører er det stor gevinst i å levere høyest mulig spenning til kunder, da det gir mist tap i offentlig strømnett.

Her vil vi forsøke å forklare kostnader og konsekvenser for kunder rundt temaene spenning og lyskilder.

Effekt og lysutbytte for lyskilder

Historisk sett er lys en ren ohmsk belastning (glødelampen), så den mengde strøm som forbrukes er direkte proporsjonal med spenningen. En høyere spenning gir derfor et økt forbruk. Enkelt fortalt får man bare ikke så mye mer lys for den overspenning som blir belastet disse lampene.

Til gjengjeld mister man heller ikke mye lys ved en lavere spenning, men derimot vil den opptatte effekt være betydelig mindre. Disse fysiske prinsipper utnyttes i våre løsninger.

Et konkret eksempel kunne være at et lysstoffrør* mister ca. 6 % lys ved reduksjon fra 230 Volt til 190 Volt - men forbruket vil være omkring 35 % mindre!

De fleste er i dag også av den overbevisning at en høyfrekvent elektronisk styring (HF spole) alltid er bedre og mere energieffektiv end en konvensjonell induktiv forkobling.  

Dette er imidlertid ikke helt riktig!

Normalt angis effektiviteten av en elektrisk enhet eller installasjon som en prosentdel, men slik fungerer det ikke med lys.

  • Et fluorescerende lysstoffrør med en HF-spole gir normalt 85 - 87 lm/W. Det er selvfølgelig bedre enn et tradisjonelt lysstoffrør med en magnetisk ballast, som drives ved 230 Volt med en tradisjonell starter som kun gir omkring 87 lm/W,
  • men det er ikke bedre enn et lysstoffrør med en induktiv forkobling drevet ved 190 Volt med en elektrisk starter, som gir omkring 88 - 89 lm/W!

Så sannheten er snarere at en moderne magnetisk ballast, med en elektrisk starter og en spenningsregulering/-optimalisering, faktisk kan være billigst og mest energieffektiv.

*Strømforbruket i høytrykksnatrium samt kvikksølv damplamper følger også noenlunde ovenstående.

Effekt/energiforbruk og levetid

Lyskilder har en tendens til å være tent store deler av døgnet. Derfor kan økt levetid på lysutstyr være meget verdifulle.

Glødelamper og halogenpærer er særlig utsatt for høyere tap ved høye spenninger (temperaturer). Ved å senke spenningen ned til et lavere nivå, kan det oppnås merkbare besparelser uten noen merkbar endring i lysnivået. Levetiden for lyspærer kan økes markant:

- En 230 V pære som brukes ved 240 V vil kun nå oppnå 55 % av sin "garanterte" levetid.
(IEE Electricians Guide)

Nyttevirkningen av enhver type lys vil forbedres med å justere spenningsnivået til den korrekte spenning, inklusiv systemer med induktive eller reaktive ballaster. Lysstoffrør er langt mere effektive enn glødelamper, men effektiviteten vil allikevel økes når den forsynes med den korrekte spenning. Optimering med spenningsregulerende utstyr vil aldri gi spenninger på et nivå hvor bygningsreglementet som stiller krav til belysning, ikke overholdes.

Elektriske forkoblinger til høyfrekvente lysarmaturer foretar allerede spenningsoptimalisering, så det vil være en mindre besparelse å hente her. Spenningsoptimalisering reduserer nødvendigheten av forkoblinger, da lysbelastninger da vil være mer effektive.

Enheter til regulering av lys og HF-forkoblinger (High Frequency) er også ansvarlige for å skape harmonisk forvrengning (støy) i systemet. Da hjelper noen typer spenningsreguleringsutstyr med å redusere/filtrere bort typisk 3., 5. og 7. overharmoniske, samt balansere ut faseforskyvninger ved skeiv belasting på faser. Med dette kan effektiviteten av installasjon forbedres ytterligere 3 -10%.

Lyskilde Effektreduksjon i %
pr. % spenningssenking
Fall i lysnivå i %
pr. % spenningssenking *
Glødelamper 1,5  3,0 
Lysstoffrør med konvensjonell forkobling 2,0  1,7 
Lysstoffrør med elektronisk forkobling
(HF spole)
0,2  0,0 
Kompaktlysstoffrør med konvertibel forkobling 1,8  1,1 
Kompaktlysstoffrør med elektronisk forkobling 0,2  0,0 
Kvikksølvdamplamper med konvensjonell forkobling 2,0  2,2 
Kvikksølvlamper med elektronisk forkobling 0,2  0,0 
Natriumslamper og metallhalogener med konvensjonell forkobling 2,0  2,0 

* det menneskelige øye registrerer ikke utsving i lysutbytte innenfor +/- 15 %

 

Hva er ballast i forbindelse med lys?

Ballasten i en lysarmatur er et stykke utstyr som regulerer strømmen til lampen når den tennes, og mens den er tent. Lamper har ofte en negativ motstand, så hvis de ikke hadde en ballast, ville de fortsette med å trekke strøm inntil strømforsyningen feiler. En negativ motstand betyr at lampen ikke er i stand til å styre mengden av strøm som trekkes. Ballasten fungerer derfor som en positiv motstand.

Det er mange forskjellige typer ballaster – type ballast avhenger av typen av lampe.

Resistorer (motstander) brukes som ballast i neonlamper med små belastninger, og i stigende grad i LED-lys. Variable resistorer kan brukes i glødelamper; de holder en konstant strøm selv om det skjer endringer i motstanden i resten av det elektriske kretsløpet.

Mindre lyskilder kan bruke passive komponenter, en resistor, som ballast. Bruken av resistor ved kraftigere lyskilder ville også resultere i et stort energitap; derfor brukes en reaktiv ballast til lamper større enn ca. 2 W. Denne type ballast kalles ”magnetisk/induktiv ballast” eller mere allment for en ”konvensjonell forkobling”. En magnetisk ballast kan inneholde spoler og kondensatorer, og kan forsyne fluorescerende eller HID-lamper (High Intensity Discharge = kvikksølv, natrium og metalhalogener).

Elektroniske forkoblinger benytter elektriske kretsløp til å regulere start- og driftsbetingelser av fluoriserende og HID-lamper. Her endres frekvensen av spenningsforsyningen til 20 kHz for å eliminere flimmer av lyskilden. Denne type forkoblinger fyller ofte mindre og er mer effektive en de magnetiske forkoblinger.

Spenningsregulering og glødepærer/halogenpærer

De klassiske glødepærer er utfaset i EU pr. 2013, men brukes i dag stadig i et stort omfang pga. innkjøpte lagre.

Glødelamper er klassiske termiske radiatorer, hvor strømmen løper gjennom en elektrisk ledende tråd av for eksempel wolfram. Glødetråden er omsluttet av en glasskolbe som er fylt med en inert gass eller er lufttom. Glødetråden varmes opp inntil den er hvitglødende varm. Hovedegenskapene av en glødelampe, som er dens lysutbytte og levetid, påvirkes av glødetrådens temperatur. Temperaturen defineres av forsyningsspenningen og den strøm som flyter gjennom den.  En halogenlampe er oppbygget på lignende måte, men kan klare høyere temperaturer og avgi kraftigere lys.

En glødelampe (og panelovn med og uten ternostat) er en lineær ohmsk belastning, dvs. at når spenningen stiger, så vil det avsettes mer effekt i pæren. Ved å justere spenningen til et lavere nivå kan et eventuelt overforbruk fjernes og energiforbruket nedsettes. Ved å bringe spenningen ned med 10 % kan det generelt oppnås en energibesparelse på ca. 15 %. Lysnivået vil falle med ca. 30 %.

Spenningsregulering og lysstoffrør med konvensjonell forkobling

Lysstoffrør kan fås i mange forskjellige former og størrelser. Felles for dem alle er at en vedvarende elektrisk strøm stimulerer kvikksølvatomer i en lavtrykksglasbeholder slik at de utsender ultrafiolette fotoner. Disse fotoner stimulerer heretter en edelgass, som er blandet opp i glassbeholderen. De fotoner som edelgassen utsender, er det synlige lys som lampen avgir.

Lysstoffrør kan ikke tilsluttes direkte til forsyningsspenningen på grunn av deres negative belastning. Det må tilføyes noe utstyr som kan kontrollere strømmen til lampen, og som sørger for at lampen starter korrekt. Dette kan oppnås via en impedansforkobling, som kan utføres av en spole, en kondensator eller begge deler.

Ved å regulere spenningen over slike lysstoffrør, kan strømmen i lampen reduseres og det kan oppnås energibesparelser uten at lysstyrken reduseres merkbart. Hvis spenningen reduseres med 10 % faller energiforbruket med ca. 20 %. Lysnivået vil her typisk reduseres med ca. 17 %.

Spenningsregulering og lysstoffrør m. elektronisk forkobling (HF)

Som beskrevet ovenfor, er det nødvendig å kontrollere strømmen til lysstoffrøret. En nyere og mer effektiv måte å gjøre dette på, kan gjøres via en elektronisk ballast eller frekvensstyring som sørger for de nødvendige driftsbetingelser under oppstart og i drift. Den elektroniske ballast, også kalt HF, endrer ofte den frekvens som forsyningsspenningen har.  Lysstoffrøret forsynes heretter av en spenning med mye høyere frekvens på omkring 20 kHz eller høyere.

HF består av flere elektriske elementer. Tilsammen sørger de for at lysrøret alltid får den samme spenning ved den samme frekvens. På den måten holdes avgitt lys konstant, og uansett hvilken verdi forsyningsspenningen har, vil lysstoffrøret bruke den samme effekt.

En spenningsregulering vil derfor ikke genere noen store energibesparelser på den denne type lamper. Spenningsregulering kan derimot hjelpe alle ballaster med økt levetid, som forlenger levetiden av komponentene og derved reduserer vedlikeholdsutgifter.

Spenningsregulering og energisparepærer (CFL)

En energisparepære er et kompaktlysstoffrør (CFL) og er enda et medlem av lysstoffrørsfamilien. Det er en lyspære som består av et lite, bøyd lysstoffrør som også inneholder kvikksølv og fungerer på samme måte som et vanlig lysstoffrør.

Energisparepærer forsynes som regel med en elektronisk ballast slik at forsyningsspenningen holdes på konstant nivå. En spenningsregulering vil således ikke genere store energibesparelser på den denne type lamper. Spenningsregulering hjelper alle ballaster, da en stabil spenning kan forlenge levetiden av komponentene og dermed redusere vedlikeholdelsesutgifter.

Spenningsregulering og metalhalogenlamper (HID)

HID-lamper (High Intensity discharge) er en type lampe som gir et høyt lysutbytte i forhold til dens relativt beskjedne størrelse. HID-lyskilder produserer lys ved å skape en elektrisk bue mellom to wolframelektroder i et rør laget av kvarts eller alumina. Røret er fylt med både gass og metallsalt, hvor sammensetningen avgjør lysets farge.

De HID-lyskilder som oftest benyttes er metalhalogenlamper, lav og høytrykks-natriumlamper og kvikksølvlamper (som utfases i stil med glødepæren). HID-lyskilder er mere energieffektive enn lysstoffrør, og erstatter derfor ofte bruken av disse. HID-lamper benyttes især i forbindelse med parkeringsanlegg og veibelysning.

HID-lamper kan utstyres med både konvensjonell og HF-forkobling. Tilsvarende som lysstoffrør med impedansforkobling, kan det oppnås energibesparelser på HID-lamper med tradisjonell forkobling i samme størrelsesorden som for kompakte lysstoffrør, ca. 18 % ved en spenningsreduksjon på 10 %. Lysnivået vil tilsvarende falle med ca. 11 %.

For HID-lamper med HF-forkobling holdes spenningen til lampen på samme nivå uansett forsyningsspenningens nivå. En spenningsregulering via spenningsregulerende utstyr vil således ikke generere signifikante energibesparelser på den denne type lamper. Utenom dette kan en spenningsregulering gagne alle ballaster, da en stabil spenning kan forlenge levetiden av komponentene og dermed redusere vedlikeholdsutgifter.  

Spenningsregulering og kvikksølvdamplamper (HID)

Kvikksølvlampene anvendes i all vesentlighet til veibelysningsanlegg og stier, hvor utgiftene betales av det offentlige. De fås både med konvensjonell og elektronisk forkobling. Viktig info her er kvikksølvdamplamper, pga. deres miljøbelastning og forholdsvis dårlige energieffektivitet, er under utfasing i EU medio 2016.

Der er en meget god energibesparelse å hente ved å spenningsregulere. Ved 10 % reduksjon i spenningen oppnås en energibesparelse på ca. 20 %. Lysnivået vil tilsvarende falle med ca. 22 %.

Spenningsregulering og natriumdamplamper (HID)

Natriumdamplamper (eller sodiumlamper) anvendes som lyskilde i mange fabrikk- og lagerhaller, gartnerier, idrettshaller m.fl. De finnes i effekter opp til 1000 W og flere farger. Lampen består av et rør i varmebestandig glass som inneholder en liten mengde metallisk natrium, neon og to elektroder. Forkoblingen er konvensjonell magnetisk ballast.

Der er en meget god energibesparelse å hente ved å spenningsregulere*. Ved 10 % reduksjon i spenningen oppnås en energibesparelse på ca. 20 %. Lysnivået vil tilsvarende falle med ca. 20 % (* dette skal man ha spesielt fokus på, når lampen anvendes i veksthuset). Dessuten krever natriumdamplamper en min. spenning til tenning, som også skal overholdes.  

Spenningsregulering og LED

En LED er en elektrisk komponent som omsetter elektrisk energi til lys med en bølgelengde i det synlige spektrum. Den består av en halvleder, og har et betraktelig mindre energiforbruk enn en tilsvarende glødelampe som avgir den samme mengde lysenergi. LED er dessuten karakteriserte ved å ha en lang levetid på opp til 40 - 50.000 lystimer. Husk AC-DC konverter gjerne har en mye kortere levetid en LED-lampen når det er høy spenning.

LED forsynes med en DC-spenning (likespenning). Da forsyningsspenningen er AC-spenning (vekselspenning), skal den først igjennom en AC-DC konverter før den tilsluttes LED’en. Denne konverteren reduserer dessuten også spenningen til en betydelig lavere spenning enn de 230 V i stikkontakten, til omkring 12 V som LED typisk forsynes ved. En slik konverter vil derfor holde spenningen konstant og derfor vil en spenningsregulering ikke gir en signifikant energibesparelse. Men en stabil spenning vil forlenge levetiden av de elektriske komponentene og derved redusere vedlikeholdsutgifter.

Utstyr som ikke skal spenningreguleres for å redusere energiforbruk

All termostatstyrt utstyr, kjøle, frys, panelovner.

Utstyr som kan reguleres for å øke levetid og redusere overharmonisk last, ubalanse faser

Frekvensstyrte motorer, pumper osv.

LED-lys, PC, lys osv. med AC-DC konverter

Høy spenning i offentlig nett eller lav spenning hos kunder?

I Norge er det særlig store energitap i det særnorske 230 Volt nettet. I deler av Norge og resten av Europa brukes 400 Volt nett, som også kalles TN-nett. I 400 Volt nett får en mindre energitap, og i begge nett vil en nettselskap ha minst tap når spenning er høyest.

For kunder er tapet størst når spenning er høyest. Norske nettselskaper har derfor få eller ingen incentiver for å investere i nett for å redusere kunders energi- og effektbruk slik som samfunnet gjerne forventer.

Z ENERGI AS

Forusparken 12
4031 Stavanger

Tlf. 400 000 80

tor@zenergi.no

Toshiba forhandler
Nibe Forhandler
Novap medlem

Z ENERGI AS

Forusparken 12
4031 Stavanger

Tlf. 400 000 80

tor@zenergi.no

Nibe Forhandler
Toshiba forhandler
Novap medlem