LED 测试 - 效率和电能质量分析
By Rupert Schwarz and Daren Bezuidenhout, AE Power & E-Mobility
Dewesoft Austria
引言
LED 照明正变得越来越流行。与白炽灯泡相比，高效率 led 的耗电量要少75% 左右，与白炽灯泡相比，使用寿命更长是这一趋势的主要原因。
通过使用 Dewesoft 功率分析仪，我们按照国际标准 IEC 61000对 LED 灯的实际效率和电能质量的影响进行了调查，这个标准是关于电磁兼容性电磁兼容的。
由于 LED 光源的应用正在迅速取代白炽灯泡和节能灯泡，由于它们的高效率和长寿命，使用 Dewesoft 数据采集技术，我们在测试多种 LED 产品时更深入地研究这项技术。
我们问自己的问题是: 效率是否和标准电气系统宣称的一样好？以及怎么样是电能质量对在 LED 照明设备的影响，体现在哪里？他们对电力系统有什么影响，欧洲标称电压230伏，没有使用任何额外的电源调节？
对于25瓦以下的照明，测量分为两个测量部分:
▶ 在第一段中，通过比较与理想正弦波的偏差，对第三次和第五次谐波及相关波形进行评估，以确定 LED 灯泡是否满足发光二极管标准规定的要求。
▶ 在第二部分，将单个谐波电流与 IEC 61000-3-2标准中C类分类设备的限值进行了比较。
问题及测量应用
LED 灯泡比白炽灯泡节能，但也有一些缺点。由于我们使用的是一个产生非线性负载的发光二极管，它们可以通过在电网中引入噪声而对电能质量产生负面影响。这就给交流电路带来了不必要的压力。
随着越来越多的 led 照明系统的使用，电网的电能质量会受到负面影响，从而导致电网的电能质量值不理想，电能质量值不理想。
我们将描述的方法使用dewesoft电能质量分析仪精确和方便的电能质量监测和这些不利影响的测量。
测量和测试设置
Led 由一个开关电源产生的直流线路供电。对于直流功率分析，由于荧光灯和发光二极管中的镇流器或开关稳压器的开关频率高，需要一个高带宽和高采样率的数据采集系统。
Dewesoft SIRIUS HS (高速)放大器完美地适合这种应用，并允许全能量流(交流电源，直流电源，亮度)的完全同步效率分析。
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测量设备 |
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数据采集系统 |
SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV |
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传感器和转换器 |
2x DS-CLAMP-150DC AC/DC current clamps 2x DS-CLAMP-150DC AC/DC 电流夹具 |
| 数据采集软件 |
Dewesoft X3 |
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附加SW模块许可证 |
Power plugin 电源插件 |
SIRIUS HS 系列数据采集系统被选择用于这种测量，因为它结合了高带宽和无混叠信号采集，采样速率高达1 MS/sec。Dewesoft DAQ 设备采用完全模块化设计，这意味着多个设备可以同时使用，测量不同的参数，所有通道完全同步。
SIRIUS 数据采集系统也安装了一个抗混叠滤波器数据采集系统，该系统可以在 FPGA 内部与无限脉冲响应滤波器数据采集系统(IIR)结合使用。这些过滤器解决方案是标准的，可以由用户根据需要激活或停用。
SIRIUS 隔离式高低压功率分析器
另一方面，高压放大器(SIRIUS HS-HV)允许直接测量高达1600V 直流电压。这确保了电网电压，在这种情况下，可以直接测量与内置放大器没有任何额外的电压传感器。
DS-CLAMP-150DC 是一种基于霍尔效应的电流传感器，它利用在导体周围产生的磁场来测量电流流量。电流流量与电压输出成正比。它还具有测量电隔离的优点，使测量更加安全。
霍尔效应可方便地用于测量幅值和频率范围宽(高达100千赫)的交流和直流电流，具有很高的灵敏度和读数的0.5% 的准确度。因此，建议使用基于霍尔效应的夹具来测量直流电流。
使用的 Dewesoft x 数据采集软件是非常直观和用户友好的，并与电源模块结合使这种类型的测量精确和容易。
功率分析模块是 Dewesoft x 中最复杂的数学模块之一。它允许测量直流电和交流电电网在不同的频率下运行，预先安装各种配线配置，甚至可变频率源。所有的测量都是完全同步的。
Dewesoft x 电源分析模组预先安装的电路图如下:
▶ 直流
▶ 单相
▶ 星型 三相
▶ 三角形 三相
▶ Aron 三相
▶ V 三相（只有电压）
▶ 二相
▶ 三相 两个传感器
为此测量，直流和单相交流接线图被选择。从原理图设置页面的下拉列表中，通道可以分配到相应的测量线。
下面的图像显示了一个 LED 的交流(左)和直流(右)波形，以及用于测量的线路原理图。原始数据存储能力还允许瞬态记录或 dU/dt 分析，如直流侧所示。
▶ Class A 效率
▶ 5,3 kWh/1000小时能源消耗量
当分析上图左侧电网传来的交流电波形时，很明显，电流波形不再是正弦波，这意味着功率因数将降低。还有大量的失真，这对电网产生了负面影响。
电网中存在大量的失真功率，影响电网的质量，导致电能质量下降。
所有电气设备必须满足 IEC 61000-3-2标准中对谐波电流的要求。照明限值在 c 类中定义。照明分为额定电力的两个区域，第一个区域照明在25瓦以下，其余区域照明在25瓦以上。
对于低于25瓦的照明，有三个可能的程序来执行测试。我们将在本申请说明中讨论其中的两个。
程序1-第三和第五傅里叶分析
第一步是分析三次和五次谐波的电流谐波，并分析一个周期内的电流波形。
| 谐波电流限值 | |
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谐波阶次 |
限制 |
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I_H3 |
86% |
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I_H5 |
61% |
在分析波形时，电流峰值必须出现在≤65 ° 的相位上，在到达90 ° 相位之前不能低于5% 。
如果我们现在分析测试中的 LED 的波形，很明显它根本不能满足这个前提条件。I _ h3和 i _ h5的谐波电流超过了设定值，波形特性远远不能满足标准的要求。
Dewesoft 能够根据这些需求执行非常快速和强大的分析。在示波方面，波形可以通过一对触发器和分析函数立即进行分析。无论是采用谐波 FFT 图，还是采用能够以绝对值和百分比表示各次谐波的矢量范围，均能快速检测出谐波电流。
程序2-各阶次电流谐波独立分析
第二个步骤是分析没有谐波滤波器的谐波电流是否超过 IEC 61000-3-2:2018规定的 d 类设备的限值(表3，第2栏 d 类设备，第22页) :
| 谐波电流的极限 | |
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和声有序 |
限制 |
| I_H3 |
3,4 mA/W |
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I_H5 |
1,9 mA/W |
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I_H7 |
1,0 mA/W |
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I_H9 |
0,5 mA/W |
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I_H11 |
0,35 mA/W |
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从 I _ H13到 I _ H39的奇次谐波 |
3,85/n mA/W |
在这种情况下，谐波电流参照灯泡的额定有功功率。
这种分析可以很方便地在 Dewesoft x 软件中完成。有了参考表的功能，所有的谐波和它们的极限可以在一个图表中显示。对于这种 LED 灯，几乎所有的谐波极限都超过了，降低了这些照明系统的经济效益。
结果
在这个测量应用程序中，典型的功率三角:
▶ 视在功率(S)
▶ 实际功率(P)
▶ 无功功率(Q)
对交流电源的分析是不合适的。这是由于其他参数，如失真度和谐波无功功率，必须考虑由 LED 引起的非线性负载(非线性负载也产生于逆变器、电子镇流器、计算机电源和整流输入等)。
Dewesoft 电源模块带来了所有必要的工具，以成功地测量在非线性领域。除谐波无功功率(QH)外，通过相同频率的电压和电流之间的相移，还必须考虑一个新的参数: 失真无功功率(DH)。
畸变无功功率定义为产生畸变功率的不同频率的电压和电流的组合。
▶ P = 5,3W
▶ Q = 10,4VAr
▶ QH = -0,9VAr
▶ DH = 10,4VAr
▶ S = 11,7VA
▶ THD_I = 183 %
结论
该 Dewesoft 功率分析仪能够测量效率和电能质量，以及做一个全面的分析灯泡使用单一的仪器。这是一个新的和创新的照明测试经验。
在测试的10个 LED 灯泡中，令人惊讶的是只有一个通过了电能质量测试。这个测试的发光二极管是随机选择的，没有任何偏见，使，模态和价格。只有在测试之后，这些参数才被评估，由于数据隐私规定，我们现在不能公开这些信息。
电压源检查
在测试 LED 灯泡的电能质量排放前，必须检查电压源，并确认所有参数(谐波)都在规定的范围内，以确保没有大的电压降或电压骤降。IEC 61000-3-2规则要求谐波电压低于规定的限值。
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谐波电压限值 |
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| 和声有序 | 限制 |
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U_H3 |
0,9 % |
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U_H5 |
0,4 % |
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U_H7 |
0.3% |
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U_H9 |
0.2% |
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从U _ H2到U_ H10的偶次谐波 |
0.2% |
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从U _ H11到U _ H40的所有谐波 |
0.1% |
使用 Dewesoft DAQ 仪器的一大好处是软件选项背景谐波(见6.2.1)。背景谐波在功率分析器手册)在可能的失真和电网电压谐波可以得到补偿，并可以根据 IEC 61000-3-2进行测试。
参考文件
● IEC 61000-3-2: 2018 Edition: 2020-01-01 Electromagnetic compatibility (EMC) - Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤16 A per phase)