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半导体照明灯具功率因数测试研究

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摘要:交流LED照明产品作为非线性负载,其功率因数受谐波电流影响很大。为减少功率因数测量仪器测量频率范围之外的高频信号的干扰,避免影响测试结果,功率测量仪器通常会配置一个抗混叠滤波器。但不同制造厂商或不同型号测量仪器所配置的抗混叠滤波器的截止频率范围不同。这便对功率因数的测试结果产生了影响。在检测工作中,经常会遇到同一只被测样品使用不同的功率测试仪,功率因数测试结果差异却很大的问题。甚至同一台仪器进行不同的滤波参数设置所测得的结果差异也很大。本文通过不同测试仪器测得的数据对这一问题进行描述和分析,以为检测工作和测量仪器设计工作提供参考。

关键词:LED照明产品;功率因数;谐波电流;滤波;截止频率

引言

随着社会整体节能意识的提高,节能议题越来越受到重视。LED照明以其能耗低的优势逐渐取代传统照明,在人们生活中获得越来越普遍的应用。LED光源进入通用照明注册送体验金无需申请正在成为日后产业发展的核心。功率因数是衡量LED照明产品的能效性能的一个重要参数。能源之星ANSIC82.77规定5W以上的固态照明灯具功率因数应达到0.7。对于LED照明产品功率因数的准确测定是十分重要的。

1功率因数与谐波电流定义

1.1功率因数定义功率因数定义为有功功率与视在功率之比。有功功率是指实际输出的功率,一般通过瞬时电压和电流的乘积,得到瞬时功率,再在一定的时间区间内对其进行积分,获得瞬时功率的平均值,即有功功率。视在功率为输入电压有效值和输入电流有效值的乘积[1]。式中,λ为功率因数,/;P为有功功率,W;S为视在功率,VA。在线性系统里,电压与电流为频率相同的正弦波,其功率因数即为二者相位差的余弦cosφ。而非线性系统功率因数的确定则较为复杂。

1.2非线性负载功率因数定义LED光源通常采用恒流驱动,需要通过驱动电路将交流电源转换为直流供电。对于线性恒流电路,虽然其稳流效果好,成本低,但电路整体效率不高,所以线性恒流电路很少运用在功率较大的灯具中。因此LED灯具普遍采用桥式整流电路将交流电源转换为直流电源,并利用一个大电解电容加以滤波,以获得尽可能平滑的直流输出。因此,通常LED灯具是一个非线性系统。在这一系统中,交流输入电压基本不出现波形失真,但输入电流则为不连续的峰值较高的脉冲,使得输入电流呈现波形失真,即电流波形会存在很多高次谐波。谐波电流是电源频率即基波频率的整数倍的频率下的电流。在非线性系统里,谐波电流是最大的问题。谐波电流会通过线路电阻产生热损耗,对电路的功率因数产生很大影响,谐波电流越大,无功功率越大,功率因数越小,并且无法采用简单的电容或电感等补偿电路进行校正[2]。因此,对于LED灯具,提高功率因数的实质是限制谐波电流值,同时也成为功率因数测量过程中的一个重要的考虑因素。对于LED照明产品功率因数的测定,由于非线性系统中电流波形不是正弦波,因此仅仅从相位差的角度考虑无法全面衡量其功率因数。对于非线性负载功率因数的定义国际上也存在很多争议,尚无定论。目前普遍采用电压有效值和电流有效值的乘积作为视在功率,非正弦波电流的有效值用各次谐波电流的均方根计算。以基波电压、基波电流的有效值以及二者的相位差余弦的乘积作为有功功率。功率因数可用以下公式表示[3]: 槡21(4)式中,cosφ为基波相移因数;THDU为输入电压的总谐波失真;THDI为输入电流的总谐波失真。

2不同测试仪器对功率因数的测试结果

2.1功率测试仪器基本原理一般的功率分析仪器的基本原理如图1所示。电压、电流通过带有抗混叠滤波器的输入回路输入。要分析的模拟信号经过采样/保持单元的A/D转换器进行采样、转换并存储。在后续的数据处理过程中,经过在一个一定宽度的时间窗上进行快速傅里叶变换(FFT),输出计算得到的每一个频率分量的值。再结合与谐波测量相同的在采样时间窗上评估的有功功率P,进行下一步平滑处理并输出结果[4]。

2.2测试数据及分析在检测工作中,经常会遇到同一只被测样品使用不同的功率测试仪,会得到差异很大的功率因数测试结果这样的问题。甚至同一台仪器进行不同的滤波参数设置所测得的结果差异也很大。多种测试结果为检测工作带来很大困扰和很多值得思考的问题。本文采用两种常见的数字功率计和功率分析仪(下文分别称为功率测试仪A、B)对4种常见的LED照明产品进行了功率因数测试。将两台仪器分别设置抗混叠滤波器打开与关闭两种状态进行测试。对于功率测试仪A具有两种滤波器的截止频率可选,分别为500Hz和5000Hz。测试仪B滤波器的截止频率高达100kHz。因此对每种LED照明产品分别用两台测试仪在以上5种设置状态下进行测试,功率因数测试结果如表1所示。由测试数据可以看出,抗混叠滤波器的截止频率的不同必然引起测试结果的差异:(1)对于试验选取的LED灯管,可见使用仪器A,滤波功能打开与关闭,测得的功率因数值相差很大,而对于仪器B,滤波打开与否,功率因数值相差不大。两个仪器都打开滤波器时,截止频率高的仪器测得的电流值大,相应的视在功率偏大,功率因数则偏小。即截止频率越高,功率因数值越小。并且可见5000Hz以上的高次谐波含量对功率因数影响很大。(2)不同于上述LED灯管,对于试验选取的LED球泡灯和路灯,即使采用截止频率较低的仪器A,在滤波器不同设置状态下,数值差异都相对较小。对于LED路灯,可见其谐波电流很小,功率因数较大。对于球泡灯可以推测其谐波电流含量较大,但基本集中在500Hz以下。(3)但是即使在不打开滤波功能的情况下,不同测试仪器的结果也存在很大差异。这是由于不同测试仪器其频率测量能力范围不同导致的。

3标准规定与分析

目前无论国际标准还是国内标准,关于照明产品功率因数测试方法,均没有明确规定抗混叠滤波器的配置情况,如其截止频率范围。GB17625.1-2012/IEC61000-3-2:2009规定了用电设备可能产生的输入电流谐波分量的限值,仅对40次谐波做出限值要求。并以25W为界限将照明设备分为两类,做出不同的谐波限值要求[4]。GB/T17626.7-2017/IEC61000-4-7:2009在其适用范围中声明本标准仅适用于9kHz及以下的频率范围。此标准详细规定了谐波测量分析设备的各部分构成和要求,并要求谐波测量仪器应有测量高达50次谐波的能力。这些限定意味着,进行谐波分析的仪器的抗混叠滤波器的截止频率应至少达到40或50次谐波的频率范围,即对于LED照明灯具的测量至少达到2kHz或2.5kHz。功率测量仪器的抗混叠滤波器的作用是将测量仪器测量频率范围之外的频率信号进行衰减,过滤掉电源带来的该截止频率以上的高频信号的干扰,以免影响测量结果,使测试获得稳定的数据。但事实上,连在供电侧电源的脉宽调制控制,例如"功率因数校正系统",往往会带来很多频率超过谐波频率范围(约2kHz)却又低于频率范围上限(约9kHz)的信号分量[5]。由此来看,如果功率测试仪器的截止频率较低,则很可能会将LED照明灯具特别是其功率因数校正电路所引起的一部分高频信号过滤掉,使得对被测产品功率因数的评估失真。但是一部分LED灯的谐波电流在50次或40次以外的分量也占较大比例,如表1中的LED灯管5000Hz以上的谐波含量很高,应分析这部分高频信号是否由于灯具产生。如果可以排除是灯具作为负载引起的,而是测试环境或其他原因引起的高频噪声干扰,则需要打开低通滤波器,以消除高频干扰信号的混叠,导致不正确的测试结果。如果不能排除是灯具作为非线性负载本身产生的,在参考GB17625.1的40次谐波范围,打开滤波器滤掉2kHz或2.5kHz以上的谐波信号时,其测试结果可能高估了被测产品的功率因数。功率因数测试的目的是尽量客观衡量被测产品的能效性能。因此,在这种情况下,不打开低通滤波器或者采用截止频率很高的测试仪器似乎更能客观地评价被测灯具的耗电情况。但可能存在的问题是,不打开低通滤波器的情况下,测试数据会出现很不稳定地跳变,很难获得稳定数值。因此综合考虑,首先应保证读取的数据较为稳定,在此基础上截止频率越大越能客观反映被测产品的性能。

4结论

交流LED照明产品作为非线性负载,其功率因数受谐波电流影响很大,提高其功率因数的关键是减少谐波电流。其功率因数测试时所用仪器的抗混叠滤波器的截止频率的选取,应在消除仪器本身测量频率范围之外的高频信号、保证数据读取稳定的前提下,截止频率应尽量大,以更客观、更全面地评价被测产品的能效性能。

参考文献

[1]张建军,王淑惠.谐波电流对功率因数的影响[J].电力设备,2007(4):71-72.

[2]许巧云.LED灯具功率因数测试结果影响因素分析[J].日用电器,2014(12):14-17+53.

[3]虞再道.发光二极管机场助航灯具功率因数的测量方法[J].光源与照明,2014(2):9-11.

[4]全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容限值谐波电流发射限值:GB17625.1-2012(设备每相输入电流≤16A)[S].北京:中国标准出版社,2012.

[5]全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则:GB/T17626.7-2017[S].北京:中国标准出版社,

作者:茹志芹 刘东月 黄杰 单位:国家半导体器件质量监督检验中心

半导体光电杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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