半導體照明燈具功率因數測試研究范文

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摘要:交流LED照明產品作為非線性負載，其功率因數受諧波電流影響很大。為減少功率因數測量儀器測量頻率范圍之外的高頻信號的干擾，避免影響測試結果，功率測量儀器通常會配置一個抗混疊濾波器。但不同制造廠商或不同型號測量儀器所配置的抗混疊濾波器的截止頻率范圍不同。這便對功率因數的測試結果產生了影響。在檢測工作中，經常會遇到同一只被測樣品使用不同的功率測試儀，功率因數測試結果差異卻很大的問題。甚至同一臺儀器進行不同的濾波參數設置所測得的結果差異也很大。本文通過不同測試儀器測得的數據對這一問題進行描述和分析，以為檢測工作和測量儀器設計工作提供參考。

關鍵詞:LED照明產品;功率因數;諧波電流;濾波;截止頻率

引言

隨著社會整體節能意識的提高，節能議題越來越受到重視。LED照明以其能耗低的優勢逐漸取代傳統照明，在人們生活中獲得越來越普遍的應用。LED光源進入通用照明市場正在成為日后產業發展的核心。功率因數是衡量LED照明產品的能效性能的一個重要參數。能源之星ANSIC82．77規定5W以上的固態照明燈具功率因數應達到0．7。對于LED照明產品功率因數的準確測定是十分重要的。

1功率因數與諧波電流定義

1．1功率因數定義功率因數定義為有功功率與視在功率之比。有功功率是指實際輸出的功率，一般通過瞬時電壓和電流的乘積，得到瞬時功率，再在一定的時間區間內對其進行積分，獲得瞬時功率的平均值，即有功功率。視在功率為輸入電壓有效值和輸入電流有效值的乘積［1］。式中，λ為功率因數，/;P為有功功率，W;S為視在功率，VA。在線性系統里，電壓與電流為頻率相同的正弦波，其功率因數即為二者相位差的余弦cosφ。而非線性系統功率因數的確定則較為復雜。

1．2非線性負載功率因數定義LED光源通常采用恒流驅動，需要通過驅動電路將交流電源轉換為直流供電。對于線性恒流電路，雖然其穩流效果好，成本低，但電路整體效率不高，所以線性恒流電路很少運用在功率較大的燈具中。因此LED燈具普遍采用橋式整流電路將交流電源轉換為直流電源，并利用一個大電解電容加以濾波，以獲得盡可能平滑的直流輸出。因此，通常LED燈具是一個非線性系統。在這一系統中，交流輸入電壓基本不出現波形失真，但輸入電流則為不連續的峰值較高的脈沖，使得輸入電流呈現波形失真，即電流波形會存在很多高次諧波。諧波電流是電源頻率即基波頻率的整數倍的頻率下的電流。在非線性系統里，諧波電流是最大的問題。諧波電流會通過線路電阻產生熱損耗，對電路的功率因數產生很大影響，諧波電流越大，無功功率越大，功率因數越小，并且無法采用簡單的電容或電感等補償電路進行校正［2］。因此，對于LED燈具，提高功率因數的實質是限制諧波電流值，同時也成為功率因數測量過程中的一個重要的考慮因素。對于LED照明產品功率因數的測定，由于非線性系統中電流波形不是正弦波，因此僅僅從相位差的角度考慮無法全面衡量其功率因數。對于非線性負載功率因數的定義國際上也存在很多爭議，尚無定論。目前普遍采用電壓有效值和電流有效值的乘積作為視在功率，非正弦波電流的有效值用各次諧波電流的均方根計算。以基波電壓、基波電流的有效值以及二者的相位差余弦的乘積作為有功功率。功率因數可用以下公式表示［3］: 槡21(4)式中，cosφ為基波相移因數;THDU為輸入電壓的總諧波失真;THDI為輸入電流的總諧波失真。

2不同測試儀器對功率因數的測試結果

2．1功率測試儀器基本原理一般的功率分析儀器的基本原理如圖1所示。電壓、電流通過帶有抗混疊濾波器的輸入回路輸入。要分析的模擬信號經過采樣/保持單元的A/D轉換器進行采樣、轉換并存儲。在后續的數據處理過程中，經過在一個一定寬度的時間窗上進行快速傅里葉變換(FFT)，輸出計算得到的每一個頻率分量的值。再結合與諧波測量相同的在采樣時間窗上評估的有功功率P，進行下一步平滑處理并輸出結果［4］。

2．2測試數據及分析在檢測工作中，經常會遇到同一只被測樣品使用不同的功率測試儀，會得到差異很大的功率因數測試結果這樣的問題。甚至同一臺儀器進行不同的濾波參數設置所測得的結果差異也很大。多種測試結果為檢測工作帶來很大困擾和很多值得思考的問題。本文采用兩種常見的數字功率計和功率分析儀(下文分別稱為功率測試儀A、B)對4種常見的LED照明產品進行了功率因數測試。將兩臺儀器分別設置抗混疊濾波器打開與關閉兩種狀態進行測試。對于功率測試儀A具有兩種濾波器的截止頻率可選，分別為500Hz和5000Hz。測試儀B濾波器的截止頻率高達100kHz。因此對每種LED照明產品分別用兩臺測試儀在以上5種設置狀態下進行測試，功率因數測試結果如表1所示。由測試數據可以看出，抗混疊濾波器的截止頻率的不同必然引起測試結果的差異:(1)對于試驗選取的LED燈管，可見使用儀器A，濾波功能打開與關閉，測得的功率因數值相差很大，而對于儀器B，濾波打開與否，功率因數值相差不大。兩個儀器都打開濾波器時，截止頻率高的儀器測得的電流值大，相應的視在功率偏大，功率因數則偏小。即截止頻率越高，功率因數值越小。并且可見5000Hz以上的高次諧波含量對功率因數影響很大。(2)不同于上述LED燈管，對于試驗選取的LED球泡燈和路燈，即使采用截止頻率較低的儀器A，在濾波器不同設置狀態下，數值差異都相對較小。對于LED路燈，可見其諧波電流很小，功率因數較大。對于球泡燈可以推測其諧波電流含量較大，但基本集中在500Hz以下。(3)但是即使在不打開濾波功能的情況下，不同測試儀器的結果也存在很大差異。這是由于不同測試儀器其頻率測量能力范圍不同導致的。

3標準規定與分析

目前無論國際標準還是國內標準，關于照明產品功率因數測試方法，均沒有明確規定抗混疊濾波器的配置情況，如其截止頻率范圍。GB17625．1－2012/IEC61000－3－2:2009規定了用電設備可能產生的輸入電流諧波分量的限值，僅對40次諧波做出限值要求。并以25W為界限將照明設備分為兩類，做出不同的諧波限值要求［4］。GB/T17626．7－2017/IEC61000－4－7:2009在其適用范圍中聲明本標準僅適用于9kHz及以下的頻率范圍。此標準詳細規定了諧波測量分析設備的各部分構成和要求，并要求諧波測量儀器應有測量高達50次諧波的能力。這些限定意味著，進行諧波分析的儀器的抗混疊濾波器的截止頻率應至少達到40或50次諧波的頻率范圍，即對于LED照明燈具的測量至少達到2kHz或2．5kHz。功率測量儀器的抗混疊濾波器的作用是將測量儀器測量頻率范圍之外的頻率信號進行衰減，過濾掉電源帶來的該截止頻率以上的高頻信號的干擾，以免影響測量結果，使測試獲得穩定的數據。但事實上，連在供電側電源的脈寬調制控制，例如"功率因數校正系統"，往往會帶來很多頻率超過諧波頻率范圍(約2kHz)卻又低于頻率范圍上限(約9kHz)的信號分量［5］。由此來看，如果功率測試儀器的截止頻率較低，則很可能會將LED照明燈具特別是其功率因數校正電路所引起的一部分高頻信號過濾掉，使得對被測產品功率因數的評估失真。但是一部分LED燈的諧波電流在50次或40次以外的分量也占較大比例，如表1中的LED燈管5000Hz以上的諧波含量很高，應分析這部分高頻信號是否由于燈具產生。如果可以排除是燈具作為負載引起的，而是測試環境或其他原因引起的高頻噪聲干擾，則需要打開低通濾波器，以消除高頻干擾信號的混疊，導致不正確的測試結果。如果不能排除是燈具作為非線性負載本身產生的，在參考GB17625．1的40次諧波范圍，打開濾波器濾掉2kHz或2．5kHz以上的諧波信號時，其測試結果可能高估了被測產品的功率因數。功率因數測試的目的是盡量客觀衡量被測產品的能效性能。因此，在這種情況下，不打開低通濾波器或者采用截止頻率很高的測試儀器似乎更能客觀地評價被測燈具的耗電情況。但可能存在的問題是，不打開低通濾波器的情況下，測試數據會出現很不穩定地跳變，很難獲得穩定數值。因此綜合考慮，首先應保證讀取的數據較為穩定，在此基礎上截止頻率越大越能客觀反映被測產品的性能。

4結論

交流LED照明產品作為非線性負載，其功率因數受諧波電流影響很大，提高其功率因數的關鍵是減少諧波電流。其功率因數測試時所用儀器的抗混疊濾波器的截止頻率的選取，應在消除儀器本身測量頻率范圍之外的高頻信號、保證數據讀取穩定的前提下，截止頻率應盡量大，以更客觀、更全面地評價被測產品的能效性能。

參考文獻

［1］張建軍，王淑惠．諧波電流對功率因數的影響［J］．電力設備，2007(4):71-72．

［2］許巧云．LED燈具功率因數測試結果影響因素分析［J］．日用電器，2014(12):14-17+53．

［3］虞再道．發光二極管機場助航燈具功率因數的測量方法［J］．光源與照明，2014(2):9-11．

［4］全國電磁兼容標準化技術委員會．電磁兼容限值諧波電流發射限值:GB17625．1-2012(設備每相輸入電流≤16A)［S］．北京:中國標準出版社，2012．

［5］全國電磁兼容標準化技術委員會．電磁兼容試驗和測量技術供電系統及所連設備諧波、間諧波的測量和測量儀器導則:GB/T17626．7－2017［S］．北京:中國標準出版社，

作者：茹志芹 劉東月 黃杰 單位：國家半導體器件質量監督檢驗中心