[Case Study] Kiểm tra đèn LED – Phân tích hiệu suất và chất lượng điện năng

Giới thiệu

Đèn LED chiếu sáng ngày càng trở nên phổ biến. Đèn LED hiệu suất cao sử dụng điện năng ít hơn khoảng 75% so với bóng đèn sợi đốt và tuổi thọ kéo dài so với bóng đèn sợi đốt là những lý do chính cho xu hướng này.

Bằng cách sử dụng máy phân tích công suất, chúng tôi điều tra hiệu quả thực tế về hiệu quả và chất lượng điện năng của đèn LED theo tiêu chuẩn quốc tế, IEC 61000 về khả năng tương thích điện từ (EMC).

Vì các ứng dụng đèn LED đang nhanh chóng thay thế bóng đèn sợi đốt và đèn tiết kiệm năng lượng nhờ hiệu suất cao và tuổi thọ kéo dài, nên chúng tôi sử dụng công nghệ thu thập dữ liệu của để tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này để đưa nó vào thử nghiệm, khi chúng tôi thử nghiệm nhiều sản phẩm đèn LED.

Các câu hỏi chúng tôi tự đặt ra: Hiệu quả có tốt như công bố trong một hệ thống điện tiêu chuẩn không? Cũng như các hiệu ứng Chất lượng điện năng được hiện thực hóa trong các thiết bị chiếu sáng LED và chúng có tác dụng gì đối với các hệ thống điện có điện áp danh định châu Âu là 230 V mà không cần sử dụng thêm bất kỳ điều hòa năng lượng nào?

Phép đo được chia thành hai phân đoạn đo cho ánh sáng dưới 25 Watts:

• Trong phân đoạn đầu tiên, sóng hài thứ ba và thứ năm cũng như các dạng sóng liên quan được đánh giá để xác định xem bóng đèn LED có đáp ứng các yêu cầu đặt ra theo tiêu chuẩn cho điốt phát quang hay không bằng cách so sánh độ lệch so với sóng hình sin lý tưởng.
• Trong phân đoạn thứ hai, các dòng điện hài riêng lẻ được so sánh với các giới hạn của thiết bị được phân loại Loại C trong Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2.

Vấn đề và ứng dụng đo lường

Bóng đèn LED tiết kiệm năng lượng hơn bóng đèn sợi đốt, nhưng chúng cũng có một số nhược điểm. Vì chúng ta đang sử dụng đi-ốt phát quang tạo ra tải phi tuyến tính nên chúng có thể tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng bằng cách đưa nhiễu vào lưới điện. Điều này gây căng thẳng không mong muốn cho mạch điện xoay chiều.

Khi ngày càng nhiều hệ thống chiếu sáng dựa trên đèn LED được sử dụng, chất lượng điện năng của mạng điện có thể bị ảnh hưởng tiêu cực, từ đó gây ra các giá trị chất lượng điện năng không mong muốn và giá trị điện năng kém trong lưới điện.

Chúng tôi sẽ mô tả các phương pháp sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng để giám sát chất lượng điện năng chính xác và thuận tiện cũng như đo lường các tác động bất lợi này.

Thiết lập đo lường và thử nghiệm

Đèn LED được cung cấp bởi một dòng DC được tạo ra bởi nguồn điện chuyển đổi. Đối với phân tích nguồn DC, cần có hệ thống thu thập dữ liệu có băng thông rộng và tốc độ lấy mẫu cao do tần số chuyển mạch cao của bộ chấn lưu hoặc bộ điều chỉnh chuyển mạch trong đèn huỳnh quang và đèn LED.

Bộ khuếch đại SIRIUS HS (Tốc độ cao) hoàn toàn phù hợp với ứng dụng này và cho phép phân tích hiệu quả hoàn toàn đồng bộ của toàn bộ dòng năng lượng (nguồn AC, nguồn DC, độ chói).

Hệ thống DAQ sê-ri SIRIUS HS được chọn cho phép đo này vì nó kết hợp băng thông cao với khả năng thu nhận tín hiệu không có bí danh với khả năng đo với tốc độ lấy mẫu lên tới 1 MS/giây. Các thiết bị DAQ được thiết kế theo mô-đun hoàn toàn, nghĩa là có thể sử dụng đồng thời nhiều thiết bị, đo các thông số khác nhau với tất cả các kênh được đồng bộ hóa hoàn toàn với nhau.

Hệ thống SIRIUS DAQ cũng được trang bị bộ lọc khử răng cưa có thể kết hợp với bộ lọc đáp ứng xung vô hạn (IIR) bên trong mảng cổng lập trình trường (FPGA). Các giải pháp lọc này là tiêu chuẩn và có thể được kích hoạt hoặc hủy kích hoạt bởi người dùng theo yêu cầu.

Một mặt, bộ khuếch đại điện áp thấp (SIRIUS HS-LV) kết hợp với công nghệ ADC 16 bit cho phép đo điện áp rất thấp ngay cả ở phạm vi đo cao (ví dụ: độ phân giải µV ở phạm vi ± 10V). Các mức điện áp này có thể được đặt trong thiết lập đo lường.

Mặt khác, bộ khuếch đại điện áp cao (SIRIUS HS-HV) cho phép đo trực tiếp điện áp lên đến 1600V DC. Điều này đảm bảo rằng điện áp lưới, trong trường hợp này, có thể được đo trực tiếp bằng bộ khuếch đại tích hợp mà không cần bất kỳ bộ chuyển đổi điện áp bổ sung nào.

DS-CLAMP-150DC là một bộ chuyển đổi dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall, đo dòng điện bằng cách sử dụng từ trường được tạo ra xung quanh dây dẫn. Lưu lượng hiện tại tỷ lệ thuận với đầu ra điện áp. Nó cũng có ưu điểm là phép đo được phân tách bằng điện, giúp phép đo an toàn hơn nhiều.

Hiệu ứng Hall được sử dụng thuận tiện để đo cả dòng điện AC và DC với biên độ và dải tần rộng (lên đến 100 kHz) với độ nhạy cao và độ chính xác tốt 0,5% giá trị đọc. Vì lý do này, nên sử dụng kẹp dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện một chiều.

Phần mềm thu thập dữ liệu được sử dụng rất trực quan cũng như thân thiện với người dùng và kết hợp với mô-đun nguồn giúp cho loại phép đo này trở nên chính xác và dễ dàng.

Mô-đun phân tích công suất là một trong những mô-đun toán học phức tạp nhất trong. Nó cho phép đo lưới dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều hoạt động ở các tần số khác nhau với nhiều cấu hình dây được cài đặt sẵn và thậm chí cả các nguồn tần số thay đổi. Tất cả các phép đo là hoàn toàn đồng bộ.

Sơ đồ nối dây được cài đặt sẵn có sẵn trong mô-đun phân tích công suất như sau:

• DC
• một pha
• sao 3 pha
• Đồng bằng 3 pha
• Aron 3 pha
• 3 pha V
• 2 pha
• 3 pha 2 mét

Đối với phép đo này, sơ đồ đấu dây DC và AC một pha đã được chọn. Từ danh sách thả xuống trong trang thiết lập sơ đồ, các kênh có thể được gán cho các đường đo tương ứng.

Hình ảnh sau đây cho thấy dạng sóng của AC (trái) và DC (phải) của đèn LED, cũng như sơ đồ nối dây được sử dụng để thực hiện phép đo. Khả năng lưu trữ dữ liệu thô cũng cho phép ghi tạm thời hoặc phân tích dU/dt như đã thấy ở phía DC.

Đèn LED trong hình 1. có hiệu suất DC đến AC là 80 %. Công suất hoạt động là 5,3 Watts. Theo ghi nhãn năng lượng, đèn LED này sẽ có:

• Hiệu quả loại A
• Tiêu thụ năng lượng 5,3 kWh/1000 giờ

Đèn LED dường như là sự lựa chọn tốt nhất do hiệu suất năng lượng cao không thể nghi ngờ. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu đèn LED có thực sự là công nghệ tốt nhất để sử dụng mà ít hoặc không có tác dụng phụ?

Khi phân tích dạng sóng AC đang được cung cấp từ lưới ở phía bên trái của hình ảnh trên, rõ ràng là dạng sóng hiện tại không còn hình sin nữa, nghĩa là hệ số công suất sẽ được hạ xuống. Ngoài ra còn có một lượng lớn biến dạng ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện.

Có nhiều hiện tượng méo công suất ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện khiến chất lượng điện năng kém.

Tất cả các thiết bị điện phải đáp ứng các yêu cầu đối với dòng điện hài được xác định trong tiêu chuẩn IEC 61000-3-2. Các giới hạn đối với Chiếu sáng được xác định trong Loại C. Chiếu sáng được chia thành hai vùng công suất điện định mức, vùng đầu tiên là chiếu sáng dưới 25 Watt và phần còn lại nằm trong phân khúc trên 25Watt.

Đo

Đối với ánh sáng dưới 25 Watt, có thể thực hiện ba quy trình để thực hiện các thử nghiệm. Chúng tôi sẽ thảo luận về hai trong số này trong ghi chú ứng dụng này.

Quy trình 1 – Phân tích sóng hài dòng điện thứ ba và thứ năm

Quy trình đầu tiên phân tích các sóng hài hiện tại của bậc hài thứ ba và thứ năm, cũng như phân tích dạng sóng của dòng điện trong một khoảng thời gian.

Khi dạng sóng được phân tích, giá trị cực đại của dòng điện phải xuất hiện ở pha ≤65° và không được giảm xuống dưới 5% trước khi đạt đến pha 90°.

Nếu bây giờ chúng ta phân tích dạng sóng của đèn LED được thử nghiệm, thì rõ ràng là nó hoàn toàn không đáp ứng điều kiện tiên quyết này. Dòng điện hài cho I_H3 và I_H5 vượt quá giới hạn đã đặt và các đặc tính dạng sóng khác xa so với yêu cầu của tiêu chuẩn.

Trong Chế độ xem phạm vi, dạng sóng có thể được phân tích ngay lập tức bằng một vài trình kích hoạt và chức năng phân tích. Các dòng sóng hài có thể được xác minh nhanh chóng dù bằng biểu đồ Harmonic FFT hay Vector Scope có khả năng hiển thị từng sóng hài riêng lẻ, theo giá trị tuyệt đối cũng như tỷ lệ phần trăm.

Quy trình 2 – Phân tích từng sóng hài dòng điện riêng lẻ

Quy trình thứ hai là phân tích xem các dòng sóng hài không có bộ lọc sóng hài cho từng sóng hài riêng lẻ có vượt quá giới hạn của thiết bị như được phân loại trong Loại D được quy định trong IEC 61000-3-2:2018 hay không (bảng 3, cột 2 – Loại D thiết bị, trang 22):

Trong trường hợp này, dòng điện hài được quy về công suất tác dụng danh nghĩa của bóng đèn.

Thuận tiện là phân tích này cũng có thể được thực hiện trong phần mềm. Với chức năng Bảng tham chiếu, tất cả sóng hài và giới hạn của chúng có thể được hiển thị trong một biểu đồ. Đối với loại đèn LED này hầu hết đều vượt ngưỡng sóng hài làm giảm hiệu quả kinh tế của hệ thống chiếu sáng này.

Kết quả

Trong ứng dụng đo lường này, tam giác công suất điển hình:

• công suất biểu kiến ​​(S),
• công suất thực (P) và
• công suất phản kháng (Q)

phân tích nguồn AC không phù hợp. Điều này là do các thông số khác như độ méo và công suất phản kháng sóng hài phải được xem xét do tải phi tuyến tính do đèn LED gây ra (tải phi tuyến tính cũng được tạo ra bởi bộ biến tần, bộ chấn lưu điện tử, nguồn điện máy tính , và đầu vào được chỉnh sửa, trong số những thứ khác).

Mô-đun nguồn  mang đến tất cả các công cụ cần thiết để đo thành công trong trường phi tuyến tính. Bên cạnh Công suất phản kháng điều hòa (QH), xảy ra thông qua sự dịch pha giữa điện áp và dòng điện có cùng tần số, một tham số mới phải được xem xét: Công suất phản kháng biến dạng (DH).

Công suất phản kháng méo được định nghĩa là sự kết hợp của điện áp và dòng điện từ các tần số khác nhau tạo ra công suất méo.

Mặc dù công nghệ LED được cho là rất hiệu quả, nhưng đèn LED được thử nghiệm tạo ra rất nhiều công suất biến dạng. Điều này đặc biệt được thấy ở công suất méo cao (DH) và méo hài tổng dòng điện cao (THD):

• P = 5,3W
• Q = 10,4VAr
• QH = -0,9VAr
• DH = 10,4VAr
• S = 11,7VA
• THD_I = 183 %

Kết luận

Máy phân tích năng lượng có thể đo lường cả Hiệu suất và Chất lượng điện năng cũng như thực hiện phân tích đầy đủ về Bóng đèn bằng một thiết bị duy nhất. Đây là một trải nghiệm kiểm tra ánh sáng mới và sáng tạo.

Trong số 10 bóng đèn LED đã được thử nghiệm, đáng ngạc nhiên là chỉ có một bóng vượt qua Bài kiểm tra chất lượng điện năng. Các đèn LED cho thử nghiệm này được chọn ngẫu nhiên mà không có bất kỳ sự thiên vị nào về chế tạo, kiểu dáng và giá cả. Chỉ sau khi thử nghiệm, các thông số này mới được đánh giá, do các quy định về quyền riêng tư dữ liệu, chúng tôi không thể tiết lộ thông tin này vào lúc này.

Kiểm tra nguồn điện áp

Trước khi có thể kiểm tra mức phát thải chất lượng điện năng của bóng đèn LED, nguồn điện áp phải được kiểm tra và phải xác minh rằng tất cả các thông số (sóng hài) đều nằm trong giới hạn yêu cầu, để đảm bảo rằng không có hiện tượng sụt áp hoặc sụt áp lớn. Quy định IEC 61000-3-2 yêu cầu điện áp sóng hài phải thấp hơn giới hạn quy định.

Một lợi ích lớn của việc sử dụng các thiết bị DAQ là sóng hài nền tùy chọn phần mềm (xem 6.2.1. Sóng hài nền trong Sổ tay phân tích công suất) trong đó có thể bù biến dạng và sóng hài điện áp của lưới và các thử nghiệm có thể được thực hiện theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-2.

Địa chỉ cung cấp thiết bị phân tích hiệu suất và chất lượng điện năng

Chúng tôi với nhiều năm kinh nghiệm trong nghề, chuyên cung cấp các thiết bị đo điện, đo độ rung và đo mô-men xoắn. Nếu bạn đang tìm một sản phẩm thiết bị phân tích hiệu suất và chất lượng điện năng chính hãng, hãy liên hệ với chúng tôi để nhận được ưu đãi tốt nhất cũng như được tư vấn bởi đội ngũ kỹ sư của chúng tôi

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com