Por Rupert Schwarz e Daren Bezuidenhout, AE Power & E-Mobility
Dewesoft Austria

Introdução

A iluminação LED está se tornando cada vez mais popular. Os LEDs de alta eficiência consomem cerca de 75% menos energia do que as lâmpadas incandescentes, e a vida útil prolongada em comparação com as lâmpadas incandescentes são as principais razões para essa tendência.

Ao usar o Dewesoft Power Analyzer, investigamos os efeitos reais de eficiência e qualidade de energia das luzes LED, de acordo com o padrão internacional IEC 61000 obre compatibilidade eletromagnética (EMC).

Como as aplicações de luz LED estão substituindo rapidamente lâmpadas incandescentes e lâmpadas economizadoras de energia, devido à sua alta eficiência e vida útil prolongada, usando a tecnologia Dewesoft de aquisição de dados nos aprofundamos nessa tecnologia para testá-la, enquanto testamos vários LEDs. produtos.

Vídeo 1: Medição e análise da luz LED do software de aquisição de dados da Dewesoft

As perguntas que fizemos a nós mesmos: a eficiência é tão boa quanto proclamada em um sistema elétrico padrão? Além de quais são os efeitos da qualidade de energia que se materializam nos dispositivos de iluminação LED, e que efeito têm nos sistemas de energia com tensão nominal europeia de 230 V, sem o uso de qualquer condicionamento de energia adicional?

A medição é dividida em dois segmentos de medição para iluminação abaixo de 25 Watts:

  • No primeiro segmento, o terceiro e o quinto harmônicos e as formas de onda associadas são avaliados para determinar se uma lâmpada LED atende aos requisitos estabelecidos pelo padrão para diodos emissores de luz, comparando o desvio das ondas senoidais ideais.

  • No segundo segmento, as correntes harmônicas individuais são comparadas com os limites dos equipamentos classificados da Classe C na norma IEC 61000-3-2.

O Problema e a Aplicação de Medição

As lâmpadas LED são mais eficientes em termos energéticos do que as lâmpadas incandescentes, mas também apresentam algumas desvantagens. Como estamos usando um diodo emissor de luz que produz uma carga não linear, eles podem impactar negativamente a qualidade da energia, introduzindo ruído na rede. Isso coloca tensão indesejada no circuito CA.

À medida que mais e mais sistemas de iluminação baseados em LED são utilizados, a qualidade da energia da rede elétrica pode ser influenciada negativamente, o que, por sua vez, causa valores indesejáveis da qualidade da energia e baixos valores de energia na rede.

Vamos descrever os métodos para usar o Analisador de qualidade de energia Dewesoft para monitoramento preciso e conveniente da qualidade da energia e medição desses efeitos prejudiciais.

Configuração de medição e teste

Os LEDs são alimentados por uma linha CC gerada por uma fonte de alimentação comutada. Para a análise de potência CC, é necessário um sistema de aquisição de dados com alta largura de banda e alta taxa de amostragem devido às altas frequências de comutação dos reatores ou reguladores de comutação em iluminação fluorescente e LEDs.

Os amplificadores Dewesoft SIRIUS HS (alta velocidade) se encaixam perfeitamente nesta aplicação e permitem uma análise de eficiência completamente síncrona do fluxo total de energia (energia CA, energia CC, luminância).

Equipamento de Medição
Sistema de aquisição de dados SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV
Sensores e transdutores 2x DS-CLAMP-150DC AC/DC alicates de corrente
Software de aquisição de dados Dewesoft X3
Licença de software adicional Power plugin

O sistema DAQ da série SIRIUS HS foi escolhido para essa medição, pois combina alta largura de banda com a aquisição de sinal sem alias, com a possibilidade de medir com uma taxa de amostragem de até 1 MS / s. Os dispositivos Dewesoft DAQ foram projetados para serem totalmente modulares, o que significa que vários dispositivos podem ser usados simultaneamente, medindo diferentes parâmetros com todos os canais totalmente sincronizados entre si.

sistema SIRIUS DAQ também é equipado com um anti-aliasing filter que pode ser combinado com um filtro de resposta infinita ao impulso (IIR) dentro da matriz de portas programáveis em campo (FPGA). Essas soluções de filtro são padrão e podem ser ativadas ou desativadas pelo usuário, conforme necessário.

SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV power analyser data acquisition systemAnalisador de energia de alta e baixa tensão isolado SIRIUS HS

Por um lado, o amplificador de baixa tensão (SIRIUS HS-LV) em combinação com a tecnologia ADC de 16 bits permite medições de tensões muito baixas, mesmo em altas faixas de medição (por exemplo, resolução de µV em uma faixa de ± 10V). Esses níveis de tensão podem ser definidos na configuração de medição no Dewesoft X.

Por outro lado, o amplificador de alta tensão (SIRIUS HS-HV) permite a medição direta de tensões de até 1600V DC. Isso garante que a tensão da rede, neste caso, possa ser medida diretamente com os amplificadores integrados sem nenhum transdutor de tensão adicional.

Você pode encontrar as especificações dos amplificadores SIRIUS HS-LV e SIRIUS HS-HV nesta página da web ou baixando o Manual de especificações técnicas SIRIUS.

DS-CLAMP-150DC é um transdutor de corrente baseado no efeito Hall, que mede o fluxo de corrente usando o campo magnético criado ao redor do condutor. O fluxo de corrente é diretamente proporcional à saída de tensão. Também tem a vantagem de que a medição é separada galvanicamente, tornando a medição muito mais segura.

Dewesoft current sensors and transducersSensores e transdutores de corrente Dewesoft

O efeito Hall é convenientemente usado para medir as correntes CA e CC com uma ampla faixa de amplitude e frequência (até 100 kHz) com alta sensibilidade e boa precisão de 0,5% da leitura. Por esse motivo, recomenda-se o uso de alicates baseados em efeito hall para medir correntes DC.

software de aquisição de dados Dewesoft X usado é muito intuitivo e fácil de usar e, em combinação com o módulo de potência, torna esse tipo de medição preciso e fácil.

O módulo de análise de potência é um dos módulos matemáticos mais complexos do Dewesoft X. Ele permite medições de redes de corrente contínua e de corrente alternada operando em diferentes frequências com uma variedade de configurações de fiação pré-instaladas e até fontes de frequência variável. Todas as medidas são completamente sincronizadas.

Os esquemas de fiação pré-instalados disponíveis no módulo de análise de energia do Dewesoft X são os seguintes:

  • DC
  • Monofásico
  • Trifásico Estrela
  • Trifásico Delta
  • Trifásico Aron 
  • Trifásico V
  • Bi-fásico
  • Trifásico 2-medidores

Para esta medição, os esquemas de fiação CC e CA monofásica foram selecionados. A partir de uma lista na página de configuração esquemática, os canais podem ser atribuídos às linhas de medição correspondentes.

DC and AC set up windows in Dewesoft XFigura 1: Janelas de configuração de corrente contínua e alternada no Dewesoft X

A imagem a seguir mostra as formas de onda AC (esquerda) e DC (direita) de um LED, bem como o esquema de fiação usado para fazer a medição. O recurso de armazenamento de dados brutos também permite a gravação temporária ou uma análise dU / dt, como visto no lado DC.

The waveforms of the AC (left) and DC (right) of an LEDFigura 2: As formas de onda AC (esquerda) e DC (direita) de um LED

O LED na figura 1. tem uma eficiência de CC para CA de 80%. A potência ativa é de 5,3 Watts. De acordo com a rotulagem energética, este LED terá:

  • Eficiência Classe A
  • 5,3 kWh / 1000 horas de consumo de energia

LED light efficiency standards

O LED parece ser a melhor escolha devido à inquestionavelmente alta eficiência energética. No entanto, a questão permanece se o LED é realmente a melhor tecnologia a ser usada com pouco ou nenhum efeito prejudicial?

Ao analisar a forma de onda CA que está sendo fornecida da grade no lado esquerdo da imagem acima, fica claro que a forma de onda atual não é mais senoidal, o que significa que o fator de potência será reduzido. Há também uma grande quantidade de distorção que influencia negativamente a grade.

Existe muita energia de distorção presente que afeta a qualidade da rede elétrica, o que causa baixa qualidade de energia.

Todos os dispositivos elétricos devem atender aos requisitos para correntes harmônicas definidas na norma IEC 61000-3-2. Os limites para iluminação são definidos na classe C. A iluminação é dividida em duas regiões da energia elétrica nominal, a primeira é iluminada com menos de 25 watts e o restante cai no segmento acima de 25 watts.

Medidas

Para iluminação abaixo de 25 Watt, existem três procedimentos possíveis para realizar os testes. Discutiremos dois deles nesta nota de aplicação.

Procedimento 1 - Análise da Terceira e Quinta Harmônica de Corrente

O primeiro procedimento analisa os harmônicos atuais da terceira e quinta ordem harmônica, além de analisar a forma de onda da corrente em um período.

Limites de Correntes Harmônicas
ORDEM  Limite
I_H3 86%
I_H5 61%

Quando a forma de onda é analisada, o valor de pico da corrente deve aparecer em uma fase de ≤65 ° e não deve cair abaixo de 5% antes de atingir a fase de 90 °.

waveform illustrated in the IEC 61000-3-2 standard Figura 3: forma de onda atual ilustrada na norma IEC 61000-3-2 (página 20)

Se agora analisarmos a forma de onda do LED em teste, é bastante claro que ele não preenche esse pré-requisito. As correntes harmônicas para I_H3 e I_H5 excedem os limites definidos e as características da forma de onda estão longe dos requisitos estabelecidos pela norma.

current waveform analysis of the LED under testFigura 4: análise atual da forma de onda do LED em teste

A Dewesoft é capaz de realizar uma análise muito rápida e poderosa de acordo com esses requisitos. No osciloscópio, a forma de onda pode ser analisada imediatamente com alguns gatilhos e funções de análise. As correntes harmônicas podem ser verificadas rapidamente, seja com o gráfico FFT harmônico ou com o display vetorial, capaz de mostrar cada harmônica individual, tanto em valores absolutos quanto em porcentagens.

Procedimento 2 - Análise Harmônica de Cada Corrente Individual

O segundo procedimento é analisar se as correntes harmônicas, sem filtros harmônicos para cada harmônica individual, não excedem os limites dos equipamentos classificados na classe D especificados na IEC 61000-3-2: 2018 (tabela 3, coluna 2 - classe D equipamento, página 22):

Limites para as correntes harmônicas
Ordem da Harmônica Limite
I_H3 3,4 mA/W
I_H5 1,9 mA/W
I_H7 1,0 mA/W
I_H9 0,5 mA/W
I_H11 0,35 mA/W
Harmonicas ímpares I_H13 até I_H39 3,85/n mA/W

Nesse caso, as correntes harmônicas são referenciadas à potência ativa nominal da lâmpada.

Convenientemente, essa análise também pode ser feita no software Dewesoft X. Com a funcionalidade da tabela de referência, todos os harmônicos e seus limites podem ser mostrados em um diagrama. Para esta luz LED, quase todos os limites harmônicos são excedidos, o que diminui a eficiência econômica desses sistemas de iluminação.

Diagram of the harmonic currentsFigura 5: Diagrama das correntes harmônicas

Resultados:

Nesta aplicação de medição, o triângulo de potência típico:

  • potência aparente (S), 
  • potência real (P), e
  • potência reativa (Q)

da Análise de potência CA Não é adequado.

Isso se deve a outros parâmetros, como a distorção e a potência reativa harmônica que devem ser consideradas devido à carga não linear causada pelo LED (as cargas não lineares também são produzidas por inversores, unidades de reator eletrônico, fontes de alimentação de computadores, entradas retificadas, entre outros).

O módulo de potência da Dewesoft traz todas as ferramentas necessárias para medir com sucesso no campo não linear. Além da Potência Reativa Harmônica (QH), ocorrendo através da mudança de fase entre tensões e correntes das mesmas frequências, um novo parâmetro deve ser considerado: A Potência Reativa por Distorção (DH).

A potência reativa por distorção é definida como a combinação de tensões e correntes de diferentes frequências que produzem a potência de distorção.

Power triangles - the old (P, Q, S) to the left, the new including distortion on the rightFigura 6: Triângulos de potência - o antigo (P, Q, S) à esquerda, o novo incluindo distorção à direita

Embora a tecnologia LED seja considerada muito eficiente, o LED testado cria muita energia de distorção. Isso é observado especialmente na alta potência de distorção (DH) e na alta distorção harmônica total da corrente (THD):

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

Conclusões

Analisador de Potência Dewesoft é capaz de medir tanto a eficiência quanto a qualidade da energia, além de fazer uma análise completa das lâmpadas usando um único instrumento. Esta é uma experiência de teste de iluminação nova e inovadora.

Das 10 lâmpadas LED testadas, surpreendentemente apenas uma passou no Teste de Qualidade de Energia. Os LEDs para este teste foram selecionados aleatoriamente, sem viés de fabricação, modal e preço. Somente após o teste, esses parâmetros foram avaliados, devido às regulamentações de privacidade de dados, não podemos divulgar essas informações no momento.

Verificação da Fonte de Tensão

Antes que as emissões de qualidade de energia das lâmpadas LED possam ser testadas, a fonte de tensão deve ser verificada e deve-se verificar se todos os parâmetros (harmônicos) estão dentro dos limites exigidos, para garantir que não haja grandes quedas ou perturbações de tensão. O regulamento IEC 61000-3-2 exige que as tensões harmônicas estejam abaixo dos limites especificados.

Limites Especificados para Tensões Harmônicas
Ordem da Harmônica Limite
U_H3 0,9 %
U_H5 0,4 %
U_H7 0,3 %
U_H9 0,2 %
Harmônicas ímpares U_H2 a U_H10 0,2 %
Todas Harmônicas  de U_H11 a U_H40 0,1 %

One big benefit of using Dewesoft DAQ instruments is the software option background harmonics (see 6.2.1. Background Harmonics in the Power Analyser Manual) where possible distortion and voltage harmonics of the grid can be compensated, and tests can be done according to the IEC 61000-3-2.

Documentação