Power Quality Analyse von LED Lampen

Einführung

Da LED- Lichtanwendungen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer verlängerten Lebensdauer Glühlampen und Energiesparlampen schnell ersetzen, tauchen wir mithilfe der Dewesoft-Datenerfassungstechnologie iefer in diesen Fortschritt ein, um sie zu überprüfen, während wir mehrere LED- Produkte testen. we dive deeper into this technology to put it to the test, as we test multiple led products. 

Die Fragen, die wir uns gestellt haben: Ist der Wirkungsgrad so gut wie in einem normalen elektrischen System angegeben? Als auch, was die Power Quality Effekte sind, die bei LED – Beleuchtung auftreten, und welche Wirkung sie auf den Strom bei der europäischen Nennspannung von 230 V haben? 

Die Messung ist in zwei Messabschnitte für Beleuchtung unter 25 Watt unterteilt:

• Im ersten Abschnitt werden die dritte und fünfte Harmonische und die zugehörigen Wellenformen ausgewertet, um festzustellen, ob eine LED-Glühbirne die Anforderungen des Standards für Leuchtdioden erfüllt, indem die Abweichung von den idealen Sinuswellen verglichen wird.

• Im zweiten Teil werden die einzelnen Oberschwingungsströme mit den Grenzwerten für Geräte der Klasse C in der Norm IEC 61000-3-2 verglichen.

Das Problem und die Messanwendung

LED-Glühbirnen sind energieeffizienter als Glühlampen, haben aber auch einige Nachteile. Da wir eine Leuchtdiode verwenden, die eine nichtlineare Last erzeugt, können sie die Stromqualität negativ beeinflussen, indem sie Verzerrungen in das Netz einbringen. Dies belastet den Wechselstromkreis unerwünscht.

Da immer mehr LED-basierte Beleuchtungssysteme verwendet werden, kann die Stromqualität des Stromnetzes negativ beeinflusst werden, was wiederum zu unerwünschten Stromqualitätswerten und schlechten Stromwerten im Netz führt.

Wir werden die Methoden zur Verwendung des Dewesoft-Netzqualitätsanalysatorzur präzisen und bequemen Überwachung der Stromqualität und zur Messung dieser nachteiligen Auswirkungen beschreiben.

Mess- und Testaufbau

LEDs werden von Gleichstrom gespeist, die von einer Schaltstromquelle erzeugt wird. Für die Gleichstromanalyse ist aufgrund der hohen Schaltfrequenzen der Vorschaltgeräte oder Schaltregler in Leuchtstofflampen und LEDs ein Datenerfassungssystem mit hoher Bandbreite und hoher Abtastrate erforderlich.

Die Dewesoft SIRIUS HS-Verstärker (High-Speed) passen perfekt in diese Anwendung und ermöglichen eine vollständig synchrone Effizienzanalyse des gesamten Energieflusses (Wechselstrom, Gleichstrom, etc.).

The SIRIUS HS series DAQ system was chosen for this measurement as it combines high bandwidth with alias-free signal acquisition with the possibility to measure with a sample rate of up to 1 MS/sec. The Dewesoft DAQ devices are designed to be fully modular, meaning that multiple devices can be used simultaneously, measuring different parameters with all channels fully synchronized to each other.

The SIRIUS DAQ system is also fitted with an anti-aliasing filter that can be combined with an infinite impulse response filter (IIR) inside the field-programmable gate array (FPGA). These filter solutions are standard and can be activated or deactivated by the user as required. 

Einerseits ermöglicht der Niederspannungsverstärker (SIRIUS HS-LV) in Kombination mit der 16-Bit-ADC-Technologie die Messung sehr niedriger Spannungen auch in hohen Messbereichen (z. B. µV-Auflösung in einem Bereich von ± 10 V). Diese Spannungspegel können im Messaufbau in Dewesoft X eingestellt werden.

Andererseits ermöglicht der Hochspannungsverstärker (SIRIUS HS-HV) die direkte Messung von Spannungen bis zu 1600 V DC. Dies stellt sicher, dass die Netzspannung in diesem Fall direkt mit den eingebauten Verstärkern ohne zusätzliche Spannungswandler gemessen werden kann.

Die DS-CLAMP-150DC ist eine Stromzange, die auf dem Hall-Effekt basiert und den Stromfluss anhand des Magnetfelds misst, das um den Leiter herum erzeugt wird. Der Stromfluss ist direkt proportional zum Spannungsausgang. Das hat auch den Vorteil, dass die Messung galvanisch getrennt ist, was sie viel sicherer macht.

Der Hall-Effekt wird bequem verwendet, um sowohl Wechsel- als auch Gleichströme mit einem weiten Amplituden- und Frequenzbereich (bis zu 100 kHz) mit hoher Empfindlichkeit und guter Genauigkeit von 0,5% des Messwerts zu messen. Aus diesem Grund wird empfohlen, zur Messung von Gleichströmen Hall-Effekt basierende Sensoren zu verwenden.

Die verwendete DewesoftX-Datenerfassungssoftware ist sehr intuitiv und benutzerfreundlich und macht diese Art der Messung in Kombination mit dem Leistungsmodul präzise und einfach.

Das Leistungsanalysemodul ist eines der komplexesten mathematischen Module in Dewesoft X. Es ermöglicht Messungen von Gleichstrom- und Wechselstromnetzen, die bei verschiedenen Frequenzen mit einer Vielzahl vorinstallierter Netzbeschaltungen und sogar variablen Frequenzquellen arbeiten. Alle Messungen sind vollständig synchron.

Die im Dewesoft X-Leistungsanalysemodul verfügbaren vorinstallierten Netzbeschaltungen lauten wie folgt:

• DC

• Einphasig

• 3-phasig-Stern

• 3-phasig-Dreieck

• 3-phasig-Aron

• 3-phasig-V

• 2-phasig

• 3-phasig 2 Messpunkte

Für diese Messung wurden die DC- und die Einphasige-AC-Netzbeschaltung ausgewählt. Aus einer Dropdown-Liste auf der Schaltplanseite können die Kanäle den entsprechenden Messlinien zugeordnet werden.

Das folgende Bild zeigt die Wellenformen des Wechselstroms (links) und des Gleichstroms (rechts) einer LED sowie das Schaltbild, wie die Messung durchgeführt wurde. Die Rohdatenspeicherfunktion ermöglicht auch eine transiente Aufzeichnung oder eine dU / dt-Analyse auf der DC-Seite. 

Die LED in Abbildung 1 hat einen DC / AC-Wirkungsgrad von 80%. Die Wirkleistung beträgt 5,3 Watt. Entsprechend der Energiekennzeichnung hat diese LED:

• Klasse A Effizienz

• 5,3 kWh / 1000 Stunden Energieverbrauch

Die LED scheint aufgrund der zweifellos hohen Energieeffizienz die beste Wahl zu sein. Es bleibt jedoch die Frage, ob die LED tatsächlich die beste Technologie ist, die mit geringen bis keine nachteiligen Auswirkungen eingesetzt werden kann.

Bei der Analyse der Wechselstromwellenform, die vom Netz auf der linken Seite des obigen Bilds dargestellt wird, wird deutlich, dass die Wellenform des Stromes nicht mehr sinusförmig ist, was bedeutet, dass der Leistungsfaktor verringert wird. Es gibt aber auch eine große Verzerrung, die das Netz negativ beeinflusst.

Ein hoher Anteil an Blindleistung wirkt sich auf die Qualität des Stromnetzes aus und verursacht eine schlechte Stromqualität.

Alle elektrischen Geräte müssen die Anforderungen an Oberschwingungsströme erfüllen, die in der Norm IEC 61000-3-2 definiert sind. Die Grenzwerte für die Beleuchtung sind in Klasse C definiert. Die Beleuchtung ist in zwei Bereiche der elektrischen Nennleistung unterteilt, wobei der erste unter 25 Watt leuchtet und der Rest in das Segment über 25 Watt fällt.

Messungen

Für Beleuchtung unter 25 Watt gibt es drei mögliche Verfahren, um die Tests durchzuführen. Wir werden zwei davon in diesem Anwendungsbeispiel diskutieren.

Verfahren 1 - Dritte und fünfte Stromoberwellenanalyse

Das erste Verfahren analysiert die Stromoberwellen der dritten und fünften Ordnung der Harmonischen sowie die Wellenform des Stroms innerhalb einer Periode.

Obergrenzen für Oberschwingungsströme

Bei der Analyse der Wellenform muss der Spitzenwert des Stroms in einer Phase von ≤ 65 ° auftreten und sollte nicht unter 5% fallen, bevor er die 90 ° -Phase erreicht

Wenn wir nun die Wellenform der zu testenden LED analysieren, ist es ziemlich klar, dass sie diese Voraussetzung überhaupt nicht erfüllt. Die Oberschwingungsströme für I_H3 und I_H5 überschreiten und die Wellenformcharakteristiken liegen weit von den Anforderungen der Norm entfernt. 

Dewesoft ist in der Lage, eine sehr schnelle und leistungsstarke Analyse gemäß diesen Anforderungen durchzuführen. Im Oszilloskop kann die Wellenform sofort mit einigen Triggern und Analysefunktionen analysiert werden. Die Oberschwingungsströme können ebenso schnell überprüft werden, ob mit dem Oberschwingungs-FFT-Diagramm oder dem Vektordiagramm, welches jede einzelne Oberschwingung sowohl in absoluten Werten als auch in Prozentsätzen anzeigen kann.

Verfahren 2 - Jede einzelne Stromoberwellenanalyse

Das zweite Verfahren besteht darin, zu analysieren, ob die Oberschwingungsströme ohne Oberschwingungsfilter für jede einzelne Oberschwingung die Grenzwerte der Geräte gemäß Klasse D gemäß IEC 61000-3-2: 2018 nicht überschreiten (Tabelle 3, Spalte 2 - Klasse D, Seite 22):

Grenzen für die Oberschwingungsströme

In diesem Fall beziehen sich die Oberschwingungsströme auf die Nennwirkleistung der Glühbirne.

Praktischerweise kann diese Analyse auch in der Dewesoft X-Software durchgeführt werden. Mit der Funktion Referenztabelle können alle Harmonischen und ihre Grenzen in einem Diagramm angezeigt werden. Bei diesem LED-Licht werden fast alle Oberwellengrenzen überschritten, was die Wirtschaftlichkeit dieser Beleuchtungssysteme senkt.

Ergebnisse

In dieser Messanwendung gilt das typische Leistungsdreieck aus

• Wirkleistung (P),

• Blindleistung (Q) und

• Scheinleistung (S)

der Wechselstromanalyse nicht mehr. Dies ist auf Parameter wie die Verzerrung und die harmonische Blindleistung zurückzuführen, die aufgrund der durch die LED verursachten nichtlinearen Last berücksichtigt werden müssen (nichtlineare Lasten werden auch von Wechselrichtern, elektronischen Vorschaltgeräten sowie Computerstromversorgungen erzeugt und unter anderem gleichgerichtete Eingänge).

Das Dewesoft-Leistungsmodul bietet alle erforderlichen Werkzeuge, um im nichtlinearen Bereich erfolgreich zu messen. Neben der harmonischen Blindleistung (QH, Verschiebungsblindleistung), die durch die Phasenverschiebung zwischen Spannungen und Strömen gleicher Frequenzen auftritt, muss ein neuer Parameter berücksichtigt werden: Die Verzerrungsblindleistung (DH).

Die Verzerrungsblindleistung ist definiert als die Kombination von Spannungen und Strömen von verschiedenen Frequenzen, die die Verzerrungsleistung erzeugen.

Obwohl die LED-Technologie als sehr effizient bezeichnet wird, erzeugt die getestete LED viel Störleistung. Dies zeigt sich insbesondere an der hohen Verzerrungsblindleistung (DH) und der hohen harmonischen Gesamtverzerrung (THD):

• P = 5,3 W

• Q  = 10,4 VAr

• QH = -0,9 VAr

• DH = 10,4 VAr

• S = 11,7 VA

• THD_I = 183 %

Schlussfolgerungen

Der Dewesoft Power Analyzer ann sowohl die Effizienz als auch die Stromqualität messen und so eine vollständige Analyse der Glühbirnen mit einem einzigen Instrument durchführen. Dies ist eine neue und innovative Erfahrung mit Beleuchtungstests.

Von den 10 getesteten LED-Glühbirnen hat überraschenderweise nur eine den Power Quality Test bestanden. Die LEDs für diesen Test wurden nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, ohne dass eine Verzerrung hinsichtlich Herstellung, Modalität und Preis abzusehen war. Erst nach dem Test wurden diese Parameter ausgewertet. Aufgrund der Datenschutzbestimmungen können wir diese Informationen nicht veröffentlichen.

Überprüfung der Spannungsquelle

Bevor die Stromqualität der LED-Lampen getestet werden kann, muss die Spannungsquelle überprüft werden, ob alle Parameter (Oberwellen) innerhalb der erforderlichen Grenzwerte liegen, um sicherzustellen, dass keine großen Spannungsabfälle oder Spannungseinbrüche auftreten. Die IEC 61000-3-2-Regelung verlangt, dass die Oberschwingungsspannungen unter den angegebenen Grenzwerten liegen müssen.

Spezifizierte Grenzwerte für Oberschwingungsspannungen

Ein großer Vorteil der Verwendung von Dewesoft DAQ-Instrumenten ist die Filterung eines harmonischen Musters (Grundverzerrung) direkt in der Software (siehe 6.2.1. Filterung eines harmonischen Musters im Handbuch des Leistungsanalysators), bei der die Verzerrungen und Spannungsoberwellen des Netzes kompensiert werden können und Tests gemäß IEC 61000-3-2 durchgeführt werden können.

Dokumentation