sábado, 8 de abril de 2023 · 0 min read
Prueba a LED's - análisis de eficiencia y calidad de potencia
La iluminación LED se está volviendo cada vez más popular. Los LED de alta eficiencia usan alrededor del 75% menos de energía que las bombillas incandescentes, y la vida útil prolongada en comparación con las bombillas incandescentes son las principales razones de esta tendencia.
Mediante el uso del Dewesoft Power Analyzer, investigamos la eficacia real y los efectos de calidad de energía de las luces LED de acuerdo con el estándar internacional, IEC 61000 sobre compatibilidad electromagnética (EMC).
Introducción
A medida que las aplicaciones de luz LED están reemplazando rápidamente las bombillas incandescentes y las lámparas de ahorro de energía, debido a su alta eficiencia y vida útil prolongada, al usar la tecnología de adquisición de datos de Dewesoft, profundizamos en esta tecnología para ponerla a prueba, a medida que probamos múltiples productos LED.
Video 1: Medición y análisis de la luz LED del software de adquisición de datos Dewesoft
Las preguntas que nos hicimos: ¿Es la eficiencia tan buena como se proclama en un sistema eléctrico estándar? Además de cuáles son los efectos de Calidad de Energía que se materializan en los dispositivos de iluminación LED, y qué efecto tienen en los sistemas de energía con el voltaje nominal europeo de 230 V, sin el uso de ningún acondicionamiento de energía adicional?
La medición se divide en dos segmentos de medición para iluminación inferior a 25 vatios:
En el primer segmento, los armónicos tercero y quinto y las formas de onda asociadas se evalúan para determinar si una bombilla LED cumple con los requisitos establecidos por el estándar para diodos emisores de luz al comparar la desviación de las ondas sinusoidales ideales.
En el segundo segmento, las corrientes armónicas individuales se comparan con los límites de los equipos clasificados de Clase C en la norma IEC 61000-3-2.
El Problema y la Aplicación de Medición
Las bombillas LED son más eficientes energéticamente que las bombillas incandescentes, pero también tienen algunas desventajas. Como estamos utilizando un diodo emisor de luz que produce una carga no lineal, pueden afectar negativamente la calidad de la energía al introducir ruido en la red. Esto pone tensión no deseada en el circuito de CA.
A medida que se utilizan más y más sistemas de iluminación basados en LED, la calidad de la energía de la red eléctrica puede verse afectada negativamente, lo que a su vez provoca valores de calidad de energía indeseables y valores de energía deficientes en la red.
Describiremos los métodos para usar el analizador de calidad de energía Dewesoft para un monitoreo preciso y conveniente de la calidad de energía y la medición de estos efectos perjudiciales.
Configuración de Medición y Prueba
Los LED están alimentados por una línea de CC generada por una fuente de alimentación conmutada. Para el análisis de potencia de CC, es necesario un sistema de adquisición de datos con gran ancho de banda y una alta frecuencia de muestreo debido a las altas frecuencias de conmutación de las unidades de balasto o reguladores de conmutación en iluminación fluorescente y LED.
Los amplificadores Dewesoft SIRIUS HS (alta velocidad) se adaptan perfectamente a esta aplicación y permiten un análisis de eficiencia completamente sincrónico del flujo de energía completo (alimentación de CA, alimentación de CC, luminancia).
| Equipo de Medición | |
|---|---|
| Sistema de Adqusición de Datos | SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV |
| Sensores y transductores | 2x DS-CLAMP-150DC AC/DC pinzas de corriente |
| Sodtware de Adquisición de Datos | Dewesoft X3 |
| Módulos Adicionales SW | Power plugin |
Se eligió el sistema DAQ de la serie SIRIUS HS para esta medición, ya que combina un ancho de banda alto con la adquisición de señal libre alias con la posibilidad de medir con una frecuencia de muestreo de hasta 1 MS / seg. Los dispositivos DAQ de Dewesoft están diseñados para ser completamente modulares, lo que significa que se pueden usar múltiples dispositivos simultáneamente, midiendo diferentes parámetros con todos los canales totalmente sincronizados entre sí.
El sistema SIRIUS DAQ también está equipado con un filtro antisolapamiento que se puede combinar con un filtro de respuesta de impulso infinito (IIR) dentro de la matriz de compuerta programable en campo (FPGA). Estas soluciones de filtro son estándar y el usuario puede activarlas o desactivarlas según sea necesario.
Por un lado, el amplificador de Bajo Voltaje (SIRIUS HS-LV) en combinación con la tecnología ADC de 16 bits permite mediciones de voltajes muy bajos incluso en rangos de medición altos (por ejemplo, resolución de µV en un rango de ± 10V). Estos niveles de voltaje se pueden establecer en la configuración de medición en Dewesoft X.
Por otro lado, el amplificador de Alto Voltaje (SIRIUS HS-HV) permite la medición directa de voltajes de hasta 1600V DC. Esto asegura que el voltaje de la red, en este caso, se pueda medir directamente con los amplificadores incorporados sin ningún transductor de voltaje adicional.
El DS-CLAMP-150DC es un transductor de corriente basado en el efecto Hall, que mide el flujo de corriente utilizando el campo magnético que se crea alrededor del conductor. El flujo de corriente es directamente proporcional a la salida de voltaje. También tiene la ventaja de que la medición está separada galvánicamente, lo que hace que la medición sea mucho más segura.
El efecto Hall se usa convenientemente para medir las corrientes de CA y CC con un amplio rango de amplitud y frecuencia (hasta 100 kHz) con alta sensibilidad y buena precisión del 0,5% de la lectura. Por esta razón, se recomienda utilizar pinzas basadas en efecto Hall para medir las corrientes de CC.
El software de adquisición de datos DewesoftX que se utiliza es muy intuitivo y fácil de usar, y en combinación con el módulo de potencia hace que este tipo de medición sea precisa y fácil.
El módulo de análisis de potencia es uno de los módulos matemáticos más complejos de Dewesoft X. Permite mediciones de redes de corriente continua y corriente alterna que operan a diferentes frecuencias con una variedad de configuraciones de cableado preinstaladas e incluso fuentes de frecuencia variable. Todas las medidas son completamente sincrónicas.
Los esquemas de cableado preinstalados disponibles en el módulo de análisis de potencia Dewesoft X son los siguientes:
DC
Single-phase
3-Phase Star
3-Phase Delta
3-Phase Aron
3-Phase V
2-Phase
3-Phase 2-meter
Para esta medición, se seleccionaron los esquemas de cableado de CC y CA monofásico. Desde una lista desplegable en la página de configuración esquemática, los canales se pueden asignar a las líneas de medición correspondientes.
La siguiente imagen muestra las formas de onda de la CA (izquierda) y CC (derecha) de un LED, así como el esquema de cableado que se utilizó para realizar la medición. La capacidad de almacenamiento de datos sin procesar también permite la grabación transitoria o un análisis dU / dt como se ve en el lado de CC.
El LED en la figura 1. tiene una eficiencia de CC a CA del 80%. La potencia activa es de 5,3 vatios. Según la etiqueta energética, este LED tendrá:
Eficiencia de clase A
5,3 kWh / 1000 horas de consumo de energía
El LED parece ser la mejor opción debido a la eficiencia energética indudablemente alta. Sin embargo, la pregunta sigue siendo si el LED es de hecho la mejor tecnología para usar con pocos o ningún efecto perjudicial.
Al analizar la forma de onda de CA que se entrega desde la red en el lado izquierdo de la imagen de arriba, está claro que la forma de onda actual ya no es sinusoidal, lo que significa que el factor de potencia se reducirá. También hay una gran cantidad de distorsión que influye negativamente en la cuadrícula.
Hay una gran cantidad de energía de distorsión presente que afecta la calidad de la red eléctrica, lo que causa una mala calidad de energía.
Todos los dispositivos eléctricos deben cumplir los requisitos para las corrientes armónicas que se definen en la norma IEC 61000-3-2. Los límites para la iluminación se definen en la clase C. La iluminación se divide en dos regiones de la potencia eléctrica nominal, la primera es la iluminación de menos de 25 vatios, y el resto cae en el segmento de más de 25 vatios.
Mediciones
Para iluminación inferior a 25 vatios, existen tres procedimientos posibles para realizar las pruebas. Discutiremos dos de estos en esta nota de aplicación.
Procedimiento 1 - Tercer y quinto análisis armónico actual
El primer procedimiento analiza los armónicos actuales del tercer y quinto orden armónico, así como también analiza la forma de onda de la corriente dentro de un período.
Límites de Corrientes Armónicas
| Orden armónico | Límite |
|---|---|
| I_H3 | 86% |
| I_H5 | 61% |
Cuando se analiza la forma de onda, el valor máximo de la corriente debe aparecer en una fase de ≤65° y no debe caer por debajo del 5% antes de que alcance la fase de 90°.
Si ahora analizamos la forma de onda del LED bajo prueba, está bastante claro que no cumple con este requisito previo en absoluto. Las corrientes armónicas para I_H3 e I_H5 exceden los límites establecidos y las características de la forma de onda están lejos de los requisitos establecidos por la norma.
Dewesoft puede realizar un análisis muy rápido y potente de acuerdo con estos requisitos. En el Scope View, la forma de onda puede analizarse inmediatamente con un par de disparadores y funciones de análisis. Las corrientes armónicas se pueden verificar rápidamente, ya sea con el gráfico FFT armónico o con el Vector Scope, que puede mostrar cada armónico individual, tanto en valores absolutos como en porcentajes.
Procedimiento 2 - Cada análisis armónico actual individual
El segundo procedimiento es analizar si las corrientes armónicas, sin filtros de armónicos para cada armónico individual, no exceden los límites de los equipos clasificados en la Clase D especificada en IEC 61000-3-2: 2018 (tabla 3, columna 2 - Clase D equipo, página 22):
Límites para las Corrientes Armónicas
| Orden Armónico | Límite |
|---|---|
| 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 |
| Odd Harmonics from I_H13 to I_H39 | 3,85/n mA/W |
En este caso, las corrientes armónicas se refieren a la potencia activa nominal de la bombilla.
Convenientemente, este análisis también puede realizarse en el software Dewesoft X. Con la funcionalidad de la tabla de referencia, todos los armónicos y sus límites se pueden mostrar dentro de un diagrama. Para esta luz LED casi, se exceden todos los límites armónicos, lo que reduce la eficiencia económica de estos sistemas de iluminación.
Resultados
En esta aplicación de medición, el triángulo de potencia típico:
potencia aparente (S),
potencia real (P), y
potencia reactiva (Q)
El análisis de alimentación de CA no es adecuado. Esto se debe a otros parámetros, como la distorsión y la potencia reactiva armónica que deben considerarse debido a la carga no lineal causada por el LED (las cargas no lineales también son producidas por inversores, unidades de balasto electrónico, fuentes de alimentación de computadora) , y entradas rectificadas, entre otros).
El módulo de potencia Dewesoft trae todas las herramientas necesarias para medir con éxito en el campo no lineal. Además de la potencia reactiva armónica (QH), que se produce a través del cambio de fase entre voltajes y corrientes de las mismas frecuencias, se debe considerar un nuevo parámetro: la potencia reactiva de distorsión (DH).
La potencia reactiva de distorsión se define como la combinación de voltajes y corrientes de diferentes frecuencias que producen la potencia de distorsión.
Aunque se dice que la tecnología LED es muy eficiente, el LED probado crea mucha potencia de distorsión. Esto se ve especialmente en la alta potencia de distorsión (DH) y la distorsión armónica total (THD) de alta corriente:
P = 5,3W
Q = 10,4VAr
QH = -0,9VAr
DH = 10,4VAr
S = 11,7VA
THD_I = 183 %
Conclusiones
El Dewesoft Power Analyzer es capaz de medir tanto la eficiencia como la calidad de la energía, así como hacer un análisis completo de las bombillas con un solo instrumento. Esta es una experiencia de prueba de iluminación nueva e innovadora.
De las 10 bombillas LED que se probaron, sorprendentemente solo una pasó la prueba de calidad de energía. Los LED para esta prueba se seleccionaron al azar sin ningún sesgo de fabricación, modal y precio. Solo después de la prueba, se evaluaron estos parámetros, debido a las regulaciones de privacidad de datos, no podemos revelar esta información en este momento.
Verificación de la fuente de voltaje
Antes de que se puedan probar las emisiones de calidad de energía de las bombillas LED, se debe verificar la fuente de voltaje y se debe verificar que todos los parámetros (armónicos) estén dentro de los límites requeridos, para garantizar que no haya grandes caídas de voltaje o caídas de voltaje. La regulación IEC 61000-3-2 requiere que los voltajes armónicos estén por debajo de los límites especificados.
Límites especificados para voltajes armónicos
| Orden Armónico | Límite |
|---|---|
| U_H3 | 0,9 % |
| U_H5 | 0,4 % |
| U_H7 | 0,3 % |
| U_H9 | 0,2 % |
| Incluso armónicos de U_H2 to U_H10 | 0,2 % |
| Todos los armónicos de U_H11 to 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.
Una gran ventaja de utilizar los instrumentos DAQ de Dewesoft es la opción de software de armónicos de fondo (consulte 6.2.1. Armónicos de fondo en el Manual del analizador de potencia) donde se pueden compensar las posibles distorsiones y armónicos de voltaje de la red, y se pueden realizar pruebas de acuerdo con IEC 61000-3-2.