Par Rupert Schwarz et Daren Bezuidenhout, AE Power & E-Mobility
Dewesoft Austria

Introduction

L’éclairage à LED est de plus en plus populaire. La haute efficacité des LEDs, nécessitant environ 75% d’énergie en moins que les ampoules à filament et leur durée de vie accrue sont les principaux moteurs de cette tendance.

En utilisant l’analyseur de puissance de DEWESoft, nous étudions l’efficacité réelle et les effets sur la qualité du réseau électrique des lampes à LED et ce conformément à la norme internationale IEC 61000 relative à la compatibilité électromagnétique.

Due à leur durée de vie accrue et leur haute efficacité, les éclairages à LED remplacent rapidement les ampoules à incandescence et les lampes à économie d'énergie. En utilisant la technologie d'acquisition de données Dewesoft nous approfondissons cette technologie en testant plusieurs produits à LED.

Vidéo 1 :  Mesure et Analyse d’éclairage à LED à l’aide du logiciel d’acquisition de données DEWESoft

Les questions que nous nous sommes posées : 

Est-ce que l'efficacité est aussi bonne que celle proclamée ? Mais également, quels sont les effets des systèmes à LED sur la qualité du réseau et enfin quels impacts ont-ils sur les systèmes d'alimentation avec tension nominale européenne de 230 V, sans utiliser de conditionnement de puissance supplémentaire ?

Les mesures, relatives à des éclairages inférieurs à 25 Watts, sont divisées en deux parties : 

  • Dans la première partie, la 3ème et la 5ème harmoniques et les formes d’ondes associées sont évaluées pour déterminer si une ampoule à LED atteint les exigences définies pour les diodes électroluminescentes en comparant la déviation par rapport à la forme d’onde sinus idéale.

  • Dans la seconde partie, les courants harmoniques individuels sont comparés aux limites des équipements classés de classe C dans la norme CEI 61000-2-3.

Problématique et mesures

Les ampoules à LED sont moins énergivores que les ampoules à filament mais elles ont certains inconvénients. Dans la mesure où nous utilisons des diodes électroluminescentes à charge non linéaire, nous introduisons du bruit sur le réseau qui peut avoir un impact négatif sur la qualité de l’énergie. Cela induit une contrainte non désirée dans le circuit AC.

Comme de plus en plus d’éclairages à base de LED sont utilisés, la qualité de l’energie du réseau électrique peut être dégradée.

Nous décrirons les différentes manières d'utiliser l'analyseur de qualité d'énergie DEWESoft pour une surveillance précise & pratique de la qualité de l'énergie et la mesure de ces effets néfastes.

Configuration de mesure et de test

Les LEDs sont alimentées par une ligne à courant continu générée par une alimentation à découpage. Pour l’analyse de ce type de puissance DC, un système d’acquisition avec une grande bande-passante et une fréquence d’échantillonnage élevée est nécessaire en raison de la fréquence de commutation élevée des ballasts ou des régulateurs de commutation dans l’éclairage fluorescent et à LEDs.

Les entrées du SIRIUS HS (High Speed) de chez DEWESoft  sont parfaitement adaptées à cette application et permettent une analyse d’efficacité totalement synchrone du flux d’énergie complet (Puissance AC, Puissance DC, Luminance)

Equipement de Mesure
Système d’acquisition de données (DAQ) SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV
Capteurs et Transducteurs 2x DS-CLAMP-150DC AC/DC current clamps
Logiciel D’acquisition de données Dewesoft X3
Module logiciel supplémentaire Power plugin

Le système d’acquisition de données SIRIUS HS series a été choisi pour cette mesure car il combine une grande bande passante avec filtre anti-repliement et la possibilité d’échantillonner jusqu’à 1Ms/sec. Les DAQ de DEWESoft sont conçus pour être complètement modulaires ce qui veut dire que plusieurs équipements peuvent être utilisés simultanément, mesurant différents paramètres sur toutes les voies de manière complètement synchrone. 

Le Système SIRIUS est également équipé de filtre anti-repliement qui peuvent être combinés à des filtres à réponse impulsionnelle infinie (IIR) au sein d’un FPGA (field-programmable gate array). Ces solutions de filtrage peuvent être activées ou désactivées à loisir par l’utilisateur. 

SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV power analyser data acquisition systemAnalyseur de puissance SIRIUS isolé, haute tension et basse tension

D'une part, l'amplificateur basse tension (SIRIUS HS-LV) en combinaison avec la technologie ADC 16 bits permet des mesures de très basses tensions même dans des plages de mesure élevées (par exemple une résolution µV dans une plage de ± 10 V). Ces niveaux de tension peuvent être définis dans la configuration de mesure de Dewesoft X.
D'autre part, l'amplificateur haute tension (SIRIUS HS-HV) permet la mesure directe de tensions jusqu'à 1600V DC. Cela garantit que la tension du réseau, dans ce cas, pourrait être directement mesurée avec les amplificateurs intégrés sans transducteurs de tension supplémentaires.

Vous pouvez retrouver les spécifications à la fois des SIRIUS HS-LV et SIRIUS HS-HV sur cette page web ou en téléchargeant le Manuel technique de référence du SIRIUS .

Les pinces ampèremétriques DS-CLAMP-150DC sont des capteurs de courant, basés sur l’effet Hall, qui mesurent le courant à l’aide du champ magnétique créé autour du conducteur. La tension de sortie est directement proportionnelle au courant. Ils ont aussi l’avantage de permettre une mesure isolée galvaniquement rendant la mesure plus sûre.

 

Dewesoft current sensors and transducersPinces ampèremétriques Dewesoft

L'effet Hall est idéalement utilisé pour mesurer les courants alternatifs et continus avec une large gamme d'amplitudes et grande bande passante (jusqu'à 100 kHz). La sensibilité est élevée et la précision bonne (0,5% de la lecture). Pour cette raison, il est recommandé d'utiliser des pinces à effet Hall pour mesurer les courants continus.

Le Logiciel d’acquisition Dewesoft X utilisé est convivial et très intuitif, associé au module Power il rend ce type de mesure précis et facile.

Le module d'analyse de puissance est l'un des modules mathématiques les plus complexes de Dewesoft X. Il permet des mesures sur des réseaux à courant continu et alternatif fonctionnant à différentes fréquences avec une variété de configurations de câblage préinstallées et même des sources à fréquence variable. Toutes les mesures sont complètement synchrones.

Les schémas de câblage préinstallés disponibles dans le module d'analyse de puissance DEWESoft X sont les suivants : 

  • DC

  • Simple-phase

  • 3-Phases en Etoile

  • 3-Phases en Delta

  • 3-Phases Aron 

  • 3-Phase en V

  • 2-Phases

  • 3-Phase 2-mesures

Pour cette mesure, les schémas de câblage DC et AC monophasé ont été sélectionnés. Dans une liste déroulante de la page de configuration schématique, les canaux peuvent être attribués aux lignes de mesure correspondantes.

DC and AC set up windows in Dewesoft X

Figure 1: fenêtre de configuration AC et DC dans Dewesoft X

L’image suivante montre les formes d’onde AC (à gauche) et DC (à droite) d’une LED ainsi que le schéma de câblage utilisé pour cette mesure. La capacité de stockage des données brutes permet l’enregistrement des transitoires ou une analyse en dU/dt comme illustré côté DC. 

 

The waveforms of the AC (left) and DC (right) of an LEDFigure 2: Formes d'onde AC (gauche) & DC (droite) d'une LED

 

La LED en figure 1. a une conversion AC/DC avec une efficience de 80%. La puissance active est de 5,3W. Selon l’étiquetage énergétique cette LED aura :

  • Efficacité Classe A

  • Consommation de 5,3 kWh/1000 Heures

LED light efficiency standards

La LED semble être le meilleur choix en raison de son efficacité énergétique incontestablement élevée. Cependant, la question demeure, si la LED est en effet la meilleure technologie à utiliser, A-t-elle peu ou pas d'effets néfastes ?

Lors de l'analyse de la forme d'onde AC qui est délivrée à partir du réseau sur le côté gauche de l'image ci-dessus, il est clair que la forme d'onde n'est plus sinusoïdale, ce qui signifie que le facteur de puissance sera abaissé. Il existe également une grande quantité de distorsion qui influence négativement le réseau. 

Il y a beaucoup de puissance de distorsion présente qui affecte la qualité du réseau électrique, ce qui entraîne une mauvaise qualité d'énergie.

Tous les appareils électriques doivent satisfaire aux exigences de courants harmoniques définies dans la norme CEI 61000-3-2. Les limites pour l'éclairage sont définies dans la classe C. L'éclairage est divisé en deux parties selon la puissance électrique nominale, la première est l'éclairage de moins de 25 watts, et le reste tombe dans le segment de plus de 25 watts.

 

Mesures

Pour un éclairage inférieur à 25 Watt, il existe trois procédures possibles pour effectuer les tests. Nous en discuterons deux dans cette note d'application.

Procédure 1 – Analyse des 3ème et 5ème harmoniques du courant

La première procédure analyse les 3ème et 5ème harmoniques du courant, ainsi que la forme d'onde du courant sur une période.

Limite en courant
Harmonique # Limite
I_H3 86%
I_H5 61%

Lorsque la forme d'onde est analysée, la valeur de crête du courant doit apparaître à une phase ≤65° et ne doit pas tomber en dessous de 5% avant d'atteindre 90° de phase.

waveform illustrated in the IEC 61000-3-2 standard i

Figure 3: Forme d’onde du courant illustrée. Norme IEC 61000-3-2 (page 20)

Si nous analysons maintenant la forme d'onde de la LED testée, il est clair qu'elle ne remplit pas du tout cette condition. Les courants harmoniques pour I_H3 et I_H5 dépassent les limites définies et les caractéristiques de la forme d'onde sont loin des exigences fixées par la norme.

current waveform analysis of the LED under test

Figure 4: Forme d’onde du courant de la LED en test

Dewesoft est en mesure d'effectuer une analyse très rapide et puissante en fonction de ces exigences. Dans la vue Scope, la forme d'onde peut être analysée immédiatement avec quelques triggers et fonctions d'analyse. Les courants harmoniques peuvent être vérifiés rapidement que ce soit avec le diagramme FFT harmonique ou le Vector Scope qui est capable de montrer chaque harmonique individuelle, en valeurs absolues ainsi qu'en pourcentages.

 

Procédure 2 - Analyse de chaque harmonique du courant

La deuxième procédure consiste à analyser si les courants harmoniques, sans filtres harmoniques pour chaque harmonique individuelle, ne dépassent pas les limites des équipements classés en classe D spécifiés dans la CEI 61000-3-2: 2018 (tableau 3, colonne 2 - classe D équipement, page 22):

Limite en courant
Harmonique # 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
H13 to I_H39 3,85/n mA/W

Dans ce cas, les courants harmoniques sont référencés à la puissance active nominale de l'ampoule.

Cette analyse peut également être effectuée dans le logiciel Dewesoft X. Avec la fonctionnalité Table de référence, toutes les harmoniques et leurs limites peuvent être affichées dans un même diagramme. Pour cette éclairage LED, presque toutes les limites harmoniques sont dépassées, ce qui diminue l'efficacité économique de ces systèmes d'éclairage.

Diagram of the harmonic currentsFigure 5 : Diagramme des harmoniques du courant

Résultats

Dans cette application de mesure, triangle de puissance typique : 

  • Puissance apparente (S), 

  • Puissance réelle (P), et 

  • Puissance réactive (Q)

L'analyse de la puissance AC ne convient pas. Cela est dû à d'autres paramètres tels que la distorsion et la puissance réactive harmonique qui doivent être pris en compte en raison de la charge non linéaire causée par la LED (les charges non linéaires sont également produites par des onduleurs, des unités de ballast électronique, des alimentations PC et entrées rectifiées, entre autres).

Le module Power de DEWESoft apporte tous les outils nécessaires pour mesurer avec succès dans le domaine non linéaire. Outre la puissance réactive harmonique (QH), se produisant par le déphasage entre les tensions et les courants au sein des mêmes fréquences, un nouveau paramètre doit être pris en compte: la puissance réactive de distorsion (DH).

La puissance réactive de distorsion est définie comme la combinaison de tensions et de courants de différentes fréquences produisant la puissance de distorsion.

Power triangles - the old (P, Q, S) to the left, the new including distortion on the rightFigure 6: Triangles de puissance – le classique (P, Q, S) à gauche, le nouveau incluant la distorsion à droite

Bien que la technologie LED soit réputée très efficace, la LED testée crée beaucoup de puissance de distorsion. Cela se voit surtout dans la puissance de distorsion élevée (DH) et la distorsion harmonique totale à courant élevé (THD):P = 5,3W

  • Q = 10,4VAr

  • QH = -0,9VAr

  • DH = 10,4VAr

  • S = 11,7VA

  • THD_I = 183 %

Conclusions

L’Analyseur de Puissance de DEWESoft est capable de mesurer à la fois l'efficacité et la qualité de l'énergie ainsi que de produire une analyse complète des ampoules à l'aide d'un seul instrument. Il s'agit d'une expérience de test d'éclairage nouvelle et innovante.
Sur les 10 ampoules LED testées, étonnamment une seule a réussi le Power Quality Test. Les LED pour ce test ont été sélectionnées au hasard sans aucun biais de fabrication, de modalité et de prix. Ce n'est qu'après le test que ces paramètres ont été évalués, en raison de la réglementation sur la confidentialité des données, nous ne pouvons pas divulguer ces informations pour le moment.

Vérification de la source de tension

Avant que les émissions de qualité d'énergie des ampoules LED puissent être testées, la source de tension doit être vérifiée et que tous les paramètres (harmoniques) soient dans les limites requises, pour s'assurer qu'il n'y a pas de grosses chutes de tension ou de creux de tension. La réglementation CEI 61000-3-2 exige que les tensions harmoniques soient inférieures aux limites spécifiées.

Limites en tension
Harmonique# Limite
U_H3 0,9 %
U_H5 0,4 %
U_H7 0,3 %
U_H9 0,2 %
 U_H2 à U_H10 0,2 %
 U_H11 à U_H40 0,1 %

L'un des principaux avantages de l'utilisation des Instruments Dewesoft est l’option logicielle permettant l’analyse des harmoniques hautes fréquences (voir 6.2.1. Hautes fréquences, manuel utilisateur de l’analyseur de puissance) où les possibles distorsions et les harmoniques de tension du réseau peuvent être compensées et les tests effectués conformément à la CEI. 61000-3-2.

Documentation