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

Introduzione

L'illuminazione a LED sta diventando sempre più popolare. I LED ad alta efficienza consumano circa il 75% in meno di energia rispetto alle lampadine a incandescenza. Questo unito alla maggiore durata rispetto alle lampadine ad incandescenza, sono i motivi principali del loro successo.

Utilizzando il Dewesoft Power Analyzer analizziamo l'actual efficency e i power quality effects delle luci a LED in conformità con lo standard internazionale IEC 61000 sulla compatibilità elettromagnetica (EMC).

L'illuminazione a LED, grazie all'elevata efficienza e risparmio energetico che garantisce, sta rapidamente sostituendo sia quella prodotta da lampadine ad incandescenza che quella delle lampade a risparmio energetico. Utilizzando la tecnologia di acquisizione dati Dewesoft ci addentriamo più a fondo in questa tecnologia per metterla alla prova, testando più prodotti a LED.

Video 1: Misura e Analisi della luce a LED con software di acquisizione dati Dewesoft

Ecco le domande che ci siamo posti: l'efficienza è buona come dichiarata in un sistema elettrico standard? Inoltre, quali sono gli effetti di Power Quality che si presentano nei dispositivi di illuminazione a LED? E quali effetti hanno sui sistemi di alimentazione con tensione nominale europea di 230 V, senza l'uso di alcun condizionatore di potenza aggiuntivo? 
Il test è suddiviso in due segmenti di misura per l'illuminazione inferiore a 25 Watt:

  • Nel primo segmento, la terza e la quinta armonica e le forme d'onda associate vengono valutate per determinare se una lampadina a LED soddisfa i requisiti stabiliti dallo standard per diodi emettitori di luce mediante confronto con la deviazione dalle onde sinusoidali ideali. 
  • Nel secondo segmento, le singole correnti armoniche vengono confrontate con i limiti delle apparecchiature classificate di Classe C nella norma IEC 61000-3-2.

Applicazione: Problemi e Misure

Le lampadine a LED sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle lampadine ad incandescenza, ma presentano anche alcuni svantaggi. Poiché utilizzano un diodo a emissione luminosa che produce un carico non lineare, possono influire negativamente sulla qualità dell'alimentazione, introducendo rumore . Ciò mette a dura prova il circuito AC.

Man mano che vengono utilizzati sempre più sistemi di illuminazione a LED, la qualità della rete elettrica può essere influenzata negativamente il che, a sua volta, provoca valori di qualità della potenza indesiderati e valori di potenza scadenti nella rete.

Descriveremo i metodi per utilizzare il Dewesoft power quality analyzer per un monitoraggio preciso e utile della qualità dell'energia e la misura di questi effetti dannosi.

Misura e Test di installazione

I LED sono alimentati da una linea DC generata da una fonte di alimentazione a commutazione. Per l'analisi della potenza DC è necessario un sistema di acquisizione dati con elevata ampiezza di banda e un'elevata frequenza di campionamento. Questo a causa delle alte frequenze di commutazione della corrente o dei regolatori di commutazione nell'illuminazione fluorescente e nei LED.

Gli amplificatori Dewesoft SIRIUS HS (High Speed) si adattano perfettamente a questa applicazione e consentono un'analisi dell'efficienza completamente sincrona dell'intero flusso di energia (alimentazione AC, alimentazione DC, luminanza).

Strumentazione di Misura
Sistema di acquisizione dati SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV
Sensore e trasduttore 2x DS-CLAMP-150DC AC/DC current clamps
Software di acquisizione dati Dewesoft X3
Moduli di licenza SW aggiuntivi Power plugin

Per effettuare questa misure è stato scelto il sistema DAQ della serie SIRIUS HS in quanto combina un'elevata ampiezza di banda con l'acquisizione del segnale alias-free e la possibilità di misurare con una frequenza di campionamento fino a 1 MS / sec. I dispositivi Dewesoft DAQ sono progettati per essere completamente modulari, il che significa che è possibile utilizzare più dispositivi contemporaneamente, misurando parametri diversi con tutti i canali completamente sincroni tra loro.

Il sistema DAQ SIRIUS è inoltre dotato di un filtro antialiasing che può essere combinato con un filtro infinite impulse response (IIR) all'interno del field-programmable gate array (FPGA). Queste soluzioni di filtro sono standard e possono essere attivate o disattivate dall'utente in base alle esigenze.

SIRIUSi-HS-4xHV-4xLV power analyser data acquisition systemAnalizzatore di potenza SIRIUS isolato ad alta e bassa tensione

Da un lato, l'amplificatore a bassa tensione (SIRIUS HS-LV) in combinazione con la tecnologia ADC a 16 bit consente di misurare tensioni molto basse anche per range di misura elevati (ad es. risoluzione dell'ordine dei µV in un range di ± 10 V). Questi livelli di tensione possono essere impostati nel setup di misura in Dewesoft X.

Dall'altra parte, l'amplificatore ad alta tensione (SIRIUS HS-HV) consente la misura diretta di tensioni fino a 1600 V DC. Ciò garantisce che la tensione di rete, in questo caso, possa essere misurata direttamente con gli amplificatori integrati senza trasduttori di tensione aggiuntivi.

È possibile trovare le specifiche degli amplificatori SIRIUS HS-LV e SIRIUS HS-HV su questa pagina Web o scaricando il manuale tecnico di riferimento SIRIUS.

Il DS-CLAMP-150DC è un trasduttore di corrente basato sull'effetto Hall, che misura il flusso di corrente utilizzando il campo magnetico creato attorno al conduttore. Il flusso di corrente è direttamente proporzionale all'uscita di tensione. Ha anche il vantaggio di avere la misura separata galvanicamente, ciò rende la misura molto più sicura.

Dewesoft current sensors and transducersSensori e trasduttori di corrente Dewesoft

L'effetto Hall è usato in modo conveniente per misurare sia le correnti AC che DC con elevata ampiezza e range di frequenza (fino a 100 kHz) presentando un' elevata sensibilità e precisione di lettura dello 0,5%. Per questo motivo, si consiglia di utilizzare morsetti basati sull'effetto Hall per misurare le correnti DC.

Il software di acquisizione dati Dewesoft X utilizzato, è molto intuitivo e facile da usare, e in combinazione con il modulo power rende questo tipo di misura precisa e semplice.

Il modulo di analisi power è uno dei moduli matematici più complessi di Dewesoft X. Permette di misurare reti a corrente continua e corrente alternata che operano a frequenze diverse con una varietà di configurazioni di cablaggio preinstallate e anche fonti di frequenza variabili. Tutte le misure sono completamente sincrone.

Gli schemi di cablaggio preinstallati disponibili nel modulo di analisi della potenza di Dewesoft X sono i seguenti:

  • DC
  • Single-phase
  • 3-Phase Star
  • 3-Phase Delta
  • 3-Phase Aron 
  • 3-Phase V
  • 2-Phase
  • 3-Phase 2-meter

Per questa misura, sono stati selezionati gli schemi di cablaggio Single-Phase DC e AC. Da un menù a tendina nella pagina di setup, i canali possono essere assegnati alle corrispondenti linee di misura.

DC and AC set up windows in Dewesoft XFigura 1: DC e AC windows setup in Dewesoft X

L'immagine seguente mostra le forme d'onda in AC (sinistra) e DC (destra) di un LED, nonché lo schema di cablaggio utilizzato per eseguire la misura. La capacità di memorizzazione dei dati non elaborati consente anche la registrazione transitoria o un'analisi dU/dt come si vede sul lato DC.

The waveforms of the AC (left) and DC (right) of an LEDFigure 2: Le forme d'onda in AC (sinistra) e DC (destra) di un LED

Il LED in figura 1. ha un efficenza da DC a AC dell'80 %. La potenza attiva è 5,3 W. Secondo l'etichettatura energetica questo LED avrà:

  • Class A Efficiency
  • 5,3 kWh/1000 hours energy consumption

LED light efficiency standards

Il LED sembra essere senza dubbio la scelta migliore vista l'elevata efficienza energetica. Tuttavia, la domanda rimane: il LED è davvero la migliore tecnologia da utilizzare che provoca effetti poco o niente dannosi?

Quando si analizza la forma d'onda AC (lato sinistro dell'immagine precedente) che viene erogata dalla rete, è chiaro che la forma d'onda della corrente non è più sinusoidale. Ciò significa che il fattore di potenza verrà abbassato. C'è anche una grande quantità di distorsione che influenza il segnale.

C'è molta potenza distorcente presente che influisce sulla qualità della rete elettrica e causa una scarsa qualità dell'alimentazione.

Tutti i dispositivi elettrici devono soddisfare i requisiti per le correnti armoniche definite nella norma IEC 61000-3-2. I limiti per l'illuminazione sono definiti nella classe C. L'illuminazione è suddivisa in due regioni di potenza elettrica nominale, la prima è l'illuminazione inferiore a 25 Watt e il resto rientra nel segmento superiore a 25 Watt.

Misure

Per un'illuminazione inferiore a 25 Watt, sono disponibili tre procedure per eseguire i test. In questa nota applicativa ne vedremo ed analizzeremo due.

Procedura 1 - Analisi della Terza e Quinta Armonica di Corrente

La prima procedura analizza le armoniche attuali del terzo e del quinto ordine armonico, inoltre analizza la forma d'onda della corrente entro un periodo.

Limiti per Armoniche di Corrente
Ordine Armonica Limiti
I_H3 86%
I_H5 61%

Quando si analizza la forma d'onda, il valore di picco della corrente deve apparire in una fase ≤65 ° e non deve scendere al di sotto del 5% prima che raggiunga la fase a 90 °.

waveform illustrated in the IEC 61000-3-2 standard
Figura 3: forma d'onda di corrente illustrata nella norma IEC 61000-3-2 (pag 20)

Se ora analizziamo la forma d'onda del LED in prova, è abbastanza chiaro che non soddisfa affatto questo prerequisito. Le correnti armoniche per I_H3 e I_H5 superano i limiti impostati e anche le caratteristiche della forma d'onda sono lontane dai requisiti stabiliti dalla norma.

current waveform analysis of the LED under test
Figura 4: Analisi della forma d'onda di corrente del LED in prova

Dewesoft è in grado di eseguire un'analisi molto rapida ed approfondita in base a questi requisiti. Nella vista Scope, la forma d'onda può essere analizzata immediatamente utilizzando un paio di trigger e funzioni di analisi. Le correnti armoniche possono essere verificate rapidamente sia con la tabella Harmonic FFT che con Vector Scope, che è in grado di mostrare ogni singola armonica, in valori assoluti e percentuali.

Procedura 2 - Analisi di ogni singola Armonica di Corrente

La seconda procedura è quella di analizzare se le correnti armoniche, senza filtri armonici per ogni singola armonica, non superano i limiti delle apparecchiature classificate nella classe D specificata in IEC 61000-3-2: 2018 (tabella 3, colonna 2 - classe D attrezzatura, pagina 22):

Limiti per Armoniche di Corrente
Ordine Armonica 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
Odd Harmonics from I_H13 to I_H39 3,85/n mA/W

In questo caso, le armoniche di corrente sono riferite alla potenza attiva nominale del bulbo di luce.

Questa analisi può essere eseguita anche con il software Dewesoft X. Con la funzionalità Tabella di riferimento, tutte le armoniche e i relativi limiti possono essere visualizzati in un diagramma. Quasi sempre, analizzano questa luce a LED, risulta che tutti i limiti armonici che riducono l'efficienza economica di questi sistemi di illuminazione, vengono superati.

Diagram of the harmonic currentsFigure 5: Diagramma delle armoniche di corrente

Risultati

In questa applicazione di misura, il tipico triangolo di potenza:

  • potenza apparente (S), 
  • potenza reale (P), e
  • potenza reattiva (Q)

dell'analisi della potenza AC non è adatto. Ciò è dovuto ad altri parametri come la distorsione e la potenza armonica reattiva che devono essere considerati a causa del carico non lineare causato dal LED (i carichi non lineari sono anche prodotti da inverter, alimentatori elettronici, alimentatori per computer e input rettificati, tra gli altri).

Il modulo di potenza Dewesoft offre tutti gli strumenti necessari per misurare con successo in campo non lineare. Oltre alla potenza reattiva armonica (QH), che si verifica attraverso lo sfasamento tra tensioni e correnti delle stesse frequenze, è necessario considerare un nuovo parametro: la potenza reattiva di distorsione (DH).

La Potenza Reattiva di Distorsione è definita come la combinazione di tensioni e correnti di frequenze diverse che producono la potenza di distorsione.

Power triangles - the old (P, Q, S) to the left, the new including distortion on the rightFigure 6: Triangoli di potenza - il vecchio (P, Q, S) a sinistra, il nuovo che comprende la distorsione a destra

Anche se si dice che la tecnologia LED sia molto efficiente, il LED testato crea molta potenza di distorsione. Questo si vede soprattutto nell'elevato potere di distorsione (DH) e nell'alta corrente di distorsione armonica totale (THD):

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

Conclusioni

L'Analizzatore di Potenza Dewesoft è in grado di misurare sia l'efficienza che la qualità dell'alimentazione, nonché di effettuare un'analisi completa delle lampadine utilizzando un unico strumento. Questa è una nuova e innovativa esperienza di test di illuminazione.

Delle 10 lampadine a LED che sono state testate, sorprendentemente, solo una ha superato il Test Power Quality. I LED per questo test sono stati selezionati in modo casuale senza considerare bias, modali e prezzi. Solo dopo il test, questi parametri sono stati valutati. Nel rispetto delle normative sulla privacy dei dati, non possiamo divulgare queste informazioni in questo momento.

Verifica della Sorgente di Tensione

Prima di poter testare le emissioni della qualità energetica delle lampadine a LED, è necessario controllare la sorgente di tensione e verificare che tutti i parametri (armoniche) rientrino nei limiti richiesti, per garantire che non vi siano grandi cadute di tensione o sbalzi di tensione. La norma IEC 61000-3-2 richiede che le tensioni armoniche siano inferiori ai limiti specificati.

Limiti specificati per le Tensioni Armoniche
Ordine Armonica Limite
U_H3 0,9 %
U_H5 0,4 %
U_H7 0,3 %
U_H9 0,2 %
Even Harmonics from U_H2 to U_H10 0,2 %
All Harmonics from U_H11 to U_H40 0,1 %

Un grande vantaggio dell'utilizzo degli strumenti DAQ Dewesoft è rappresentato dalle opzioni di software armoniche di fondo (vedere 6.2.1. Armoniche di fondo nel Manuale dell'analizzatore di potenza) in cui è possibile compensare eventuali distorsioni e armoniche della tensione di rete e test che possono essere eseguiti secondo la norma IEC 61000-3-2.

Documentazione