高 敏，黃 煒，王語(yǔ)潔，曹義力，朱明星

(1.安徽武怡電氣科技有限公司，安徽 合肥 230081；2.國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)(中國(guó))，上海 200020；3.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

引言

近年來(lái)，隨著LED應(yīng)用技術(shù)的不斷突破，LED燈具的節(jié)能效果已非常顯著[1-2]。由于LED燈具有高效節(jié)能、超長(zhǎng)壽命、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，LED照明的市場(chǎng)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。LED燈具一般采用直流供電，當(dāng)采用交流市電供電時(shí)，需要增加整流環(huán)節(jié)，而整流器是典型的諧波源，會(huì)產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)。同時(shí)，LED燈具呈阻容特性，在工作過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生容性無(wú)功注入電網(wǎng)。雖然單個(gè)燈具的功率較小，其對(duì)電網(wǎng)電壓波形畸變和功率因數(shù)的影響可以忽略，但隨著LED燈具應(yīng)用的普及，LED燈規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響應(yīng)引起足夠的重視。

1 LED球泡燈驅(qū)動(dòng)電源

LED球泡燈驅(qū)動(dòng)電源種類繁多，根據(jù)輸入和輸出是否有變壓器隔離，將LED球泡燈驅(qū)動(dòng)電源分為隔離型驅(qū)動(dòng)電源和非隔離型驅(qū)動(dòng)電源。這兩類驅(qū)動(dòng)電源各有優(yōu)勢(shì)，隔離型驅(qū)動(dòng)電源主要優(yōu)點(diǎn)是安全性較高，但增加變壓器隔離后，驅(qū)動(dòng)電源的體積、效率以及功率因數(shù)方面均不及非隔離電源。因此，當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上主流的LED球泡燈均采用非隔離型驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行供電[4]。

對(duì)于非隔離型驅(qū)動(dòng)電源，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浼皩?shí)現(xiàn)原理的不同，又可分為電阻限流式驅(qū)動(dòng)電源、恒流二極管限流驅(qū)動(dòng)電源、阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源、線性驅(qū)動(dòng)電源、降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源(NPFC、PPFC和APFC)等諸多類型，但目前我國(guó)市場(chǎng)上LED球泡燈主要采用阻容降壓和降壓恒流兩種非隔離型驅(qū)動(dòng)電源，而降壓恒流驅(qū)動(dòng)根據(jù)是否含有功率因數(shù)校正技術(shù)，又可分為無(wú)功率因數(shù)校正和有功率因數(shù)校正。

1.1 阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源

由于阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源成本低廉、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)LED模塊的工作電壓范圍幾乎無(wú)要求，通用性較高，因此在LED球泡燈中應(yīng)用較多[5]。阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[6]，其中電容C1的作用是降壓和限流，R1為關(guān)斷電源后C1的電荷泄放電阻；C2、C3的作用是濾波，用于將整流后的脈動(dòng)直流電壓濾波呈平穩(wěn)的直流電壓。由于電容C1承擔(dān)了大部分的壓降，所以采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的功率因數(shù)都很低，一般在0.2～0.4之間。壓敏電阻RV的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓對(duì)地泄放掉，從而保護(hù)LED不被瞬間高壓擊穿，但在實(shí)際應(yīng)用電路中大多沒(méi)有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管。

圖1 阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Typical topology of drag reduction drive power supply

采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈性能和穩(wěn)定性較差，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)極易燒壞LED，同時(shí)輸出高壓非隔離，要求采用絕緣防護(hù)外殼。且功率因數(shù)低，壽命短，一般只適用于經(jīng)濟(jì)型小功率產(chǎn)品(5 W以內(nèi))。但在目前市場(chǎng)上，要求不高的低端型產(chǎn)品幾乎全部采用阻容降壓電源，另外，一些高功率的便宜低端產(chǎn)品，也有采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源。

1.2 降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源

降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源主要由單相橋式不控整流電路、電容濾波電路、恒流控制電路等構(gòu)成。單相橋式不控整流電路將50 Hz的正弦波交流電變化為100 Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電，通過(guò)直流側(cè)的電解電容將脈動(dòng)電壓變換為波動(dòng)較小的直流電壓，再通過(guò)恒流控制電路控制電流，使電流值不受輸入電壓波動(dòng)的影響。降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Typical topology of step-down constant current drive power supply

由于直流側(cè)大電容的存在，該電路功率因數(shù)往往只有0.5左右，但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高達(dá)90%以上，恒流精度較高，負(fù)載調(diào)整率也較高，因此大部分追求品質(zhì)的LED球泡燈生產(chǎn)商選用降壓恒流控制方案。

為了解決降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，可在電路中增加PFC(功率因數(shù)校正)電路。功率因數(shù)校正電路分為無(wú)源校正(PPFC)和有源校正(APFC)兩種類型，其中PPFC中不含有源器件，僅由電阻、電容、電感或二極管等無(wú)源元器件組成；APFC電路中包含開(kāi)關(guān)管和專用的集成芯片。有源功率因數(shù)校正電路能夠使輸入電流的平均值基本上按輸入電壓的正弦波變化，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，輸入電流總諧波畸變率在3%～5%，直流側(cè)電壓和輸出功率也基本保持穩(wěn)定，但APFC電流價(jià)格較貴，所以一般多采用PPFC電路[7]。

2 LED球泡燈功率特性分析

本文選取了市場(chǎng)上主流的5個(gè)品牌的18個(gè)型號(hào)LED球泡燈進(jìn)行測(cè)試分析，為便于說(shuō)明，分別用字母和數(shù)字組合標(biāo)示各品牌及其功率，如A5表示A品牌5 W的LED球泡燈。針對(duì)選取的18個(gè)型號(hào)LED球泡燈，在220 V標(biāo)準(zhǔn)電壓下測(cè)試了其功率特性，其中各燈具的有功功率測(cè)試值與標(biāo)稱值對(duì)比如圖3所示。

圖3 LED球泡燈測(cè)試功率與標(biāo)稱功率對(duì)比圖Fig.3 Contrast diagram of test power and nominal power of LED bulb lamp

由圖3可見(jiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)電壓下，實(shí)測(cè)的各LED球泡燈有功功率與其標(biāo)稱值存在一定的偏差。其中A品牌標(biāo)稱5 W的LED球泡燈，實(shí)測(cè)有功功率僅2.999 W，比標(biāo)稱功率低40%，偏差較大。其他型號(hào)的LED球泡燈實(shí)測(cè)有功功率與標(biāo)稱功率的偏差率均在-15%～﹢10%之間，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24908—2014《普通照明用非定向自鎮(zhèn)流LED燈 性能要求》對(duì)LED燈功率偏差(±15%)的要求。

LED球泡燈標(biāo)示的功率因數(shù)一般指總功率因數(shù)λ，即總有功功率和總視在功率之比，如下：

(1)

(2)

式中，λ為總功率因數(shù)，此定義包括電壓和電流的諧波分量以及基波電壓和基波電流之間相位移的影響；cosφ1為基波位移功率因數(shù)?？梢?jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)中存在諧波成分時(shí)，諧波電流含量越大，λ與cosφ1的比值越小。在220 V標(biāo)準(zhǔn)電壓下測(cè)試的各LED球泡燈位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)對(duì)比如圖4所示。

圖4 LED球泡燈位移功率因數(shù)與總功率因數(shù)對(duì)比圖Fig.4 The contrast diagram of the displacement power factor and the total power factor of the LED bulb lamp

對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，由于B5、E5采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源，降壓電容承擔(dān)了大部分的壓降，導(dǎo)致功率因數(shù)偏低，其對(duì)應(yīng)的位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)在0.2～0.4之間，其無(wú)功功率達(dá)到有功功率的2～5倍。而A16和A19采用了PFC技術(shù)，其位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)均在0.9以上，無(wú)功功率含量較小。其他型號(hào)的LED球泡燈采用了無(wú)PFC校正的降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源，雖然位移功率因數(shù)大多在0.9以上，但由于THDi較大，總功率因數(shù)基本集中在0.5～0.6之間。

根據(jù)測(cè)試分析結(jié)果，以上三種驅(qū)動(dòng)類型的LED球泡燈均呈阻容特性，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率注入系統(tǒng)。但需要注意的是，目前LED燈具標(biāo)示的功率因數(shù)均指總功率因數(shù)，而非位移功率因數(shù)，因此在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算或針對(duì)照明線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)明確具體的無(wú)功發(fā)生量。

3 LED球泡燈諧波特性分析

針對(duì)選取的18個(gè)型號(hào)的LED球泡燈，在220 V標(biāo)準(zhǔn)電壓下測(cè)試了各LED球泡燈的諧波電流特性。不同型號(hào)的LED球泡燈諧波電流含有率變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 不同LED球泡燈諧波電流含有率對(duì)比圖Fig.5 Contrast diagram of harmonic current in different LED bulb lamps

可見(jiàn)，由于LED球泡燈驅(qū)動(dòng)電路采用了單相橋式不控整流電路，其主導(dǎo)諧波電流以3次、5次、7次等奇次諧波電流為主，且隨著頻率的增加諧波電流含有率快速衰減。由于A16和A19的驅(qū)動(dòng)電路采用了PFC技術(shù)，增加了濾波和功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，使得采用該驅(qū)動(dòng)電路的LED球泡燈電流近似接近正弦波，對(duì)應(yīng)的總諧波電流畸變率在15%左右，如圖6所示。而B(niǎo)5和E5采用的是阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源，由于交流側(cè)降壓電容承擔(dān)了大部分的壓降，會(huì)產(chǎn)生很大的容性無(wú)功電流，導(dǎo)致基波電流偏大，從而導(dǎo)致采用該類驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的各次諧波電流含有率及電流總諧波畸變率偏低，總諧波電流畸變率在30%左右，但對(duì)應(yīng)的總諧波電流含量卻并不低，如B5和E5的總諧波電流含量分別為28.07 mA和21.82 mA，而采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源的A5總諧波電流含量也僅有21.46 mA。因此，對(duì)于同功率的LED球泡燈，采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)和阻容降壓驅(qū)動(dòng)的總諧波電流含量差距不大。對(duì)于其他型號(hào)的LED球泡燈，均采用的是降壓恒流驅(qū)動(dòng)，且未增加功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的總諧波電流畸變率明顯偏大，THDi集中在120%～160%之間。

圖6 不同LED球泡燈總諧波電流含量和總諧波電流畸變率對(duì)比圖Fig.6 Contrast diagram of IH and THDi of different LED bulb lamps

圖7 不同LED球泡燈3次和5次諧波電流相位分布Fig.7 Phase distribution of 3rd and 5th Ih of different LED bulb lamps

為了研究不類型LED球泡燈諧波電流相位分布特性，在基波電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻分析不同類型LED球泡燈各次諧波電流的初相位分布，其中各LED球泡燈的3次和5次諧波電流初相位分布如圖7所示?？梢?jiàn)，同類型驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的同次諧波電流初相位分布具有一致性，而不同類型驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的諧波電流初相位分布差異較大。如采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈，其3次諧波電流初相位集中在一個(gè)30°區(qū)間內(nèi)，5次諧波電流初相位集中在一個(gè)60°區(qū)間內(nèi)；而采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈(B5和E5)，與采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)電源LED球泡燈的3次諧波電流初相位基本反相；采用PFC技術(shù)的LED球泡燈(A16和A19)，與前兩種類型驅(qū)動(dòng)電源的諧波相位分布也存在較大的差異。因此，對(duì)于LED燈具集中的場(chǎng)合，可選擇不同驅(qū)動(dòng)類型的LED球泡燈實(shí)現(xiàn)諧波減弱的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED燈具在照明市場(chǎng)上的應(yīng)用逐漸開(kāi)始普及，雖然單個(gè)LED燈具的功率及諧波電流發(fā)生量均較小，但由于LED燈具的數(shù)量眾多，其對(duì)電網(wǎng)的影響不容忽視。本文針對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)的三種驅(qū)動(dòng)類型LED球泡燈，從功率和諧波兩個(gè)方面進(jìn)行了分析與研究，不同類型驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈諧波和功率均呈現(xiàn)出一定的特性：

1)在運(yùn)行功率方面，大部分LED球泡燈有功偏差滿足GB/T 24908—2014的要求，但也有部分小功率LED球泡燈的功率偏差超標(biāo)，達(dá)到了40%。

2)在功率因數(shù)方面，采用PFC技術(shù)的LED球泡燈功率因數(shù)最高，可達(dá)0.9以上，采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)(NPFC)的LED球泡燈功率因數(shù)主要集中在0.5～0.6之間，而采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈功率因數(shù)主要集中在0.2～0.4之間。由于阻容降壓驅(qū)動(dòng)的LED球泡燈功率因數(shù)很低，在運(yùn)行過(guò)程中其無(wú)功功率可達(dá)到有功功率的2～5倍。

3)在諧波電流方面，采用PFC技術(shù)的LED球泡燈總諧波電流畸變率在15%左右，采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)的LED球泡燈總諧波電流畸變率在30%左右，而采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)(NPFC)的LED球泡燈的總諧波電流畸變率在120%～160%之間。但在總諧波電流含量方面，采用阻容降壓驅(qū)動(dòng)和采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)(NPFC)的同功率LED球泡燈的諧波電流含量相差不大。對(duì)于諧波電流的相位分布特性，采用同類型驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的同次諧波初相位分布具有一致性，而采用不同類型驅(qū)動(dòng)電源的LED球泡燈的諧波電流相位分布存在較大的差異。

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