LED球泡燈諧波和功率特性研究

高 敏，黃 煒，王語潔，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.國際銅業(yè)協(xié)會(中國)，上海 200020；3.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

引言

近年來，隨著LED應用技術的不斷突破，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、超長壽命、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點，LED照明的市場規(guī)模正在不斷擴大。LED燈具一般采用直流供電，當采用交流市電供電時，需要增加整流環(huán)節(jié)，而整流器是典型的諧波源，會產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)。同時，LED燈具呈阻容特性，在工作過程中還會產(chǎn)生容性無功注入電網(wǎng)。雖然單個燈具的功率較小，其對電網(wǎng)電壓波形畸變和功率因數(shù)的影響可以忽略，但隨著LED燈具應用的普及，LED燈規(guī)模接入電網(wǎng)時，其對電網(wǎng)電能質量的影響應引起足夠的重視。

1 LED球泡燈驅動電源

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

對于非隔離型驅動電源，根據(jù)驅動電源的拓撲及實現(xiàn)原理的不同，又可分為電阻限流式驅動電源、恒流二極管限流驅動電源、阻容降壓驅動電源、線性驅動電源、降壓恒流驅動電源(NPFC、PPFC和APFC)等諸多類型，但目前我國市場上LED球泡燈主要采用阻容降壓和降壓恒流兩種非隔離型驅動電源，而降壓恒流驅動根據(jù)是否含有功率因數(shù)校正技術，又可分為無功率因數(shù)校正和有功率因數(shù)校正。

1.1 阻容降壓驅動電源

由于阻容降壓驅動電源成本低廉、電路結構簡單，而且對LED模塊的工作電壓范圍幾乎無要求，通用性較高，因此在LED球泡燈中應用較多[5]。阻容降壓驅動電源的典型拓撲結構如圖1所示[6]，其中電容C1的作用是降壓和限流，R1為關斷電源后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直流電壓濾波呈平穩(wěn)的直流電壓。由于電容C1承擔了大部分的壓降，所以采用阻容降壓驅動電源的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地泄放掉，從而保護LED不被瞬間高壓擊穿，但在實際應用電路中大多沒有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制二極管。

圖1 阻容降壓驅動電源典型拓撲結構Fig.1 Typical topology of drag reduction drive power supply

采用阻容降壓驅動電源的LED球泡燈性能和穩(wěn)定性較差，在電網(wǎng)電壓波動時極易燒壞LED，同時輸出高壓非隔離，要求采用絕緣防護外殼。且功率因數(shù)低，壽命短，一般只適用于經(jīng)濟型小功率產(chǎn)品(5 W以內)。但在目前市場上，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動電源。

1.2 降壓恒流驅動電源

降壓恒流驅動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的半正弦波脈動直流電，通過直流側的電解電容將脈動電壓變換為波動較小的直流電壓，再通過恒流控制電路控制電流，使電流值不受輸入電壓波動的影響。降壓恒流驅動電源拓撲結構見圖2。

圖2 降壓恒流驅動電源典型拓撲結構Fig.2 Typical topology of step-down constant current drive power supply

由于直流側大電容的存在，該電路功率因數(shù)往往只有0.5左右，但是因為其結構簡單，效率高達90%以上，恒流精度較高，負載調整率也較高，因此大部分追求品質的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動電源功率因數(shù)偏低的問題，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、電感或二極管等無源元器件組成；APFC電路中包含開關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0.95以上，輸入電流總諧波畸變率在3%～5%，直流側電壓和輸出功率也基本保持穩(wěn)定，但APFC電流價格較貴，所以一般多采用PPFC電路[7]。

2 LED球泡燈功率特性分析

本文選取了市場上主流的5個品牌的18個型號LED球泡燈進行測試分析，為便于說明，分別用字母和數(shù)字組合標示各品牌及其功率，如A5表示A品牌5 W的LED球泡燈。針對選取的18個型號LED球泡燈，在220 V標準電壓下測試了其功率特性，其中各燈具的有功功率測試值與標稱值對比如圖3所示。

圖3 LED球泡燈測試功率與標稱功率對比圖Fig.3 Contrast diagram of test power and nominal power of LED bulb lamp

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

LED球泡燈標示的功率因數(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?，當系統(tǒng)中存在諧波成分時，諧波電流含量越大，λ與cosφ1的比值越小。在220 V標準電壓下測試的各LED球泡燈位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)對比如圖4所示。

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

對比測試數(shù)據(jù)，由于B5、E5采用阻容降壓驅動電源，降壓電容承擔了大部分的壓降，導致功率因數(shù)偏低，其對應的位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)在0.2～0.4之間，其無功功率達到有功功率的2～5倍。而A16和A19采用了PFC技術，其位移功率因數(shù)和總功率因數(shù)均在0.9以上，無功功率含量較小。其他型號的LED球泡燈采用了無PFC校正的降壓恒流驅動電源，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)測試分析結果，以上三種驅動類型的LED球泡燈均呈阻容特性，在工作過程中會產(chǎn)生無功功率注入系統(tǒng)。但需要注意的是，目前LED燈具標示的功率因數(shù)均指總功率因數(shù)，而非位移功率因數(shù)，因此在進行負荷計算或針對照明線路進行無功補償時，應明確具體的無功發(fā)生量。

3 LED球泡燈諧波特性分析

針對選取的18個型號的LED球泡燈，在220 V標準電壓下測試了各LED球泡燈的諧波電流特性。不同型號的LED球泡燈諧波電流含有率變化趨勢如圖5所示。

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

可見，由于LED球泡燈驅動電路采用了單相橋式不控整流電路，其主導諧波電流以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的驅動電路采用了PFC技術，增加了濾波和功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，使得采用該驅動電路的LED球泡燈電流近似接近正弦波，對應的總諧波電流畸變率在15%左右，如圖6所示。而B5和E5采用的是阻容降壓驅動電源，由于交流側降壓電容承擔了大部分的壓降，會產(chǎn)生很大的容性無功電流，導致基波電流偏大，從而導致采用該類驅動電源的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，但對應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，而采用降壓恒流驅動電源的A5總諧波電流含量也僅有21.46 mA。因此，對于同功率的LED球泡燈，采用降壓恒流驅動和阻容降壓驅動的總諧波電流含量差距不大。對于其他型號的LED球泡燈，均采用的是降壓恒流驅動，且未增加功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，對應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，在基波電壓過零點時刻分析不同類型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?，同類型驅動電源的LED球泡燈的同次諧波電流初相位分布具有一致性，而不同類型驅動電源的LED球泡燈的諧波電流初相位分布差異較大。如采用降壓恒流驅動電源的LED球泡燈，其3次諧波電流初相位集中在一個30°區(qū)間內，5次諧波電流初相位集中在一個60°區(qū)間內；而采用阻容降壓驅動電源的LED球泡燈(B5和E5)，與采用降壓恒流驅動電源LED球泡燈的3次諧波電流初相位基本反相；采用PFC技術的LED球泡燈(A16和A19)，與前兩種類型驅動電源的諧波相位分布也存在較大的差異。因此，對于LED燈具集中的場合，可選擇不同驅動類型的LED球泡燈實現(xiàn)諧波減弱的目的。

4 結束語

隨著LED技術的發(fā)展，LED燈具在照明市場上的應用逐漸開始普及，雖然單個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，其對電網(wǎng)的影響不容忽視。本文針對市場上常見的三種驅動類型LED球泡燈，從功率和諧波兩個方面進行了分析與研究，不同類型驅動電源的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，達到了40%。

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

3)在諧波電流方面，采用PFC技術的LED球泡燈總諧波電流畸變率在15%左右，采用阻容降壓驅動的LED球泡燈總諧波電流畸變率在30%左右，而采用降壓恒流驅動(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，采用阻容降壓驅動和采用降壓恒流驅動(NPFC)的同功率LED球泡燈的諧波電流含量相差不大。對于諧波電流的相位分布特性，采用同類型驅動電源的LED球泡燈的同次諧波初相位分布具有一致性，而采用不同類型驅動電源的LED球泡燈的諧波電流相位分布存在較大的差異。

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