LED照明諧波分析及其對(duì)配電設(shè)計(jì)的影響

劉德祥， 袁 天

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

低碳節(jié)能是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，LED照明因其光源能效高、節(jié)能效果好且調(diào)光性好等特點(diǎn)得到了大力推廣。由LED PN結(jié)的導(dǎo)通特性決定，LED照明需要低壓直流驅(qū)動(dòng)，因此，為了降低低壓直流電流在各種輸送環(huán)節(jié)中的耗損，LED燈具一般采用分布式局部低壓直流供電模式，每個(gè)燈具單獨(dú)設(shè)置恒流電源驅(qū)動(dòng)模塊，與燈具結(jié)合形成一體化產(chǎn)品，可直接接入市電220V交流電源。這種模式雖然解決了低壓傳輸損耗，卻帶來了諧波污染和中性線電流過大等問題。恒流驅(qū)動(dòng)模塊的電路框架圖主要部分如圖1，市電220V交流電先經(jīng)過整流橋，輸出為直流電，再經(jīng)過恒流處理環(huán)節(jié)，形成恒流輸出。

圖1 恒流驅(qū)動(dòng)模塊的電路框架圖

由于整流器件的單向?qū)щ娮饔?，在正、反相電壓作用下，其電阻值完全不同，因而整流器前端市電輸入電流也是非正弦的。由于系統(tǒng)參數(shù)、整流器相數(shù)、接線方式和運(yùn)行條件的不同，這種非正弦波形都有程度不同的畸變。畸變的電流波形可分解為基波及一系列不同頻率和幅值的諧波，加上恒流處理環(huán)節(jié)的非線性特性，恒流驅(qū)動(dòng)模塊使得市電輸入電流發(fā)生畸變，諧波進(jìn)入市電系統(tǒng)。

1 照明系統(tǒng)諧波含量標(biāo)準(zhǔn)要求

正弦波形的市電電壓為LED照明燈供電，主要諧波成份為奇次諧波，根據(jù)傅里葉展開，輸入電流計(jì)算公式見式(1)。

(1)

在LED照明三相配電系統(tǒng)中，市電各相電流的相角差為120°，因此各相三次諧波相角差為0°，即各相照明回路電流相角差為0，在中性線上疊加。同理，9次諧波、12次諧波均會(huì)在中性線上疊加，而相線中高次諧波均存在。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》(以下簡稱“《諧波電流限值》”)，對(duì)于有功輸入功率>25W的照明燈具，其諧波電流不應(yīng)超過表1給出的對(duì)應(yīng)限值；對(duì)于有功功率≤25W的放電燈，其諧波電流應(yīng)至少符合以下兩項(xiàng)要求中的一項(xiàng)：(1)諧波電流不超過規(guī)定的每瓦允許的最大諧波電流限值；(2)3次諧波電流畸變率不應(yīng)超過86%，5次諧波不超過61%[1]。

諧波電流限值表(有功輸入功率>25W的照明燈具) 表1

2 LED照明回路中導(dǎo)線截面的選擇

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過程中，往往是利用整個(gè)回路燈具標(biāo)稱總功率和供電工頻電壓來計(jì)算回路電流，通過截流量來確定導(dǎo)線截面。對(duì)于LED照明回路，計(jì)算的回路電流僅為實(shí)際回路電流基波部分，并未有考慮高次諧波電流部分，這是存在隱患的。

從導(dǎo)線發(fā)熱的角度，作用于相線上的實(shí)際運(yùn)行電流有效值見式(2)(高次諧波僅考慮3、5次諧波)：

(2)

作用于零線上的實(shí)際運(yùn)行電流見式(3)(高次諧波僅考慮3、5次諧波)：

IN=3I3

(3)

在照明配電設(shè)計(jì)過程中，通常是按照基波計(jì)算電流I1來選擇導(dǎo)線截面。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《諧波電流限值》的規(guī)定，對(duì)于有功輸入功率>25W的照明燈具，3次諧波和5次諧波的最大諧波含量為30λ%和10%，相線及中性線上的實(shí)際運(yùn)行電流大小見式(4)～(5)：

(4)

IN=3I3=3×0.3λI1=0.9λI1<0.9I1

(5)

因此，對(duì)于LED照明配電系統(tǒng)，單相配電回路的相線及中性線均可按電流1.05I1來選擇導(dǎo)線截面；對(duì)于三相配電回路，相線可按電流1.05I1來選擇導(dǎo)線截面，中性線可按電流0.9I1來選擇導(dǎo)線截面。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，對(duì)于有功輸入功率>25W的照明燈具，如果滿足規(guī)定要求，諧波電流對(duì)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響很小。

對(duì)于有功功率≤25W的放電燈，3次諧波和5次諧波的最大諧波含量為86%和61%，相線及中性線上的實(shí)際運(yùn)行電流大小見式(6)～(7)：

(6)

IN=3I3=3×0.86I1=2.58I1

(7)

因此，對(duì)于LED照明配電系統(tǒng)，單相配電回路的相線及中性線均可按電流1.46I1來選擇導(dǎo)線截面，對(duì)于三相配電回路，相線可按電流1.46I1來選擇導(dǎo)線截面，中性線可按電流2.58I1來選擇導(dǎo)線截面。在這種情況下，導(dǎo)線截面僅僅按照計(jì)算電流I1來選擇誤差很大，因此要慎用有功功率≤25W的LED燈具，或者對(duì)燈具提出諧波含量要求，否則按照電流2.58I1來選擇導(dǎo)線截面會(huì)增加較大的工程費(fèi)用。

以上兩種計(jì)算結(jié)果是針對(duì)LED照明燈具產(chǎn)生諧波含量滿足標(biāo)準(zhǔn)上限值的情況下得出的，在LED照明設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)諧波含量來確定實(shí)際運(yùn)行電流IL=I1/k，IN=3μI1/k，k為校正系數(shù)，μ為諧波含量百分比，簡化處理可按表2選擇導(dǎo)線截面。

含有諧波電流時(shí)的計(jì)算電流校正系數(shù)[2] 表2

3 LED照明回路中斷路器的選擇

照明系統(tǒng)中供電電壓一般不超過400V，多采用C型微型斷路器，其瞬時(shí)脫扣范圍[3]見表3。

表3 瞬時(shí)脫扣范圍

其中，In為斷路器整定電流。然而，LED燈在啟動(dòng)時(shí)存在尖峰電流，其大小為穩(wěn)定運(yùn)行電流(含諧波)IL的10～12倍[2]，所以斷路器在保護(hù)照明回路的同時(shí)，要避開尖峰電流，避免在回路通電時(shí)尖峰電流大于斷路器動(dòng)作電流而脫扣，必須滿足5In>12IL=12I1/k即In>(2.4/k)I1，k為表2中的校正系數(shù)。因此，C型斷路器的整定值必須大于回路運(yùn)行電流的2.4倍。D型斷路器雖然脫扣電流值更大，能夠避開更大的尖峰電流，但是其短路保護(hù)靈敏度會(huì)低很多，且因?yàn)槊摽垭娏髌蟠嬖诎l(fā)熱問題，對(duì)于負(fù)載穩(wěn)定的照明回路，更適合C型斷路器[3]。

4 結(jié)束語