李炳華，賈佳，岳云濤，覃劍戈，董青，徐學(xué)民

(1.悉地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學(xué)，北京 100044)

LED燈電壓特性的研究與應(yīng)用

李炳華1，賈佳2，岳云濤2，覃劍戈2，董青1，徐學(xué)民1

(1.悉地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學(xué)，北京 100044)

近年來(lái)，LED燈以其節(jié)能、高效、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，已開始應(yīng)用于體育照明。為研究LED燈的電壓特性，對(duì)7款LED燈進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)試在電壓變化時(shí)LED燈的電流諧波畸變率及照度值等的變化情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可看出，電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，LED燈的照度基本不變，對(duì)諧波的影響也有限，這種較穩(wěn)定的電壓特性使得LED燈更適合應(yīng)用于體育照明。根據(jù)分析結(jié)果，本文對(duì)JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了補(bǔ)充。

LED燈；電壓特性；電流諧波畸變率(THDi)；照度；有效電壓范圍

引言

LED即發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED燈有節(jié)能、高效、易控、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用在各種場(chǎng)所的照明中，包括要求非常嚴(yán)格的體育場(chǎng)館中[1-6]。由于體育照明比一般照明的要求更高，既需滿足現(xiàn)場(chǎng)比賽照明的需要又需滿足高清電視轉(zhuǎn)播的需要，因此對(duì)燈的穩(wěn)定性、一致性、眩光、頻閃等的要求更加嚴(yán)格，LED的優(yōu)勢(shì)使其成為體育照明領(lǐng)域的新寵。本研究依托于實(shí)際工程需要，前期做了大量試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，以分析在不同電壓水平下LED的諧波及照度值所受影響，從而為L(zhǎng)ED照明的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 LED燈的電壓特性

1.1電壓特性的含義

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于電網(wǎng)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定或電力系統(tǒng)某處故障可能引起LED燈的輸入電壓偏離其正常工作的額定電壓，這將會(huì)對(duì)其電流諧波畸變率THDi、照度值、功率因數(shù)(PF)等參數(shù)產(chǎn)生影響[7-10]。本試驗(yàn)旨在研究電壓變化時(shí)，THDi及照度等參數(shù)的變化范圍及趨勢(shì)，對(duì)LED燈的電壓特性進(jìn)行探究。

1.2LED燈電壓特性的試驗(yàn)

為研究LED燈的電學(xué)特性，我們測(cè)試了7款主流品牌的LED燈，其基本技術(shù)參數(shù)見表1。在試驗(yàn)過(guò)程中使用試驗(yàn)器材和儀表與文獻(xiàn)[2]相同。調(diào)壓器在燈具允許電壓范圍內(nèi)調(diào)壓，使用Fluck 435b多功能測(cè)試儀測(cè)量不同輸入電壓水平下LED燈的電流諧波畸變率、功率因數(shù)等，并用照度計(jì)測(cè)量LED燈的相對(duì)照度值，試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器和電路原理見圖1和圖2。

表1 被測(cè)LED燈基本技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器Fig.1 Experimental measuring instruments

圖2 電路原理圖Fig.2 Schematic of circuit

電流諧波畸變率(THDi)是總諧波電流有效值In與基波電流有效值之比。常以百分?jǐn)?shù)表示。電流諧波總畸變率為

式中In為第n次諧波電流有效值，n為大于1的整數(shù)，單位：A；I1為基波電流有效值，單位：A。

在以往的金鹵燈電學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)中其電路諧波畸變率均不理想，在額定電壓時(shí)THDi相對(duì)較高。而LED燈有比較寬泛的電壓特性，如表2和圖3所示是此7款LED燈在不同電壓下的THDi數(shù)據(jù)，并得出如下結(jié)論：

1)這7款LED燈在120～240 V的范圍內(nèi)，THDi處于比較低的水平，均處于15%以下。這個(gè)電壓范圍被稱為有效的電壓范圍。每款燈的有效電壓范圍是不同的，WJ和TN的有效電壓范圍相對(duì)小些，為120～240 V；PL的有效電壓范圍為100～240 V；其他為100～260 V。

2)高于有效電壓范圍時(shí)，諧波可能會(huì)大幅度增加，燈的絕緣材料也將經(jīng)受高電壓的考驗(yàn)。

3)在有效電壓范圍內(nèi)，THDi隨著電壓的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

表2 不同輸入電壓值下LED燈的電流畸變率THDi

圖3 不同輸入電壓值下LED燈的電流畸變率THDi折線圖Fig.3 THDi line chart of LED lamp under different input voltage values

眾所周知，照度是入射在包含該點(diǎn)的面元上的光通量dφ除以該面元面積dA所得之商，單位為勒克斯(lx)，1lx=1 lm/m2。表3和圖4所示是此7款LED燈在不同電壓下的照度值。又因?yàn)檎斩扰c光通量成正比，所以本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量不同電壓下的照度值同樣可以反映出電壓與光通量的特性關(guān)系。

圖4 不同輸入電壓值下LED燈的照度折線圖Fig.4 Line chart of illuminance of LED lamp under different input voltage values

從表3和圖4可得：除TN外，其他LED燈在其有效電壓范圍內(nèi)光輸出相對(duì)穩(wěn)定。

1.3LED燈電壓特性的分析

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以簡(jiǎn)要分析LED燈的電壓特性如表4所示。

表3 不同輸入電壓值下LED燈的照度值

表4 7款LED燈THDi與照度值隨電壓升高變化趨勢(shì)

注：表中的照度變化率=[(Emax-Emin)/Emax]×100%

由以上分析對(duì)比可看出本次測(cè)試的7款燈具大多具有良好的電壓特性，輸入電壓在較大范圍內(nèi)(多款可從100～275 V)能保持照度基本不變，除PL型LED燈外，照度變化率均低于10%。在額定電壓±10%范圍內(nèi)變化時(shí)(即190～242 V)，照度變化率不足2.5%。其中XN型燈具的電壓—照度特性表現(xiàn)最好，調(diào)壓范圍較大且照度變化率最小。預(yù)測(cè)在實(shí)際比賽場(chǎng)地等應(yīng)用場(chǎng)所中，電壓在一定范圍內(nèi)變化不會(huì)對(duì)照明的視覺效果產(chǎn)生太大的影響。另外，TN型燈具在電壓由低升高過(guò)程中和由高降低過(guò)程中表現(xiàn)不同且低電壓范圍模組無(wú)法全亮，需后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行分析。

除個(gè)別極端狀態(tài)(輸入電源在260 V及以上)外，電壓增加，諧波略有變化，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。所測(cè)產(chǎn)品的最大THDi值均在15%以下，因此這7款燈具在電壓變化時(shí)對(duì)于諧波的控制表現(xiàn)良好。除TN型LED燈外，其余6款燈具在額定電壓下的THDi值均處于較低水平。

本次試驗(yàn)還測(cè)試了電壓變化時(shí)電流和功率因數(shù)的變化，可看出各試品隨著電壓的增加電流呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，功率因數(shù)PF相對(duì)穩(wěn)定，表現(xiàn)優(yōu)秀，均在0.93以上。

2 LED燈電壓特性的應(yīng)用

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 354—2014)第3.5.2條規(guī)定了比賽場(chǎng)地使用金鹵燈端子處的電壓偏差允許值，其中特級(jí)和甲級(jí)體育建筑宜為±2%；乙級(jí)及以下等級(jí)的體育建筑應(yīng)為±5%。由于金鹵燈的電壓特性欠佳，在電壓偏離額定電壓范圍較大時(shí)，照度及諧波所受影響也較大，因此為確保照明效果對(duì)電壓偏差允許值要求較高。

通過(guò)測(cè)試，LED燈在有效電壓范圍內(nèi)對(duì)光輸出的影響可以忽略不計(jì)，對(duì)諧波的影響也不大。因此，在體育照明中LED燈的電壓偏差允許值不必像金鹵燈的要求一樣嚴(yán)格，滿足一般照明對(duì)電壓要求即可，即LED燈具端子處的電壓偏差允許值宜為±10%，但同樣應(yīng)避免燈具端子處電壓過(guò)高或過(guò)低。

3 結(jié)論

研究LED燈的電壓特性對(duì)LED燈在實(shí)際應(yīng)用中的供電要求有著重要的意義。通過(guò)對(duì)7款不同型號(hào)的LED燈進(jìn)行電壓特性試驗(yàn)，測(cè)試了不同電壓水平下電流諧波畸變率THDi、照度值、電流等數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，分析得出在有效電壓范圍內(nèi)對(duì)LED燈光輸出的影響基本可以忽略不計(jì)，對(duì)諧波影響也較小。相較于金鹵燈的電壓特性有無(wú)比的優(yōu)勢(shì)。

[1] 體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 354—2014[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2014.

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ResearchandApplicationofVoltageCharacteristicofLEDLamp

LI Binghua1, JIA Jia2, YUE Yuntao2, QIN Jiange2, DONG Qing1, XU Xuemin1
(1.CCDIGROUP，Beijing100044,China; 2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitectureization,Beijing100044,China)

In recent years, LED lamp has been widely used for its energy saving, high efficiency and long-life, especially in sports lighting. In order to study the voltage characteristics,7 different LED lamps were tested to test the current harmonic distortion rate and illumination value of LED lamps under voltage changes. Through the data analysis, we can see that when the voltage changes in a certain range, the illumination of the LED lamp is basically unchanged, and the influence on the harmonic is limited. This stable voltage characteristic makes LED lights more suitable for sports lighting.According to the analysis results, this paper finally makes a supplement to JGJ 354—2014.

LED lamp; voltage characteristic; THDi; illumination; effective voltage range

TM923

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.010