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        LED照明諧波分析及其對(duì)配電設(shè)計(jì)的影響

        2018-11-26 08:38:36劉德祥
        智能建筑電氣技術(shù) 2018年5期

        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?;兊碾娏鞑ㄐ慰煞纸鉃榛耙幌盗胁煌l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L(zhǎng)ED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(jiǎn)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(jiǎn)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

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