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        額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流分析

        2019-10-24 11:05:36游劍文

        游劍文

        (福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院,福建 福州 350012)

        1 引言

        中國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過30多年的發(fā)展,LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國家半導(dǎo)體照明工程”的推動下,形成了七個國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地,促進(jìn)了LED燈具行業(yè)飛速發(fā)展。

        近年來,LED照明產(chǎn)品逐漸得到了人們的認(rèn)可和接受,在商業(yè)照明、辦公照明、家居照明燈和夜景工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,面對市場的巨大需求,LED燈具企業(yè)如同雨后春筍不斷增加。但為了盡快搶占市場,企業(yè)往往更加重視產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大,忽略產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新研發(fā),導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊,如LED燈具諧波電流干擾嚴(yán)重,特別是大規(guī)模小功率LED燈具串聯(lián)使用時,嚴(yán)重的諧波電流會導(dǎo)致一些無法挽回的危害。

        目前,國內(nèi)針對LED燈具諧波電流的最新版本強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是GB17625.1-2012,該標(biāo)準(zhǔn)對額定功率大于25瓦的LED燈具規(guī)定了諧波電流限值,但對額定功率5至25瓦的LED燈具尚無限值要求。為了更加深入地了解額定功率5至25瓦的LED燈具潛在的諧波電流干擾隱患,參照IEC61000-3-2:2018的要求[1],對在國內(nèi)生產(chǎn)和銷售的額定功率5至25瓦的LED燈具進(jìn)行了一次較為全面的諧波電流檢測,分析了當(dāng)前額定功率5至25瓦的LED燈具的質(zhì)量現(xiàn)況,確定風(fēng)險來源和存在問題,并提出相關(guān)建議。

        2 諧波電流要求

        GB 17625.1-2012對額定功率5至25瓦的LED燈具尚無限值要求,但國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2:2018對額定功率5至25瓦的LED燈具已明確限值要求。要求額定功率5至25瓦的LED燈具應(yīng)符合下述三項判定方法之一:

        (1)諧波電流應(yīng)符合表1要求。

        表1 諧波電流限值

        (2)用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的諧波電流應(yīng)符合表2要求。

        表2 基波電流百分?jǐn)?shù)要求

        當(dāng)基波電源電壓過零點(diǎn)作為參考0°時,輸入電流波形應(yīng)在60°或之前達(dá)到電流閾值,在65°之前出現(xiàn)峰值,在90°之前不能降低到電流閾值以下。電流閾值等于在測量窗口內(nèi)出現(xiàn)的最高絕對峰值的5%,在包括該最高絕對峰值的周期之內(nèi)確定相位角測量值。

        (3)總諧波畸變率(THD)不超過70%,且用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的諧波電流應(yīng)符合表3要求。

        表3 基波電流百分?jǐn)?shù)要求

        只需滿足以上一種判定方法,則符合要求。

        3 不合格情況統(tǒng)計分析

        本次共統(tǒng)計了80批次額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流測試結(jié)果,分別從規(guī)格、價格和平臺三個方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

        (1)規(guī)格分析

        表4 不同規(guī)格風(fēng)險發(fā)生率

        圖1 規(guī)格分布統(tǒng)計

        據(jù)表4和圖1統(tǒng)計,各個功率區(qū)間的采樣數(shù)量分布還是比較均勻,應(yīng)該可以初步反應(yīng)目前市場上額定功率5至25瓦的LED燈具的諧波電流風(fēng)險發(fā)生率情況。據(jù)表4和圖1可知,額定功率10至20瓦的LED燈具風(fēng)險發(fā)生率最低,額定功率20至25瓦的LED燈具次之,而額定功率5至10瓦的LED燈具風(fēng)險發(fā)生率最高,但總的來說風(fēng)險發(fā)生率還是居高不下,依然存在較大風(fēng)險,并不能排除個別廠商以次充好,企圖魚目混珠。由此可知,目前額定功率5至25瓦的LED燈具的質(zhì)量存在一定問題,且趨向于多元化。

        (2)價格分析

        表5 不同價格風(fēng)險發(fā)生率

        圖2 價格分布統(tǒng)計

        據(jù)表5及圖2統(tǒng)計,價格越低的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險發(fā)生率越高。價格低于50元的額定功率5至25瓦的LED燈具風(fēng)險發(fā)生率為93.1%,而價格高于50元的額定功率5至25瓦的LED燈具,風(fēng)險發(fā)生率則相應(yīng)減少到85%左右。在單個燈具利潤被壓縮時,企業(yè)往往傾向于控制元器件的采購成本,通過壓低價格拼量的方式獲得更大利潤,但質(zhì)量差的元器件會直接導(dǎo)致更加嚴(yán)重的諧波電流干擾,因此,額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流存在較大風(fēng)險。

        (3)平臺分析

        表6 不同平臺風(fēng)險發(fā)生率

        圖3 平臺分布統(tǒng)計

        據(jù)表6及圖3統(tǒng)計,本次因采樣時間較為緊張,采樣時優(yōu)先考慮LED燈具的功率和種類需求,限制了電商平臺的多樣性,導(dǎo)致各個電商平臺采樣數(shù)量存在一定差異,其中天貓商城居多,京東個體次之,少數(shù)京東自營,但也初步反應(yīng)了一些問題。其中京東自營采樣1批次,顯示風(fēng)險發(fā)生率為0%;京東個體采樣23批次,風(fēng)險發(fā)生率為87%;天貓商城采樣56批次,風(fēng)險發(fā)生率為89.3%??芍〇|自營的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險發(fā)生率最低,天貓商城諧波電流風(fēng)險發(fā)生率最高,而京東個體采樣的額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流風(fēng)險發(fā)生率也顯示居高不下。針對如此高的諧波電流風(fēng)險發(fā)生率,急需各電商平臺增強(qiáng)抽查力度,加強(qiáng)風(fēng)險把控,加速推進(jìn)國際接軌,增強(qiáng)平臺競爭力。同時,需要企業(yè)自身引起足夠重視,避免僥幸心理,做好相應(yīng)的防范措施,提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。

        4 不合格原因分析

        圖4 某品牌樣品輸入電流電壓波形

        圖4所示,某品牌額定功率5至25瓦的LED燈具樣品輸入電流電壓波形畸變嚴(yán)重,總諧波畸變率超過70%,滿足不了標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖5 某品牌樣品諧波電流波形(整改前)

        圖5所示,奇次諧波電流干擾很大,嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

        圖6 某樣品的LED控制裝置照片

        圖6所示,經(jīng)過拆解分析,知該樣品的LED控制裝置未采取任何防護(hù)措施,電路只實現(xiàn)基本的功能,即只有整流紋波和變換電路。在前期設(shè)計的時候沒有考慮潛在諧波電流干擾問題,未增加一些抑制和吸收諧波電流干擾的措施,從而導(dǎo)致諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)。

        通常開關(guān)電源的工作頻率都在幾十至幾百kHz,半導(dǎo)體器件的工作特性導(dǎo)致輸入輸出電流電壓相位會產(chǎn)生滯后,且線路中的電流和電壓變化率都很大,均可能產(chǎn)生很大的諧波電流干擾。

        5 整改措施

        針對交流輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變,向電網(wǎng)注入大量高次諧波,造成電網(wǎng)波動的現(xiàn)象,常見的諧波抑制措施有:

        (1)LED控制裝置輸入端增加功率因數(shù)校正電路(PFC電路),具體分為有源PFC和無源PFC。無源PFC采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小,提高功率因數(shù),成本低,只是功率因數(shù)不是很高,通常為0.7~0.8之間,對于小功率的產(chǎn)品基本能夠解決諧波電流超標(biāo)問題。有源PFC通常采用Boost升壓電路,由電感電容和控制芯片等組成,體積小,功率因數(shù)可提高到0.99以上,能夠把諧波電流抑制得很低,但成本相對無源PFC高出許多。

        (2)電容補(bǔ)償器加電感線圈抑制諧波,即由電感和電容組成串聯(lián)諧振回路,只是電感和電容需維持一定的比例,局限性比較大。

        常用的解決方法是采用有源功率因數(shù)校正電路(PFC)或者無源校正電路。其中無源校正方式成本較低,但一致性較差;而有源PFC電路雖然成本相對較高,但效果明顯,具體需要企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品負(fù)載特性及成本等因素進(jìn)行選擇。

        (3)小功率產(chǎn)品可直接在電源輸入端串聯(lián)一個小電阻,能一定程度降低電流瞬時值的峰值,滿足諧波電流限值要求,且功率損耗在可接受范圍之內(nèi),成本低,是一種不錯的方法。

        為了驗證方案可行性,筆者在LED控制裝置交流輸入端串聯(lián)電阻,經(jīng)反復(fù)驗證,最終在回路中串聯(lián)了一個10歐姆電阻,整機(jī)效率可能有所降低,但基本可以忽略。施加措施之后,對樣品再次進(jìn)行測試,測試結(jié)果得到很大改善,能夠滿足新版標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2:2018限值要求,且電磁兼容其它性能也能得到一些改善[2],測試結(jié)果如圖7所示。

        圖7 某品牌樣品諧波電流波形(整改后)

        6 結(jié)語

        針對當(dāng)前額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流存在的問題,筆者給出如下三個建議:

        (1)相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)管,已有大量資料表明額定功率5至25瓦的LED燈具存在許多安全隱患,目前我國在額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面尚無限值要求,大部分企業(yè)并未考慮額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面問題。為了保障消費(fèi)者的安全,建議相關(guān)部門加速推動GB17625.1諧波電流標(biāo)準(zhǔn)更新,與國際標(biāo)準(zhǔn)同步,將額定功率5至25瓦的LED燈具納入到強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)范圍,通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系來規(guī)范和完善額定功率5至25瓦的LED燈具生產(chǎn)和銷售等環(huán)節(jié)[3][4]。

        (2)相關(guān)企業(yè)應(yīng)重視額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流干擾問題,不能因一味追求市場占有率,變相降低成本打價格戰(zhàn),應(yīng)在產(chǎn)品不斷推陳出新的同時,重視諧波電流可能帶來無可估量的危害。

        雖然目前GB17625.1-2012對額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流尚無限值要求,但是相關(guān)企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識到額定功率5至25瓦的LED燈具諧波電流方面的重要性及潛在危害發(fā)生可能引發(fā)的嚴(yán)重后果。積極跟蹤國外技術(shù)發(fā)展和國外標(biāo)準(zhǔn)更新情況,密切關(guān)注發(fā)達(dá)國家對額定功率5至25瓦的LED燈具的研究動態(tài)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在額定功率5至25瓦的LED燈具的性能和安全之間找到平衡點(diǎn)。

        (3)消費(fèi)者在購買和使用額定功率5至25瓦的LED燈具時,不應(yīng)刻意比價,低廉的價格意味著該額定功率5至25瓦的LED燈具的制造成本較低,各方面性能難以保證,盡量選擇市面上口碑較好的主流品牌,避免因追求外觀獨(dú)特、構(gòu)造新奇,而選擇一些三無產(chǎn)品。為了用電安全起見,切勿盲目追求燈光照明效果,不按照說明將大規(guī)模額定功率5至25瓦的LED燈具串聯(lián)布置,導(dǎo)致中線電流過大,造成開關(guān)誤動作,引起潛在的安全隱患。

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