Исследование гармонического состава потребляемого тока светодиодных драйверов с использованием программируемого источника напряжения GW INSTEK APS-71102

В настоящее время широкий спектр различных промышленных и бытовых электротехнических приборов для своей работы использует напряжение постоянного тока, получаемое путем выпрямления напряжения переменного тока и его сглаживания при помощи емкостного фильтра. Данный способ преобразования напряжения обуславливает потребление электрического тока от сети в виде относительно коротких импульсов большой амплитуды, то есть, только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя (VD) на сглаживающий конденсатор (C), выше напряжения на конденсаторе, что происходит примерно в конце фронта нарастания напряжения полупериода (рис. 1). В остальное время ток из сети нагрузкой не потребляется, так как она питается от конденсатора.

Рис. 1. Выпрямитель со сглаживающей емкостью: U сети – сетевое напряжение переменного тока; I пит – потребляемый ток источника; VD – выпрямительный мост; С – сглаживающий конденсатор

*

Рис. 2. Ток, потребляемый источником питания

Это приводит к тому, что мощность потребляется нагрузкой только на пике напряжения (рис. 2), и потребляемый ток содержит набор гармонических составляющих. Для оценки гармонического состава потребляемого тока используется разложение в ряд Фурье, в котором будет присутствовать первая гармоника, обеспечивающая нормальное потребление, а также высшие гармоники, которые являются источниками реактивной мощности.

Рост числа потребителей, использующих вышеописанный способ преобразования напряжения, приводит к искажению формы сетевого напряжения, нарастанию потерь в проводах распределительных линий. Это оказывает негативное влияние на работу других потребителей электроэнергии и линий передачи. Поэтому для оценки качества электронных устройств как потребителей электрической энергии необходимо исследовать гармонический состав потребляемого тока.

Способ решения проблемы

Наиболее энергоэффективный режим работы питающей сети с гармоническим источником сигнала достигается в случае, если форма потребляемого тока совпадает по форме и по фазе с питающим напряжением, то есть в случае, если нагрузка имеет чисто активный характер. В противном случае в потребляемой мощности присутствует реактивная составляющая, которая создает дополнительные потери в элементах распределительной сети, а также приводит к ускоренному старению изоляции электрооборудования.

С целью снижения гармонических составляющих потребляемого тока в схеме источника питания предусматривают корректор коэффициента мощности (ККМ), который традиционно строится по структуре повышающего преобразователя, функциональная схема которого приведена на рис. 3.

ККМ обеспечивает потребление тока по форме совпадающего с питающим напряжением и позволяет наиболее эффективно использовать сети питания, так как мощность, рассеиваемая в питающих линиях, в этом режиме минимальна.

Измерение гармонического состава тока

Нормы эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока для разного рода электротехнических средств, в том числе осветительного оборудования, регламентируются в ГОСТ Р 51317.3.2-2006. Данный стандарт устанавливает требования к гармоническим составляющим тока по четырем классам оборудования, где самые жесткие требования предъявляются к световому оборудованию (класс C) [1].

Исследования на электромагнитную совместимость проводятся в специализированных аттестованных испытательных лабораториях, которые имеют необходимое современное оборудова-

Исследование гармонического состава потребляемого тока светодиодных драйверов с использованием программируемого источника напряжения GW INSTEK APS-71102

ние и квалифицированных операторов. Однако на стадии разработки для уменьшения материальных и временных затрат на аттестационные испытания в лабораториях требуется комплекс оборудования для измерения гармонического состава потребляемого тока.

Комплекс оборудования для измерения гармонического состава потребляемого тока включает:

• -    источник напряжения образцовой синусоидальной формы с минимальным значением коэффициента гармоник;

  - измеритель спектрального состава потребляемого тока.

  
  

  Оба вышеуказанных устройства реализованы в составе одного измерительного прибора «GW INSTEK» APS-71102 (рис. 4), который представляет собой прецизионный программируемый источник постоянного и переменного напряжения с погрешностью установки напряжения не более 0,5 %, погрешностью установки частоты не более 0,01 % и коэффициентом искажения выходного напряжения не более 0,5 %, что удовлетворяет требованиям к источнику электропитания по ГОСТ Р 51317.3.2–2006.

Важным достоинством данного прибора является

Рис. 4. Внешний вид прибора

возможность измерения гармонического состава тока, потребляемого нагрузкой в реальном масштабе вре- мени (до 40-й гармоники включительно) с погрешностью 1 % (до 20-й гармоники) и 1,5 % (21-40 гармоники) [2]. APS-71102 позволяет также измерять следующие электрические величины:

• -    выходное напряжение (переменное и постоянное), частоту, коэффициент мощности, пик фактор нагрузки (с погрешностью 0,01 %);

• -    переменный и постоянный выходной ток и гармоники тока (с погрешностью 1 %);

• -    выходную мощность (с погрешностью 2 %).

Принцип работы прибора APS-71102 в режиме измерителя гармонического состава тока рассмотрим на примере исследования светодиодного драйвера «ИТСК-17507» производства ЗАО НПП «Южуралэлектроника». Схема измерения представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема измерения гармонического состава потребляемого тока светодиодного драйвера: U сети – сетевое напряжение питания; U пит – входное напряжение потребителя; I n – гармоническая составляющая линейного тока n -го порядка; U вых – выходное напряжение источника тока; ИТСК-17507 – светодиодный драйвер; APS71102 – программируемый источник напряжения; VD 1 … VD n – светодиодный излучатель

Гармонический состав потребляемого тока при номинальном входном напряжении Uпит = 220 В, выходном напряжении Uвых = 157 В и выходном токе Iвых = 700 мА представлен в таблице.

Для наглядного представления результатов измерения на рис. 6 представлена гистограмма значений гармонических составляющих тока от порядка гармоники на совмещенных осях с предельно допустимыми значениями амплитуд гармоник по ГОСТ Р 51317.3.2–2006.

Гармонические составляющие входного тока

Порядок гармонической составляющей	Значение гармонической составляющей тока, %	Значение тока, А	Допустимое значение по ГОСТ Р 51317.3.2–2006, %
1	100	0,55	–
2	0,8	0,00	2,0
3	5,5	0,03	29,7
4	0,5	0,00	–
5	2,7	0,02	10,0
6	0,1	0,00	–
7	1,9	0,01	7,0
8	0,4	0,00	–
9	1,4	0,01	5,0
10	0,1	0,00	–
11	1,0	0,01	3,0
12	0,1	0,00	–
13	0,5	0,00	3,0
14	0,1	0,00	–
15	0,2	0,00	3,0
16	0,2	0,00	–
17	0,2	0,00	3,0
18	0,3	0,00	–
19	0,2	0,00	3,0
20	0,1	0,00	–
21	0,0	0,00	3,0
22	0,1	0,00	–
23	0,3	0,00	3,0
24	0,0	0,00	–
25	0,1	0,00	3,0
26	0,0	0,00	–
27	0,2	0,00	3,0
28	0,2	0,00	–
29	0,3	0,00	3,0
30	0,1	0,00	–
31	0,2	0,00	3,0
32	0,1	0,00	–
33	0,2	0,00	3,0
34	0,1	0,00	–
35	0,3	0,00	3,0
36	0,1	0,00	–
37	0,1	0,00	3,0
38	0,2	0,00	–
39	0,2	0,00	3,0
40	0,2	0,00	–

Исследование гармонического состава потребляемого тока светодиодных драйверов с использованием программируемого источника напряжения GW INSTEK APS-71102

■ ИТСК-17507

■ ГОСТ Р 51317.3.2-2006

Порядок гармонической составляющей

Рис. 6. Гистограмма гармонических составляющих тока

Заключение

Исследования светодиодного драйвера ИТСК-17507 показали, что гармонический состав потребляемого тока полностью соответствует требованиям ГОСТ Р 51317.3.2–2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний».