如何解决LED行业基波功率因数测试难点
摘要：LED灯主打“节能、环保” ， 所以LED灯出厂前都会进行功率因数测试 。但LED驱动电源输入电流是非正弦波 ， 因此需要进行基波功率因数的测试 ， 那么该如何正确进行此项测试?本文带你一探究竟 。
一、为什么LED行业要测试基波功率因数?
功率因数通用定义是有功功率与视在功率之比 。功率因数低 ， 说明电路无功功率大 。功率因数越低 ， 供电设备的负荷越重 ， 电网越不稳定 。对于大功率的灯具来说 ， 若功率因数低了 ， 可能会造成:设备损耗大、电力设备超负荷、电网不稳定、谐波污染等问题 。
在大家印象中 ， “功率因数由电压与电流之间的相位差决定 ， 它的物理意义是指电压和电流之间相角差的余弦值” 。如下图所示 。
图1 电流电压相位角关系
注：
以上关系只适用于“正弦波电路中” ， 而如果在非正弦波电路中 ， 功率因数与总谐波失真及基波功率因数有关 ， 如在LED灯电路中 。
因为LED是一个半导体二极管 ， 它需要直流供电 ， 如果用市电供电的话 ， 就一定会有一个整流器 ， 通常是二极管整流桥 。为了得到尽可能平滑的直流避免出现纹波闪烁 ， 通常都需要加上一个大电解电容 。而后面的LED可以近似为一个电阻 ， 所以整个电路如图2所示 。
图2 LED灯的等效电路
其各种电压电流波形如下图所示 ， 其中 为输入交流电压 ， 为LED电路中整流二极管的充放电波形 ， 为输入电流波形 。因其电流波形不是正弦波 。所以整个系统是一个非线性系统 。
图3 各种电压电流波形
通常电气设备的波形比较接近正弦波 ， 谐波不多 ， 大多数情况下基波电流 ≈总电流 ， 输入电流失真系数λ≈1 ， ≈ ， 所以 可以等同为功率因数 。
而在非正弦供电电路中 ， 功率因数没有明确的物理意义 ， 因此在LED行业这种非正弦供电电路中会关注的是基波功率因数。
二、如何进行基波功率因数测试呢?
推荐测试设备1——PA5000H功率分析仪
图4 PA5000H
LED行业关注较多的则是电源的电压、电流、功率、谐波及功率因数 ， 如何准确测量这些参数是首要解决的问题 ， PA5000H功率分析仪拥有0.05%功率测量精度 ， 5MHz带宽以及丰富的谐波测量功能可以广泛应用于LED电源的研发与测试 。
1. 丰富的电参数测量
如何提升功率因数一直是LED行业的难题 ， 要提升功率因数就必须同时准确测量电源的各种电参数 ， PA5000H功率分析仪不仅可以针对非正弦系统直接测量出基波功率因数(PF1) ， 还能实时显示电压电流波形 ， 丰富的电参数显示项目可让用户分析电源的各种性能指标 ， 可帮助用户提升功率因数设计提供强有力的数据支持 。
图5 丰富的电参数显示
2. 双PLL源倍频技术
PA5000H功率分析仪通过引入双PLL硬件电路 ， 使采样频率和信号频率同步 ， 保证采样数据正好是信号周期的整数倍 ， 消除频谱泄露 ， 可以获得准备的谐波测量结果 。
图6 双PLL源设置
3. 500次谐波测量
PA5000H功率分析仪带宽高达5MHz、采样率可达2MS/s ， 可以测量高达500次谐波 ， 并有多种组合显示方式能同时显示各次谐波含量 ， 为了方便用户进行更细致的分析 ， 我们还设计了可以查看任一次谐波数值的功能 ， 通过此功能 ， 用户可以查看每一次谐波的数值 。
图7 功率分析仪的谐波测试
推荐测试设备2——PA310功率计
图8 PA310
4. 基波功率因数直接测量
PA300系列功率计采用了纯硬件模拟滤波器与锁相环技术 ， 谐波测量功能完全符合谐波测量国际标准IEC61000-4-7:2002 ， 根据基波频率 ， 电压、电流分别可测量到最高50次谐波 ， 不论是总谐波畸变率 (THD) ， 还是基波成分、基波功率因数、各次数的谐波含量、相位差、含有率等均可直接测量 。
图9 谐波测试
功率测量精度高达0.1% ， 最小测量电流低至50μA ， 能够测量低至0.01W的功耗
功率计的基本测量精度可高达0.1% ， 由于双分流器技术的应用 ， 可以保持分流电阻的温度稳态变化 ， 降低温漂 ， 可以实现从小电流到大电流测量时都能保证0.1%的功率测量精度 。而且 ， 在5mA量程下 ， PA310可以在最高0.01W的分辨率下执行测量 ， 符合国际标准(IEC62301、能源之星、SPECpower)的测试 。
标配PAM上位机软件 ， 可实时监测和分析测量数据 ， 且可通过标配的丰富通信接口USB、RS-232、GPIB和以太网接口上传至PC机 。
【如何解决LED行业基波功率因数测试难点】 图10 上位机测试分析
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