LED場地照明電氣特性的研究

李炳華， 董 青， 徐學(xué)民

(悉地國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100013)

1 LED場地照明應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的LED場地照明系統(tǒng)最早應(yīng)用于訓(xùn)練場館、高校體育場館、全民健身場館，取得了良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。2016年，中國網(wǎng)球公開賽主場館——奧林匹克網(wǎng)球中心鉆石場地升級為LED場地照明系統(tǒng)，成為我國第一個(gè)采用LED場地照明并向全球直播的高等級體育場館。2018年6月，國家奧體中心體育場也升級為LED場地照明系統(tǒng)，滿足足球高清電視轉(zhuǎn)播要求，成為新的樣板。LED場地照明系統(tǒng)在2018年的俄羅斯世界杯足球賽、2016年里約奧運(yùn)會(huì)等重大賽事中得到很好的應(yīng)用效果，也推動(dòng)了LED體育照明技術(shù)在世界范圍內(nèi)的普及應(yīng)用。

而小廠家的LED產(chǎn)品性能參差不齊，影響了LED場地照明的推廣。但是，從發(fā)展趨勢看，LED場地照明系統(tǒng)終將替代金鹵燈系統(tǒng)。

2 LED場地照明燈具的電氣特性研究

筆者對多款國內(nèi)外知名品牌的LED場地照明燈具進(jìn)行試驗(yàn)、測試，以便研究其電氣特性。試驗(yàn)燈具的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，上述LED燈從光的參數(shù)上大多能滿足奧運(yùn)會(huì)燈重大賽事的需要，少數(shù)產(chǎn)品還需提升。

2.1 LED燈的啟動(dòng)特性和過載特性

試驗(yàn)表明，LED燈的過載發(fā)生在啟動(dòng)過程中，因此啟動(dòng)特性和過載特性一起加以研究。其中過載特性實(shí)質(zhì)是LED燈的沖擊特性，該術(shù)語從金鹵燈開始使用一直延續(xù)至今。對7個(gè)品牌7款產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，按照啟動(dòng)時(shí)間的長短，LED的啟動(dòng)特性可分為瞬時(shí)啟動(dòng)特性和延時(shí)啟動(dòng)特性，兩者特性相反，特點(diǎn)相左，其應(yīng)用場所也不同，概況起來如表3所示。

被測LED燈基本技術(shù)參數(shù) 表1

試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表2

注：表2中品牌為代碼，以示區(qū)別。

因此，LED燈的過載特性特點(diǎn)：(1)LED燈的過載出現(xiàn)在其啟動(dòng)過程；(2)延時(shí)啟動(dòng)的LED燈峰值電流約1.2Ie，峰值電流較小，過載的影響相對較小；(3)瞬時(shí)啟動(dòng)的LED燈必須考慮過載的影響，本次試驗(yàn)峰值電流高達(dá)15倍之多，且峰值電流的大小不確定，與合閘通電的時(shí)機(jī)(相位角)有關(guān)。

2.2 LED燈的諧波特性

LED燈是發(fā)光二極管，需要直流供電，而直流電是由市電的交流電經(jīng)整流、濾波等環(huán)節(jié)獲得的，如果處理不好諧波會(huì)超標(biāo)，對系統(tǒng)產(chǎn)生污染。因此，LED燈的諧波特性研究是其電氣特性研究的重要內(nèi)容，有助于把脈LED燈的諧波特征。

筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，表4為第一次測試的數(shù)據(jù)，表5為第二次測試的數(shù)據(jù)，將兩次試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖1所示。

圖1從左到右分別為WJ、LS、SX、XN、MC品牌。通過兩次試驗(yàn)，可以得知：(1)總體上，這9款國內(nèi)外大品牌的LED產(chǎn)品諧波控制的都比較好，代表LED燈的現(xiàn)狀水平，基本能滿足工程需要；(2)4號產(chǎn)品第一次測試因用錯(cuò)電源，THDi遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)品，達(dá)25%；第二次測試用匹配的電源，THDi得到有效控制。說明驅(qū)動(dòng)電源與LED燈的配合非常重要，輕者燈的性能打折扣，重者影響燈的壽命，甚至燒毀燈具；(3)1號和2號在第一次測試時(shí)，數(shù)據(jù)明顯不對，原因不詳；第二次測試正常；(4)PF均在0.96及以上，表現(xiàn)良好。

瞬時(shí)啟動(dòng)特性與延時(shí)啟動(dòng)特性的比較 表3

第一次LED燈諧波試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表4

2.3 LED燈的電壓特性

電壓特性主要研究電源電壓的變化對LED燈光輸出的影響。基于照度與光通量的正比關(guān)系，本試驗(yàn)通過測量不同電壓下的照度值來研究電壓與光通量的特性關(guān)系。圖2所示是7款LED燈在不同輸入電壓下的照度值。

第二次LED燈諧波試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表5

圖1 兩次諧波特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

圖2 不同輸入電壓值下LED燈的照度值注：測量時(shí)，照度計(jì)的位置、距離保持不變，各款燈采用同一個(gè)照度計(jì)。燈的最大光強(qiáng)對準(zhǔn)照度計(jì)。

從圖3可知，除TN外，其他品牌的LED燈在其有效電壓范圍內(nèi)光輸出相對穩(wěn)定，變化很小。據(jù)了解，TN產(chǎn)品尚未定型，測試效果不能令人滿意。

綜上所述，LED燈的電壓特性可以概況為以下內(nèi)容。

(1)共有7款燈具參與測試，其中5#燈具(TN品牌)在低電壓范圍內(nèi)中間模塊不亮，不滿足需要，其他燈具均表現(xiàn)良好。

(2)所測試的燈具大多具有良好的電壓特性，LED燈的輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化(多款可從100V～275V)能保持光輸出基本不變，光輸出變化率大多數(shù)低于10%。在額定電壓±10%范圍內(nèi)變化(即190V～242V)，光輸出的變化率不足2.5%，遠(yuǎn)優(yōu)于金鹵燈。

2.4 LED燈的調(diào)光特性

本次試驗(yàn)研究只有2#、4#和9#燈可以調(diào)光，且調(diào)光特性相似，下面以9#(MC品牌)燈為例加以說明，相關(guān)測試數(shù)據(jù)參見表6和圖4。

從表6和圖3可知：(1)調(diào)光的過程，LED燈的端電壓基本不變；(2)燈光調(diào)暗的過程，電流近似線性減小，諧波呈現(xiàn)增加的趨勢；(3)光輸出在額定值40%及以上時(shí)THDi較小，約為15%以下。光輸出在額定值40%以下時(shí)，THDi顯著增加。

不同光輸出下LED燈的相關(guān)參數(shù)變化情況 表6

圖3 不同光輸出下LED燈的相關(guān)參數(shù)變化情況(圖中橫坐標(biāo)為照度值，單位：100lx)

2.5 LED燈的熄弧特性

瞬時(shí)啟動(dòng)的LED燈不存在熄弧現(xiàn)象，可以滿足瞬時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間一般<0.5s，到達(dá)峰值電流的時(shí)間為ms級，因此瞬時(shí)啟動(dòng)的LED燈具有良好的熄弧特性。但與之相反的是，延時(shí)啟動(dòng)的LED燈熄弧特性不佳，有2～4s的熄弧時(shí)間。

而金鹵燈的熄弧特性存在不確定性。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的試驗(yàn)，當(dāng)一個(gè)電源斷電、另一個(gè)電源投入、電源切換時(shí)間為3ms時(shí)存在金鹵燈熄滅現(xiàn)象，一旦燈熄滅需要約10min的冷卻時(shí)間和約10min的再啟動(dòng)時(shí)間，因此，金鹵燈只能采用在線式的電源轉(zhuǎn)換措施。

2.6 LED燈的節(jié)能特性

LED燈與金鹵燈相比，節(jié)能效果非常明顯，下面通過兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明。

(1)燈位不變，采用原系統(tǒng)

圖4 北京奧體中心擊劍館照明改造

圖4為北京奧體中心擊劍館照明改造項(xiàng)目，原系統(tǒng)為金鹵燈，采用LED照明系統(tǒng)進(jìn)行改造，燈位保持不變、原供配電系統(tǒng)基本不變，主要按原燈位換燈。改造前后相關(guān)參數(shù)列表7所示。

北京奧體中心擊劍館照明改造前后情況 表7

注：照度功率比是單位電功率能獲得的照度。

改造后，照明總功率只有14.4kW，不到原金鹵燈系統(tǒng)的一半；平均照度提高了100lx，達(dá)到850lx；照度功率比高達(dá)0.0590，是原系統(tǒng)的2.52倍，也就是用1W的電功率獲得原系統(tǒng)2.52倍的光，節(jié)能效果顯著，照度水平有明顯提高。

(2)整體照明系統(tǒng)改造

該案例位于上海浦東一家全民健身的游泳館，使用頻率很高。游泳館的照明系統(tǒng)屬于整體改造，由金鹵燈系統(tǒng)改為LED照明系統(tǒng)(詳見圖5)。場地照明重新設(shè)計(jì)、重新安裝，改造前后的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表8。

圖5 上海浦東游泳館照明改造

從表8可知，改造后燈具數(shù)量由62套減少到44套，減少約41%；照明總功率由43.8kW減少到11.88kW，減少近73%；平均照度提高了104lx；照度功率比是原金鹵燈系統(tǒng)的4.54倍，提高78%。整體照明系統(tǒng)改造的節(jié)能效果優(yōu)于原燈位換燈的效果。

金鹵燈場地照明系統(tǒng)與LED場地照明系統(tǒng)在電氣特性方面的比較 表9

注：★表示在該方面勝出。

上海浦東游泳館照明改造前后情況 表8

(3)小結(jié)

綜上所述，在節(jié)能方面可以得出如下結(jié)論：

1)LED燈在節(jié)能方面明顯優(yōu)于金鹵燈照明系統(tǒng)，至少可以減少一半的設(shè)備安裝功率，供配電系統(tǒng)也可得到簡化。

2)通過同一場館金鹵燈系統(tǒng)與LED系統(tǒng)對比，LED照明系統(tǒng)采用整體、統(tǒng)一設(shè)計(jì)，系統(tǒng)安裝功率可減少70～80%，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

3)通過同一場館金鹵燈系統(tǒng)與LED系統(tǒng)對比，保留原照明配電系統(tǒng)，只在原燈位更換LED燈，系統(tǒng)安裝功率可減少一般左右，節(jié)能效果也比較可觀。

3 LED場地照明燈與金鹵燈電氣特性的比較