Kvalita elektrické energie v DC sítích: Dopad na osvětlovací systémy

Ing. Leoš Kukačka

Doctoral thesis

Power quality in DC supplied grids: Application to lighting networks

Abstract:

This dissertation thesis is concerned with temporal fluctuations of the luminous flux of LED lamps, a phenomenon referred to as licker. Flicker is usually regarded as a disturbance due to its negative impact on human health. For lighting systems based on light emitting diodes (LED), its definition has recently been formalised in norm IEEE 1789:2015 and has been documented on devices supplied with AC voltage. AC flicker results from interactions between network impedance, voltage and current harmonics, and the AC to DC converter. DC supplies are generally obtained by switching converters. Consequently, the same perturbing factors are present on DC networks. The thesis summarises the diferences between the characteristic properties of flicker under AC and DC supplies. It has been shown in the literature and also in this thesis that the key factor affecting flicker with LEDs is the design of the LED drivera necessary part of the LED lighting systems. This thesis describes a methodology for the evaluation of the flicker sensitivity of DC supplied LED lamps and analyses how the sensitivity changes when the LED drivers are simplified and accustomed to DC supply. The thesis presents a set of measurement experiments aimed to determine the typical flicker response of LED lamps both under AC and DC supply. Further experiments were performed to reveal the impact of accustomising the driver to the DC supply (removing the diode rectifier). It was found that some lamps show better flicker immunity while other lamps show worse flicker immunity. These experiments are accompanied by LED driver simulations aiming to reproduce and explain the measurement results. The thesis further describes a measurement experiment aimed to show the typical severity of the voltage fluctuation in a low voltage DC network coupled to AC mains and its impact on the flicker. It is concluded that such a system is robust enough to filter out any perturbations coming from the AC supply, but an undesired interaction between the lamp and the supply may occur.

Abstract:

Předkládaná dizertace se zabývá nežádoucím kolísáním světelného toku LED žárovek, běžně označovaným jako likr (z angl. flicker). U systémů založených na principu svítivých diod (LED) byl tento jev podchycen v normě IEEE 1789:2015 a patřičně zdokumentován u žárovek napájených střídavým napětím. Při střídavém napájecím napětí může flikr vznikat interakcí mezi vlastnostmi sítě (impedance, harmonické zkreslení napětí, proudu) a AC-DC měničem. Prvky v DC sítích jsou obvykle tvořeny DC-DC měniči, proto v nich mohou vzniknout obdobné podmínky. Tato práce popisuje typické rozdíly mezi flikrem v DC a AC sítích. V dostupné odborné literatuře (a také v této práci) bylo již ukázáno, že klíčovým prvkem, který ovlivňuje flikr u LED žárovek je elektronický předřadník. Předřadník je nezbytnou součástí každého LED svítidla. V této práci je zdokumentováno měření citlivosti na flikr u LED žárovek napájených stejnosměrným napětím, a dále je zjišťováno, jakým způsobem bude tato citlivost ovlivněna, bude-li elektronický předřadník přizpůsoben stejnosměrnému napájení. Dizertační práce popisuje několik experimentů, jejichž cílem je určit typickou odezvu (ve smyslu flikru) LED žárovek při střídavém a stejnosměrném napájení. Další experimenty mají za cíl určit, jakým způsobem bude ovlivněna citlivost LED žárovek na flikr, bude-li z elektronického předřadníku vyňat diodový usměrňovač. Z těchto experimentů vyplývá, že u některých žárovek ze zkoumaného vzorku se citlivost zlepší, u jiných žárovek se naopak zhorší. Proto jsou tyto experimenty doplněny simulacemi, které si kladou za cíl naměřené chování napodobit a následně vysvětlit. Dále tato práce popisuje experiment, jenž má napodobit kolísání napětí v malé stejnosměrné síti s vazbou na střídavou síť a dopad tohoto kolísání na flikr. Výsledky ukazují, že taková soustava je poměrně odolná vůči rušení pocházejícímu ze střídavé sítě. Může však dojít k nežádoucí interakci mezi zdrojem a LED žárovkou.

Keywords

DC napájení, DC síť, flikr, Kvalita elektrické energie, LED předřadník, LED žárovka

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 10. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 12. 2. 2018
• Supervisor: doc. Ing. Milan Kolář, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Technical cybernetics