Jakie są harmoniczne w zasilaczu LED/sterowniku LED?

W idealnym systemie elektroenergetycznym napięcie i prąd powinny mieć idealne, gładkie fale sinusoidalne (tzw. fala podstawowa, o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz). Jednak w rzeczywistości wiele urządzeń elektrycznych (takich jak zasilacze LED) „zanieczyszcza” ten idealny kształt fali, powodując zniekształcenie kształtu fali prądu i nie jest już gładką falą sinusoidalną.

Matematycznie ten zniekształcony przebieg można podzielić na falę podstawową 50 Hz/60 Hz i serię fal sinusoidalnych, których częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej (np. 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Te fale sinusoidalne o wysokiej częstotliwości nazywane są harmonicznymi.

Druga harmoniczna: Częstotliwość jest 2 razy większa od częstotliwości podstawowej (100 Hz/120 Hz)

Trzecia harmoniczna: częstotliwość jest 3 razy większa od częstotliwości podstawowej (150 Hz/180 Hz)

Piąta harmoniczna: Częstotliwość jest 5 razy większa od częstotliwości podstawowej (250 Hz/300 Hz)

...i tak dalej.

Konkretna przyczyna w zasilaczach LED:

Nowoczesne zasilacze LED zazwyczaj wykorzystują technologię zasilaczy impulsowych (SMPS). Kluczową częścią konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC) dla chipów LED jest obwód prostowniczy i filtrujący.

Prostowanie: Prąd przemienny przechodzi przez mostek prostowniczy diodowy i staje się pulsującym prądem stałym.

Filtrowanie kondensatorów: Duży kondensator elektrolityczny jest odpowiedzialny za „wygładzanie” pulsującego prądu stałego w stabilny prąd stały.

Problem leży tutaj: ten kondensator filtrujący pobiera prąd z sieci tylko przez bardzo krótki czas w pobliżu szczytu napięcia prądu przemiennego, aby szybko się naładować. Przez większą część cyklu napięciowego nie pobiera prądu.

Powoduje to, że zasilacz LED pobiera prąd nie w postaci ciągłej fali sinusoidalnej, ale jako ostre, wąskie impulsy, patrząc od strony sieci. Ten niesinusoidalny prąd pulsacyjny zawiera znaczną ilość składowych harmonicznych, zwłaszcza trzeciej, piątej, siódmej i innych harmonicznych nieparzystego rzędu.

Zrozumienie wizualne:

Wyobraź sobie, że lewa strona to idealny prąd sinusoidalny, a prawa strona to zniekształcony kształt fali prądu (podobny do impulsu) wytwarzany przez zasilacz LED. Tę ostatnią można rozłożyć na falę podstawową i nałożone na nią różne harmoniczne.

2. „Rola” harmonicznych (właściwie negatywne skutki)

W dziedzinie energoelektroniki harmoniczne są prawie zawsze uważane za zjawisko negatywne. Ich „rolą” jest spowodowanie szeregu problemów i zagrożeń.

1. Zwiększone straty i nagrzewanie linii i urządzeń

Kiedy prądy harmoniczne przepływają przez linie i transformatory, powodują dodatkowe nagrzewanie w wyniku efektu naskórkowości, który zwiększa rezystancję. Prowadzi to do:

Przegrzanie przewodów, przyspieszające starzenie się izolacji, a nawet stwarzające ryzyko pożaru.

Transformatory przegrzewające się, które należy obniżyć, zmniejszając ich obciążalność.

2. Powoduje nadmierny prąd linii neutralnej

W trójfazowym systemie czteroprzewodowym trzecia harmoniczna i jej wielokrotności (3., 9., 15....) nazywane są „harmonicznymi o sekwencji zerowej”. Nie znoszą się one w linii neutralnej; zamiast tego sumują się. Może to spowodować, że prąd neutralny będzie jeszcze większy niż prąd fazowy, co prowadzi do przegrzania linii neutralnej, co jest bardzo niebezpieczne.

3. Wpływa na jakość sieci energetycznej i innego sprzętu

Zniekształcenie napięcia: Prądy harmoniczne tworzą napięcia harmoniczne na impedancji sieci, powodując zniekształcenie samego napięcia sieci. Ma to wpływ na normalne działanie innych wrażliwych urządzeń (takich jak instrumenty precyzyjne, urządzenia komunikacyjne) podłączonych do tej samej sieci.

Niepożądane wyłączenie wyłącznika automatycznego: Może spowodować zadziałanie wyłączników automatycznych lub wyłączników ziemnozwarciowych bez rzeczywistej usterki.

Zmniejsza współczynnik mocy: Chociaż można skorygować niski, tradycyjny „współczynnik mocy przemieszczenia”, obecność harmonicznych prowadzi do zmniejszenia rzeczywistego współczynnika mocy.

4. Uszkodzenie kondensatorów

Kondensatory stosowane do korekcji współczynnika mocy w układach elektrycznych są bardzo wrażliwe na harmoniczne. Harmoniczne mogą powodować ich przeciążenie prądem. W poważnych przypadkach może to nawet prowadzić do rezonansu, powodując wybrzuszenie, uszkodzenie lub eksplozję kondensatorów.

3. Jak sobie radzić z harmonicznymi? — Korekta współczynnika mocy (PFC)

Aby rozwiązać problem harmonicznych, wysokiej jakości zasilacze LED zawierają obwód zwany korekcją współczynnika mocy (PFC).

Jednym z głównych celów obwodu PFC jest zarządzanie harmonicznymi. Kontroluje przebieg prądu tak, aby był on ściśle zgodny z kształtem sinusoidy napięcia, dzięki czemu:

Zmiana przebiegu prądu z ostrych impulsów na gładką falę sinusoidalną.

Znacznie tłumi powstawanie prądów harmonicznych.

Jednocześnie poprawiając współczynnik mocy (zwykle powyżej 0,9).

W zależności od wdrożenia PFC dzieli się na:

Pasywny PFC: Niższy koszt, średnia wydajność, zwykle podnosi współczynnik mocy jedynie do 0,7-0,8, przy ograniczonej zdolności tłumienia harmonicznych.

Aktywny PFC: Wykorzystuje wyspecjalizowane układy scalone i obwody przełączające, jest bardzo skuteczny, może podnieść współczynnik mocy powyżej 0,95 i znacznie zmniejsza zawartość harmonicznych. Jest to podstawowa konfiguracja dla zasilaczy LED średniej i wysokiej klasy.

Koncepcja: Harmoniczne w zasilaczach LED są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej generowanej w wyniku nieliniowej charakterystyki pracy (impulsowy pobór prądu) zasilacza, która zniekształca przebieg prądu.

Rola (efekty): Harmoniczne są głównie ujemne, powodując zwiększone straty w systemie i nagrzewanie, przeciążenie linii neutralnej, zanieczyszczanie sieci energetycznej i zakłócanie pracy innych urządzeń.

Środek zaradczy: Projektując obwód korekcji współczynnika mocy (PFC) (zwłaszcza aktywny PFC) w zasilaczu LED, można skutecznie tłumić harmoniczne, przywracając kształt fali prądu do fali sinusoidalnej. Dzięki temu zasilacz spełnia rygorystyczne międzynarodowe standardy harmoniczne (takie jak unijna norma EN 61000-3-2).