Co jsou harmonické v napájecím zdroji LED/v ovladači LED?

V ideálním energetickém systému by napětí a proud měly být dokonalé, hladké sinusové vlny (známé jako základní vlna s frekvencí 50 Hz nebo 60 Hz). Ve skutečnosti však mnoho elektrických zařízení (jako jsou napájecí zdroje LED) „znečišťuje“ tento dokonalý tvar vlny, což způsobuje, že se tvar proudu zkresluje a již není hladký sinusový průběh.

Matematicky lze tento zkreslený průběh rozdělit na základní vlnu 50Hz/60Hz a řadu sinusových vln, jejichž frekvence jsou celočíselnými násobky základní frekvence (např. 100Hz, 150Hz, 200Hz...). Tyto vysokofrekvenční sinusové vlny se nazývají harmonické.

2. harmonická: Frekvence je 2krát vyšší než základní (100Hz/120Hz)

3. harmonická: Frekvence je 3krát vyšší než základní (150Hz/180Hz)

5. harmonická: frekvence je 5krát vyšší než základní (250Hz/300Hz)

...a tak dále.

Konkrétní příčina v napájecích zdrojích LED:

Moderní LED napájecí zdroje obvykle využívají technologii Switched-Mode Power Supply (SMPS). Klíčovou součástí převodu střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC) pro LED čipy je usměrňovací a filtrační obvod.

Usměrnění: Střídavý proud prochází přes usměrňovač diodového můstku a stává se pulzujícím stejnosměrným.

Filtrování kondenzátoru: Velký elektrolytický kondenzátor je zodpovědný za „vyhlazení“ tohoto pulzujícího DC na stabilní DC.

Problém spočívá zde: Tento filtrační kondenzátor odebírá proud ze sítě pouze velmi krátkou dobu blízko vrcholu střídavého napětí, aby se rychle nabil. Po většinu zbytku napěťového cyklu neodebírá žádný proud.

To má za následek, že napájecí zdroj LED neodebírá proud jako kontinuální sinusovou vlnu, ale jako ostré, úzké pulzy při pohledu ze strany mřížky. Tento nesinusový pulzní proud obsahuje značné množství harmonických složek, zejména 3., 5., 7. a další harmonické lichého řádu.

Vizuální porozumění:

Představte si, že levá strana je ideální sinusový proud a pravá strana je zkreslený průběh proudu (jako puls) produkovaný napájecím zdrojem LED. Ten může být rozložen na základní vlnu a na ni superponovat různé harmonické.

2. "Role" harmonických (ve skutečnosti negativní efekty)

V oblasti výkonové elektroniky jsou harmonické téměř vždy považovány za negativní jev. Jejich „rolí“ je způsobit řadu problémů a nebezpečí.

1. Zvýšené ztráty a zahřívání ve vedeních a zařízeních

Když harmonické proudy protékají vedeními a transformátory, způsobují dodatečné zahřívání v důsledku skinefektu, který zvyšuje odpor. To vede k:

Přehřátí vodičů, urychlení stárnutí izolace a dokonce riziko požáru.

Přehřívající se transformátory, které musí být odlehčeny, což snižuje jejich zatížitelnost.

2. Způsobuje nadměrný proud nulového vodiče

V třífázovém čtyřvodičovém systému se 3. harmonická a její násobky (3., 9., 15....) nazývají „harmonické s nulovou posloupností“. V neutrální linii se navzájem neruší; místo toho se sčítají. To může způsobit, že nulový proud bude ještě větší než fázový proud, což vede k přehřátí nulového vodiče, což je velmi nebezpečné.

3. Ovlivňuje kvalitu elektrické sítě a další vybavení

Zkreslení napětí: Harmonické proudy vytvářejí harmonická napětí napříč impedancí sítě, což způsobuje zkreslení samotného síťového napětí. To ovlivňuje normální provoz jiných citlivých zařízení (jako jsou přesné přístroje, komunikační zařízení) připojených ke stejné síti.

Obtížné vypínání jističe: Může způsobit vypnutí jističů nebo zhášedel zemního spojení bez skutečné poruchy.

Snižuje účiník: Zatímco nízký tradiční "účiník" může být korigován, přítomnost harmonických vede ke snížení skutečného účiníku.

4. Poškození kondenzátorů

Kondenzátory používané pro korekci účiníku v elektrických systémech jsou velmi citlivé na harmonické. Harmonické mohou způsobit jejich přetížení proudem. V závažných případech to může dokonce vést k rezonanci, která způsobí vyboulení, selhání nebo explozi kondenzátorů.

3. Jak se vypořádat s harmonickými? — Korekce účiníku (PFC)

K vyřešení harmonického problému obsahují vysoce kvalitní LED napájecí zdroje obvod zvaný Power Factor Correction (PFC).

Jedním z hlavních cílů obvodu PFC je řízení harmonických. Řídí průběh proudu tak, aby přesně kopíroval tvar sinusovky napětí, čímž:

Změna aktuálního průběhu z ostrých pulzů na hladkou sinusovku.

Výrazně potlačuje vznik harmonických proudů.

Současné zlepšení účiníku (obvykle nad 0,9).

V závislosti na implementaci se PFC dělí na:

Pasivní PFC: Nižší cena, průměrný výkon, typicky pouze zvyšuje účiník na 0,7-0,8 s omezenou schopností potlačení harmonických.

Aktivní PFC: Používá specializované integrované obvody a spínací obvody, je velmi efektivní, může zvýšit účiník nad 0,95 a výrazně snižuje obsah harmonických. Toto je běžná konfigurace pro střední až vyšší LED napájecí zdroje.

Koncepce: Harmonické v LED zdrojích jsou celočíselné násobky základní frekvence generované v důsledku nelineárních provozních charakteristik (pulzní odběr proudu) zdroje, které zkreslují průběh proudu.

Role (efekty): Harmonické jsou primárně negativní, způsobují zvýšené systémové ztráty a zahřívání, přetěžují neutrální vedení, znečišťují elektrickou síť a ruší ostatní zařízení.

Protiopatření: Návrhem obvodu Power Factor Correction (PFC) (zejména Active PFC) do napájecího zdroje LED lze účinně potlačit harmonické a vrátit proudový průběh do sinusovky. To umožňuje, aby napájecí zdroj splňoval přísné mezinárodní normy pro harmonické (jako je norma EU EN 61000-3-2).