Что такое гармоники в светодиодном блоке питания/светодиодном драйвере?

В идеальной энергосистеме напряжение и ток должны представлять собой идеальные, плавные синусоидальные волны (известные как основная волна, с частотой 50 Гц или 60 Гц). Однако на самом деле многие электрические устройства (например, источники питания светодиодов) «загрязняют» эту идеальную форму сигнала, в результате чего форма тока искажается и перестает быть гладкой синусоидальной волной.

Математически эту искаженную форму сигнала можно разбить на основную волну частотой 50/60 Гц и серию синусоидальных волн, частоты которых кратны основной частоте (например, 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц...). Эти высокочастотные синусоидальные волны называются гармониками.

2-я гармоника: частота в 2 раза превышает основную (100 Гц/120 Гц).

3-я гармоника: частота в 3 раза превышает основную (150 Гц/180 Гц).

5-я гармоника: частота в 5 раз превышает основную (250 Гц/300 Гц).

...и так далее.

Конкретная причина в источниках питания светодиодов:

В современных источниках питания светодиодов обычно используется технология импульсного источника питания (SMPS). Ключевой частью преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) для светодиодных чипов является схема выпрямления и фильтрации.

Выпрямление: мощность переменного тока проходит через выпрямитель диодного моста и становится пульсирующим постоянным током.

Конденсаторная фильтрация: большой электролитический конденсатор отвечает за «сглаживание» этого пульсирующего постоянного тока до стабильного.

Проблема заключается вот в чем: этот фильтрующий конденсатор потребляет ток из сети только в течение очень короткого времени вблизи пика переменного напряжения, чтобы быстро зарядиться. Большую часть оставшейся части цикла напряжения он не потребляет ток.

В результате ток, потребляемый источником питания светодиодов, выглядит не как непрерывная синусоидальная волна, а как резкие, узкие импульсы, если смотреть со стороны сети. Этот несинусоидальный импульсный ток содержит значительное количество гармонических составляющих, особенно 3-й, 5-й, 7-й и других гармоник нечетного порядка.

Визуальное понимание:

Представьте, что левая сторона — это идеальный синусоидальный ток, а правая сторона — это искаженная форма тока (импульсная), создаваемая источником питания светодиода. Последнюю можно разложить на основную волну и наложенные на нее различные гармоники.

2. «Роль» гармоник (собственно, отрицательные эффекты)

В области силовой электроники гармоники почти всегда считаются негативным явлением. Их «роль» заключается в создании ряда проблем и опасностей.

1. Повышенные потери и нагрев в линиях и оборудовании.

Когда гармонические токи протекают по линиям и трансформаторам, они вызывают дополнительный нагрев за счет скин-эффекта, что увеличивает сопротивление. Это приводит к:

Перегрев проводов, ускорение старения изоляции и даже опасность возгорания.

Перегрев трансформаторов, мощность которых необходимо снижать, снижая их нагрузочную способность.

2. Вызывает чрезмерный ток нейтральной линии.

В трехфазной четырехпроводной системе третья гармоника и кратные ей (3-я, 9-я, 15-я...) называются «гармониками нулевой последовательности». Они не отменяют друг друга в нейтральной линии; вместо этого они складываются. Это может привести к тому, что ток нейтрали станет даже больше, чем ток фазы, что приведет к перегреву нейтральной линии, что очень опасно.

3. Влияет на качество электросети и другого оборудования.

Искажение напряжения. Гармонические токи создают гармонические напряжения на импедансе сети, вызывая искажение самого напряжения сети. Это влияет на нормальную работу другого чувствительного оборудования (например, прецизионных приборов, устройств связи), подключенного к той же сети.

Непредвиденное отключение выключателя: может привести к срабатыванию автоматических выключателей или прерывателей замыкания на землю без фактического повреждения.

Снижает коэффициент мощности: хотя низкий традиционный «коэффициент мощности смещения» можно исправить, присутствие гармоник приводит к снижению истинного коэффициента мощности.

4. Повреждение конденсаторов.

Конденсаторы, используемые для коррекции коэффициента мощности в электрических системах, очень чувствительны к гармоникам. Гармоники могут привести к их перегрузке током. В тяжелых случаях это может даже привести к резонансу, вызывающему вздутие, выход из строя или взрыв конденсаторов.

3. Как бороться с гармониками? — Коррекция коэффициента мощности (PFC)

Чтобы решить проблему гармоник, в высококачественных источниках питания светодиодов используется схема, называемая коррекцией коэффициента мощности (PFC).

Одной из основных целей схемы PFC является управление гармониками. Он контролирует форму сигнала тока, чтобы он точно повторял форму синусоидального сигнала напряжения, тем самым:

Изменение формы сигнала тока от резких импульсов до плавной синусоидальной волны.

Значительно подавляет генерацию гармонических токов.

Одновременно улучшается коэффициент мощности (обычно выше 0,9).

В зависимости от реализации PFC подразделяют на:

Пассивная коррекция коэффициента мощности: более низкая стоимость, средняя производительность, обычно коэффициент мощности повышается только до 0,7–0,8, с ограниченной способностью подавления гармоник.

Активная коррекция коэффициента мощности: использует специализированные микросхемы и схемы переключения, очень эффективен, может повысить коэффициент мощности выше 0,95 и значительно снижает содержание гармоник. Это основная конфигурация для блоков питания светодиодов среднего и высокого класса.

Концепция: Гармоники в источниках питания светодиодов представляют собой целые числа, кратные основной частоте, генерируемые нелинейными рабочими характеристиками (импульсное потребление тока) источника питания, которые искажают форму сигнала тока.

Роль (эффекты): Гармоники в основном отрицательные, вызывая повышенные потери в системе и нагрев, перегрузку нейтральной линии, загрязнение электросети и помехи в работе другого оборудования.

Меры противодействия: путем разработки схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) (особенно активной PFC) в источнике питания светодиодов можно эффективно подавлять гармоники, возвращая форму тока к синусоидальной. Это позволяет источнику питания соответствовать строгим международным стандартам по гармоникам (например, стандарту ЕС EN 61000-3-2).