Wat zijn harmonischen in led-voeding/led-driver?

In een ideaal energiesysteem moeten spanning en stroom perfecte, vloeiende sinusgolven zijn (bekend als de fundamentele golf, met een frequentie van 50 Hz of 60 Hz). In werkelijkheid "vervuilen" veel elektrische apparaten (zoals LED-voedingen) deze perfecte golfvorm, waardoor de huidige golfvorm vervormd raakt en niet langer een vloeiende sinusgolf is.

Wiskundig gezien kan deze vervormde golfvorm worden opgesplitst in een fundamentele golf van 50 Hz/60 Hz en een reeks sinusgolven waarvan de frequenties gehele veelvouden zijn van de fundamentele frequentie (bijvoorbeeld 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Deze hoogfrequente sinusgolven worden harmonischen genoemd.

2e Harmonische: frequentie is 2 keer de grondtoon (100 Hz/120 Hz)

3e Harmonische: frequentie is 3 keer de grondtoon (150 Hz/180 Hz)

5e Harmonische: frequentie is 5 keer de grondtoon (250 Hz/300 Hz)

...enzovoorts.

Specifieke oorzaak bij LED-voedingen:

Moderne LED-voedingen maken doorgaans gebruik van de Switched-Mode Power Supply (SMPS)-technologie. Een belangrijk onderdeel van het omzetten van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC) voor de LED-chips is het gelijkricht- en filtercircuit.

Gelijkrichting: wisselstroom gaat door een diodebruggelijkrichter en wordt pulserende gelijkstroom.

Condensatorfiltering: Een grote elektrolytische condensator is verantwoordelijk voor het "afvlakken" van deze pulserende gelijkstroom naar stabiele gelijkstroom.

Het probleem ligt hier: deze filtercondensator onttrekt slechts gedurende een zeer korte tijd stroom aan het elektriciteitsnet nabij de piek van de wisselspanning om zichzelf snel op te laden. Gedurende het grootste deel van de rest van de spanningscyclus trekt hij geen stroom.

Dit heeft tot gevolg dat de LED-voeding stroom niet als een continue sinusgolf trekt, maar als scherpe, smalle pulsen gezien vanaf de netzijde. Deze niet-sinusvormige, gepulseerde stroom bevat een aanzienlijke hoeveelheid harmonische componenten, vooral de 3e, 5e, 7e en andere harmonischen van oneven orde.

Visueel begrip:

Stel je voor dat de linkerkant de ideale sinusoïdale stroom is, en de rechterkant de vervormde stroomgolfvorm (pulsachtig) die wordt geproduceerd door een LED-voeding. Deze laatste kunnen worden ontleed in de fundamentele golf en verschillende harmonischen die daarop worden gesuperponeerd.

2. De ‘rol’ van harmonischen (eigenlijk de negatieve effecten)

Op het gebied van vermogenselektronica worden harmonischen vrijwel altijd als een negatief fenomeen beschouwd. Hun ‘rol’ is het veroorzaken van een reeks problemen en gevaren.

1. Verhoogde verliezen en verwarming in leidingen en apparatuur

Wanneer harmonische stromen door leidingen en transformatoren stromen, veroorzaken ze door het skin-effect extra verwarming, waardoor de weerstand toeneemt. Dit leidt tot:

Oververhitting van draden, versnelde veroudering van de isolatie en zelfs brandgevaar.

Oververhittingstransformatoren, die moeten worden afgewaardeerd, waardoor hun laadvermogen afneemt.

2. Veroorzaakt overmatige neutrale lijnstroom

In een driefasig vierdraadssysteem worden de 3e harmonische en zijn veelvouden (3e, 9e, 15e...) "nulsequentieharmonischen" genoemd. Ze heffen elkaar niet op in de neutrale lijn; in plaats daarvan tellen ze op. Dit kan ervoor zorgen dat de neutrale stroom zelfs groter wordt dan de fasestroom, wat leidt tot oververhitting van de neutrale lijn, wat erg gevaarlijk is.

3. Beïnvloedt de kwaliteit van het elektriciteitsnet en andere apparatuur

Spanningsvervorming: Harmonische stromen creëren harmonische spanningen over de netimpedantie, waardoor de netspanning zelf vervormd raakt. Dit beïnvloedt de normale werking van andere gevoelige apparatuur (zoals precisie-instrumenten, communicatieapparatuur) die op hetzelfde elektriciteitsnet is aangesloten.

Stroomonderbreker hinderlijk uitschakelen: Kan ervoor zorgen dat stroomonderbrekers of aardlekschakelaars uitschakelen zonder dat er een daadwerkelijke fout optreedt.

Vermindert de arbeidsfactor: Hoewel een lage traditionele "verplaatsingsmachtsfactor" kan worden gecorrigeerd, leidt de aanwezigheid van harmonischen tot een afname van de werkelijke arbeidsfactor.

4. Schade aan condensatoren

Condensatoren die worden gebruikt voor arbeidsfactorcorrectie in elektrische systemen zijn zeer gevoelig voor harmonischen. Harmonischen kunnen ervoor zorgen dat ze overbelast raken met stroom. In ernstige gevallen kan dit zelfs leiden tot resonantie, waardoor condensatoren kunnen uitpuilen, defect raken of exploderen.

3. Hoe om te gaan met harmonischen? — Vermogensfactorcorrectie (PFC)

Om het harmonische probleem op te lossen, zijn hoogwaardige LED-voedingen voorzien van een circuit dat Power Factor Correction (PFC) wordt genoemd.

Een van de belangrijkste doelen van het PFC-circuit is het beheren van harmonischen. Het bestuurt de stroomgolfvorm zodat deze de vorm van de spanningssinusgolf nauwkeurig volgt, waardoor:

Het veranderen van de huidige golfvorm van scherpe pulsen naar een vloeiende sinusgolf.

Sterk onderdrukken van het genereren van harmonische stromen.

Gelijktijdig verbeteren van de powerfactor (meestal tot boven 0,9).

Afhankelijk van de implementatie is PFC onderverdeeld in:

Passieve PFC: Lagere kosten, gemiddelde prestaties, verhoogt doorgaans slechts de arbeidsfactor tot 0,7-0,8, met een beperkt vermogen tot harmonische onderdrukking.

Actieve PFC: maakt gebruik van gespecialiseerde IC's en schakelcircuits, is zeer effectief, kan de arbeidsfactor verhogen tot boven 0,95 en vermindert de harmonische inhoud aanzienlijk. Dit is de mainstreamconfiguratie voor LED-voedingen uit het midden- tot hogere segment.

Concept: Harmonischen in LED-voedingen zijn gehele veelvouden van de fundamentele frequentie die wordt gegenereerd als gevolg van de niet-lineaire bedrijfskarakteristieken (gepulseerde stroomafname) van de voeding, die de stroomgolfvorm vervormen.

Rol (effecten): Harmonischen zijn voornamelijk negatief en veroorzaken verhoogde systeemverliezen en verwarming, overbelasting van de neutrale lijn, vervuiling van het elektriciteitsnet en interferentie met andere apparatuur.

Tegenmaatregel: Door een Power Factor Correction (PFC)-circuit (vooral Actieve PFC) in de LED-voeding te ontwerpen, kunnen harmonischen effectief worden onderdrukt, waardoor de huidige golfvorm terugkeert naar een sinusgolf. Hierdoor kan de voeding voldoen aan strenge internationale harmonische normen (zoals de EU-norm EN 61000-3-2).