ฮาร์โมนิคในแหล่งจ่ายไฟ LED / ไดรเวอร์ LED คืออะไร?

ในระบบไฟฟ้าในอุดมคติ แรงดันและกระแสควรจะเป็นคลื่นไซน์ที่ราบรื่นและสมบูรณ์แบบ (เรียกว่าคลื่นพื้นฐานที่มีความถี่ 50Hz หรือ 60Hz) อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง อุปกรณ์ไฟฟ้าจำนวนมาก (เช่น แหล่งจ่ายไฟ LED) "ก่อให้เกิดมลพิษ" รูปคลื่นที่สมบูรณ์แบบนี้ ส่งผลให้รูปคลื่นในปัจจุบันบิดเบี้ยวและไม่เป็นคลื่นไซน์เรียบอีกต่อไป

ในทางคณิตศาสตร์ รูปคลื่นที่บิดเบี้ยวนี้สามารถแบ่งออกเป็นคลื่นพื้นฐาน 50Hz/60Hz และชุดของคลื่นไซน์ที่มีความถี่เป็นจำนวนเต็มทวีคูณของความถี่พื้นฐาน (เช่น 100Hz, 150Hz, 200Hz...) คลื่นไซน์ความถี่สูงเหล่านี้เรียกว่าฮาร์โมนิกส์

ฮาร์มอนิกที่ 2: ความถี่เป็น 2 เท่าของความถี่พื้นฐาน (100Hz/120Hz)

ฮาร์มอนิกที่ 3: ความถี่เป็น 3 เท่าของความถี่พื้นฐาน (150Hz/180Hz)

ฮาร์มอนิกที่ 5: ความถี่เป็น 5 เท่าของความถี่พื้นฐาน (250Hz/300Hz)

...และอื่นๆ

สาเหตุเฉพาะในแหล่งจ่ายไฟ LED:

แหล่งจ่ายไฟ LED สมัยใหม่มักใช้เทคโนโลยีแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด (SMPS) ส่วนสำคัญของการแปลงกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสตรง (DC) สำหรับชิป LED คือวงจรเรียงกระแสและการกรอง

การแก้ไข: ไฟ AC ผ่านตัวเรียงกระแสบริดจ์ไดโอดและกลายเป็น DC แบบพัลซิ่ง

การกรองตัวเก็บประจุ: ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าขนาดใหญ่มีหน้าที่ในการ "ปรับให้เรียบ" ที่กระแส DC ที่กระเพื่อมเป็นกระแสตรงที่เสถียร

ปัญหาอยู่ที่นี่: ตัวเก็บประจุตัวกรองนี้จะดึงกระแสจากกริดในช่วงเวลาสั้น ๆ ใกล้กับจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อชาร์จตัวเองอย่างรวดเร็ว ในช่วงที่เหลือของวงจรแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่จะไม่มีกระแสไฟฟ้า

ส่งผลให้แหล่งจ่ายไฟ LED ดึงกระแสไฟไม่เป็นคลื่นไซน์ต่อเนื่อง แต่เป็นพัลส์ที่คมชัดและแคบเมื่อมองจากด้านกริด กระแสพัลส์ที่ไม่ใช่ไซนูซอยด์นี้ประกอบด้วยส่วนประกอบฮาร์มอนิกจำนวนมาก โดยเฉพาะฮาร์โมนิกลำดับที่ 3, 5, 7 และฮาร์โมนิกลำดับคี่อื่นๆ

ความเข้าใจด้วยภาพ:

ลองนึกภาพด้านซ้ายคือกระแสไซน์ซอยด์ในอุดมคติ และด้านขวาคือรูปคลื่นกระแสบิดเบี้ยว (คล้ายพัลส์) ที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟ LED หลังสามารถสลายตัวเป็นคลื่นพื้นฐานและมีฮาร์โมนิกต่างๆ ซ้อนทับอยู่

2. "บทบาท" ของฮาร์โมนิกส์ (จริงๆ แล้ว ผลกระทบเชิงลบ)

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ฮาร์โมนิคมักถูกมองว่าเป็นปรากฏการณ์เชิงลบเสมอไป "บทบาท" ของพวกเขาคือการทำให้เกิดปัญหาและอันตรายต่างๆ

1. เพิ่มการสูญเสียและการทำความร้อนในสายและอุปกรณ์

เมื่อกระแสฮาร์มอนิกไหลผ่านเส้นและหม้อแปลง จะทำให้เกิดความร้อนเพิ่มเติมเนื่องจากผลกระทบของผิวหนัง ซึ่งจะเพิ่มความต้านทาน สิ่งนี้นำไปสู่:

สายไฟมีความร้อนสูงเกิน เร่งอายุของฉนวน และแม้แต่ก่อให้เกิดความเสี่ยงจากไฟไหม้

หม้อแปลงที่มีความร้อนสูงเกินไป ซึ่งจะต้องลดพิกัดลง ซึ่งจะทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักลดลง

2. ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่เป็นกลางมากเกินไป

ในระบบสี่สายสามเฟส ฮาร์โมนิคตัวที่ 3 และตัวทวีคูณของมัน (3, 9, 15...) เรียกว่า "ฮาร์โมนิคลำดับศูนย์" พวกเขาไม่ได้หักล้างกันในเส้นกลาง แต่กลับเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อาจทำให้กระแสเป็นกลางมีค่ามากกว่ากระแสเฟส ส่งผลให้เส้นกลางเกิดความร้อนสูงเกินไป ซึ่งเป็นอันตรายมาก

3. ส่งผลกระทบต่อคุณภาพโครงข่ายไฟฟ้าและอุปกรณ์อื่นๆ

การบิดเบือนแรงดันไฟฟ้า: กระแสฮาร์มอนิกสร้างแรงดันไฟฟ้าฮาร์มอนิกข้ามอิมพีแดนซ์ของโครงข่าย ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าโครงข่ายผิดเพี้ยนไป สิ่งนี้ส่งผลต่อการทำงานปกติของอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนอื่นๆ (เช่น เครื่องมือที่มีความแม่นยำ อุปกรณ์สื่อสาร) ที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายเดียวกัน

การสะดุดของเซอร์กิตเบรกเกอร์: อาจทำให้เซอร์กิตเบรกเกอร์หรือตัวขัดจังหวะกราวด์สะดุดโดยไม่มีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นจริง

ลดค่าตัวประกอบกำลัง: แม้ว่า "ค่าตัวประกอบกำลังการกระจัด" แบบดั้งเดิมที่ต่ำจะสามารถแก้ไขได้ แต่การมีฮาร์โมนิคจะทำให้ค่าตัวประกอบกำลังที่แท้จริงลดลง

4. ความเสียหายต่อตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุที่ใช้ในการแก้ไขตัวประกอบกำลังในระบบไฟฟ้ามีความไวต่อฮาร์โมนิคมาก ฮาร์มอนิกอาจทำให้กระแสมีมากเกินไป ในกรณีที่ร้ายแรง สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การสั่นพ้อง ส่งผลให้ตัวเก็บประจุนูน ล้มเหลว หรือระเบิดได้

3. จะจัดการกับฮาร์โมนิกส์อย่างไร? — การแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC)

เพื่อแก้ปัญหาฮาร์มอนิก แหล่งจ่ายไฟ LED คุณภาพสูงได้รวมวงจรที่เรียกว่า Power Factor Correction (PFC)

เป้าหมายหลักประการหนึ่งของวงจร PFC คือการจัดการฮาร์โมนิค โดยจะควบคุมรูปคลื่นของกระแสเพื่อให้เป็นไปตามรูปร่างของคลื่นไซน์แรงดันไฟฟ้าอย่างใกล้ชิด ดังนั้น:

การเปลี่ยนรูปคลื่นปัจจุบันจากพัลส์ชาร์ปเป็นคลื่นไซน์เรียบ

ระงับการสร้างกระแสฮาร์มอนิกอย่างมาก

ปรับปรุงตัวประกอบกำลังพร้อมกัน (โดยปกติจะสูงกว่า 0.9)

PFC แบ่งออกเป็น: ขึ้นอยู่กับการใช้งาน

PFC แบบพาสซีฟ: ต้นทุนที่ต่ำกว่า ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย โดยทั่วไปจะเพิ่มตัวประกอบกำลังเป็น 0.7-0.8 เท่านั้น โดยมีความสามารถในการปราบปรามฮาร์มอนิกที่จำกัด

Active PFC: ใช้ไอซีเฉพาะทางและวงจรสวิตชิ่ง มีประสิทธิภาพมาก สามารถเพิ่มตัวประกอบกำลังให้สูงกว่า 0.95 และลดปริมาณฮาร์มอนิกลงอย่างมาก นี่คือการกำหนดค่ากระแสหลักสำหรับแหล่งจ่ายไฟ LED ระดับกลางถึงระดับสูง

แนวคิด: ฮาร์มอนิกในแหล่งจ่ายไฟ LED นั้นเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของความถี่พื้นฐานที่สร้างขึ้นเนื่องจากลักษณะการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้น (การดึงกระแสพัลส์) ของแหล่งจ่ายไฟ ซึ่งบิดเบือนรูปคลื่นของกระแสไฟฟ้า

บทบาท (ผลกระทบ): ฮาร์มอนิกส่วนใหญ่เป็นค่าลบ ส่งผลให้ระบบสูญเสียและความร้อนเพิ่มขึ้น ทำให้สายกลางมีภาระมากเกินไป สร้างมลพิษให้กับโครงข่ายไฟฟ้า และรบกวนอุปกรณ์อื่นๆ

มาตรการรับมือ: การออกแบบวงจรแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) (โดยเฉพาะ Active PFC) ลงในแหล่งจ่ายไฟ LED จะทำให้ฮาร์โมนิคถูกระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยคืนรูปคลื่นปัจจุบันเป็นคลื่นไซน์ ซึ่งช่วยให้แหล่งจ่ายไฟตรงตามมาตรฐานฮาร์มอนิกสากลที่เข้มงวด (เช่น มาตรฐาน EN 61000-3-2 ของสหภาพยุโรป)