Sóng hài trong nguồn điện led/trình điều khiển led là gì?

Trong một hệ thống điện lý tưởng, điện áp và dòng điện phải là sóng hình sin hoàn hảo, mượt mà (được gọi là sóng cơ bản, có tần số 50Hz hoặc 60Hz). Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều thiết bị điện (như bộ nguồn LED) “làm ô nhiễm” dạng sóng hoàn hảo này, khiến dạng sóng hiện tại bị méo và không còn là sóng hình sin trơn tru.

Về mặt toán học, dạng sóng bị biến dạng này có thể được chia thành sóng cơ bản 50Hz/60Hz và một chuỗi sóng hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (ví dụ: 100Hz, 150Hz, 200Hz...). Những sóng hình sin tần số cao này được gọi là sóng hài.

Sóng hài bậc 2: Tần số gấp 2 lần tần số cơ bản (100Hz/120Hz)

Sóng hài bậc 3: Tần số gấp 3 lần tần số cơ bản (150Hz/180Hz)

Sóng hài bậc 5: Tần số gấp 5 lần tần số cơ bản (250Hz/300Hz)

... và vân vân.

Nguyên nhân cụ thể trong nguồn điện LED:

Bộ nguồn LED hiện đại thường sử dụng công nghệ Nguồn điện chuyển đổi chế độ (SMPS). Một phần quan trọng trong việc chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) cho chip LED là mạch chỉnh lưu và lọc.

Chỉnh lưu: Nguồn điện xoay chiều đi qua bộ chỉnh lưu cầu diode và trở thành DC xung.

Lọc tụ điện: Một tụ điện lớn có nhiệm vụ “làm mịn” dòng DC đang dao động này thành dòng DC ổn định.

Vấn đề nằm ở chỗ: Tụ lọc này chỉ lấy dòng điện từ lưới điện trong thời gian rất ngắn gần đỉnh điện áp xoay chiều để tự sạc nhanh. Trong phần lớn thời gian còn lại của chu kỳ điện áp, nó không tạo ra dòng điện.

Điều này dẫn đến dòng điện của bộ cấp nguồn LED không phải ở dạng sóng hình sin liên tục mà ở dạng xung sắc nét, hẹp khi nhìn từ phía lưới điện. Dòng điện xung không hình sin này chứa một lượng đáng kể các thành phần hài, đặc biệt là các hài bậc 3, 5, 7 và các hài bậc lẻ khác.

Hiểu biết trực quan:

Hãy tưởng tượng bên trái là dòng điện hình sin lý tưởng và bên phải là dạng sóng dòng điện bị biến dạng (giống như xung) được tạo ra bởi nguồn điện LED. Sóng sau có thể bị phân hủy thành sóng cơ bản và các sóng hài khác nhau được chồng lên nó.

2. “Vai trò” của sóng hài (Thực chất là tác động tiêu cực)

Trong lĩnh vực điện tử công suất, sóng hài hầu như luôn được coi là một hiện tượng tiêu cực. “Vai trò” của họ là gây ra hàng loạt rắc rối và nguy hiểm.

1. Tăng tổn thất và phát nhiệt trong đường dây và thiết bị

Khi dòng điện hài chạy qua đường dây và máy biến áp, chúng sẽ gây thêm nhiệt do hiệu ứng bề mặt, làm tăng điện trở. Điều này dẫn đến:

Dây điện quá nóng, tăng tốc độ lão hóa cách điện và thậm chí gây nguy cơ hỏa hoạn.

Máy biến áp quá nhiệt phải giảm công suất, giảm khả năng chịu tải.

2. Gây ra dòng điện trung tính quá mức

Trong hệ thống ba pha bốn dây, sóng hài thứ 3 và các bội số của nó (thứ 3, 9, 15...) được gọi là "sóng hài thứ tự không". Chúng không triệt tiêu nhau ở đường trung tính; thay vào đó, họ cộng lại. Điều này có thể khiến dòng trung tính thậm chí còn lớn hơn dòng pha, dẫn đến đường trung tính quá nóng, rất nguy hiểm.

3. Tác động đến chất lượng lưới điện và các thiết bị khác

Biến dạng điện áp: Dòng điện hài tạo ra điện áp hài trên trở kháng lưới, khiến điện áp lưới bị méo. Điều này ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị nhạy cảm khác (như dụng cụ chính xác, thiết bị liên lạc) được kết nối với cùng một lưới điện.

Ngắt gây phiền toái cho bộ ngắt mạch: Có thể khiến bộ ngắt mạch hoặc bộ ngắt do lỗi nối đất ngắt mà không có lỗi thực sự.

Giảm hệ số công suất: Mặc dù "Hệ số công suất dịch chuyển" truyền thống thấp có thể được điều chỉnh nhưng sự hiện diện của sóng hài dẫn đến giảm Hệ số công suất thực.

4. Hư hỏng tụ điện

Tụ điện được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số công suất trong hệ thống điện rất nhạy cảm với sóng hài. Sóng hài có thể khiến chúng trở nên quá tải với dòng điện. Trong trường hợp nghiêm trọng, điều này thậm chí có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng, khiến tụ điện bị phồng, hỏng hoặc phát nổ.

3. Làm thế nào để đối phó với sóng hài? — Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC)

Để giải quyết vấn đề hài hòa, các bộ nguồn LED chất lượng cao kết hợp một mạch gọi là Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC).

Một trong những mục tiêu chính của mạch PFC là quản lý sóng hài. Nó điều khiển dạng sóng hiện tại sao cho nó bám sát hình dạng của sóng hình sin điện áp, từ đó:

Thay đổi dạng sóng hiện tại từ xung sắc nét sang sóng hình sin trơn tru.

Ngăn chặn đáng kể việc tạo ra dòng điện hài.

Đồng thời nâng cao hệ số công suất (thường lên trên 0,9).

Tùy thuộc vào việc triển khai, PFC được chia thành:

PFC thụ động: Chi phí thấp hơn, hiệu suất trung bình, thường chỉ nâng hệ số công suất lên 0,7-0,8, với khả năng triệt tiêu sóng hài hạn chế.

Active PFC: Sử dụng IC và mạch chuyển mạch chuyên dụng, rất hiệu quả, có thể nâng hệ số công suất lên trên 0,95 và giảm đáng kể hàm lượng sóng hài. Đây là cấu hình chủ đạo dành cho các bộ nguồn LED từ trung cấp đến cao cấp.

Khái niệm: Sóng hài trong nguồn điện LED là bội số nguyên của tần số cơ bản được tạo ra do đặc tính hoạt động phi tuyến tính (dòng điện xung) của nguồn điện, làm biến dạng dạng sóng hiện tại.

Vai trò (Hiệu ứng): Sóng hài chủ yếu là âm, làm tăng tổn thất và sưởi ấm hệ thống, làm quá tải đường trung tính, gây ô nhiễm lưới điện và gây nhiễu cho các thiết bị khác.

Biện pháp đối phó: Bằng cách thiết kế mạch Hiệu chỉnh Hệ số Công suất (PFC) (đặc biệt là Active PFC) vào nguồn điện LED, sóng hài có thể được triệt tiêu một cách hiệu quả, đưa dạng sóng hiện tại về dạng sóng hình sin. Điều này cho phép bộ nguồn đáp ứng các tiêu chuẩn hài hòa quốc tế nghiêm ngặt (chẳng hạn như tiêu chuẩn EN 61000-3-2 của EU).