Kompendium wiedzy o LED - odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania

Wzajemne oddziaływanie diod LED i systemów zasilania elektroenergetycznego

Integralną częścią każdej oprawy LED zasilanej z sieci o napięciu 230V jest zasilacz, którego zadaniem jest zmiana napięcia przemiennego sieci elektroenergetycznej na napięcie stałe o wartości zwykle 12, 24 lub 48 V. Nowoczesne rozwiązania zasilaczy stosowane w oprawach LED oparte są na typowym rozwiązaniu zasilacza impulsowego. Podstawowymi zaletami takiego rozwiązania są mniejsze koszty, mniejsze wymiary oraz waga, jak również wyższa sprawność. Istotną wadą jest to, że zasilacz pobiera z sieci zamiast prądu ciągłego impulsy prądu o dużej zawartości wyższych harmonicznych. Każdy przebieg sygnału, który nie jest sinusoidalny można przedstawić w postaci sumy n sygnałów o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej tego sygnału. W sieci zasilającej częstotliwość podstawowa jest równa 50Hz. Częstotliwość harmonicznej rzędu 3 wynosi 150Hz, zaś rzędu 5 wynosi 250Hz. Zatem harmoniczna rzędu n posiada częstotliwość n×50Hz. Na rysunku 21.1 przedstawiono przykład sygnału odkształconego złożonego z harmonicznej podstawowej o częstotliwości 50Hz oraz harmonicznych rzędów 3, 5 i 7

Rys.21.1. Przykładowy przebieg sygnału odkształconego wraz z jego rozkładem na poszczególne harmoniczne.

Najpoważniejszym problemem jest to, że prądy wyższych harmonicznych płynąc w sieci zasilającej powodują spadki napięć na elementach sieci co z kolei negatywnie wpływa na napięcie zasilające, z którego mogą być zasilane inne odbiorniki. Aby dokonać rzetelnej oceny wpływu danego odbiornika na sieć zasilającą konieczna jest znajomość spektrum harmonicznych prądu, która z kolei pozwala na obliczenie wartości współczynnika THD (ang. Total Harmonic Distortion), czyli całkowitego współczynnika odkształcenia. Przykładowy przebieg prądu wejściowego oprawy LED oraz jego spektrum wyższych harmonicznych przedstawiono na rysunkach 21.2 i 3. Wartość współczynnika THD prądu oprawy LED wynosi 26%.

Rys.21.2. Przebieg chwilowy napięcia zasilającego i prądu przykładowej oprawy LED

Rys.21.3. Widmo harmonicznych prądu przykładowej oprawy LED

Im mniejsza wartość współczynnika THD prądu tym oprawa w mniejszym stopniu negatywnie oddziałuje na sieć zasilającą. Negatywne oddziaływanie wyższych harmonicznych na sieć zasilającą to min.:

• przeciążenie przewodów i kabli elektroenergetycznych związane ze zwiększeniem się wartości prądu,
• przeciążenie przewodu neutralnego, powodowane przez sumowanie się harmonicznych 3rzędu, których źródłami są odbiorniki jednofazowe,
• odkształcenia napięcia zasilającego, które są powodem nieprawidłowej pracy odbiorników wrażliwych,
• przeciążenia elementów sieci elektroenergetycznej np.: transformatorów, baterii kondensatorów itp.

Uwzględniając powyższe wymaga się, aby oprawy oświetleniowe z LED spełniały wymagania dla odbiorników zaliczanych do klasy C wg normy PN-EN 61000-3-2: 2007. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 3-2: Poziomy dopuszczalne – Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika ≤ 16 A). Zgodnie z zaleceniami podanej powyżej normy wartości dopuszczalne harmonicznych prądu wejściowego oprawy nie mogą być większe niż wartości podane w tabeli 21.4.

Tabela 21.4. Poziomy dopuszczalne dla sprzętu klasy C według normy PN-EN 61000-3-2

Rząd harmonicznej n	Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej wyrażony w procentach składowej podstawowej prądu wejściowego [%]
2	2
3	30λ
5	10
7	7
9	5
11 ≤ n ≤ 39 (tylko harmoniczne nieparzyste)	3

λ oznacza współczynnik mocy obwodu obliczany jako iloraz mocy czynnej urządzenia i iloczynu wartości skutecznych prądu i napięcia zasilającego.