ما هي التوافقيات في مصدر الطاقة LED/سائق LED؟

في نظام الطاقة المثالي، يجب أن يكون الجهد والتيار مثاليين، وموجات جيبية سلسة (تُعرف باسم الموجة الأساسية، بتردد 50 هرتز أو 60 هرتز). ومع ذلك، في الواقع، العديد من الأجهزة الكهربائية (مثل إمدادات الطاقة LED) "تلوث" هذا الشكل الموجي المثالي، مما يتسبب في تشويه شكل الموجة الحالية ولم تعد موجة جيبية سلسة.

رياضياً، يمكن تقسيم هذا الشكل الموجي المشوه إلى موجة أساسية 50 هرتز/60 هرتز وسلسلة من الموجات الجيبية التي تكون تردداتها مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي (على سبيل المثال، 100 هرتز، 150 هرتز، 200 هرتز...). تسمى هذه الموجات الجيبية عالية التردد بالتوافقيات.

التوافقي الثاني: التردد هو ضعف التردد الأساسي (100 هرتز / 120 هرتز)

التوافقي الثالث: التردد هو 3 أضعاف التردد الأساسي (150 هرتز/180 هرتز)

التوافقي الخامس: التردد هو 5 أضعاف التردد الأساسي (250 هرتز/300 هرتز)

...وهلم جرا.

سبب محدد في إمدادات الطاقة LED:

تستخدم مصادر طاقة LED الحديثة عادةً تقنية Switched-Mode Power Supply (SMPS). الجزء الرئيسي من تحويل التيار المتردد (AC) إلى التيار المباشر (DC) لرقائق LED هو دائرة التصحيح والتصفية.

التصحيح: تمر طاقة التيار المتردد عبر مقوم جسر الصمام الثنائي وتصبح تيارًا مستمرًا نابضًا.

تصفية المكثفات: مكثف كهربائي كبير هو المسؤول عن "تنعيم" هذا التيار المستمر النابض إلى تيار مستمر مستقر.

تكمن المشكلة هنا: يقوم مكثف الفلتر هذا بسحب التيار من الشبكة فقط لفترة قصيرة جدًا بالقرب من ذروة جهد التيار المتردد لشحن نفسه بسرعة. بالنسبة لمعظم بقية دورة الجهد، فإنه لا يسحب أي تيار.

يؤدي هذا إلى سحب التيار لمصدر الطاقة LED ليس كموجة جيبية مستمرة، ولكن كنبضات حادة وضيقة عند النظر إليها من جانب الشبكة. يحتوي هذا التيار النبضي غير الجيبي على كمية كبيرة من المكونات التوافقية، وخاصة التوافقيات الثالثة والخامسة والسابعة وغيرها من التوافقيات ذات الترتيب الفردي.

الفهم البصري:

تخيل أن الجانب الأيسر هو التيار الجيبي المثالي، والجانب الأيمن هو شكل موجة التيار المشوه (الشبيه بالنبض) الناتج عن مصدر طاقة LED. يمكن أن تتحلل الأخيرة إلى الموجة الأساسية ويتم فرض توافقيات مختلفة عليها.

2. "دور" التوافقيات (في الواقع التأثيرات السلبية)

في مجال إلكترونيات الطاقة، تعتبر التوافقيات دائمًا ظاهرة سلبية. "دورهم" هو التسبب في سلسلة من المشاكل والمخاطر.

1. زيادة الخسائر والتسخين في الخطوط والمعدات

عندما تتدفق التيارات التوافقية عبر الخطوط والمحولات فإنها تسبب تسخينًا إضافيًا بسبب تأثير الجلد مما يزيد من المقاومة. وهذا يؤدي إلى:

ارتفاع درجة حرارة الأسلاك، وتسريع تقادم العزل وحتى التعرض لخطر الحريق.

- ارتفاع درجة حرارة المحولات، والتي يجب تخفيض سرعتها، مما يقلل من سعة حمولتها.

2. يسبب تيار خط محايد مفرط

في نظام ثلاثي الطور رباعي الأسلاك، يُطلق على التوافقي الثالث ومضاعفاته (الثالث، التاسع، الخامس عشر...) اسم "توافقيات التسلسل الصفري". إنهما لا يلغي كل منهما الآخر في الخط المحايد؛ بدلا من ذلك، فإنها تضيف ما يصل. يمكن أن يتسبب هذا في أن يكون التيار المحايد أكبر من تيار الطور، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخط المحايد، وهو أمر خطير للغاية.

3. يؤثر على جودة شبكة الطاقة والمعدات الأخرى

تشويه الجهد: تخلق التيارات التوافقية جهودًا توافقية عبر ممانعة الشبكة، مما يتسبب في تشويه جهد الشبكة نفسه. ويؤثر هذا على التشغيل العادي للمعدات الحساسة الأخرى (مثل الأجهزة الدقيقة وأجهزة الاتصالات) المتصلة بنفس الشبكة.

إزعاج قواطع الدائرة الكهربائية: يمكن أن يتسبب في تعطل قواطع الدائرة الكهربائية أو قواطع الأعطال الأرضية دون حدوث خطأ فعلي.

تقليل معامل القدرة: بينما يمكن تصحيح "معامل قدرة الإزاحة" التقليدي المنخفض، فإن وجود التوافقيات يؤدي إلى انخفاض في معامل القدرة الحقيقي.

4. تلف المكثفات

المكثفات المستخدمة لتصحيح معامل القدرة في الأنظمة الكهربائية حساسة للغاية للتوافقيات. يمكن أن تتسبب التوافقيات في زيادة تحميلها بالتيار. في الحالات الشديدة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث رنين، مما يتسبب في انتفاخ المكثفات أو فشلها أو انفجارها.

3. كيفية التعامل مع التوافقيات؟ — تصحيح معامل القدرة (PFC)

لحل المشكلة التوافقية، تشتمل مصادر طاقة LED عالية الجودة على دائرة تسمى تصحيح عامل الطاقة (PFC).

أحد الأهداف الرئيسية لدائرة PFC هو إدارة التوافقيات. فهو يتحكم في شكل موجة التيار ليجعلها تتبع بشكل دقيق شكل موجة الجهد الجيبية، وبالتالي:

تغيير شكل الموجة الحالية من النبضات الحادة إلى موجة جيبية ناعمة.

قمع إلى حد كبير توليد التيارات التوافقية.

تحسين عامل الطاقة في نفس الوقت (عادة إلى ما فوق 0.9).

اعتمادًا على التنفيذ، يتم تقسيم PFC إلى:

PFC السلبي: تكلفة منخفضة، ومتوسط ​​أداء، وعادةً ما يرفع عامل الطاقة إلى 0.7-0.8 فقط، مع قدرة محدودة على القمع التوافقي.

نشط PFC: يستخدم الدوائر المتكاملة المتخصصة ودوائر التبديل، وهو فعال للغاية، ويمكن أن يرفع عامل الطاقة إلى أعلى من 0.95، ويقلل بشكل كبير المحتوى التوافقي. هذا هو التكوين السائد لإمدادات الطاقة LED المتوسطة إلى المتطورة.

المفهوم: التوافقيات في مصادر طاقة LED هي مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي الناتج عن خصائص التشغيل غير الخطية (سحب التيار النبضي) لمصدر الطاقة، والتي تشوه شكل الموجة الحالية.

الدور (التأثيرات): التوافقيات سلبية في المقام الأول، مما يتسبب في زيادة خسائر النظام والتدفئة، وزيادة التحميل على الخط المحايد، وتلويث شبكة الطاقة، والتداخل مع المعدات الأخرى.

الإجراء المضاد: من خلال تصميم دائرة تصحيح عامل القدرة (PFC) (خاصة PFC النشط) في مصدر طاقة LED، يمكن قمع التوافقيات بشكل فعال، مما يعيد شكل الموجة الحالية إلى موجة جيبية. وهذا يسمح لمصدر الطاقة بالوفاء بالمعايير التوافقية الدولية الصارمة (مثل معيار الاتحاد الأوروبي EN 61000-3-2).