Was sind Oberwellen in LED-Netzteilen/LED-Treibern?

In einem idealen Stromversorgungssystem sollten Spannung und Strom perfekte, glatte Sinuswellen sein (bekannt als Grundwelle mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz). Tatsächlich „verunreinigen“ jedoch viele elektrische Geräte (z. B. LED-Netzteile) diese perfekte Wellenform, was dazu führt, dass die Stromwellenform verzerrt wird und keine glatte Sinuswelle mehr ist.

Mathematisch lässt sich diese verzerrte Wellenform in eine 50-Hz-/60-Hz-Grundwelle und eine Reihe von Sinuswellen zerlegen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind (z. B. 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz ...). Diese hochfrequenten Sinuswellen werden Harmonische genannt.

2. Harmonische: Die Frequenz beträgt das Zweifache der Grundschwingung (100 Hz/120 Hz).

3. Harmonische: Die Frequenz beträgt das Dreifache der Grundschwingung (150 Hz/180 Hz).

5. Harmonische: Die Frequenz beträgt das Fünffache der Grundschwingung (250 Hz/300 Hz).

...und so weiter.

Spezifische Ursache bei LED-Netzteilen:

Moderne LED-Netzteile verwenden typischerweise die Switched-Mode Power Supply (SMPS)-Technologie. Ein wichtiger Teil der Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) für die LED-Chips ist die Gleichrichtungs- und Filterschaltung.

Gleichrichtung: Wechselstrom fließt durch einen Diodenbrückengleichrichter und wird zu pulsierendem Gleichstrom.

Kondensatorfilterung: Ein großer Elektrolytkondensator ist dafür verantwortlich, diesen pulsierenden Gleichstrom in einen stabilen Gleichstrom zu „glätten“.

Das Problem liegt hier: Dieser Siebkondensator bezieht in der Nähe der Spitze der Wechselspannung nur für sehr kurze Zeit Strom aus dem Netz, um sich schnell aufzuladen. Für den größten Teil des restlichen Spannungszyklus zieht es keinen Strom.

Dies führt dazu, dass das LED-Netzteil den Strom nicht als kontinuierliche Sinuswelle zieht, sondern von der Netzseite aus gesehen in scharfen, schmalen Impulsen. Dieser nicht-sinusförmige, gepulste Strom enthält eine erhebliche Menge harmonischer Komponenten, insbesondere die 3., 5., 7. und andere Harmonische ungerader Ordnung.

Visuelles Verständnis:

Stellen Sie sich vor, die linke Seite ist der ideale Sinusstrom und die rechte Seite ist die verzerrte Stromwellenform (impulsartig), die von einem LED-Netzteil erzeugt wird. Letztere lässt sich in die Grundwelle und verschiedene ihr überlagerte Harmonische zerlegen.

2. Die „Rolle“ der Harmonischen (eigentlich die negativen Auswirkungen)

Im Bereich der Leistungselektronik gelten Oberschwingungen fast immer als negatives Phänomen. Ihre „Aufgabe“ besteht darin, eine Reihe von Problemen und Gefahren zu verursachen.

1. Erhöhte Verluste und Erwärmung in Leitungen und Geräten

Wenn Oberschwingungsströme durch Leitungen und Transformatoren fließen, kommt es durch den Skin-Effekt zu einer zusätzlichen Erwärmung, die den Widerstand erhöht. Dies führt zu:

Überhitzung der Drähte, beschleunigte Alterung der Isolierung und sogar Brandgefahr.

Überhitzung von Transformatoren, deren Leistung herabgesetzt werden muss, wodurch ihre Belastbarkeit verringert wird.

2. Verursacht einen übermäßigen Neutralleiterstrom

In einem Dreiphasen-Vierleitersystem werden die 3. Harmonische und ihre Vielfachen (3., 9., 15. ...) „Null-Harmonische“ genannt. Sie heben sich in der neutralen Linie nicht gegenseitig auf; Stattdessen summieren sie sich. Dies kann dazu führen, dass der Neutralstrom sogar größer ist als der Phasenstrom, was zu einer Überhitzung des Neutralleiters führt, was sehr gefährlich ist.

3. Auswirkungen auf die Qualität des Stromnetzes und anderer Geräte

Spannungsverzerrung: Harmonische Ströme erzeugen harmonische Spannungen an der Netzimpedanz, wodurch die Netzspannung selbst verzerrt wird. Dies beeinträchtigt den normalen Betrieb anderer empfindlicher Geräte (wie Präzisionsinstrumente, Kommunikationsgeräte), die an dasselbe Netz angeschlossen sind.

Störungsauslösung des Leistungsschalters: Kann dazu führen, dass Leistungsschalter oder Fehlerstromschutzschalter auslösen, ohne dass ein tatsächlicher Fehler vorliegt.

Reduziert den Leistungsfaktor: Während ein niedriger herkömmlicher „Verschiebungsleistungsfaktor“ korrigiert werden kann, führt das Vorhandensein von Oberwellen zu einer Verringerung des tatsächlichen Leistungsfaktors.

4. Schäden an Kondensatoren

Kondensatoren, die zur Leistungsfaktorkorrektur in elektrischen Systemen verwendet werden, reagieren sehr empfindlich auf Oberschwingungen. Oberwellen können zu einer Stromüberlastung führen. In schweren Fällen kann es sogar zu Resonanzen kommen, die dazu führen, dass sich Kondensatoren ausbeulen, ausfallen oder explodieren.

3. Wie gehe ich mit Oberschwingungen um? — Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

Um das Oberwellenproblem zu lösen, verfügen hochwertige LED-Netzteile über eine Schaltung namens Power Factor Correction (PFC).

Eines der Hauptziele der PFC-Schaltung ist die Beherrschung von Oberschwingungen. Es steuert die Stromwellenform so, dass sie genau der Form der Spannungssinuswelle folgt, wodurch:

Ändern der aktuellen Wellenform von scharfen Impulsen zu einer sanften Sinuswelle.

Unterdrückung der Entstehung harmonischer Ströme erheblich.

Gleichzeitige Verbesserung des Leistungsfaktors (normalerweise auf über 0,9).

Abhängig von der Implementierung wird PFC unterteilt in:

Passive PFC: Geringere Kosten, durchschnittliche Leistung, erhöht den Leistungsfaktor normalerweise nur auf 0,7–0,8, mit begrenzter Oberwellenunterdrückungsfähigkeit.

Aktive PFC: Verwendet spezielle ICs und Schaltkreise, ist sehr effektiv, kann den Leistungsfaktor auf über 0,95 erhöhen und reduziert den Oberwellengehalt erheblich. Dies ist die gängige Konfiguration für LED-Netzteile der mittleren bis oberen Preisklasse.

Konzept: Harmonische in LED-Netzteilen sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz, die aufgrund der nichtlinearen Betriebseigenschaften (gepulste Stromaufnahme) des Netzteils erzeugt werden und die Stromwellenform verzerren.

Rolle (Auswirkungen): Oberschwingungen sind in erster Linie negativ und verursachen erhöhte Systemverluste und Erwärmung, eine Überlastung des Neutralleiters, eine Verschmutzung des Stromnetzes und Störungen anderer Geräte.

Gegenmaßnahme: Durch die Integration einer Power Factor Correction (PFC)-Schaltung (insbesondere einer aktiven PFC) in das LED-Netzteil können Oberschwingungen wirksam unterdrückt werden, wodurch die Stromwellenform wieder in eine Sinuswelle umgewandelt wird. Dadurch erfüllt das Netzteil strenge internationale Oberschwingungsnormen (z. B. die EU-Norm EN 61000-3-2).