Que sont les harmoniques dans l'alimentation LED/le pilote LED ?

Dans un système électrique idéal, la tension et le courant doivent être des ondes sinusoïdales parfaites et lisses (connues sous le nom d’onde fondamentale, avec une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz). Cependant, en réalité, de nombreux appareils électriques (comme les alimentations LED) « polluent » cette forme d’onde parfaite, provoquant une distorsion de la forme d’onde actuelle et non plus une onde sinusoïdale douce.

Mathématiquement, cette forme d'onde déformée peut être décomposée en une onde fondamentale de 50 Hz/60 Hz et une série d'ondes sinusoïdales dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale (par exemple, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Ces ondes sinusoïdales haute fréquence sont appelées harmoniques.

2ème harmonique : la fréquence est 2 fois la fondamentale (100 Hz/120 Hz)

3ème harmonique : la fréquence est 3 fois la fondamentale (150 Hz/180 Hz)

5ème harmonique : la fréquence est 5 fois la fondamentale (250 Hz/300 Hz)

...et ainsi de suite.

Cause spécifique dans les alimentations LED :

Les alimentations LED modernes utilisent généralement la technologie SMPS (Switched Mode Power Supply). Un élément clé de la conversion du courant alternatif (AC) en courant continu (DC) pour les puces LED est le circuit de rectification et de filtrage.

Rectification : le courant alternatif passe par un pont redresseur à diodes et devient un courant continu pulsé.

Filtrage du condensateur : Un grand condensateur électrolytique est chargé de « lisser » ce courant continu pulsé en courant continu stable.

Le problème réside ici : ce condensateur de filtrage ne consomme du courant du réseau que pendant très peu de temps, à proximité du pic de la tension alternative, pour se charger rapidement. Pendant la majeure partie du reste du cycle de tension, il ne consomme aucun courant.

Il en résulte que l'alimentation LED consomme du courant non pas sous la forme d'une onde sinusoïdale continue, mais sous la forme d'impulsions nettes et étroites vues du côté du réseau. Ce courant pulsé non sinusoïdal contient une quantité importante de composantes harmoniques, en particulier les 3e, 5e, 7e et autres harmoniques d'ordre impair.

Compréhension visuelle :

Imaginez que le côté gauche soit le courant sinusoïdal idéal et que le côté droit soit la forme d'onde de courant déformée (semblable à une impulsion) produite par une alimentation LED. Cette dernière peut être décomposée en onde fondamentale et en diverses harmoniques qui lui sont superposées.

2. Le « rôle » des harmoniques (en fait, les effets négatifs)

Dans le domaine de l’électronique de puissance, les harmoniques sont presque toujours considérées comme un phénomène négatif. Leur « rôle » est de provoquer une série de problèmes et de dangers.

1. Augmentation des pertes et de l’échauffement des conduites et des équipements

Lorsque des courants harmoniques traversent les lignes et les transformateurs, ils provoquent un échauffement supplémentaire dû à l’effet cutané, ce qui augmente la résistance. Cela conduit à :

Surchauffe des fils, accélère le vieillissement de l'isolation et présente même un risque d'incendie.

Surchauffe des transformateurs, qui doivent être déclassés, réduisant ainsi leur capacité de charge.

2. Provoque un courant de ligne neutre excessif

Dans un système triphasé à quatre fils, la 3ème harmonique et ses multiples (3ème, 9ème, 15ème...) sont appelés « harmoniques homopolaires ». Ils ne s’annulent pas sur la ligne neutre ; au lieu de cela, ils s'additionnent. Cela peut rendre le courant neutre encore plus élevé que le courant de phase, entraînant une surchauffe de la ligne neutre, ce qui est très dangereux.

3. Impacts sur la qualité du réseau électrique et d’autres équipements

Distorsion de tension : les courants harmoniques créent des tensions harmoniques à travers l’impédance du réseau, provoquant une distorsion de la tension du réseau elle-même. Cela affecte le fonctionnement normal d'autres équipements sensibles (comme les instruments de précision, les appareils de communication) connectés au même réseau.

Déclenchement intempestif du disjoncteur : peut provoquer le déclenchement de disjoncteurs ou d'interrupteurs de fuite à la terre sans défaut réel.

Réduit le facteur de puissance : bien qu'un faible « facteur de puissance de déplacement » traditionnel puisse être corrigé, la présence d'harmoniques entraîne une diminution du facteur de puissance réel.

4. Dommages aux condensateurs

Les condensateurs utilisés pour la correction du facteur de puissance dans les systèmes électriques sont très sensibles aux harmoniques. Les harmoniques peuvent provoquer une surcharge de courant. Dans les cas graves, cela peut même entraîner une résonance, provoquant un gonflement, une défaillance ou une explosion des condensateurs.

3. Comment gérer les harmoniques ? — Correction du facteur de puissance (PFC)

Pour résoudre le problème des harmoniques, les alimentations LED de haute qualité intègrent un circuit appelé Power Factor Correction (PFC).

L'un des principaux objectifs du circuit PFC est de gérer les harmoniques. Il contrôle la forme d'onde du courant pour lui faire suivre de près la forme de l'onde sinusoïdale de tension, ainsi :

Changer la forme d'onde actuelle d'impulsions pointues à une onde sinusoïdale douce.

Supprime considérablement la génération de courants harmoniques.

Améliorer simultanément le facteur de puissance (généralement au-dessus de 0,9).

Selon la mise en œuvre, le PFC est divisé en :

PFC passif : coût inférieur, performances moyennes, n'élève généralement le facteur de puissance qu'à 0,7-0,8, avec une capacité de suppression des harmoniques limitée.

PFC actif : utilise des circuits intégrés et des circuits de commutation spécialisés, est très efficace, peut augmenter le facteur de puissance au-dessus de 0,95 et réduit considérablement le contenu harmonique. Il s’agit de la configuration courante pour les alimentations LED de milieu à haut de gamme.

Concept : Les harmoniques dans les alimentations LED sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale générées en raison des caractéristiques de fonctionnement non linéaires (consommation de courant pulsé) de l'alimentation, qui déforment la forme d'onde du courant.

Rôle (effets) : Les harmoniques sont principalement négatives, provoquant une augmentation des pertes et de l'échauffement du système, une surcharge de la ligne neutre, une pollution du réseau électrique et des interférences avec d'autres équipements.

Contre-mesure : en concevant un circuit de correction du facteur de puissance (PFC) (en particulier le PFC actif) dans l'alimentation LED, les harmoniques peuvent être efficacement supprimées, ramenant la forme d'onde du courant à une onde sinusoïdale. Cela permet à l'alimentation de répondre aux normes harmoniques internationales strictes (telles que la norme européenne EN 61000-3-2).