【導讀】LED的安裝備受輸電線(xiàn)的鋪設原因束縛,場(chǎng)合的靈活性都頗受影響。但是LED內部驅動(dòng)源的高頻變壓器以及功率開(kāi)關(guān)管的存在使得諧波電流過(guò)大,影響到供電質(zhì)量。迫于趨勢,無(wú)線(xiàn)供電被提上日程。本文精講了具有諧波補償功能的LED 無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)方案。既能實(shí)現高效節能,方便了LED的靈活安裝。
1 系統的總體設計

圖1 系統整體結構圖
2 系統電路設計2.1 無(wú)線(xiàn)供電系統設計
無(wú)線(xiàn)供電系統由控制端、發(fā)射端、負載整流電路組成,分別通過(guò)電磁耦合(近距離傳輸方式)和電磁共振(遠距離傳輸方式),實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電,系統結構圖如圖2 所示。
本系統主要有:無(wú)線(xiàn)供電模塊、恒流驅動(dòng)源模塊、有源電力濾波器(APF)模塊、控制電路,系統總體框圖如圖1 所示。其中,逆變裝置、整流濾波2 構成無(wú)線(xiàn)供電模塊;正激變換電路、整流濾波3 構成恒流源驅動(dòng)模塊。MCU 通過(guò)光電池進(jìn)行光照采集對輸出電流進(jìn)行反饋調節以使輸出穩壓、恒流。APF通過(guò)主控制器輸出電流來(lái)抵消由無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)模塊注入電網(wǎng)的電流諧波,以改善輸入端電能質(zhì)量。

圖2 無(wú)線(xiàn)供電系統結構圖
發(fā)射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負責將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置,它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200~500 kHz,通過(guò)電磁耦合的方式傳輸,使用U 形松耦合鐵氧體磁芯隔離實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電,如圖3。

圖3 近距離傳輸
遠距離逆變頻率為1 MHz,通過(guò)電磁共振的方式傳輸,采用空心變壓器耦合, 將初級和次級分別纏繞在圓筒上,作為傳輸介質(zhì),達到遠距離電能傳輸,如圖4 所示。

圖4 遠距離傳輸
本系統通過(guò)智能切換傳輸方式,達到穩定的高效傳輸電能。次級在初級等效電阻與距離的關(guān)系如圖5,z 為阻抗,L 為距離,只有在L0 的位置等效阻抗為最小。根據此原理,當接收距離遠離L0 時(shí),阻抗增大,初級電流減小,通過(guò)霍爾電流傳感器采集初級輸入電流大小,判斷模式的切換。

圖5 次級在初級等效阻抗
2.2 恒流源電路
恒流源系統主要由DC/DC 正激變換電路和MCU 控制電路組成。正激變換電路為L(cháng)ED 恒流驅動(dòng)源,如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV 作穩壓,為DC/DC 變換電路提供+24 V 輸入。該結構的恒流源具有高精度輸出的特點(diǎn),其輸出功率取決于變壓器參數的選擇,一般能達32 W 以上,滿(mǎn)足大多數人LED 照明應用場(chǎng)合的功率要求。

圖6 LED 恒流驅動(dòng)電路
該電路采用TL494 作恒流控制芯片, 開(kāi)關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/(RTCT)設定,通過(guò)電位器R4 調節死區時(shí)間,其電流輸出誤差可<1%。圖6 中,RS 為電流取樣電阻; R3 為反饋電壓采樣電阻,用來(lái)限制最大輸出電壓。當輸出電流變化時(shí),引腳2(1IN-)的電位也隨之變化,通過(guò)TL494 內部誤差放大比較以后改變PWM 驅動(dòng)信號的占空比, 實(shí)現輸出電流的負反饋調整。單片機通過(guò)A/D 采集光電池電壓, 進(jìn)行判斷后輸出PWM 經(jīng)過(guò)低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準電壓來(lái)改變輸出電流大小, 達到自動(dòng)調節LED 發(fā)光強度的目的,其中運放作的電壓跟隨器起隔離和增強驅動(dòng)能力的作用。調節R2 可改變基準電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3 為磁泄放繞組,以防止變壓器初級線(xiàn)圈磁飽和,使在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間能為初級線(xiàn)圈提供磁復位。由于TL494 驅動(dòng)能力有限,所以通過(guò)三極管推挽輸出,增加TL494 驅動(dòng)能力。
表1 為以輸出16 W 為例的DC/DC 變換電路實(shí)物測試結果,證明了該恒流源能夠實(shí)現較高效率和高精度的電流輸出。

2.3.1 系統硬件結構
諧波補償系統硬件主要由有源電力濾波器(APF)完成,結構如圖7 所示。本文采用TMS320F2812 型號的數字信號處理器(DSP)作為核心控制和信號處理單元。調理電路主要有電流/電壓傳感器信號放大、整流,抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負載端三相電流,通過(guò)信號調理電路送入DSP 經(jīng)A/D 采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理,并驅動(dòng)逆變器對諧波電流作相應的抵消, 以電流傳感器2 采樣輸出的補償電流作反饋調節。逆變器直流母線(xiàn)電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP 的內部A/D 采集,通過(guò)算法控制其直流側電容電壓穩定。三相電壓信號的過(guò)零點(diǎn)作為過(guò)零觸發(fā)信號,作為每個(gè)周期軟件處理清零和起始信號。

圖7 諧波補償系統硬件結構框圖
2.3.2 諧波電流萃取算法
1)三相瞬時(shí)無(wú)功功率原理
該補償系統軟件部分主要包括諧波電流萃取算法,采用目前常用的三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論(亦稱(chēng)ip-iq 算法)。該檢測法通過(guò)某一轉移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip 和iq 電流分量有機地結合起來(lái),并以此為出發(fā)點(diǎn)可以分別得到三相電流諧波和無(wú)功電流,其表達式為:

當要求同時(shí)檢測出諧波和無(wú)功電流時(shí), 只需忽略計算ip的通道, 由ipf 計算出被檢測電流的基波有功分量iapf , ibpf ,icpf,即:

當要求同時(shí)檢測出諧波和無(wú)功電流時(shí), 只需忽略計算ip的通道, 由ipf 計算出被檢測電流的基波有功分量iapf , ibpf ,icpf,即:

2)仿真結果
文中基于DSP 編譯環(huán)境CCS3.3 的仿真模式對該算法進(jìn)行仿真,假設原三相輸入電流為相位差120°的50 Hz正弦波,并以單相被削波失真為例說(shuō)明。圖8(a)為單相削波失真波形,根據總諧波畸變率(THD)計算式:


圖8 三相瞬時(shí)無(wú)功功率算法消除諧波
結論
該系統沒(méi)有電線(xiàn)的限制,LED 可以在無(wú)線(xiàn)供電接受范圍內任意安裝,并通過(guò)光電傳感器自動(dòng)感光來(lái)調節LED 亮度。同時(shí)利用有源電力濾波器諧波補償技術(shù), 設計出與無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)模塊配套的消諧波裝置,以濾除系統運作中的高次電流諧波,降低輸電網(wǎng)的總諧波失真。本設計可以應用到家居、車(chē)載、場(chǎng)景或景觀(guān)LED 照明中,有效地提高照明分布的靈活性,節約電能和減小光污染,并改善電能質(zhì)量,有著(zhù)廣泛的應用前景。
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