CN102118906A - Led路灯直流供电模式 - Google Patents

Abstract

本发明是一种LED路灯直流供电模式，属于低压供、配电领域。直流供电***包括：路灯变压器1、整流滤波器2、无功补偿3构成的直流供电站，直流输电线路和LED路灯驱动电源4等。随着发光二极管光源技术的进步，光源的使用寿命超过五万小时，电能的消耗不到常规光源的一半，LED路灯技术逐步进入实用阶段，它们的使用将越来越广泛。现有LED路灯工作模式是每盏灯配一个将交流转换为直流的驱动电源使LED光源发光。电源内的单相整流、滤波电容、PFC回路除产生谐波污染外其寿命较短是推广LED路灯应用的瓶颈。为了充分发挥LED光源节能、长寿命的优点，提出一种LED路灯直流供电解决方案，采用直流形式输送电能供给LED路灯，取消现有电源内：整流桥、滤波电容、PFC回路，实现LED路灯长期安全、可靠运行。

Description

LED路灯直流供电模式

所属技术领域：

本发明属于低压供、配电领域，提供一种LED路灯直流供电***解决方案。

背景技术：

目前城市路灯的常用电光源主要是高压钠灯、金卤灯、高压汞灯和白炽灯，它们的工作电源均采用交流220V。图1是目前路灯专用变压器供电示意图，其中由A相供两侧路灯、B和C相分别供一侧路灯，变压器三相供电极不平衡、变压器容量偏大、损耗增加。

随着大功率发光二极管LED光源的技术进步，LED路灯逐步进入实用阶段。LED光源的使用寿命超过50000小时、至少为其他传统光源的10倍，LED光源替代普通路灯光源后电能的消耗不到常规光源的1/2、可以减小电缆截面、降低供电专用变压器容量，其照度调节便利性适合路灯变功率节能要求，它们的使用必将越来越广泛。

LED光源的特点是采用直流恒流电源驱动，由于单个LED光源工作电压较低，在实际使用中采用多个LED光源串联工作，但总的工作电压不会超过40V。所以现有LED路灯的工作模式是每一盏灯配一个将交流220V转换为适合LED光源的直流恒流驱动电源，电源内包含：单相整流、滤波电容、PFC、逆变回路等。

图2是现有LED路灯驱动电源原理简化图，C是整流储能滤波电容，L是串入电源变压器电感，作为PFC回路储能元件扩展整流储能电容C的充电时间，以提升功率因数，减少输入电流谐波分量。

输入电流各次谐波有效值： $\mathrm{In}=\frac{8I_m}{\sqrt{2}\mathrm{\π\θ}{n}^2}(1-\cos \frac{\mathrm{n\θ}}{2})$ (n＝1，3，5，7---------)

实测结果表明功率因数PF可以达到0.85，三次谐波电流占基波分量的59％，总电流谐波畸变THD为64％。

整流滤波及PFC回路必须配置的储能高压电解电容C寿命较短，一般 不超过5000小时，导致LED路灯电源除产生大量谐波外其寿命较短，限制了LED路灯的整体寿命。

为了充分发挥LED光源节能、长寿命的优点，必须科学地解决LED路灯电源寿命及谐波问题，在保证电网供电安全的前提下使LED路灯的寿命达到LED光源相当水平。

现有的大功率整流电源技术已成功解决了谐波、功率因素、可靠性等问题。如果将路灯变压器设计成直流供电站，通过直流供电***将直流电源输送到LED路灯，则可以取消现有LED路灯驱动电源内影响寿命的整流回路、滤波电容、PFC回路，解决LED路灯的寿命与LED光源不同问题，同时改善谐波和功率因数对电网的影响。

采用直流供电***同时可解决路灯变压器不平衡输出，降低变压器容量，减少供电电缆截面积，提高整个路灯***的安全性、可靠性、可维护性和寿命。

发明内容：

本发明提供的LED路灯直流供电模式，是针对LED光源直流用电特点设计的路灯直流输配电***，基本设计思想是变目前的交流输电为直流输电，将路灯变压器设计成包括：变压器、整流滤波器、无功补偿的直流供电站，通过直流输电线路将电能输送到各LED路灯驱动电源。

图3是路灯直流供电模式***图，包括：路灯变压器1、整流滤波器2、无功补偿3、直流配电线路、LED路灯驱动电源4、LED光源5，常规保护控制用开关、熔丝、防雷等未标示。

直流供电***工作流程是通过路灯变压器把10KV高压交流电变成低压交流电后送整流器转换为直流电，无功补偿和滤波器对整流过程中产生的谐波及无功功率进行补偿以满足电网标准要求，直流输配电线路将直流电力输送到分散的LED路灯，LED路灯驱动电源驱动LED光源发光。

直流供电站主要包括路灯变压器、整流滤波器、无功补偿、现有技术有多种方案选择：

1.普通路灯变压器、三相六脉整流器结合5次谐波补偿，结构简单、整流元件少、可靠性高，三相六脉整流功率因数可达到0.8、总电流谐波畸变小于60％。

2.单机三绕组整流变压器结合三相十二脉整流技术，谐波较第一种方案小，基本满足电力***要求，三相十二脉整流功率因数可达到0.9、总电流谐波畸变小于13％。

3.两台双绕组变压器并列运行结合三相十二脉整流方案，由于采用两***立变压器，其输出阻抗容易匹配设计杜绝5次谐波，效果比方案2略好。

4.单机四绕组整流变压器结合三相十八脉整流，谐波较第二种方案更小，功率因数可达0.9、总电流谐波畸变小于5.6％，总谐波电压失真小于2％，符合IEEE519-1992标准要求。

5.普通路灯变压器结合脉宽调制(PWM)整流，采用全控型开关管IGBT取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控整流取代相控整流或不控整流，***动态响应快，功率因数可达0.99，谐波电流畸变小于3％。

无功补偿和滤波器采用现有技术，有两种方案选择：

1.有源滤波器，动态响应速度快。

2.无源滤波器，简单、安全可靠。

图4中a是采用普通路灯变压器结合三相六脉整流、b是单机三绕组变压器结合三相十二脉整流、c是双机双绕组变压器结合三相十二脉整流电气原理示意图。

图5中a是单相整流、b是三相六脉整流、c是三相十二脉整流的输出电压波形示意图。总之整流的脉数越多输出直流波动越小、功率因素越大、谐波含量越小，需要的无功补偿及谐波补偿容量较小。

图6是采用IGBT的三相单开关脉宽调制整流原理简图，通过控制S的高速开关实现电感能量的转移，输入交流电压谐波小于3％，PF达到1。

图7是实现PWM高频非隔离恒流型直流电源实例原理图，采用直流供电后LED路灯驱动电源内取消了整流回路、滤波电容、PFC等回路，电源的设计更加灵活、主电路结构简单、可靠性高。

总之无论采用哪种技术方案实现集中直流供电与分散安装的单相整流LED路灯电源相比，其功率因数、总电压谐波畸变THDv等将满足电网安 全运行要求，可以彻底的解决原有LED路灯电源的谐波与寿命问题，实现路灯长年免维护安全运行。

采用直流供电***后可解决原有路灯变压器不平衡输出、降低变压器容量、减少供电电缆截面积，节能降耗。

本发明提供的是一种LED路灯直流供电模式，任何集中将交流电转换为直流电的技术方案及配套输配电***构成的LED路灯直流供电方案均不违背本发明的基本思想，属于本发明的保护范畴。

附图说明：

图1是现有路灯专用变压器供电示意图，路灯专用变压器将10KV变为220V分别供给路两侧路灯，其中B、C相分别供一侧路灯、A相供两侧路灯，其变压器供电三相极不平衡，变压器容量浪费1/3。

图2是目前LED路灯驱动电源原理图，C是整流储能滤波电容，L是串入变压器电感，作为PFC回路储能元件增加C的充电时间。

图3是路灯直流供电模式***图，图中：1是路灯变压器、2是整流滤波器、3是无功补偿、4是LED路灯驱动电源、5是LED路灯光源。

图5中：a是单相整流、b是三相六脉整流、c是三相十二脉整流的输出电压波形示意图。

图6是采用IGBT的三相单开关脉宽调制整流原理简图，通过控制S的高速开关实现电感能量的转移，保证输入交流电压无谐波。

图7是PWM高频非隔离恒流型直流电源实例原理图，U是脉宽调制PWM芯片、Q1是MOS晶体管、R3是恒流电流反馈检测电阻，恒流源采用直流降压型，效率可达到97％以上，所占的电路空间较小，可靠性高。

实施方式：

图3是路灯直流供电模式实施***图，包括：路灯变压器1、整流器2、无功补偿和滤波器3、LED路灯驱动电源4、LED路灯光源5。它们与其他常规控制用开关、直流配电线路、熔丝、防雷器等构成完整直流供电***。

以路灯变压器结合3相六脉整流为例，10KV高压通过路灯变压器1变为低压交流电，由三相六脉整流器2将低压交流电变为直流电，无功补偿和滤波器3对整流过程中产生的五次谐波及无功进行补偿，直流输电线 路将直流供电站产生的最高电压为400*1.414V直流电力输送到分散的LED路灯驱动电源4，由LED路灯电源驱动LED光源发光。

本实例的直流供电***工作电压是530V，与原有交流供电相比同功率供电电流之比为0.35，需要的供电电缆截面积更小，电缆选用原交流耐压0.6/1KV供电电缆即可满足安全耐压要求。

采用直流输电***后的LED路灯驱动电源输入的是直流电源，不再需要整流回路、滤波电容、PFC等回路，可以采用脉宽调制高频非隔离电源，效率高到97％以上，所占的电路空间较小、可靠性高。

图7是脉宽调制PWM非隔离恒流型直流电源原理图，U是脉宽调制控制芯片、Q1是MOS晶体管、R3是电流反馈检测电阻，恒流源采用直流降压型，所占的电路空间较小。

总之采用三相六脉整流及五次谐波补偿的集中整流直流供电方案后其功率因数、总电压谐波畸变THDv均大大优于分散安装的单相整流电源，同时彻底解决原有LED路灯电源的致命问题，实现路灯免维护运行，推动LED路灯在城市路灯照明中的应用。

Claims (7)

1.本发明是一种LED路灯直流供电模式，其特征是采用直流形式输送电能，实施该模式的直流供电***包括：直流供电站、供电线路、LED路灯驱动电源。

2.本发明权利要求1中的直流供电站，其特征是至少包括变压器、整流滤波器和无功补偿。

3.本发明权利要求2中的变压器完成高压交流电到低压交流电转换功能，可选用普通路灯变压器、三绕组整流变压器、两台变压器并列运行、四绕组整流变压器等形式，输出低压交流电源作为多脉波整流输入电源。

4.本发明权利要求2中的整流器滤波器是采用与本发明权利要求3变压器相配套的多脉波整流回路，将交流输入电源转换成直流电源；采用有源滤波或无源滤波方式消除谐波、补偿无功。

5.本发明权利要求2中的变压器采用普通路灯变压器，整流滤波器和无功补偿采用脉宽调制(PWM)整流技术。

6.本发明权利要求1中直流供电***工作电压低于800V，供电线路直流耐压大于直流工作电压200V以上。

7.本发明权利要求1中的LED路灯驱动电源，其特征是：输入输出均是直流电源，内部无输入交流整流、滤波、PFC回路。

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