Светодиодный источник освещения с питанием от нестабильной трехфазной сети переменного тока
LED SOURCE OF LIGHTING WITH POWER SUPPLY FROM UNSTABLE TREE-PHASE AC NETWORK

Область техники
Решение относится к светотехнике и предназначено для использования в составе мощных профессиональных осветителей на светодиодах.
Уровень техники
Основное решение светодиодных осветительных систем - это типовой источник питания с преобразованием частоты, который вырабатывает стабилизированный ток для питания светодиодов, а напряжение на выводах этого источника питания соответствует суммарному напряжению на светодиодах и, как правило, с точки зрения безопасности имеет низкое значение от 12 В до 120 В и только в отдельных случаях выше. В то же время, если необходимы высокие интенсивности света (большая мощность) осветителей, которые применяются в профессиональной технике (мощные High Bay, для кранов, высоких помещений, мощные прожекторы для освещения больших площадей стадионов, аэродромных площадей и т.д.), то такие решения не оправданы, поскольку низкая надежность источников питания, ввиду наличия в них электролитических конденсаторов, высокая стоимость, большие вес и габариты сдерживают развитие светодиодного освещения во многих отраслях (патент RU 2452893, МПК F21S 8/00, опубликован 10.06.2012).
Далее, при больших мощностях и низких выходных напряжениях резко вырастают необходимые токи для реализации мощных осветителей, а большие токи препятствуют передаче энергии на расстояние, поскольку возрастают потери в проводах. Так, при освещении стадионов прожектора, как правило, находятся в значительном удалении от шкафов с источниками питания и устанавливаются на места с помощью альпинистов. В таких устройствах от источника до прожектора, как правило, идут два провода с напряжением >700 В, т.к. мощность прожекторов бывает от 700 до 2000 Вт. Также в настоящее время в инновационном светодиодном освещении уже начали применять напряжение постоянного тока высокого уровня (более 700…800 В) (А. Никитин «Применение импульсных повышающих преобразователей фирмы National Semiconductor для управления светодиодами, «Компоненты и технологии», №8, 2007). Иначе говоря, для проектирования освещения высокой мощности, особенно для тех устройств, которые находятся в недоступных местах (вышки, башни, столбы внешнего освещения, фонари высоких промышленных зданий, прожектора и т.д.), вполне приемлемо применение повышенных напряжений и даже источников питания, не изолированных от промышленной сети.
Техническими и экономическими результатами заявленного решения является существенное снижение стоимости, повышение надежности, снижение веса и габаритов драйверов светодиодных осветителей, а также повышение их эффективности на 3…4,9% по отношению к лучшим драйверам, известным в настоящее время.
Раскрытие решения
Заявленное решение может быть охарактеризовано следующей совокупностью признаков:
Источник освещения на светодиодах, включающий в себя выпрямитель трехфазного напряжения - первый источник напряжения, второй адаптивный источник напряжения, датчик напряжения первого источника напряжения, группа последовательно соединенных светодиодов с пассивным источником тока, отличающийся тем, что первый и второй источники напряжения включены согласно и последовательно и в их суммарное напряжение включена группа светодиодов, последовательно соединенных с пассивным источником тока, а напряжение адаптивного источника напряжения управляется датчиком напряжения первого источника напряжения таким образом, что суммарное напряжение обоих источников напряжения всегда постоянно и зависит от диапазона нестабильности сети переменного тока и напряжения на адаптивном источнике напряжения.
Основой для создания драйверов высокого напряжения является 6-ти диодный выпрямитель трехфазной сети переменного тока, который в номинале дает 540…560 В (220…230 V) пикового напряжения с пульсациями порядка 5-6% без всяких конденсаторов. Однако нестабильность промышленной сети может быть более ±10%, и поэтому следует принять некоторые меры для устранения влияния этой нестабильности на световые характеристики осветителя.
На фиг. 1 показана схема питания светодиодов от двух источников напряжения с управлением от датчика напряжения, на которой:
1
U - первый основной нестабилизированный источник напряжения (это выпрямленное напряжение трехфазной сети, в случае трехфазной сети, с диапазоном напряжений от 486 В до 594 В);
2
U - это постоянное напряжение от адаптивного источника напряжения ИПАД;
1 - ИПАД источник напряжения адаптивный;
2 - D.T. датчик напряжения первого источника напряжения, управляющий сигналом на управление ИПАД;
С - выходная емкость ИПАД;
1
n
D…D светодиоды;
1
I - источник тока (пассивный).
1
Источники питания включены последовательно и в их суммарное напряжение включены светодиоды последовательно с источником тока. Управление адаптивным источником напряжения производится от датчика 2 (D.T.) напряжения с выпрямителя трехфазной сети. Чем больше напряжение с выпрямителя, тем меньше напряжение на ИПАД и наоборот. При нестабильности сети ±10% напряжение после выпрямителя будет в пределах ~485 В … 595 В. Если принять минимальное напряжение на ИПАД равным 20 В, то диапазон напряжений, который будет на ИПАД питания, составит 595 В - 485 В=110 В, то есть от 20 В до 130 В, а общее напряжение всегда будет равно 615 В. В это напряжение и будут включены светодиоды с источником тока I. Если необходимый ток для светодиодов принять равным 0,7 А, то общая мощность драйвера будет Робщ.=615×0,7=430,5 Вт. Мощность, отбираемая от первого источника напряжения 1, будет в пределах:
от 485 В ×0,7 А=339,5 Вт
до 595 В × 0,7А=416,5 Вт.
Мощность ИПАД будет в пределах: от 20 В × 0,7 А=14 Вт до 130 В × 0,7 А=91 Вт, то есть мощность ИПАД составляет только 21% от общей мощности всего драйвера.
На фиг. 2 приведена аналогичная схема драйвера, но обратная связь на управление ИПАД взята с источника тока, что имеет существенные преимущества по отношению к предыдущей схеме. Поддерживается минимально допустимое напряжение на источнике тока, что позволяет достичь максимальной эффективности (максимального кпд). Одновременно достигается автоматическая компенсация разброса напряжений на светодиодах, которые неизбежны даже для одной партии и уж тем более для светодиодов из разных партий.
На фиг. 3 показана схема драйвера с активным источником тока, питающимся от однофазной сети переменного тока, в которой:
1
U - выпрямленное напряжение трехфазной сети;
2
U - напряжение на выходных клеммах активного источника тока;
3 - активный источник тока с питанием от однофазной сети переменного тока;
4 - группа светодиодов.
1
В качестве ИПАД применен стандартный активный источник тока, питающийся от однофазной, трехфазной сети или от выпрямленного напряжения трехфазной сети. Активный источник тока - это источник тока, имеющий независимое питание. Если кпд источника тока η=0,92 при мощности 91 Вт (самый худший вариант), то общее кпд драйвера будет:
В номинальной рабочей точке (при номинальном напряжении) мощность источника тока будет 38,5 Вт при кпд ~0,9, тогда кпд драйвера будет:
Лучшие показатели для стандартного драйвера на 430 Вт могут быть порядка 0,95, т.е. выигрыш составляет более 4,0% без учета падения мощности на выпрямительном мосте. Поскольку нагрузкой драйвера являются светодиоды, что можно считать активной нагрузкой, коэффициент мощности также будет близок к единице (даже если фактор мощности PF=0,97 для источника тока, то при общей мощности 430 Вт он будет близок к единице). Гармонические составляющие будут определяться только источником тока, которые при его номинальной мощности 38,5 Вт ниже требований стандарта, а для мощности 430 Вт они будут ничтожными. Есть еще одно преимущество предложенных схем - не нужно балансировать фазы, поскольку основная мощность, потребляемая драйвером, автоматически сбалансирована, а если питание источника тока будет выполнено от выпрямленного напряжения трехфазной сети, то реализуется 100% балансировка нагрузки на фазы.
Источник освещения на светодиодах, включающий в себя трехфазный выпрямитель, подключенный к трехфазной сети переменного тока, дополнительного источника питания, включенного последовательно с напряжением трехфазного выпрямителя, и в их общее напряжение включена группа последовательно соединенных светодиодов. Если дополнительный источник является источником напряжения, то он должен быть адаптивным к изменениям напряжения на выпрямителе и последовательно с светодиодами включается пассивный источник тока. Если дополнительный источник сам является активным источником тока, то дополнительный источник тока не устанавливается.