CN101610625A

CN101610625A - 动态节能照明电源装置

Info

Publication number: CN101610625A
Application number: CNA2009101812015A
Authority: CN
Inventors: 雷锡社; 王晓宝
Original assignee: Jiangsu Macmic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Macmic Science & Technology Co Ltd; Macmic Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2029-07-20
Also published as: CN101610625B

Abstract

本发明涉及动态节能照明电源装置，过电压保护电路包括放电管CR1、压敏电阻MOV1和MOV2及放电管CR2串接构成的第一级保护电路，电容C1和电阻R1的串接支路与瞬变电压抑制二极管TVS1并联构成的第二级保护电路及电感L1和L2；功率调节电路包括IGBT集成模块和并联在IGBT集成模块输入端的电容Ci、串联在输出端的输出保护电路；控制电路包括脉宽调制驱动模块及单片机，脉宽调制驱动模块与单片机的脉宽调制控制端连接，脉宽调制驱动模块的输出端与IGBT集成模块连接，且控制电路还连接有串行通讯模块和人机界面。本发明具有耐冲击能力强、适应负载范围宽，能实现高频大功率带载无级精细调压的特点。

Description

动态节能照明电源装置

技术领域

本发明涉及一种动态节能照明电源装置，属于照明电源技术领域。

背景技术

绿色照明是在保证或提高照明质量的前提下节约用电，减少对不可再生资源的消耗和大气污染，以达到保护生态环境的目的。绿色照明工程的节能，不只是提高光源的效率，同时还要对照明系统中的每一个环节进行节能处理，以提高对能源的利用率。目前公开的照明节能电源装置主要以下种：

1、变压器类。

此类电源装置是市场的主流装置，照明节能改造目前多用此类装置。变压器类的电源装置具体分以下几类：

A、电磁自藕变压器固定抽头机械切换装置：体积大而笨重，工作时无法进行有载调压调光，节能率固定，照度无法控制，出现照度与需求倒置的现象。

B、电磁自藕变压器抽头SCR切换装置：体积大笨重，突变式调压调光，对城市道路照明的HID灯有灭灯现象，调光无法精确控制，由于多SCR开关切换时有共态导同，所以故障率高。

C、电磁自藕变压器无级碳刷切换装置：体积大笨重，机械碳刷部件在大电流时滑动，受到电火花的影响，寿命短、故障率高。

D、电磁感应变压器电机伺服无级碳刷调压调光装置：体积大笨重，效率低，噪音大。

2、SCR可控硅控制装置：输入电流谐波大，污染电网，输出电压严重畸变，产生电磁干扰，无法满足电磁兼容要求，同时只能适应感性灯光负载，对目前提倡的多元化照明和国家强制的电容补偿无法适应。

3、新型电力电子电源转换装置：此类装置是用电力电子器件实现交流电的变换，是属于电源质量优化类装置。该装置具有技术含量高、输出特性好、设备轻巧、易于实现智能化等的优势，代表了照明节能装置的发展方向。但目前市场上使用的该类装置大多数电路拓扑复杂，功率小，可靠性差，效率低，耐冲击能力差，适应负载范围窄，尤其不能带容性和感性负载。未能解决装置抗雷击过电压及浪涌，并由于IGBT集成模块结构不对称，带来整体大功率扩展困难，工作过程中局部电应力大等的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种耐冲击能力强、适应负载范围宽，能实现高频大功率带载无级精细调压的动态节能照明电源装置。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种动态节能照明电源装置，其特征在于：包括过电压保护电路、功率调节电路、控制电路、辅助电源模块、串行通讯模块以及人机界面；

所述的过电压保护电路包括放电管CR1、压敏电阻MOV1和MOV2及放电管CR2串接构成的第一级保护电路，电容C1和电阻R1的串接支路与瞬变电压抑制二极管TVS1并联构成的第二级保护电路，以及分别连接在第一级保护电路和第二级保护电路两端的电感L1和L2，且压敏电阻MOV1和MOV2的公共端接地；

所述的功率调节电路包括IGBT集成模块、并联在IGBT集成模块输入端的电容Ci和并联在IGBT集成模块输出端的输出保护电路，电容Ci与瞬变电压抑制二极管TVS1并联，IGBT集成模块由高频斩波管T1、T2和工频续流管T3、T4构成，高频斩波管T1、T2的集电极分别接在电容Ci的两端，高频斩波管T1、T2的发射极分别接工频续流管T3的集电极和发射极以及工频续流管T4的发射极和集电极，高频斩波管T1和T2的集电极与发射极间反并联二极管D1和D2，工频续流管T3的发射极与高频斩波管T2的发射极之间正接有二极管D3，工频续流管T4的发射极与高频斩波管T1的发射极之间正接有二极管D4，输出保护电路包括瞬变电压抑制二极管TVS2及LC滤波电路，瞬变电压抑制二极管TVS2与工频续流管T4的发射极和集电极连接；

所述的辅助电源模块与控制电路的电源输入端连接，控制电路包括脉宽调制驱动模块及单片机，脉宽调制驱动模块与单片机的脉宽调制控制端连接，脉宽调制驱动模块的高频线性脉宽调制输出端和工频线性脉宽调制输出端分别与高频斩波管T1、T2及工频续流管T3、T4的栅极连接，且控制电路还连接有串行通讯模块和人机界面。

本发明采用上述技术方案后的有益效果：

(1)、本发明的功率调节电路采用由高频斩波管T1、T2和工频续流管T3、T4构成的IGBT集成模块，能实现高频AC-AC变换和高频大功率带载无级精细调压，调压稳压响应速度用户可设置，输出纯正弦波，无谐波，对电力系统无污染，既能适用容性负载，又能适用感性负载，能适应所有交流负载。本发明IGBT集成模块内部结构对称性好，散热结构更加合理，同时此种结构IGBT集成模块易于实现大功率扩展，工作过程电应力小，电磁场分布更加均匀合理，对外EMI小，IGBT集成模块外部功能扩展容易。

(2)、本发明的功率调节电路的输入端与过电压保护电路连接，通过电压保护电路起到两级防雷、防系统瞬时浪涌，对IGBT集成模块进行保护，从而提高电源的工作可靠性。本发明的功率调节电路在IGBT集成模块的输出端还设有输出保护电路，通过输出保护电路中的瞬变电压抑制二极管TVS2来吸收从输出端线路传入的感应过电压，因此能通过嵌入在单片机中的软件智能保护和过电压保护电路的硬件电路保护的双重保护，提高电源装置的工作可靠性，能彻底解决电源装置耐受冲击能力差的问题。

(3)、本发明通过单片机来改变IGBT集成模块的脉宽调制信号的占空比，使高频斩波管占空比D改变，通过功率调节电路来实现恒流或恒压、恒功率工作。本发明通过嵌入在单片机中的动态节能照明电源软件来实现智能化工作，可根据用户的需要，选择电压控制、照度控制或功率控制，实现不同情况下的稳压调压、稳光调光及恒功率变功率控制，能实现高频大功率带载无级精细调压。

(4)、本发明动态节能照明电源装置采用单相模块化设计，能适应不同功率组合和严重不平衡负载，并具有体积小，重量轻，效率高，无机械部件和易损部件的特点，电源装置寿命长，极大保障了照明系统的安全、可靠工作。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明动态节能照明电源装置的结构框图。

图2是本发明的电压保护电路和功率调节电路的电路原理图。

图3是本发明控制电路的电路原理图。

其中：1-过电压保护电路，2-辅助电源模块，3-风扇，4-控制电路，41-温度检测电路，42-单片机，43-A/D转换电路，44-电压采样整流滤波电路，45-电流采样整流滤波电路，46-脉宽调制驱动模块，5-串行通讯模块，6-人机界面，7-功率调节电路。

具体实施方式

见图1、2所示，本发明的动态节能照明电源装置包括过电压保护电路1、功率调节电路7、辅助电源模块2、控制电路4、串行通讯模块5和人机界面6。

见图1所示，本发明的过电压保护电路1接在本电源装置的输入端，过电压保护电路1包括放电管CR1和CR2、压敏电阻MOV1和MOV2、电容C1、电阻R1、电感L1和L2以及瞬变电压抑制二极管TVS1，放电管CR1、压敏电阻MOV1和MOV2及放电管CR2串接构成的第一级保护电路，通过放电管CR1和CR2、压敏电阻MOV1和MOV2实现第一级的防雷击过电压及防电源瞬时浪涌，而电容C1和电阻R1的串接支路与瞬变电压抑制二极管TVS1并联构成的第二级保护电路，以实现第二级的防雷击过电压及防电源瞬时浪涌，电感L1和L2分别连接在第一级保护电路和第二级保护电路两端，且压敏电阻MOV1和MOV2的公共端接地，通过过电压保护电路1对功率调节电路7的IGBT集成模块进行保护，本发明的瞬变电压抑制二极管TVS1由4只瞬时功率30KW的双向瞬变电压抑制二极管TVS组成，

见图2、3所示，本发明的功率调节电路7包括IGBT集成模块、并接在IGBT集成模块输入端的电容Ci和并接在IGBT集成模块输出端的输出保护电路，并构成直接的“交流/交流”变换电路，电容Ci与瞬变电压抑制二极管TVS1并联，通过电容Ci滤除输入的电流谐波，电阻Ri并接在电容Ci，当电源退出工作时，通过电阻Ri泄放电容Ci中存储的能量。本发明的输出保护电路包括瞬变电压抑制二极管TVS2及LC滤波电路，LC滤波电路由相连接的电感Lo和电容Co构成，电感Lo传递能量、续流、滤除IGBT集成模块输出端的电流谐波，而电容Co除了滤除IGBT集成模块输出端电流谐波外，同时也为负载供电以维持负载端电流的连续，电阻Ro并接在电感Lo，电源退出工作时，通过电阻Ro来泄放电容Co中存储的能量。见图2所示，本发明的IGBT集成模块由高频斩波管T1、T2和工频续流管T3、T4构成，高频斩波管T1、T2的集电极分别接在电容Ci的两端，高频斩波管T1、T2的发射极分别接工频续流管T3的集电极和发射极，工频续流管T4的发射极和集电极并联在工频续流管T3的集电极和发射极，高频斩波管T1的集电极与发射极间反并联二极管D1，高频斩波管T2的集电极与发射极间反并联二极管D2，工频续流管T3的发射极正向接有二极管D3，工频续流管T4的发射极正向接有二极管D4，通过各二极管分别对高频斩波管和工频续流管进行反向截至电压保护，使IGBT集成模块的对称性好，散热结构更加合理，而瞬变电压抑制二极管TVS2与工频续流管T4的发射极和集电极连接，本发明实施例中，IGBT集成模块有多个额定电流，如IGBT集成模块的额定电流是300A、200A、150A、100A、80、50A等。在控制电路4发出命令使功率调节电路7开始调压工作，当输入的电压处在正半周时，高频斩波管T1高频斩波，工频续流管T4开通续流，工频续流管T3关断，此时高频斩波管T2也要全开通；当输入电压处在负半周时，高频斩波管T2高频斩波，工频续流管T3开通续流，工频续流管T4关断，此时高频斩波管T1也要全开通，在电流电压存在相位差时，给电流提供通路，使电流能回流到电网中。

见图1-3所示，辅助电源模块2一端接在本电源装置的输入端，辅助电源模块2的输出端与控制电路4的输入端连接，控制电路4包括脉宽调制驱动模块46和单片机42，通过辅助电源模块2给控制电路4中各电路提供多个工作电压，该控制电路4还具有漏电开关K_L，，漏电开关L_L的两端分别与开关K1输入端和辅助电源模块2输出端连接，本发明的辅助电源模块2可采用常规电路实施，本发明实施例的单片机42采用Philips-ARM-lpc2136，内嵌动态节能照明电源软件，而脉宽调制驱动模块46由四个集成芯片U2、U3、U4、U5和分别连接在各集成芯片上的光电耦合器及外围电路构成，本实施例中的集成芯片选用M57962L，脉宽调制驱动模块46的高频线性脉宽调制输出端和工频线性脉宽调制输出端分别与高频斩波管T1、T2及工频续流管T3、T4的栅极连接，单片机42结合软件算法，再通过逻辑控制器件即可编程逻辑器件FPGA产生两路高频线性脉宽调制控制信号和两路工频线性脉宽调制控制信号，通过脉宽调制驱动模块46使高频线性脉宽调制信号控制高频斩波管T1和T2的开通与关断及工频线性脉宽调制信号控制工频续流管T3和T4的开通与关断，由于是高频率脉宽调制控制的斩波，输入输出部分只含有高频谐波电流，再加上滤波电路的配合，使本电源装置的输入输出电压电流纯正弦，不含谐波，对电网无污染，能带容性和感性负载，适应多种类型的照明负载。本发明的控制电路4与串行通讯模块5和人机界面6连接，该串行通讯模块5采用RS-232/485接口，属于常规装置，可接受手机短消息命令或控制中心命令和参数，例如接收“时间-电压”表，上传电源装置的状态，上传电流、电压、温度参数等。本实施例的人机界面6是通过薄膜按键和中英文输入的背投液晶显示器实现的，提供液晶双行汉字显示，讯响器和指示灯报警功能，具有良好的人机交互功能，可供现场设置参数、显示信息、查询信息使用。

见图1、3所示，本发明的控制电路4还具有检测保护电路，该检测保护电路包括故障旁路电路、电压采样整流滤波电路44、电流采样整流滤波电路45和温度检测电路41。见图1所示，该故障旁路电路包括开关K1、K2和K3，其中开关K1和K2分别连接功率调节电路7的输入端和输出端，开关K3跨接在开关K1的输入端和开关K2的输出端，正常节能工作时开关K1、K2闭合，开关K3断开，使功率调节电路7中IGBT集成模块的高频斩波管T1、T2的高频斩波开通和工频续流管T3、T4的开通续流及关断，电源装置给照明负载节能供电。当检测到功率调节电路7出现异常时，开关K3闭合，开关K1、K2断开，电源装置退出节能运行，旁路给负载供电，本实施例开关K1、K2和K3采用固态继电器。

见图1、3所示，本发明的电压采样整流滤波电路44的输入端接功率调节电路7的输出端，电流采样整流滤波电路45的输入端接开关K2的输出端，且电压采样整流滤波电路44和电流采样整流滤波电路45的输出端经A/D转换电路43与单片机42连接，电压采样整流滤波电路44和电流采样整流滤波电路45用于实时检测功率调节电路7的电压和电流信息，经A/D转换后传输给单片机42，如果电压电流处于正常工作区间，单片机42通过比较实际电压值或电流值或功率值与设定的电压值、电流值或功率值来调节脉宽调制信号的占空比，进而调整功率调节电路的输出值，直到满足用户需求；如果检测到电压电流出现异常，则进入异常处理过程。电压电流异常包括过压与欠压，过流与欠流，相应的异常处理过程包括：当出现过压过流异常，控制电路4开始逐渐把输出电压调整到输入电压水平，然后控制电路4发出旁路信号，电源装置进入软旁路状态，即也就是闭合开关K3，开关K1和K2同时闭合，电源装置退出节能状态，经旁路开关K3支路给负载供电，等待电压电流恢复正常值后，电源装置重新投入节能，即开关K3断开，电源装置进入程序控制节能运行；当出现欠压异常，处理方式同过压异常；当出现欠流异常，程序默认的情况是后端负载全部关停，电源装置退出节能运行进入休眠状态，即也就是闭合开关K3，开关K1和K2同时闭合，电源装置退出节能状态，经开关K3支路给负载供电，与此同时，控制电路4发出信号，关断IGBT集成模块，在此状态下不响应外部的操作；当检测到工作电流大于设定的投入门限值时，该工作电流用户可根据现场情况设定，电源装置唤醒，重新投入节能运行。

本发明的温度检测电路41的输入端与功率调节电路7的IGBT集成模块及其散热片相连、输出端与单片机42的输入端口相连，当温度检测电路41检测到温度超过第一个设定值，如45度时，启动风扇3强排降温，当温度低于35度时风扇3停止；当温度超过第三个设定值时，如75度时，控制电路4发出命令使电源装置进入软旁路状态，开关K3闭合，开关K1和K2不断开，经开关K3支路给负载供电；当检测到运行温度环境降低到第二个设定值时，如50度时，电源装置自动恢复节能运行，但是无论在任何时间，在电源装置连续工作的过程中，如果三次检测到温度超过第三个设定值如75度且电源装置反复三次退出节能状态，控制电路4判断电源装置的风冷系统出故障，电源装置立即退出节能状态，旁路给负载供电，电源装置不会自动投入到节能状态。

本发明的电压采样整流滤波电路44、电流采样整流滤波电路45、温度检测电路41以及A/D转换电路43均采用常规的电路实现，温度检测电路41采用数字温度传感器，如DS18B20，可实现与单片机42的直接通信。

本发明电源装置接在控制照明负载的变压器或开关柜上，电源装置的输出端接上照明负载后，控制电路4主要根据嵌入在单片机42中的动态节能照明电源软件来实现智能化工作的。本发明的动态节能照明电源软件程序内置用户需求表——“电压-时间或时间-照度、功率-时间”表，根据时间和季节变化自动执行，并可修改保存“电压-时间或时间-照度、功率-时间”表，以实现不同路段，不同场所动态调节、情景节能。当“电压-时间或时间-照度、功率-时间”表按用户设定变化时，控制电路4改变脉宽调制信号的占空比，使高频斩波管占空比D改变，控制功率调节电路7实现恒流或恒压、恒功率工作。当检测到故障时，控制电路4发出命令，本电源装置退出节能状态，旁路给照明系统供电，确保照明负载供电的不间断，实现低压照明配电系统的电源优化和人性化控制，同时实现对灯具的保护。

Claims

1、一种动态节能照明电源装置，其特征在于：包括过电压保护电路、功率调节电路、辅助电源模块、控制电路、串行通讯模块以及人机界面；

所述的功率调节电路包括IGBT集成模块、并联在IGBT集成模块输入端的电容Ci和并联在IGBT集成模块输出端的输出保护电路，电容Ci与瞬变电压抑制二极管TVS1并联，IGBT集成模块由高频斩波管T1、T2和工频续流管T3、T4构成，高频斩波管T1、T2的集电极分别接在电容Ci的两端，高频斩波管T1、T2的发射极分别接工频续流管T3的集电极和发射极，工频续流管T4的发射极和集电极并联在工频续流管T3的集电极和发射极，高频斩波管T1和T2的集电极与发射极间反并联二极管D1和D2，工频续流管T3和T4的发射极正向串接有二极管D3和D4，输出保护电路包括瞬变电压抑制二极管TVS2及LC滤波电路，瞬变电压抑制二极管TVS2与工频续流管T4的发射极和集电极连接；

2、根据权利要求1所述的动态节能照明电源装置，其特征在于：所述的控制电路还具有检测保护电路，检测保护电路包括故障旁路电路、电压采样整流滤波电路、电流采样整流滤波电路及温度检测电路，所述的故障旁路电路包括开关K1、K2和K3，其中开关K1和K2分别连接功率调节电路的输入端和输出端，开关K3跨接在开关K1的输入端和开关K3的输出端，电压采样整流滤波电路的输入端接功率调节电路的输出端，电流采样整流滤波电路的输入端接开关K2的输出端，且电压采样整流滤波电路和电流采样整流滤波电路的输出端经A/D转换电路与单片机连接，温度检测电路的输入端与功率调节电路连接、输出端与单片机的输入端相连。

3、根据权利要求1所述的动态节能照明电源装置，其特征在于：所述控制电路还具有漏电开关K_L，，漏电开关K_L的两端分别与开关K1输入端和辅助电源模块输出端连接。