CN101778514A - 一种led路灯能量变换和节能控制的装置 - Google Patents

一种led路灯能量变换和节能控制的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LED路灯能量变换和节能控制的装置。本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据路面情况或控制系统的指令，调节LED路灯的亮度，从而增加LED路灯的使用寿命并且节约能量的装置。解决该问题的技术方案是：LED路灯能量变换和节能控制的装置，具有能感知外部环境或状况的上位机或检测控制系统，其特征在于：所述上位机或检测控制系统经通信接口与电力侧直流变换装置相连接，电力侧直流变换装置将电力侧的AC交流电源转换为可变化的直流电压，该直流电压经电缆传输给远端的LED恒流变换器，LED恒流变换器将传输来的可变化的直流电能转换为LED路灯群所需要的直流恒流源。本发明可用于城市道路和隧道等场合的照明。

Description

一种LED路灯能量变换和节能控制的装置
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其是一种LED路灯能量变换和节能控制的装置。适用于城市道路和隧道等场合的照明。
背景技术
大功率LED路灯与常规高压钠灯路灯相比，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特的优点，可广泛应用于城市道路和隧道等场合的照明。
目前，LED照明技术日趋成熟，大功率LED光源功效已达1001m/W左右，从而使得城市路灯、隧道照明节能改造成为可能。LED路灯，特别是大功率LED路灯，正以迅猛的速度冲击传统路灯市场。
LED路灯在省电方面比传统路灯已经有了很大的改观，但是LED的功耗和寿命还是取决于LED点亮的时间以及光照亮度。目前，LED路灯普遍采用简单的恒流控制方式，不能根据需要进行照明亮度控制，尤其是在深夜无行人与车辆稀少的情况下，路灯还按正常亮度在照明，既浪费电能，也影响路灯寿命；而在隧道路灯照明中，有没有车经过，亮度照常，引起极大的浪费。
针对以上问题，已有对LED灯进行调光的技术，一般采用单灯调节办法：每个LED路灯，采用可控恒流控制方式，控制信号采用单独拉控制线方式，也有采用无线传输控制模式，还有一种是采用电力线复用传输控制信号方式。这些方式，虽然可以达到调光节能的目的，但存在以下问题：LED驱动器控制复杂，可靠性降低，成本高，而采用单独拉控制线形式，增加布线成本和增加老系统节能改造难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以上问题，提供一种LED路灯能量变换和节能控制的装置，该装置能够根据路面情况或控制系统的指令，调节LED路灯的亮度，从而增加LED路灯的使用寿命并且节约能量。
本发明所采用的技术方案是：LED路灯能量变换和节能控制的装置，具有能感知外部环境或状况的上位机或检测控制系统，其特征在于：所述上位机或检测控制系统经通信接口与电力侧直流变换装置相连接，电力侧直流变换装置将电力侧的AC交流电源转换为可变化的直流电压，该直流电压经电缆传输给远端的LED恒流变换器，LED恒流变换器将传输来的可变化的直流电能转换为LED路灯群所需要的直流恒流源。
所述上位机或检测控制系统中的上位机装有定时控制程序，而检测控制系统包括光感传感器或运动图像传感器。
所述电力侧直流变换装置为AC/DC变换器，它由高功率因数整流电路、LLC谐振变换电路、通信接口芯片U2、单片机U3、D/A转换器U4、运算放大器U5A和压控振荡器U5以及隔离驱动电路组成；电力侧的交流输入电压经高功率因数整流电路升压为直流高压，再经LLC谐振变换电路得到隔离的所需要直流电压；与此同时，从上位机或检测控制系统传来的控制命令，经通信接口芯片U2传输给单片机U3，单片机控制D/A转换器U4的模拟输出，该模拟信号再经运算放大器U5A和压控振荡器U5得到方波输出信号，经分频器U6B分频后传输给隔离驱动电路，隔离驱动电路通过驱动LLC谐振变换电路中的功率器件，使LLC谐振变换电路的输出电压随控制信号频率的不同而变化。
所述LED恒流变换器为DC/DC变换器，它由输入电压比例放大器、电流采样放大和反馈控制电路、PWM控制芯片IC1、功率MOSFET管Q1和恒流变换器输出电压反馈控制电路组成；所述输入电压比例放大器依据从电缆传输过来的输入电压的不同，输出与输入电压成比例的信号，该信号作为电流反馈控制的基准输入到电流采样放大和反馈控制电路，电流采样放大和反馈控制电路所产生的可依据输入电压变动的控制信号再传输给PWM控制芯片IC1，从而控制功率MOSFET管Q1的开关占空比，使得LED路灯群得到所需的恒定电流；当输出电压超过最大设定值，则经恒流变换器输出电压反馈控制电路来控制芯片IC1的PWM信号。
所述电力侧直流变换装置中间的母线上可以按需要挂接蓄电池组；且电力侧直流变换装置可以采用“N+M”模块冗余并联形式。
本发明的有益效果是：本装置能够根据路面情况或控制系统的指令，完成对LED路灯照度的控制，能够增加LED路灯的使用寿命并且节约能量；本发明还可以应用于交通隧道的照明，当有车通过时，检测装置发出亮度增强信号，隧道里的LED灯光变亮，当没有车辆经过时，亮度变暗或都关闭，从而达到节能和延长LED灯使用寿命的目的；本发明通过高压电力线，既传递能量，又传递照度控制信号，系统成本低，使用方便，节能效果明显。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是图1中电力侧直流变换装置的电路框图。
图3是本发明电力侧直流变换装置的电原理图。
图4是本发明LED恒流变换器的电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例具有能感知外部环境或状况的上位机或检测控制系统1，所述检测控制系统可包括光感传感器或运动图像传感器等感知外部环境的检测装置。上位机或检测控制系统1可具有定时控制程序，或具有光感传感器、运动图像传感器等智能检测设备，将检测到的信息，按既定程序，给出相应的照度控制信号，经通信接口1-1传给电力侧直流变换装置2。电力侧直流变换装置用于将电力侧的AC交流电源转换为可变化(0-400V)的直流电压。该直流电压经电缆3传输给远端的LED恒流变换器4。LED路灯恒流变换器将传输来的可变化的直流电能转换为LED路灯群5所需要的直流恒流源。
如图2、图3所示，所述电力侧直流变换装置2为AC/DC变换器，它由高功率因数整流电路、LLC谐振变换电路、通信接口芯片U2、单片机U3、D/A转换器U4、运算放大器U5A和压控振荡器U5以及隔离驱动电路组成。其中高功率因数整流电路具有PFC控制芯片U1(型号UC3854，也可以采用其它PFC专用芯片实现)和全桥整流器BR1、电感L1、功率管Q1和电容C1、C2，该模块具有PFC功率因数校正功能，使得交流侧电流波形接近电源电压波形，功率因数达0.99以上。电力侧的交流输入电压经高功率因数整流电路升压后，变为约400V左右的直流高压。该直流高压再经由功率管Q2～Q5、变压器T1、电感L2、电容C3、二极管D3～D6和电容C4组成的LLC谐振变换电路，即得到隔离的所需直流电压。与此同时，从上位机或检测控制系统1传来的控制命令，经通信接口芯片U2传输给单片机U3(89C51)，单片机控制D/A转换器U4(TLV5618)的模拟输出，U4的脚4按指令给出输出电压参考电压，该电压与输出电压的反馈信号，经电阻R15、R16、R17、R18、电容C10及运算放大器U5A(LM358)组成的PID反馈调节，由U5A(LM358)的脚1传至U5(CD4046)压控振荡器，U5的脚4为振荡器方波输出信号，经分频器U6B(CD4013)分频，传输给隔离驱动电路，由隔离驱动电路驱动LLC谐振变换电路的功率器件Q2～Q5，从而使得LLC谐振变换电路的输出电压能随着控制信号频率的不同而在0-400V之间变化：当需要最亮度照明时，输出电压为最高电压400V，当需要为半照度时，电压降低至某个中间值，如200V，当需要全部关闭时，电压降到某个更低的值，如100V以下。为便于扩展和增加冗余功能，此变换装置按LED路灯群功率所需，可以配置成“N+M”冗余形式，其中N个模块为符合LED路灯群额定功率所需模块，M个模块则作为冗余配置：当少于M个模块出现故障时，整个系统可以正常输出所需功率，不影响照明。为满足隧道等对照明要求不能断续的场合使用，电力侧直流变换装置2具有挂接蓄电池组的功能：在市电正常时，由市电对电池组充电，当市电掉电时，由蓄电池组继续转换提供能量，以达到不停电供给LED灯电能、不间断照明的效果。
如图4所示，所述LED恒流变换器4为DC/DC变换器，它包括了：由电阻R11-R15和运算放大器IC2-A组成的输入电压比例放大器；由运算放大器IC2-C(LM324)及IC2-D、电阻R24-27及电阻R16-18组成的电流采样放大和反馈控制电路；PWM控制芯片IC1(UC3844)；功率MOSFET管Q1和由电阻R19-23、运算放大器IC2-B及二极管D3构成的恒流变换器输出电压反馈控制电路。所述输入电压比例放大器依据从电缆3传输过来的输入电压的不同，其运算放大器IC2-A的脚1输出与输入电压成比例的信号，该信号作为电流反馈控制的基准经IC2-C的脚10输入到电流采样放大和反馈控制电路，电流采样放大和反馈控制电路所产生的可依据输入电压变动的控制信号再经D9传输给PWM控制芯片IC1的脚1，IC1的脚6依据脚1的电平，控制功率MOSFET管Q1的开关占空比，从而使得LED路灯群5得到所需的恒定电流，并且，该电流可以依据输入电压的变动而变动，使LED路灯实现调光功能。当输出的电压超过最大设定值，则经恒流变换器输出电压反馈控制电路经D3来控制芯片IC1的PWM信号，使电压稳定在最大值，以免产生高压损坏元件。
本发明中，电力侧直流变换装置2的高压直流电压是经两芯电力电缆3传输给远端LED恒流变换器4的，因为额定工作电压的提高，传输同等功率的电能所需的电缆截面积可以减小，所需截面积与电压的平方成反比：如采用400V直流电压传输，与采用单相220V交流电压传输相比，其截面积可以降低为220V系统的(220/400)2＝0.3倍，从而可以节约电缆投资。

Claims (6)

1.一种LED路灯能量变换和节能控制的装置，具有能感知外部环境或状况的上位机或检测控制系统(1)，其特征在于：所述上位机或检测控制系统(1)经通信接口(1-1)与电力侧直流变换装置(2)相连接，电力侧直流变换装置将电力侧的AC交流电源转换为可变化的直流电压，该直流电压经电缆(3)传输给远端的LED恒流变换器(4)，LED恒流变换器将传输来的可变化的直流电能转换为LED路灯群(5)所需要的直流恒流源。
2.根据权利要求1所述的LED路灯能量变换和节能控制的装置，其特征在于：所述上位机或检测控制系统(1)中的上位机装有定时控制程序，而检测控制系统包括光感传感器或运动图像传感器。
3.根据权利要求1或2所述的LED路灯能量变换和节能控制的装置，其特征在于：所述电力侧直流变换装置(2)为AC/DC变换器，它由高功率因数整流电路、LLC谐振变换电路、通信接口芯片U2、单片机U3、D/A转换器U4、运算放大器U5A和压控振荡器U5以及隔离驱动电路组成；电力侧的交流输入电压经高功率因数整流电路升压为直流高压，再经LLC谐振变换电路得到隔离的所需直流电压；与此同时，从上位机或检测控制系统(1)传来的控制命令，经通信接口芯片U2传输给单片机U3，单片机控制D/A转换器U4的模拟输出，该模拟信号再经运算放大器U5A和压控振荡器U5得到方波输出信号，经分频器U6B分频后传输给隔离驱动电路，隔离驱动电路通过驱动LLC谐振变换电路中的功率器件，使LLC谐振变换电路的输出电压随控制信号频率的不同而变化。
4.根据权利要求1或2所述的LED路灯能量变换和节能控制的装置，其特征在于：所述LED恒流变换器(4)为DC/DC变换器，它由输入电压比例放大器、电流采样放大和反馈控制电路、PWM控制芯片IC1、功率MOSFET管Q1和恒流变换器输出电压反馈控制电路组成；所述输入电压比例放大器依据从电缆(3)传输过来的输入电压的不同，输出与输入电压成比例的信号，该信号作为电流反馈控制的基准输入到电流采样放大和反馈控制电路，电流采样放大和反馈控制电路所产生的可依据输入电压变动的控制信号再传输给PWM控制芯片IC1，从而控制功率MOSFET管Q1的开关占空比，使得LED路灯群(5)得到所需的恒定电流；当输出电压超过最大设定值，则经恒流变换器输出电压反馈控制电路来控制芯片IC1的PWM信号。
5.根据权利要求3所述的LED路灯能量变换和节能控制的装置，其特征在于：在所述电力侧直流变换装置(2)中间的母线上挂接蓄电池组。
6.根据权利要求3所述的LED路灯能量变换和节能控制的装置，其特征在于：所述电力侧直流变换装置(2)采用“N+M”模块冗余并联形式。
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