CN201758470U - 一种led路灯直流供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED路灯直流供电系统，包括直流电源部分，与直流电源部分连接的供电线路以及与供电线路连接的LED驱动电源；所述直流电源部分用于将输入的高压三相交流电转换为直流电；所述LED驱动电源的输入是直流供电线路输送的直流电源。本实用新型将传统路灯变压器设计成直流供电站，通过直流供电系统将直流电源输送到LED路灯驱动电源，以解决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。应用直流供电系统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，提高整个路灯照明系统的安全性、可靠性、可维护性和寿命。

Description

一种LED路灯直流供电系统 

技术领域

本实用新型属于直流低压供、配电领域照明领域，特别是一种LED路灯直流供电系统。 

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，其中路灯专用变压器将10KV变为220V分别供给路两侧路灯，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，浪费达1/3。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： $\mathrm{In}=\frac{{8I}_m}{\sqrt{2}\mathrm{\π\θ}{n}^2}(1-\cos \frac{\mathrm{n\θ}}{2})(n=\mathrm{1,3,5,7}---------);$

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。 

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种LED路灯直流供电系统。

技术方案：本实用新型公开了一种LED路灯直流供电系统，包括直流电源部分，与直流电源部分连接的供电线路以及与供电线路连接的LED驱动电源； 

所述直流电源部分用于将输入的高压交流电转换为直流电； 

所述LED驱动电源的输入以及输出为直流电源，内部无输入交流整流、滤波、PFC回路。 

本实用新型中，优选地，所述直流电源部分包括将高压供电电源降压为三相交流市电的变压器，与变压器串接的整流滤波器，以及并接在整流滤波器一端的无功补偿模块；所述整流滤波器采用多脉波整流回路，将交流电源转换成直流电源。 

本实用新型中，优选地，所述变压器为路灯变压器、三绕组整流变压器、两台变压器并列运行以及四绕组整流变压器中的任意一种，输出低压交流电源作为多脉波整流输入电源。 

本实用新型中，优选地，LED路灯直流供电系统额定工作电压大于200V且小于600V；所述供电线路直流耐压为大于直流额定工作电压200V的供电线路。 

本实用新型针对LED光源直流用电特点设计的路灯直流输配电系统，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。 

本实用新型中，优选地，所述LED驱动电源包括PWM控制集成电路芯片，所述LED驱动电源的输入与PWM控制集成电路芯指尖设有抑制传导干扰电路，包括依次连接的两个共模抑制电容和两个差模抑制电容；两个差模抑制电容之间设有抑制电感。 

本实用新型所述的一种LED路灯直流供电系统，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系统构成的LED路灯直流供电方案均不违背本实用新型的基本思想。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。 

有益效果：本实用新型将传统路灯变压器设计成直流供电站，通过直流供电系统将直流电源输送到LED路灯，取消传统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，同时直流供电系统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，提高整个路灯系统的安全性、可靠性、可维护性和寿命。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。 

图1是传统路灯专用变压器供电示意图。 

图2是传统LED路灯驱动电源原理图。 

图3是本实用新型路灯直流供电系统图。 

图4a为本实用新型普通路灯变压器结合三相六脉整流电气原理示意图。 

图4b为本实用新型单机三绕组变压器结合三相十二脉整流电气原理示意图。 

图4c为本实用新型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5a为单相整流的输出电压波形示意图。 

图5b为三相六脉整流的输出电压波形示意图。 

图5c为三相十二脉整流的输出电压波形示意图。 

图6是本实用新型采用IGBT的三相单开关脉宽调制整流原理简图。 

图7是本实用新型PWM高频非隔离恒流型直流电源实例原理图。 

具体实施方式：

图3是路灯直流供电模式实施系统图，本实用新型公开了一种LED路灯直流供电系统，包括直流电源部分，与直流电源部分连接的供电线路以及与供电线路连接的LED驱动电源4以及与LED驱动电源4连接的LED路灯光源5；所述直流电源部分用于将输入的高压交流电转换为直流电源，直流供电工作电压大于200V、小于600V；所述LED驱动电源的输入以及输出为直流电源，内部无输入交流整流、滤波、PFC回路。所述直流电源部分包括将高压交流电降压的变压器1，与变压器串接的整流滤波器2，以及并接在整流滤波器一端的无功补偿模块3；所述整流滤波器采用多脉波整流回路，将交流输入电源转换成直流电源。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系统。直流供电系统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。 

以路灯变压器结合三相六脉整流为例，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。 

本实例的直流供电系统工作电压是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。 

采用直流输电系统后的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。 

本实用新型所述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：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％。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，基本满足电力系统要求，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％。两台双绕组变压器并列运行结合三相十二脉整流方案，由于采用两台独立变压器，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。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。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，系统动态响应快，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：有源滤波器，动态响应速度快。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是采用可控硅实现整流的输出波形示意图，其中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，它是占空比一定的单相Boost PFC转换器，工作于DCM模式，其输入电流的峰值与输入电压成正比。三相交流电源的每一相都通过一个Boost电感L与半控整流桥相连，并输出给单相Boost开关S。这种电路的优点是：只用一个开关，输入电流的峰值与输入相电压近似呈线性关系，功率因数高。只需要采用简单的恒频PWM控制器进行控制，就可以实现电压的闭环控制，成本低，但是输入电流是不连续的。三相单开关PWM整流器的工作原理如下：假设开关频率和占空比是一定的，则开关S导通前电感电流为零；在开关S导通后， 整流桥通过开关S短路，各相输入电感承受的电压就是交流输入的相电压。电感中的电流从零上升、上升的速率及输入电流的峰值与相应的相电压成正比。在S关断后，输入电流将被迫流过Boost二极管向负载输出能量；与此同时，输入端的电感也向负载释放所储的能量。某相输入电感上的电压U_L等于：U_L＝U₀-u；式中：U_L为该相输入相电压的瞬时值；U₀为直流输出电压。 

当电感电流下降到零时，相应的整流桥上的二极管自然关断，使该相的电流保持为零。U_L越大亦即U₀越大，电感电流下降到零的时间越短。由于S关断后，电感有一个释放储能的阶段，使一个周期的平均相电流和相应的相电压瞬时值不成正比，因而输入电流的波形会发生畸变，使输入电流的谐波分量增大，电流的THD加大。 

图7是实现PWM高频非隔离恒流型直流电源实例原理图，本实施例采用安森美公司电流控制脉宽调制电路，输入直流电源首先经过共模抑制电容C1、C2和差模抑制电容C3、C4、抑制电感L1消除LED驱动电源脉宽调制电路工作时产生的高频噪声，输入直流电源通过二极管D1、电阻R5提供脉宽调制NCP1216的PWM芯片U的工作电源，电容C7是PWM芯片工作电源滤波电容、PWM芯片U的5脚输出PWM波形控制MOS晶体管Q1的导通，PWM芯片的第3脚通过电阻R2、电容C6输入恒流电流反馈检测电阻R3和R4产生的小电压调整占空比，实现恒流源输出，PWM芯片的第2脚通过电阻R2、电容C6检测输出电压，实现稳压功能，电感L2和电容C8对MOS晶体管Q1输出的交流电源进行储能和平波。采用直流降压型直流电源，效率可达到97％以上，所占的电路空间较小，可靠性高。通过采用直流供电，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。 

本实用新型采用直流供电系统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。 

本实用新型提供了一种LED路灯直流供电系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 

Claims (5)

1.一种LED路灯直流供电系统，其特征在于，包括直流电源部分，与直流电源部分连接的供电线路以及与供电线路连接的LED驱动电源；

所述直流电源部分用于将输入的高压三相交流电转换为直流电；

所述供电线路用于传输所述直流电；

所述LED驱动电源的输入为所述供电线路输送的直流电。

2.根据权利要求1所述的一种LED路灯直流供电系统，其特征在于，所述直流电源部分包括将高压交流电降压的变压器，与变压器串接的整流滤波器，以及并接在整流滤波器一端的无功补偿模块；所述整流滤波器采用多脉波整流回路，将交流电源转换成直流电源。

3.根据权利要求2所述的一种LED路灯直流供电系统，其特征在于，所述变压器为路灯变压器、三绕组整流变压器、两台变压器并列运行以及四绕组整流变压器中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种LED路灯直流供电系统，其特征在于，所述直流电源部分包括将高压供电电源降压为三相交流市电的变压器以及与变压器串接的脉宽调制整流滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种LED路灯直流供电系统，其特征在于，所述LED驱动电源包括PWM控制集成电路芯片，所述LED驱动电源的输入与PWM控制集成电路芯之间依次设有两个共模抑制电容、两个差模抑制电容；两个差模抑制电容之间设有抑制电感。

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