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LED 光源近十年來發展達到了新月異的程度，很快應用到汽車、建筑物、醫療、景觀照明等終端市場，LED 照明變得比傳統照明更加可靠及高效， 在市場上也越來越普及。但LED 的安裝使用卻受到輸電線鋪設的束縛，影響了其使用場合的靈活性；同時，由于LED 本身，驅動源的高頻變壓器、功率開關管等非線性器件的存在，會導致引入電網中的諧波電流增大，影響電網供電質量。而目前卻少見有同時考慮降低無線供電給電網帶來諧波影響的無線LED 照明等成套的系統報道。因此本文給出了一套具有諧波補償功能的LED 無線驅動方案。該方案能在方便LED 靈活安裝的同時，根據光照的采集反饋來調節LED 至合適亮度。這些對LED 的普及，提高供電安全性和可靠性，高效節約電能都將十分有益。 1 系統的總體設計 本系統主要有：無線供電模塊、恒流驅動源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統總體框圖如圖1 所示。其中，逆變裝置、整流濾波2 構成無線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3 構成恒流源驅動模塊。MCU 通過光電池進行光照采集對輸出電流進行反饋調節以使輸出穩壓、恒流。APF通過主控制器輸出電流來抵消由無線驅動模塊注入電網的電流諧波，以改善輸入端電能質量。 圖1 系統整體結構圖 2 系統電路設計 2.1 無線供電系統設計 無線供電系統由控制端、發射端、負載整流電路組成，分別通過電磁耦合（近距離傳輸方式）和電磁共振（遠距離傳輸方式），實現無線供電，系統結構圖如圖2 所示。 圖2 無線供電系統結構圖 發射端主要由逆變器和傳輸通道組成。逆變器負責將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。近距離逆變頻率為200~500 kHz，通過電磁耦合的方式傳輸，使用U 形松耦合鐵氧體磁芯隔離實現無線供電，如圖3。 圖3 近距離傳輸 遠距離逆變頻率為1 MHz，通過電磁共振的方式傳輸,采用空心變壓器耦合， 將初級和次級分別纏繞在圓筒上，作為傳輸介質，達到遠距離電能傳輸，如圖4 所示。 圖4 遠距離傳輸 本系統通過智能切換傳輸方式，達到穩定的高效傳輸電能。次級在初級等效電阻與距離的關系如圖5，z 為阻抗，L 為距離，只有在L0 的位置等效阻抗為最小。根據此原理，當接收距離遠離L0 時，阻抗增大，初級電流減小，通過霍爾電流傳感器采集初級輸入電流大小，判斷模式的切換。 圖5 次級在初級等效阻抗 2.2 恒流源電路 恒流源系統主要由DC/DC 正激變換電路和MCU 控制電路組成。正激變換電路為LED 恒流驅動源，如圖6。逆變器輸出經整流濾波后以芯片L7824ACV 作穩壓，為DC/DC 變換電路提供+24 V 輸入。該結構的恒流源具有高精度輸出的特點，其輸出功率取決于變壓器參數的選擇，一般能達32 W 以上，滿足大多數人LED 照明應用場合的功率要求。 圖6 LED 恒流驅動電路 該電路采用TL494 作恒流控制芯片， 開關頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設定，通過電位器R4 調節死區時間，其電流輸出誤差可 2.3 諧波補償系統 2.3.1 系統硬件結構 諧波補償系統硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結構如圖7 所示。本文采用TMS320F2812 型號的數字信號處理器（DSP）作為核心控制和信號處理單元。調理電路主要有電流/電壓傳感器信號放大、整流，抗混疊濾波。電流傳感器1采樣負載端三相電流，通過信號調理電路送入DSP 經A/D 采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅動逆變器對諧波電流作相應的抵消, 以電流傳感器2 采樣輸出的補償電流作反饋調節。逆變器直流母線電壓經霍爾電壓傳感器變換供給DSP 的內部A/D 采集，通過算法控制其直流側電容電壓穩定。三相電壓信號的過零點作為過零觸發信號，作為每個周期軟件處理清零和起始信號。 圖7 諧波補償系統硬件結構框圖 2.3.2 諧波電流萃取算法 1）三相瞬時無功功率原理 該補償系統軟件部分主要包括諧波電流萃取算法，采用目前常用的三相瞬時無功功率理論（亦稱ip-iq 算法）。該檢測法通過某一轉移矩陣將三相電流與基于該理論所分解出的ip 和iq 電流分量有機地結合起來，并以此為出發點可以分別得到三相電流諧波和無功電流，其表達式為： 通過低通濾波器（LPF）可將對應基波電流的分量分離出來，由于ipf，iqf，可由基波分量iaf，ibf，icf 變換得到，因而ipf，iqf，經反變換即可得到三相電流中的iaf，ibf，icf 即： 當要求同時檢測出諧波和無功電流時， 只需忽略計算ip的通道， 由ipf 計算出被檢測電流的基波有功分量iapf ， ibpf ，icpf，即： 將ia，ib，ic 與iapf，ibpf，icpf 相減，即可得出ia，ib，ic 的諧波分量波和基波無功分量。 2）仿真結果 文中基于DSP 編譯環境CCS3.3 的仿真模式對該算法進行仿真，假設原三相輸入電流為相位差120°的50 Hz正弦波，并以單相被削波失真為例說明。圖8（a）為單相削波失真波形，根據總諧波畸變率（THD）計算式： 其中Ih 為各次諧波電流的有效值，I1 為基波電流有效值， 對波形作頻譜分析可計算得該相初始電流為12.2%。圖8（b）為經算法提取諧波后的基波波形，經三相瞬時無功功率算法濾波后，諧波電流基本消除，原始波形被還原。 圖8 三相瞬時無功功率算法消除諧波 3 結論 該系統沒有電線的限制，LED 可以在無線供電接受范圍內任意安裝，并通過光電傳感器自動感光來調節LED 亮度。同時利用有源電力濾波器諧波補償技術， 設計出與無線驅動模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統運作中的高次電流諧波，降低輸電網的總諧波失真。本設計可以應用到家居、車載、場景或景觀LED 照明中，有效地提高照明分布的靈活性，節約電能和減小光污染，并改善電能質量，有著廣泛的應用前景。 |
