трехфазной сети переменного тока.

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 12В до 120В 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 > 700В, т.к. мощность прожекторов бывает 30 от 700 до 2000Вт. Также в настоящее время в инновационном светодиодном освещении уже начали применять напряжение постоянного тока высокого уровня (более 700 ... 800В) (А. Никитин «Применение импульсных

повышающих преобразователей фирмы National Semiconductor для

управления светодиодами, «Компоненты и технологии», N28 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 неизолированных 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 соединённых 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 соединённых 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 ... 560В (220 ... 230 V) пикового напряжения с

пульсациями порядка 5 - 6% без конденсаторов. Однако нестабильность 5 промышленной сети может быть более ± 10% и поэтому следует принять некоторые меры для устранения влияния этой не стабильности на световые характеристики осветителя.

На рис. 1 показана схема питания светодиодов от двух источников напряжения с управлением от датчика напряжения, на которой:

ю U1 - первый основной нестабилизированный источник напряжения (это

выпрямленное напряжение трехфазной сети, в случае трёхфазной сети, с диапазоном напряжений от 486В до 594В);

U2 - постоянное напряжение от адаптивного источника напряжения ИПАД;

1 - ИПАД источник напряжения адаптивный;

15 2 - D.T. датчик напряжения первого источника напряжения, управляющий сигналом на управление ИПАД;

С - выходная емкость ИПАД;

D1 ... Dn светодиоды;

II - источник тока.

20 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.

25 При нестабильности сети ± 10% напряжение после выпрямителя будет в пределах ~485В ... 595В. Если принять минимальное напряжение на ИПАД равным 20В, то диапазон напряжений, который будет на ИПАД питания составит 595В - 485В = ИОВ, то есть от 20В до 130В, а общее напряжение всегда будет равно 615В. В это напряжение и будут включены светодиоды с зо источником тока 11. Если необходимый ток для светодиодов принять равным 0,7 А, то общая мощность з драйвера будет Робщ.= 615 х 0,7 = 430,5Вт. Мощность

отбираемая от первого источника напряжения 1 будет в пределах: от 485В х 0,7А = 339,5Вт

до 595В х 0,7А = 416,5 Вт

Мощность ИПАД, будет в пределах: от 20В х 0,7А= 14Вт, до ИОВ х 0,7А = 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 К.П.Д.).

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.З показана схема драйвера с активным источником тока, питающимся от однофазной сети переменного тока, в которой:

Ш - выпрямленное напряжение трехфазной сети;

U2 - напряжение на выходных клеммах активного источника тока; 3 - активный источник тока с питанием от однофазной сети переменного тока;

4 - группа светодиодов.

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 К. П. Д. источника тока 1 1. 1 = 0,92 при мощности 91 W (самый худший вариант), то общее К. П. Д. драйвера будет: номинальном напряжении) мощность П.Д. « 0,9 , тогда К.П.Д. драйвера будет:

430 - 38,5 x 0,01

Т|гном = = 0,999 (!)

430

Лучшие показатели для стандартного драйвера на 430Вт могут быть порядка 0,95, т.е. выигрыш составляет более 4,0 % без учета падения мощности вьшрямительном 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 430Вт они будут ничтожными. Есть ещё 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, включает в себя трехфазный выпрямитель, подключенный к трехфазной сети переменного тока,

дополнительный источник питания, включенный последовательно с

напряжением трехфазного вьшрямителя, и в их общее напряжение включена группа последовательно соединенных свето диодов. Если дополнительный источник является источником напряжений, 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.