朱益波：高壓直流供電的LED照明系統
LED燈具的應用越來(lái)越廣泛，但是其傳統驅動(dòng)電源的壽命遠遠低于LED光源的壽命，壽命不長(cháng)的驅動(dòng)電源可能會(huì )毀掉LED產(chǎn)業(yè)，LED燈具的優(yōu)勢也將無(wú)法實(shí)現。來(lái)自杭州中恒派威電源有限公司的朱益波先生在驅動(dòng)、電源與控制技術(shù)分會(huì )上介紹了一種由高壓直流供電的LED照明系統。
為了便于將普通照明燈具更換為L(cháng)ED燈具，目前世界各國在每盞LED燈具中都裝有獨立的開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電源。LED光源的理論壽命可達10萬(wàn)小時(shí)，實(shí)際使用壽命也超過(guò)7萬(wàn)小時(shí)，但是目前給LED提供恒流驅動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源中，光耦、電解電容等的實(shí)際壽命遠遠小于1萬(wàn)小時(shí)，而且開(kāi)關(guān)電源結構復雜，因此在LED照明系統中(尤其是在路燈、隧道等環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合)，經(jīng)常發(fā)生因驅動(dòng)電源出現故障而產(chǎn)生中斷照明的現象，這樣不但影響了LED照明系統的可靠性，還大大增加了維護成本。
近年來(lái)，在通信、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，為了確保電源不中斷，供電系統通常采用HVDCN+1冗余技術(shù)。將該方案應用于LED照明系統，可以確保LED燈具可靠供電，由于采用多模塊并聯(lián)集中供電方案，在每個(gè)隧道、礦井、地鐵站等安裝一套電源裝置，給所有燈具提供穩定的直流電壓，在每盞燈具內只需安裝恒流電路。解決了傳統LED驅動(dòng)電源中電路復雜，元器件多，效率低，可靠性低等問(wèn)題。該電源裝置采用N+1多電源模塊并聯(lián)，若某個(gè)電源模塊發(fā)生故障，其他N只模塊可保證正常供電。更換故障模塊，不影響系統工作。由于供給的直流電壓非常穩定，每盞燈具內的恒流源均工作在最佳狀態(tài)，功耗很小，可靠性非常高。
在某些重要場(chǎng)合，比如地鐵站、地下商場(chǎng)、機場(chǎng)、隧道等，該系統只需加裝蓄電池組，即可完成不中斷照明功能，不再需要安裝價(jià)格昂貴的應急照明電源(EPS)，從而大大降低照明系統的成本。
在這個(gè)直流供電系統中，根據傳輸距離，為了實(shí)現LED最佳工作并降低線(xiàn)路損耗，電源裝置的輸出直流電壓分別為48V、110V、240V和336V，根據用戶(hù)的實(shí)際要求，上述電壓還可在很寬范圍內調整。
LED照明集中供電裝置由交流配電裝置、整流器模塊、直流配電裝置及監控器等部分組成。數字化整流模塊由輸入EMC、有源PFC、DCDC軟開(kāi)關(guān)高頻變換器、輸出濾波電路組成。整流模塊還具有輸入過(guò)壓、欠壓、輸出過(guò)壓、限流和短路保護以及散熱器過(guò)熱保護等功能，確保照明電源裝置可靠工作。
HVDC集中供電的LED照明系統具有以下幾方面的優(yōu)勢：第一，高可靠性：HVDC直流母線(xiàn)采用N+X冗余供電，采用熱插拔技術(shù)，即使有模塊出現故障，也可以保證不間斷供電，提高了系統供電的可靠性；燈具上只有DC-DC恒流驅動(dòng)，與傳統的驅動(dòng)電源相比少了一級AC-DC；燈具上恒流驅動(dòng)可靠性高、壽命長(cháng)。第二，高效率：傳統的驅動(dòng)電源效率在90%左右，HVDC整流模塊效率大于95%；HVDC監控可以實(shí)現N+X冗余模塊的休眠功能，可以保證在各種負載條件下都保持很高的效率。第三，低成本：高效率高功率因數減少了交流電網(wǎng)的運營(yíng)費用；熱備份、高可靠性減少了設備的日常維護費用；驅動(dòng)電源更長(cháng)壽命使燈的使用成本更低。
總之，HVDC集中供電照明系統最大的優(yōu)點(diǎn)是LED燈具可以做得很簡(jiǎn)單，從結構上容易做到互換，保證很好的可維護性，同時(shí)具有成本低，高可靠性和長(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。
為了便于將普通照明燈具更換為L(cháng)ED燈具，目前世界各國在每盞LED燈具中都裝有獨立的開(kāi)關(guān)型驅動(dòng)電源。LED光源的理論壽命可達10萬(wàn)小時(shí)，實(shí)際使用壽命也超過(guò)7萬(wàn)小時(shí)，但是目前給LED提供恒流驅動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源中，光耦、電解電容等的實(shí)際壽命遠遠小于1萬(wàn)小時(shí)，而且開(kāi)關(guān)電源結構復雜，因此在LED照明系統中(尤其是在路燈、隧道等環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合)，經(jīng)常發(fā)生因驅動(dòng)電源出現故障而產(chǎn)生中斷照明的現象，這樣不但影響了LED照明系統的可靠性，還大大增加了維護成本。
近年來(lái)，在通信、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，為了確保電源不中斷，供電系統通常采用HVDCN+1冗余技術(shù)。將該方案應用于LED照明系統，可以確保LED燈具可靠供電，由于采用多模塊并聯(lián)集中供電方案，在每個(gè)隧道、礦井、地鐵站等安裝一套電源裝置，給所有燈具提供穩定的直流電壓，在每盞燈具內只需安裝恒流電路。解決了傳統LED驅動(dòng)電源中電路復雜，元器件多，效率低，可靠性低等問(wèn)題。該電源裝置采用N+1多電源模塊并聯(lián)，若某個(gè)電源模塊發(fā)生故障，其他N只模塊可保證正常供電。更換故障模塊，不影響系統工作。由于供給的直流電壓非常穩定，每盞燈具內的恒流源均工作在最佳狀態(tài)，功耗很小，可靠性非常高。
在某些重要場(chǎng)合，比如地鐵站、地下商場(chǎng)、機場(chǎng)、隧道等，該系統只需加裝蓄電池組，即可完成不中斷照明功能，不再需要安裝價(jià)格昂貴的應急照明電源(EPS)，從而大大降低照明系統的成本。
在這個(gè)直流供電系統中，根據傳輸距離，為了實(shí)現LED最佳工作并降低線(xiàn)路損耗，電源裝置的輸出直流電壓分別為48V、110V、240V和336V，根據用戶(hù)的實(shí)際要求，上述電壓還可在很寬范圍內調整。
LED照明集中供電裝置由交流配電裝置、整流器模塊、直流配電裝置及監控器等部分組成。數字化整流模塊由輸入EMC、有源PFC、DCDC軟開(kāi)關(guān)高頻變換器、輸出濾波電路組成。整流模塊還具有輸入過(guò)壓、欠壓、輸出過(guò)壓、限流和短路保護以及散熱器過(guò)熱保護等功能，確保照明電源裝置可靠工作。
HVDC集中供電的LED照明系統具有以下幾方面的優(yōu)勢：第一，高可靠性：HVDC直流母線(xiàn)采用N+X冗余供電，采用熱插拔技術(shù)，即使有模塊出現故障，也可以保證不間斷供電，提高了系統供電的可靠性；燈具上只有DC-DC恒流驅動(dòng)，與傳統的驅動(dòng)電源相比少了一級AC-DC；燈具上恒流驅動(dòng)可靠性高、壽命長(cháng)。第二，高效率：傳統的驅動(dòng)電源效率在90%左右，HVDC整流模塊效率大于95%；HVDC監控可以實(shí)現N+X冗余模塊的休眠功能，可以保證在各種負載條件下都保持很高的效率。第三，低成本：高效率高功率因數減少了交流電網(wǎng)的運營(yíng)費用；熱備份、高可靠性減少了設備的日常維護費用；驅動(dòng)電源更長(cháng)壽命使燈的使用成本更低。
總之，HVDC集中供電照明系統最大的優(yōu)點(diǎn)是LED燈具可以做得很簡(jiǎn)單，從結構上容易做到互換，保證很好的可維護性，同時(shí)具有成本低，高可靠性和長(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。
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