【導讀】LED的安裝備受輸電線的鋪設原因束縛，場合的靈活性都頗受影響。但是LED內(nèi)部驅(qū)動源的高頻變壓器以及功率開關(guān)管的存在使得諧波電流過大，影響到供電質(zhì)量。迫于趨勢，無線供電被提上日程。本文精講了具有諧波補償功能的LED 無線驅(qū)動方案。既能實現(xiàn)高效節(jié)能，方便了LED的靈活安裝。
1 系統(tǒng)的總體設計
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)電路設計2.1 無線供電系統(tǒng)設計
無線供電系統(tǒng)由控制端、發(fā)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(xiàn)無線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。
本系統(tǒng)主要有：無線供電模塊、恒流驅(qū)動源模塊、有源電力濾波器（APF）模塊、控制電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。其中，逆變裝置、整流濾波2 構(gòu)成無線供電模塊；正激變換電路、整流濾波3 構(gòu)成恒流源驅(qū)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(diào)節(jié)以使輸出穩(wěn)壓、恒流。APF通過主控制器輸出電流來抵消由無線驅(qū)動模塊注入電網(wǎng)的電流諧波，以改善輸入端電能質(zhì)量。
圖2 無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
發(fā)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhì)，達到遠距離電能傳輸，如圖4 所示。
圖4 遠距離傳輸
本系統(tǒng)通過智能切換傳輸方式，達到穩(wěn)定的高效傳輸電能。次級在初級等效電阻與距離的關(guān)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(jù)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(tǒng)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(qū)動源，如圖6。逆變器輸出經(jīng)整流濾波后以芯片L7824ACV 作穩(wěn)壓，為DC/DC 變換電路提供+24 V 輸入。該結(jié)構(gòu)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(shù)的選擇，一般能達32 W 以上，滿足大多數(shù)人LED 照明應用場合的功率要求。
圖6 LED 恒流驅(qū)動電路
該電路采用TL494 作恒流控制芯片， 開關(guān)頻率fosc由式fosc=1.1/（RTCT）設定，通過電位器R4 調(diào)節(jié)死區(qū)時間，其電流輸出誤差可<1%。圖6 中，RS 為電流取樣電阻； R3 為反饋電壓采樣電阻，用來限制最大輸出電壓。當輸出電流變化時，引腳2（1IN-）的電位也隨之變化，通過TL494 內(nèi)部誤差放大比較以后改變PWM 驅(qū)動信號的占空比， 實現(xiàn)輸出電流的負反饋調(diào)整。單片機通過A/D 采集光電池電壓， 進行判斷后輸出PWM 經(jīng)過低通濾波器變成大小與占空比成正比的基準電壓來改變輸出電流大小， 達到自動調(diào)節(jié)LED 發(fā)光強度的目的，其中運放作的電壓跟隨器起隔離和增強驅(qū)動能力的作用。調(diào)節(jié)R2 可改變基準電壓與輸出電流的比例關(guān)系。L1、D3 為磁泄放繞組，以防止變壓器初級線圈磁飽和，使在開關(guān)管關(guān)斷期間能為初級線圈提供磁復位。由于TL494 驅(qū)動能力有限，所以通過三極管推挽輸出，增加TL494 驅(qū)動能力。
表1 為以輸出16 W 為例的DC/DC 變換電路實物測試結(jié)果，證明了該恒流源能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率和高精度的電流輸出。
2.3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
諧波補償系統(tǒng)硬件主要由有源電力濾波器（APF）完成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。本文采用TMS320F2812 型號的數(shù)字信號處理器（DSP）作為核心控制和信號處理單元。調(diào)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(diào)理電路送入DSP 經(jīng)A/D 采集后作諧波電流萃取算法和控制算法處理，并驅(qū)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(diào)節(jié)。逆變器直流母線電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器變換供給DSP 的內(nèi)部A/D 采集，通過算法控制其直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定。三相電壓信號的過零點作為過零觸發(fā)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(zhuǎn)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(jié)合起來，并以此為出發(fā)點可以分別得到三相電流諧波和無功電流，其表達式為：
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：
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：
2）仿真結(jié)果
文中基于DSP 編譯環(huán)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(jù)總諧波畸變率（THD）計算式：
圖8 三相瞬時無功功率算法消除諧波
結(jié)論
該系統(tǒng)沒有電線的限制，LED 可以在無線供電接受范圍內(nèi)任意安裝，并通過光電傳感器自動感光來調(diào)節(jié)LED 亮度。同時利用有源電力濾波器諧波補償技術(shù)， 設計出與無線驅(qū)動模塊配套的消諧波裝置，以濾除系統(tǒng)運作中的高次電流諧波，降低輸電網(wǎng)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(jié)約電能和減小光污染，并改善電能質(zhì)量，有著廣泛的應用前景。
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