巷道LED燈用單管逆變無線供電系統(tǒng)研究

王松柏 王春芳 岳睿 李聃

摘 要：針對(duì)目前礦山井下利用有線方式給巷道LED燈供電時(shí)更換燈具存在的不方便以及安全性問題，本文研究了一種巷道LED燈的無線供電裝置。設(shè)計(jì)了單管逆變無線供電主電路，基于互感等效模型詳細(xì)分析了單管等效電路的工作模態(tài)，對(duì)輸入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)電壓進(jìn)行了正弦擬合，分析了單管逆變電路的恒流特性。對(duì)電壓增益以及電路軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單管逆變無線供電電路的恒流特性。

關(guān)鍵詞：巷道;發(fā)光二極管照明;無線供電;單管逆變;補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

Abstract：In view of the inconvenient replacement of lamps and existing safety problems when using wired way to supply power to LED lamps in the roadway， this paper focuses on a wireless power supply device for LED lamps in the roadway. In order to realize non-contact power supply for LED lamps in roadway， this paper designs a single tube inverter wireless power supply circuit. In this paper， based on the mutual inductance equivalent model， the working mode of the single tube equivalent circuit is analyzed in detail. The realization of voltage gain and circuit soft switch is analyzed in detail. Finally， the constant current characteristic of single transistor inverter circuit is verified by experiments.

Keywords：roadway; LED lighting; wireless power supply; single tube inverter; compensation network

0 引 言

LED具有壽命長，發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于礦井下的巷道照明。由于目前的巷道LED燈大多是以有線方式供電的，當(dāng)某一個(gè)LED燈具損壞的時(shí)候，必須把整個(gè)巷道里面的供電電源關(guān)斷，然后再去更換LED燈具，這樣給巷道照明系統(tǒng)的維護(hù)造成極大的不方便。為此本文研究了一款非接觸供電的LED照明燈具，當(dāng)某一個(gè)燈具損壞的時(shí)候，無需切斷供電電源，可以直接更換LED燈，這樣極大地方便了礦山井下巷道照明系統(tǒng)的維護(hù)。由LED的伏安特性可知，當(dāng)LED正向電壓大于導(dǎo)通電壓時(shí)，正向電流會(huì)隨著正向電壓的微小變化而急劇增長，而LED的電流的大小決定了LED發(fā)光強(qiáng)度的強(qiáng)弱[1]，電流過大時(shí)，LED的壽命將會(huì)衰減;電流過小時(shí)，LED達(dá)不到應(yīng)有的照明效果。所以，若以恒壓供電的方式給礦用LED巷道燈供電不能使其亮度保持一致，其可靠性和壽命也會(huì)受到影響，因此本文設(shè)計(jì)了一款恒流供電的無線供電裝置。為了能夠?qū)崿F(xiàn)恒流輸出以及高效電能傳輸 [2]，還需設(shè)計(jì)合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈進(jìn)行補(bǔ)償[3]。在實(shí)際的應(yīng)用中，原邊線圈和副邊線圈有多種補(bǔ)償類型，除了串-串（SS）[4]，串-并（SP）[5]， 并-串（PS）[6]，并-并（PP）四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以外，還有很多高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如LCC/S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[7]，LCL/LCC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[8]，LCL/P型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[9]， S/CLC型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[10]，雙邊LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[11]等。

目前，無線電能傳輸系統(tǒng)的主電路的拓?fù)浯蟛糠植捎玫氖侨珮蚰孀冸娐穂12]、半橋LLC型逆變電路[13]以及單管逆變電路[14]。對(duì)于全橋逆變電路，開關(guān)管較多，控制比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)上下橋臂直通的問題。對(duì)于半橋LLC型逆變電路而言，該電路在企業(yè)和高校得到了廣泛的應(yīng)用和研究，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增益[15]以及效率、所有開關(guān)均可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但半橋LLC型逆變電路和全橋逆變電路有同樣的缺點(diǎn)，上下橋臂也存在直通的問題。單管逆變無線傳輸電路是一種新型拓?fù)潆娐?，由單個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)逆變[16]，結(jié)構(gòu)簡單、控制易實(shí)現(xiàn)、能夠很好的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)[17]，目前對(duì)于全橋逆變電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的研究已很成熟[18-20]，但對(duì)應(yīng)用于單管逆變電路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)研究較少。本文將單管逆變電路作為無線供電裝置的主電路，研究了由單管逆變電路構(gòu)成的無線供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巷道LED燈的恒流供電，并做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 無線供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

巷道LED燈無線供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由交流127V輸入、無線供電裝置、LED構(gòu)成。其中無線供電裝置包括發(fā)射端與接收端，而發(fā)射線圈與接收線圈之間的空隙等于發(fā)射端的封裝層厚度和接收端的封裝層厚度之和，大約4mm。當(dāng)某一個(gè)燈具發(fā)生損壞時(shí)，無需切斷空氣開關(guān)QS，可以直接摘掉接收端以及LED來進(jìn)行更換。

1.2 無線供電主電路

無線供電主電路所述單管恒流無線供電電路的主體結(jié)構(gòu)包括工頻整流、L1C1濾波電路、原邊補(bǔ)償電容、發(fā)射線圈、開關(guān)管、接收線圈、副邊補(bǔ)償電容、高頻整流電路、濾波電容、LED燈具;127V工頻交流電經(jīng)工頻整流及L1C1濾波電路以后，將工頻交流電變?yōu)橹绷麟姡缓箝_關(guān)管Q將直流電逆變?yōu)楦哳l交流電;高頻交流電經(jīng)過原邊補(bǔ)償電容CP和原邊線圈LP組成的諧振回路，并在接收線圈兩端感應(yīng)出電流，該電流經(jīng)過副邊補(bǔ)償電容CS和副邊線圈LS組成的諧振回路、高頻整流電路和濾波電容后變?yōu)樗枰闹绷麟?，供給LED燈具進(jìn)行照明。

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（編輯：溫澤宇）