地铁车辆中电容元件对负载性能的影响

作者:未知

  摘 要:文章在简述客室LED灯灯带故障原因及解决方案的基础上,分析了LED灯工作原理和电路结构,并且更进一步的研究和分析了线路中电容元件对于负载性能的影响。
  关键词:LED灯;电容;负载性能
  曾出现如下故障:将照明供电模块接入一外接低压直流电源(额定参数110V、10A,电压可调节,最大允许电流10A)。结果,电源为客室内部照明供电模块供电时,客室LED灯出现闪烁现象。在检查了供电模块工作状态后,排除了供电模块故障的可能。随后查看外接电源状态时,发现电源电压显著降低,电流明显增大。在为该车更换了参数为110V、30A的直流稳压电源,将最大供电功率提升到了3倍后,客室LED灯可正常工作。
  本文针对该故障,从电路组成、元件性能的角度分析了其原因及解决方案。
  1 LED灯工作原理
  1.1 LED灯结构
  LED灯的主体即一个半导体晶片,一端是负极,另一端连接电源的正极,它们之间形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,即灯珠点亮。
  1.2 LED灯驱动电路
  LED电路具有3个核心组成部分:LED灯珠、驱动电源、散热器及结构件。其中的驱动电路大部分都采用了输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。为了将输出电压限定在允许范围内,同时也为了保持输出电流的平滑,这两种滤波电路中都使用了大容量电容。
  2 电容对于负载电路的作用
  鉴于对LED灯电路结构的探究,可判断出问题出自驱动电路。作为无源元件的电容,在电路中的作用主要如下:
  2.1 滤波
  由于电容的两端电压不会发生突变,那么当电路交流成分处于由谷值进入峰值的状态时,电容就会吸收溢出的电能,降低线路电压;当电路交流成分处于由峰值进入谷值的状态时,电容就会补充不足的电能,提升线路电压。所以,滤波就是电容充电,放电的过程。
  2.2 储能
  储能型电容器也可通过整流器收集电荷,并将存储的能量传送至电源的输出端。根据不同的电源要求,接线方式也会进行相应的更改。常见的电容器包括:电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150 000uF之间的铝电解电容器以及用于高功率设备的罐形螺旋端子电容器。
  3 分析
  通过对LED灯结构和电容功能的分析,得出结论:正是因为照明供电回路中LED驱动芯片的电容成分导致了灯光闪烁的现象。在LED灯驱动电路开始通电时,芯片管脚上的电容会有一个快速充电的过程(这个过程的持续时间是200ms),因此会对线路电流造成一个相当大程度的抬升。若电源的功率不足,满足不了启动功率的需要(即最大电流比启动电流要小),那么LED电路就会不断地进行启动—关断—再次启动—再次关断这样一个循环的过程,最终会出现照明闪烁的现象。随后进行的验证实验充分证明了结论的正确性。
  4 实验过程
  实验过程分为3步:
  (1)关闭30A的直流电源,设置10A的直流电源电压为110V,将其接入电路。观察到客室LED灯闪烁现象。去除其中2个照明供电模块,只为一半的照明供电时,10A可以正常启动照明电路。
  (2)将30A与10A的电源同时接入电路。先启动30A电源,设置电压为110V,客室照明正常点亮,使用钳形电流计测量电源输出电流为4.9A;随后打开10A电源,然后将30A电源关闭,观察到客室照明仍继续正常工作。
  (3)将金属水壶改造为小电阻,串入电源输出端。(示波器只能测量电压的变化,若想得知电流的状态,则必须利用纯阻性负载的伏安特性,将电流的变化转变为负载两端电压的变化。)单独使用10A电源启动照明负载并用示波器测量改造电阻两端电压,得到一个震荡波形。
  该实验充分说明了LED负载的启动功率与工作功率的关系。在LED负载启动的瞬间,因电容充电储能,电路的电流会有一个突然增大的现象。由于工作电压是恒定的,那么启动功率会远大于工作功率。如果有一个大功率电源能够在短时间内满足启动功率,让LED灯进入正常工作状态,此时将大功率电源换成一个小功率电源依旧可以维持负载正常运作。依照实验数据判断,启动功率是正常工作功率的3到4倍。
  5 电源改造方案
  通过分析实验,可确定LED灯故障是因为10A电源不足以负荷启动功率而造成的。遂提出以下方案。
  5.1 10A直流电源线路改造
  在LED供电回路两端并联一个稳压二极管,同时电源和照明供电模块之间串入一限流电阻,电源输出端并联一个电容以补充输出功率,调高外接直流电源的电压值来增大电源总功率。稳压二极管与发光二极管反向并联,起保护作用。一旦发光二极管正向压降过大,超出了稳压二极管的击穿电压,稳压二极管就会将发光二极管短路。而限流电阻主要是为了分压以达到限制线路电流大小的目的。负载功率的增大是因为并联电容的储能作用可以补充电能到干路中去,使输出电流可以更大,以达到提高输出功率的效果。
  5.2 车间配电房24V直流输出线路改造
  车间配电房输出的24V直流电存在很大的交流谐波成分,经示波器测量电源输出波动很大,峰值可达到50V,这无疑会烧坏额定输入为24V的设备。为了得到稳定的输出波形,可以在直流电源的输出端并联一个电容,利用其滤波的作用将线路中的“毛刺”即交流成分转化为直流输出。为了增强线路的稳定性并进一步降低输出端电压,输出端还需并联一个电阻。
  6 结论及思考
  综上所述,故障是由于LED灯驱动电路里的电容元件充电,导致外接电源无法满足啟动功率需求而造成的。因此,相应线路的线缆、断路器、电源容量的选择,需要在标称值的基础上适当提高。如不能满足线路设备启动功率的需求,可参考三相电机进行降压启动,即牺牲瞬时功率来保证线路的平稳运行。
  参考文献:
  [1]李磊.LED照明电源的研究与设计[M].南京:南京理工大学,2013.
  [2]大谷义彦,夏晨.LED照明现状与未来展望[J].中国照明电器,2007(06).
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