LED照明及集中供電方式在軌道車輛上的應(yīng)用

聞興業(yè)，孫利蘋，劉永志，王 新，趙金星

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

LED照明及集中供電方式在軌道車輛上的應(yīng)用

聞興業(yè)，孫利蘋，劉永志，王 新，趙金星

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035）

結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例調(diào)研分析了LED照明在軌道車輛上應(yīng)用的優(yōu)勢，并對LED最新最佳供電方式（集中供電）方案進(jìn)行了深入的研究。

LED照明；鐵道車輛；集中供電

LED做為一種固體發(fā)光源，它是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的光源之一。與傳統(tǒng)光源熒光燈相比，它具有耗電量少、壽命長、抗振性能好、無污染等鮮明優(yōu)點(diǎn)。在全球現(xiàn)有能源短缺的背景下，世界各國紛紛在一些公共場所、商業(yè)領(lǐng)域、城市軌道交通等照明方面，普遍采用LED光源來替代傳統(tǒng)光源，且效果良好。

與傳統(tǒng)的熒光燈管相比較，將重點(diǎn)介紹采用LED為光源所具有的先進(jìn)性，并就采用LED光源時(shí)，去實(shí)現(xiàn)一種最新最優(yōu)的供電方式：集中供電方式。

1 LED照明應(yīng)用到旅客列車上的優(yōu)勢

1.1 光通量的有效利用率高

以新一代高速動(dòng)車組2等客室安裝熒光燈和LED燈的照度計(jì)算為例對比說明。新一代高速動(dòng)車組二等客室照明采用間接照明，燈具安裝在行李架下方行李架翼邊內(nèi)部。燈光由兩部分組成，向下通過行李架翼邊透光板或者側(cè)墻反射照出，向上通過行李架照射在頂板上，如圖1所示。為保證出光效果及散熱，LED燈具不同于熒光燈管的結(jié)構(gòu)，LED燈具截面見圖2。這種結(jié)構(gòu)既保證了LED燈具安裝可與熒光燈互換，也解決了LED出光和散熱問題。

圖1 客室照明

在客室內(nèi)使用熒光燈管時(shí)，在滿足照度要求的情況下，主照明由22支36 W熒光燈管，4支30 W熒光燈管、2支18 W熒光燈管組成。我們將熒光燈管的光效設(shè)定為80 lm/W。但由于透光窗口面積的限制，并不是所有光線都得到了有效利用。根據(jù)實(shí)際圖紙測量估算，熒光燈管的光通量有效利用率為24%。假設(shè)透光玻璃和透光罩的透光率均為85%，那么，2等車中，如果是熒光燈管，則整個(gè)車廂的光通量總和Φ：

圖2 LED燈具截面

在客室內(nèi)使用LED燈具時(shí)，其對應(yīng)的LED燈具的功率分別為30.6，25.5，15.3 W。LED的光效設(shè)定為80 lm/W。其中，LED有67%的光射到頂板上，其余33%的光照向側(cè)墻和窗間。根據(jù)實(shí)際圖紙測量估算，LED燈具上部的LED光通量的有效利用率為54%左右，下部的為30.5%左右。假設(shè)透光玻璃和透光罩的透光率均為85%，LED燈罩的透光率為88%。那么，2等車中是LED燈時(shí)，整個(gè)車廂的光通量總和Φ：

客室內(nèi)環(huán)境條件設(shè)定如下：

客室空間長×寬×高（單位mm）：16 945×3 000× 2 100；

照度測量平面到燈具的距離h：2 100－800＝1 300；

中頂和側(cè)頂為鋁合金，外涂油漆，反射率ρC：70%；玻璃鋼側(cè)墻反射率ρw：50%

聚合材料地板布反射率ρf：10%

平均照度計(jì)算結(jié)果如下：

（1）先計(jì)算熒光燈管方案下的客室平均照度

客室空間比RCR＝（5h（a＋b））/ab

其中RCR為客室空間比；a為客室寬度；b為客室長度；h為工作面到燈具的距離。

據(jù)客室空間比和客室內(nèi)頂板、墻面、地板的反射率，查利用系數(shù)表知：利用系數(shù)采用0.56；維護(hù)系數(shù)采用0.7。

照度計(jì)算公式

其中Eav為平均照度；A為工作面面積，m2；U利用系數(shù)；K為維護(hù)系數(shù)。

（2）LED燈具的客室平均照度

從以上計(jì)算中可以看出，LED在節(jié)能15%的情況下，客室平均照度仍比采用熒光燈管的照度提高了近43%。

1.2 采用LED項(xiàng)目的社會(huì)效益

社會(huì)效益（與傳統(tǒng)日光燈照明做比較）。

（1）與以往的熒光燈相比，LED發(fā)光源無汞污染，具有環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)。

（2）LED光源熱量少，減少了溫室效果。

（3）LED光源的亮度均勻，減少了暗區(qū)的出現(xiàn)，減少了光污染，提高了光的柔和性，給人一種舒適的感覺。

1.3 經(jīng)濟(jì)效益

以8輛編組的動(dòng)車組50列車（288輛）為例，作經(jīng)濟(jì)效益分析。

（1）節(jié)能分析

（2）節(jié)省維修費(fèi)用分析

仍然以8輛編組動(dòng)車50列為例，每支熒光燈管的平均價(jià)格按12元計(jì)算，壽命為3 000 h，每支按8元的維修費(fèi)用，每年的維護(hù)費(fèi)計(jì)算，則（12＋8）元×19 000支燈管×18 h×360 d/3 000 h＝82萬元人民幣，如果加上電子鎮(zhèn)流器每年的維護(hù)費(fèi)用則可達(dá)上百萬元人民幣。而LED平面光源采用長壽命、免維護(hù)的LED光源，可大大的節(jié)約此項(xiàng)開支。

（3）綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

LED平面光源生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格，一次性投入要比日光燈要高一些，還是以8輛編組的動(dòng)車50列為例，如果采用LED平面光源照明每列車增加成本約10萬元，50列為500萬元，但是采用LED平面光源5年基本免維護(hù)，加上節(jié)省電費(fèi)，2年可回收投入，LED平面光源可工作50 000 h，按每天18 h工作，可工作7年以上。8輛編組動(dòng)車組50列車以7年計(jì)算可節(jié)省人民幣2 600萬元以上。

1.4 燈光效果好

使用熒光燈管的燈具有2項(xiàng)缺點(diǎn)是不可避免的：燈罩表面的亮度不均，極容易造成局部的過亮而產(chǎn)生眩光；同時(shí)由于燈角的存在，在兩燈相接處存在陰影而形成明顯的暗區(qū)。而LED燈具則完全沒有上述缺點(diǎn)，由于LED燈具是通過點(diǎn)光源排列組合而成的面光源，能確保燈罩發(fā)光亮度均勻。同時(shí)，采用LED光源，可使燈罩的發(fā)光形式多樣化。燈罩發(fā)光形式可以按照客戶的喜好顯示，比如白玉形式、魚鱗形式、滿天星形式等。滿足人性化設(shè)計(jì)要求，改善乘客的乘車環(huán)境。

1.5 環(huán)保

LED主要材料為硅與銅以及封裝用的樹脂，而熒光燈管中使用了劇毒的汞（單支燈管10 mg左右，歐盟Ro HS指令對其豁免要求為單燈汞含量不大于5 mg。當(dāng)燈管破裂后，汞會(huì)迅速揮發(fā)，其在周圍空氣中的濃度會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到10～20 mg/m3，而國家規(guī)定的汞在空氣中的最高允許濃度為0.01 mg/m3），熒光燈在工作中還會(huì)發(fā)出一定量的紫外線。而紫外線會(huì)加速PC燈罩的老化，增大燈罩的維護(hù)成本。采用LED照明則不存在此類環(huán)境污染問題，在使用中也不會(huì)危害人體健康。

2 LED最新最佳供電方式：集中供電方案

針對LED客室照明推薦一種更優(yōu)的照明系統(tǒng)方案：集中式驅(qū)動(dòng)電源供電方案。

該方案特點(diǎn)：利用LED恒流特性來集中驅(qū)動(dòng)LED燈具，與傳統(tǒng)供電方案相比這種方案具有高效節(jié)能，能夠通過調(diào)節(jié)集中驅(qū)動(dòng)電源的輸出檔位調(diào)節(jié)輸出功率來調(diào)節(jié)照明亮度；避免了一盞燈具一個(gè)逆變電源，大大減少了安裝維護(hù)的時(shí)間和費(fèi)用，也極大的降低了生產(chǎn)成本；緊急照明采取了降低整體的輸出功率來降低亮度，減少了對蓄電池電能的消耗，且能夠保證整個(gè)車廂照明的均勻性和一致性。集中驅(qū)動(dòng)電源更有利于電源的散熱，且其散熱對LED燈體不造成影響。

2.1 集中供電的原理

集中式驅(qū)動(dòng)電源供電方案，其車廂內(nèi)燈具在電氣結(jié)構(gòu)上分為4路燈帶，分別都由DC 110 V供電，車內(nèi)左右兩側(cè)各2路燈具，且間隔分布。燈具的連接方式見圖3。

圖3 燈具連接方式

燈具的連接方式說明：每路燈具的電源由一個(gè)集中式驅(qū)動(dòng)電源供電。當(dāng)某一路燈具損壞了若干盞，由于每路燈帶中的每盞燈在電氣回路上屬于并聯(lián)連接，剩余的燈具將繼續(xù)點(diǎn)亮，亮度可能會(huì)稍比正常偏高一點(diǎn)，但是由于驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部設(shè)置有自動(dòng)的電源電壓檢測回路，而不會(huì)出現(xiàn)燈具燒損或燈具壽命迅速縮短的情況，而間隔的另一路燈帶中的燈具將正常工作，完全不受任何影響。

2.2 緊急照明說明

客室照明驅(qū)動(dòng)電源設(shè)有專門的緊急照明信號(hào)接口，當(dāng)意外造成旅客列車內(nèi)動(dòng)力供電中斷或低壓電源故障時(shí)，緊急照明信號(hào)將由正常的低電平自動(dòng)切換為高電平，客室照明系統(tǒng)將由正常照明模式自動(dòng)切換為緊急照明模式，4個(gè)驅(qū)動(dòng)電源各自接收到一個(gè)高電平緊急照明啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)降低恒流輸出（具體值根據(jù)具體要求確定），從而使車內(nèi)所有燈具照度降低。以節(jié)約車內(nèi)后備電池的電力消耗。

集中驅(qū)動(dòng)電源下的緊急照明能夠給客室提供均勻的照度，而傳統(tǒng)的分散驅(qū)動(dòng)電源供電的緊急照明只在門區(qū)內(nèi)提供照度。

圖4 照明效果圖

2.3 照明亮度調(diào)節(jié)

集中驅(qū)動(dòng)電源供電的另一優(yōu)勢是照度調(diào)節(jié)方便。在多年以后，由于LED光衰，照度降低了，則只需用手動(dòng)調(diào)節(jié)電源底部的撥碼開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一對車內(nèi)照度調(diào)節(jié)，從而解決LED燈具的光衰問題，見圖5。

圖5 亮度對比圖

2.4 集中供電驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源采用高質(zhì)量的電子元器件，為了保證燈具的正常工作，必須采用隔離式電源。

系統(tǒng)采用集中供電方式，供電原理見圖6。

圖6 供電原理圖

通常情況下，每節(jié)車采用4個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，用于整個(gè)客室的照明。供電故障情況下，一節(jié)車上4個(gè)驅(qū)動(dòng)電源各自接到一個(gè)高電平（DC 110 V）緊急照明啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)降低恒流輸出，保證恒流電源將自動(dòng)降低輸出電流至某個(gè)電流（具體值根據(jù)測試亮度＞110 lx確定），從而使車內(nèi)所有燈具照度降低。

驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)能達(dá)到下所列要求：

寬輸入電壓：AC 220～240 V；燈具亮度不可出現(xiàn)明顯的變化或閃爍；具有以下保護(hù)功能：欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過流保護(hù)；使用壽命＞30 000 h；溫度要求：滿足EN 50155/T3要求；充分優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電源的散熱問題；額定電壓、滿功率時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的效率不低于85%；功率：200 W；質(zhì)量：1 kg；每個(gè)電源模塊的輸出分4檔，分別為額定輸出的60%，75%，85%，100%。當(dāng)客室照度距地板面1 m為300 lx時(shí)，輸出檔為60%。

圖7 驅(qū)動(dòng)電源外形圖

2.5 關(guān)于集中供電冗余設(shè)計(jì)

由于集中供電方式是通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源來控制同一路電路中的多個(gè)燈具，當(dāng)這一路中的一個(gè)燈具或多個(gè)燈具不亮?xí)r，是不會(huì)影響其他燈具正常工作的。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其控制的一路所有燈具不亮，因此，我們可對驅(qū)動(dòng)電源做冗余設(shè)計(jì)，通常的做法是采用雙備份電源。同一電路上的燈具均由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源控制，一個(gè)電源正常工作，另一個(gè)電源處于備份狀態(tài)，一旦一個(gè)電源出現(xiàn)故障，將自動(dòng)切換到另一個(gè)電源工作。

電源的備份通常分2種方式：熱備份與冷備份。建議采用熱備份。關(guān)于熱的介紹，詳細(xì)說明見圖7和圖8。

圖8 熱備份方案簡圖

熱備份方案是基于線路最簡潔的設(shè)計(jì)。如圖7電源通電后，從電源工作在輕載或者半載的狀態(tài)。當(dāng)主電源故障或無輸出的時(shí)候，從電源工作在滿載狀態(tài)?，F(xiàn)在的熱備份相當(dāng)于在原來電源上并聯(lián)了一個(gè)電源。當(dāng)然熱備份方案也可以設(shè)計(jì)為從電源待機(jī)狀態(tài)（圖9）。

U270.38＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.06

1008－7842（2014）01－0034－04

3—）男，高級工程師（

2013－09－23）