LED照明及集中供電方式在軌道車輛上的應用

聞興業，孫利蘋，劉永志，王 新，趙金星

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

LED照明及集中供電方式在軌道車輛上的應用

聞興業，孫利蘋，劉永志，王 新，趙金星

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

結合具體應用實例調研分析了LED照明在軌道車輛上應用的優勢，并對LED最新最佳供電方式（集中供電）方案進行了深入的研究。

LED照明；鐵道車輛；集中供電

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

與傳統的熒光燈管相比較，將重點介紹采用LED為光源所具有的先進性，并就采用LED光源時，去實現一種最新最優的供電方式：集中供電方式。

1 LED照明應用到旅客列車上的優勢

1.1 光通量的有效利用率高

以新一代高速動車組2等客室安裝熒光燈和LED燈的照度計算為例對比說明。新一代高速動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部。燈光由兩部分組成，向下通過行李架翼邊透光板或者側墻反射照出，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構，LED燈具截面見圖2。這種結構既保證了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

在客室內使用熒光燈管時，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。根據實際圖紙測量估算，熒光燈管的光通量有效利用率為24%。假設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，則整個車廂的光通量總和Φ：

圖2 LED燈具截面

在客室內使用LED燈具時，其對應的LED燈具的功率分別為30.6，25.5，15.3 W。LED的光效設定為80 lm/W。其中，LED有67%的光射到頂板上，其余33%的光照向側墻和窗間。根據實際圖紙測量估算，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，整個車廂的光通量總和Φ：

客室內環境條件設定如下：

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；

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

聚合材料地板布反射率ρf：10%

平均照度計算結果如下：

（1）先計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。

據客室空間比和客室內頂板、墻面、地板的反射率，查利用系數表知：利用系數采用0.56；維護系數采用0.7。

照度計算公式

其中Eav為平均照度；A為工作面面積，m2；U利用系數；K為維護系數。

（2）LED燈具的客室平均照度

從以上計算中可以看出，LED在節能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項目的社會效益

社會效益（與傳統日光燈照明做比較）。

（1）與以往的熒光燈相比，LED發光源無汞污染，具有環保、節能等特點。

（2）LED光源熱量少，減少了溫室效果。

（3）LED光源的亮度均勻，減少了暗區的出現，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 經濟效益

以8輛編組的動車組50列車（288輛）為例，作經濟效益分析。

（1）節能分析

（2）節省維修費用分析

仍然以8輛編組動車50列為例，每支熒光燈管的平均價格按12元計算，壽命為3 000 h，每支按8元的維修費用，每年的維護費計算，則（12＋8）元×19 000支燈管×18 h×360 d/3 000 h＝82萬元人民幣，如果加上電子鎮流器每年的維護費用則可達上百萬元人民幣。而LED平面光源采用長壽命、免維護的LED光源，可大大的節約此項開支。

（3）綜合經濟效益分析

LED平面光源生產工藝要求嚴格，一次性投入要比日光燈要高一些，還是以8輛編組的動車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，加上節省電費，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輛編組動車組50列車以7年計算可節省人民幣2 600萬元以上。

1.4 燈光效果好

使用熒光燈管的燈具有2項缺點是不可避免的：燈罩表面的亮度不均，極容易造成局部的過亮而產生眩光；同時由于燈角的存在，在兩燈相接處存在陰影而形成明顯的暗區。而LED燈具則完全沒有上述缺點，由于LED燈具是通過點光源排列組合而成的面光源，能確保燈罩發光亮度均勻。同時，采用LED光源，可使燈罩的發光形式多樣化。燈罩發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。滿足人性化設計要求，改善乘客的乘車環境。

1.5 環保

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。當燈管破裂后，汞會迅速揮發，其在周圍空氣中的濃度會在極短時間內達到10～20 mg/m3，而國家規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發出一定量的紫外線。而紫外線會加速PC燈罩的老化，增大燈罩的維護成本。采用LED照明則不存在此類環境污染問題，在使用中也不會危害人體健康。

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的照明系統方案：集中式驅動電源供電方案。

該方案特點：利用LED恒流特性來集中驅動LED燈具，與傳統供電方案相比這種方案具有高效節能，能夠通過調節集中驅動電源的輸出檔位調節輸出功率來調節照明亮度；避免了一盞燈具一個逆變電源，大大減少了安裝維護的時間和費用，也極大的降低了生產成本；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，且能夠保證整個車廂照明的均勻性和一致性。集中驅動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

集中式驅動電源供電方案，其車廂內燈具在電氣結構上分為4路燈帶，分別都由DC 110 V供電，車內左右兩側各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集中式驅動電源供電。當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連接，剩余的燈具將繼續點亮，亮度可能會稍比正常偏高一點，但是由于驅動電源內部設置有自動的電源電壓檢測回路，而不會出現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

客室照明驅動電源設有專門的緊急照明信號接口，當意外造成旅客列車內動力供電中斷或低壓電源故障時，緊急照明信號將由正常的低電平自動切換為高電平，客室照明系統將由正常照明模式自動切換為緊急照明模式，4個驅動電源各自接收到一個高電平緊急照明啟動信號，自動降低恒流輸出（具體值根據具體要求確定），從而使車內所有燈具照度降低。以節約車內后備電池的電力消耗。

集中驅動電源下的緊急照明能夠給客室提供均勻的照度，而傳統的分散驅動電源供電的緊急照明只在門區內提供照度。

圖4 照明效果圖

2.3 照明亮度調節

集中驅動電源供電的另一優勢是照度調節方便。在多年以后，由于LED光衰，照度降低了，則只需用手動調節電源底部的撥碼開關，即可實現統一對車內照度調節，從而解決LED燈具的光衰問題，見圖5。

圖5 亮度對比圖

2.4 集中供電驅動電源

驅動電源采用高質量的電子元器件，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，每節車采用4個驅動電源，用于整個客室的照明。供電故障情況下，一節車上4個驅動電源各自接到一個高電平（DC 110 V）緊急照明啟動信號，自動降低恒流輸出，保證恒流電源將自動降低輸出電流至某個電流（具體值根據測試亮度＞110 lx確定），從而使車內所有燈具照度降低。

驅動電源應能達到下所列要求：

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

圖7 驅動電源外形圖

2.5 關于集中供電冗余設計

由于集中供電方式是通過一個驅動電源來控制同一路電路中的多個燈具，當這一路中的一個燈具或多個燈具不亮時，是不會影響其他燈具正常工作的。但當驅動電源故障時，會導致其控制的一路所有燈具不亮，因此，我們可對驅動電源做冗余設計，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驅動電源控制，一個電源正常工作，另一個電源處于備份狀態，一旦一個電源出現故障，將自動切換到另一個電源工作。

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。關于熱的介紹，詳細說明見圖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計。如圖7電源通電后，從電源工作在輕載或者半載的狀態。當主電源故障或無輸出的時候，從電源工作在滿載狀態。現在的熱備份相當于在原來電源上并聯了一個電源。當然熱備份方案也可以設計為從電源待機狀態（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）