LED照明及集中供电方式在轨道车辆上的应用

闻兴业，孙利苹，刘永志，王 新，赵金星

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

LED照明及集中供电方式在轨道车辆上的应用

闻兴业，孙利苹，刘永志，王 新，赵金星

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）

结合具体应用实例调研分析了LED照明在轨道车辆上应用的优势，并对LED最新最佳供电方式（集中供电）方案进行了深入的研究。

LED照明；铁道车辆；集中供电

LED做为一种固体发光源，它是21世纪最有发展前景的光源之一。与传统光源荧光灯相比，它具有耗电量少、寿命长、抗振性能好、无污染等鲜明优点。在全球现有能源短缺的背景下，世界各国纷纷在一些公共场所、商业领域、城市轨道交通等照明方面，普遍采用LED光源来替代传统光源，且效果良好。

与传统的荧光灯管相比较，将重点介绍采用LED为光源所具有的先进性，并就采用LED光源时，去实现一种最新最优的供电方式：集中供电方式。

1 LED照明应用到旅客列车上的优势

1.1 光通量的有效利用率高

以新一代高速动车组2等客室安装荧光灯和LED灯的照度计算为例对比说明。新一代高速动车组二等客室照明采用间接照明，灯具安装在行李架下方行李架翼边内部。灯光由两部分组成，向下通过行李架翼边透光板或者侧墙反射照出，向上通过行李架照射在顶板上，如图1所示。为保证出光效果及散热，LED灯具不同于荧光灯管的结构，LED灯具截面见图2。这种结构既保证了LED灯具安装可与荧光灯互换，也解决了LED出光和散热问题。

图1 客室照明

在客室内使用荧光灯管时，在满足照度要求的情况下，主照明由22支36 W荧光灯管，4支30 W荧光灯管、2支18 W荧光灯管组成。我们将荧光灯管的光效设定为80 lm/W。但由于透光窗口面积的限制，并不是所有光线都得到了有效利用。根据实际图纸测量估算，荧光灯管的光通量有效利用率为24%。假设透光玻璃和透光罩的透光率均为85%，那么，2等车中，如果是荧光灯管，则整个车厢的光通量总和Φ：

图2 LED灯具截面

在客室内使用LED灯具时，其对应的LED灯具的功率分别为30.6，25.5，15.3 W。LED的光效设定为80 lm/W。其中，LED有67%的光射到顶板上，其余33%的光照向侧墙和窗间。根据实际图纸测量估算，LED灯具上部的LED光通量的有效利用率为54%左右，下部的为30.5%左右。假设透光玻璃和透光罩的透光率均为85%，LED灯罩的透光率为88%。那么，2等车中是LED灯时，整个车厢的光通量总和Φ：

客室内环境条件设定如下：

客室空间长×宽×高（单位mm）：16 945×3 000× 2 100；

照度测量平面到灯具的距离h：2 100－800＝1 300；

中顶和侧顶为铝合金，外涂油漆，反射率ρC：70%；玻璃钢侧墙反射率ρw：50%

聚合材料地板布反射率ρf：10%

平均照度计算结果如下：

（1）先计算荧光灯管方案下的客室平均照度

客室空间比RCR＝（5h（a＋b））/ab

其中RCR为客室空间比；a为客室宽度；b为客室长度；h为工作面到灯具的距离。

据客室空间比和客室内顶板、墙面、地板的反射率，查利用系数表知：利用系数采用0.56；维护系数采用0.7。

照度计算公式

其中Eav为平均照度；A为工作面面积，m2；U利用系数；K为维护系数。

（2）LED灯具的客室平均照度

从以上计算中可以看出，LED在节能15%的情况下，客室平均照度仍比采用荧光灯管的照度提高了近43%。

1.2 采用LED项目的社会效益

社会效益（与传统日光灯照明做比较）。

（1）与以往的荧光灯相比，LED发光源无汞污染，具有环保、节能等特点。

（2）LED光源热量少，减少了温室效果。

（3）LED光源的亮度均匀，减少了暗区的出现，减少了光污染，提高了光的柔和性，给人一种舒适的感觉。

1.3 经济效益

以8辆编组的动车组50列车（288辆）为例，作经济效益分析。

（1）节能分析

（2）节省维修费用分析

仍然以8辆编组动车50列为例，每支荧光灯管的平均价格按12元计算，寿命为3 000 h，每支按8元的维修费用，每年的维护费计算，则（12＋8）元×19 000支灯管×18 h×360 d/3 000 h＝82万元人民币，如果加上电子镇流器每年的维护费用则可达上百万元人民币。而LED平面光源采用长寿命、免维护的LED光源，可大大的节约此项开支。

（3）综合经济效益分析

LED平面光源生产工艺要求严格，一次性投入要比日光灯要高一些，还是以8辆编组的动车50列为例，如果采用LED平面光源照明每列车增加成本约10万元，50列为500万元，但是采用LED平面光源5年基本免维护，加上节省电费，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辆编组动车组50列车以7年计算可节省人民币2 600万元以上。

1.4 灯光效果好

使用荧光灯管的灯具有2项缺点是不可避免的：灯罩表面的亮度不均，极容易造成局部的过亮而产生眩光；同时由于灯角的存在，在两灯相接处存在阴影而形成明显的暗区。而LED灯具则完全没有上述缺点，由于LED灯具是通过点光源排列组合而成的面光源，能确保灯罩发光亮度均匀。同时，采用LED光源，可使灯罩的发光形式多样化。灯罩发光形式可以按照客户的喜好显示，比如白玉形式、鱼鳞形式、满天星形式等。满足人性化设计要求，改善乘客的乘车环境。

1.5 环保

LED主要材料为硅与铜以及封装用的树脂，而荧光灯管中使用了剧毒的汞（单支灯管10 mg左右，欧盟Ro HS指令对其豁免要求为单灯汞含量不大于5 mg。当灯管破裂后，汞会迅速挥发，其在周围空气中的浓度会在极短时间内达到10～20 mg/m3，而国家规定的汞在空气中的最高允许浓度为0.01 mg/m3），荧光灯在工作中还会发出一定量的紫外线。而紫外线会加速PC灯罩的老化，增大灯罩的维护成本。采用LED照明则不存在此类环境污染问题，在使用中也不会危害人体健康。

2 LED最新最佳供电方式：集中供电方案

针对LED客室照明推荐一种更优的照明系统方案：集中式驱动电源供电方案。

该方案特点：利用LED恒流特性来集中驱动LED灯具，与传统供电方案相比这种方案具有高效节能，能够通过调节集中驱动电源的输出档位调节输出功率来调节照明亮度；避免了一盏灯具一个逆变电源，大大减少了安装维护的时间和费用，也极大的降低了生产成本；紧急照明采取了降低整体的输出功率来降低亮度，减少了对蓄电池电能的消耗，且能够保证整个车厢照明的均匀性和一致性。集中驱动电源更有利于电源的散热，且其散热对LED灯体不造成影响。

2.1 集中供电的原理

集中式驱动电源供电方案，其车厢内灯具在电气结构上分为4路灯带，分别都由DC 110 V供电，车内左右两侧各2路灯具，且间隔分布。灯具的连接方式见图3。

图3 灯具连接方式

灯具的连接方式说明：每路灯具的电源由一个集中式驱动电源供电。当某一路灯具损坏了若干盏，由于每路灯带中的每盏灯在电气回路上属于并联连接，剩余的灯具将继续点亮，亮度可能会稍比正常偏高一点，但是由于驱动电源内部设置有自动的电源电压检测回路，而不会出现灯具烧损或灯具寿命迅速缩短的情况，而间隔的另一路灯带中的灯具将正常工作，完全不受任何影响。

2.2 紧急照明说明

客室照明驱动电源设有专门的紧急照明信号接口，当意外造成旅客列车内动力供电中断或低压电源故障时，紧急照明信号将由正常的低电平自动切换为高电平，客室照明系统将由正常照明模式自动切换为紧急照明模式，4个驱动电源各自接收到一个高电平紧急照明启动信号，自动降低恒流输出（具体值根据具体要求确定），从而使车内所有灯具照度降低。以节约车内后备电池的电力消耗。

集中驱动电源下的紧急照明能够给客室提供均匀的照度，而传统的分散驱动电源供电的紧急照明只在门区内提供照度。

图4 照明效果图

2.3 照明亮度调节

集中驱动电源供电的另一优势是照度调节方便。在多年以后，由于LED光衰，照度降低了，则只需用手动调节电源底部的拨码开关，即可实现统一对车内照度调节，从而解决LED灯具的光衰问题，见图5。

图5 亮度对比图

2.4 集中供电驱动电源

驱动电源采用高质量的电子元器件，为了保证灯具的正常工作，必须采用隔离式电源。

系统采用集中供电方式，供电原理见图6。

图6 供电原理图

通常情况下，每节车采用4个驱动电源，用于整个客室的照明。供电故障情况下，一节车上4个驱动电源各自接到一个高电平（DC 110 V）紧急照明启动信号，自动降低恒流输出，保证恒流电源将自动降低输出电流至某个电流（具体值根据测试亮度＞110 lx确定），从而使车内所有灯具照度降低。

驱动电源应能达到下所列要求：

宽输入电压：AC 220～240 V；灯具亮度不可出现明显的变化或闪烁；具有以下保护功能：欠电压保护、过电压保护、过流保护；使用寿命＞30 000 h；温度要求：满足EN 50155/T3要求；充分优化驱动电源的散热问题；额定电压、满功率时驱动电源的效率不低于85%；功率：200 W；质量：1 kg；每个电源模块的输出分4档，分别为额定输出的60%，75%，85%，100%。当客室照度距地板面1 m为300 lx时，输出档为60%。

图7 驱动电源外形图

2.5 关于集中供电冗余设计

由于集中供电方式是通过一个驱动电源来控制同一路电路中的多个灯具，当这一路中的一个灯具或多个灯具不亮时，是不会影响其他灯具正常工作的。但当驱动电源故障时，会导致其控制的一路所有灯具不亮，因此，我们可对驱动电源做冗余设计，通常的做法是采用双备份电源。同一电路上的灯具均由两个驱动电源控制，一个电源正常工作，另一个电源处于备份状态，一旦一个电源出现故障，将自动切换到另一个电源工作。

电源的备份通常分2种方式：热备份与冷备份。建议采用热备份。关于热的介绍，详细说明见图7和图8。

图8 热备份方案简图

热备份方案是基于线路最简洁的设计。如图7电源通电后，从电源工作在轻载或者半载的状态。当主电源故障或无输出的时候，从电源工作在满载状态。现在的热备份相当于在原来电源上并联了一个电源。当然热备份方案也可以设计为从电源待机状态（图9）。

U270.38＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.06

1008－7842（2014）01－0034－04

3—）男，高级工程师（

2013－09－23）