CC BY
15
ОБЧИСЛЮВАЛЬШ СИСТЕМИ
УДК 620.9.004.18
а.о. морозов , в.п. клименко , в.б. корбут , м.г. тевлев, В.Г. БУТКО
РОЗРОБКА ЕНЕРГОЗБЕРIГАЮЧОï СИСТЕМИ СВГГЛОДЮДНОГО ОСВ1ТЛЕННЯ ДЛЯ ВАГОН1В МЕТРО
1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши, м. Кшв, Украша_
Анотаця. Описан основн техтчю ршення, використан при розробц i впровадженн енергозбе-р1гаючих свiтлодiодних систем освiтлення ваготв метро KypeHiecbK0-4epe0H0apMi^bK0ï лтп Кигвського метрополiтену, i результати експлуатацИ' систем освiтлення вагомв метро, розроб-лених i впроваджених 1ПММС. Установлено, що у порiвняннi 3i стандартними системами освiт-лення з люмiнесцентними свiтильниками свiтлодiоднi системи забезпечують економт електроенергп в 3,5рази i збтьшення освiтленостi бтьше тжу 1,5 рази.
Ключов1 слова: енергозбереження, свiтлодiод, освiтлювальнi системи, освiтлювальнi пристрог, джерела живлення, освтлетсть.
Аннотация. Описаны основные технические решения, использованные при разработке и внедрении энергосберегающих светодиодных систем освещения вагонов метро Куренёвско-Красноармейской линии Киевского метрополитена, и результаты эксплуатации систем освещения вагонов метро, разработанных и внедренных ИПММС. Установлено, что по сравнению со стандартными системами освещения с люминесцентными светильниками светодиодные системы обеспечивают экономию электроэнергии в 3,5 раза и увеличение освещенности больше чем в 1,5 раза.
Ключевые слова: энергосбережение, светодиод, осветительные системы, осветительные устройства, источники питания, освещенность.
Abstract. The main technical solutions used under the development and implementation of energy-saving LED lighting systems for metro coaches of the Kurenivsko-Chervonoarmiyska Lines of Kyiv Metro, and the results of operating lighting systems for metro coaches developed and implemented by IPMMS are described. It is established that compared to standard lighting systems with fluorescent lamps, LED systems provide energy savings of 3,5 times and an increase in illumination more than 1,5 times. Keywords: energy-saving, LED, lighting systems, lighting devices, power supplies, illumination.
1. Вступ
Бшьшють юнуючих систем осв^лення до недавнього часу виконувались на лампах розжа-рення, люмшесцентних та галогенових лампах, яю мають багато вад, у тому чист велике тепловидшення, ультрафюлетове та шфрачервоне випромшювання, велике споживання електроенергп, необхщшсть часто! замши ламп, яю вийшли з ладу. Ц вади вщсутш у свгг-лодюдних св^ильниках.
У провщних кранах св^у широко впроваджуються св^лодюдш джерела св^ла, яю дозволяють значно зменшити витрати електроенергп на осв^лення, а також скоротити ви-трати на обладнання електромереж i осв^лювальне обладнання, тдвищити еколопчну безпеку. В останш роки в Укршш також широко впроваджуються св^лодюдш системи осв^лення у промисловосп, на транспорт^ в комунальнш сферi [1].
На замовлення комунального тдприемства «Кшвський метропол^ен» 1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши (1ПММС НАН Украши) розробив енергозбер^аючу св^лодюдну систему салонного осв^лення вагошв метро моделей 81-
© Морозов А.О., Клименко В.П., |Корбут В.Б.|, 1евлев М.Г., Бутко В.Г., 2018 ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2018, № 2
717, 81-714. Розробленими св^лодюдними модулями переобладнаш 50 вагошв Курешвсь-ко-Червоноармшсько'1' лшп Кшвського метрополiтенy.
2. Виб1р свiтлодiодiв для освгглювальних пристроУв вагон1в метро
На сьогодшшнш день на втизняному ринку достyпнi свiтлодiоди ycix вщомих свiтових виробникiв. Це свiтлодiоди фiрм Osram, Philips Lumiled, Edison Opto, Cree та ш. Маючи майже однаковi свiтловi параметри, вони вiдрiзняються один вiд одного суто електрични-ми параметрами, такими як споживана потужшсть, пряме падiння напруги Unp при нормо-
ваному прямому crpyivri 1 (у техшчшй документацп виробниюв Iпр =350 мА), максимальна робоча температура та тепловий отр - на межi кристал-тепловiдвiд. Гарантований строк безвщмовно'1' роботи свiтлодiодiв майже ус виробники дають однаковий - 100 000 годин.
Ще одним, дуже важливим, чинником для розробника осв^лювальних пристро'1'в е цiна люмена. Цю цифру можна отримати, роздiливши вартють свiтлодiода (грн) на його св^лову вiддачy (лм).
Отже, критерiй вибору свiтлодiодiв для освiтлювальних пристро'1'в можна сформу-лювати таким чином: використовувати св^лодюди з найбiльшою ефективнiстю лм/Вт при прямому стрyмi 350 мА, яю мають найменше пряме падшня напруги, найвищу робочу температуру, найменший тепловий опiр та мшмальну цiнy люмена. В деяких випадках мае велике значення ще один чинник, а саме, максимальний прямий струм, при якому може працювати свiтлодiод. Як бачимо, цей критерш мае багато протирiч. I перше з них у тому, що свiтлодiоди з найбшьшою ефективнiстю мають i найвищу щну люмена. Тому завжди треба знаходити розумн компромiси при виборi свiтлодiодiв рiзних виробникiв. Iнодi ви-пдтше використати в освiтлювальномy приладi бшьше менш ефективних, але дешевших свiтлодiодiв, замiсть меншо'1' кiлькостi бiльш ефективних, але значно дорожчих.
Порiвняння щни люмена у схожих свiтлодiодiв рiзних виробникiв показуе, що най-вища цiна люмена у фiрми Osram, а найменша - у фiрми Cree. При цьому свiтлодiоди фiр-ми Cree мають прийнятну, для наших застосувань, ефектившсть (114-120 лм/Вт), пряме падшня напруги 3 В при стрyмi 350 мА, високу робочу температуру та низький тепловий отр [2].
У техтчному завданн на замшу люмшесцентних ламп у вагонах Кшвського метро-полiтенy на св^лодюдш свiтильники були дуже жорстю вимоги до потужносп, яку спо-живае система освiтлення вагона, при осв^леносп на рiвнi сидiнь 110 лк. Ця потyжнiсть обмежувалась рiвнем 300 Вт. Саме тому для реалiзацii цього проекту були вибраш св^ло-дiоди фiрми Cree. В результат було отримано споживану потужшсть 257 Вт, забезпечив-ши осв^лешсть на рiвнi сидiнь 160 лк, що повшстю задовольняе вимогам Саштарно-епiдемiологiчних правил СП 2.5.1337-03.
3. Розробка джерела живлення для осв1тлювальних прилад1в
Технiчне завдання на розробку системи осв^лення вагонiв метрополiтенy серш 81-714, 81717 обумовлюе живлення св^ильниюв вiд бортово'1' мережi вагона з напругою 80±4 В. При цьому светильники повиннi пiдключатися паралельно. Випробування макета св^ильника показали, що для замши двох люмшесцентних ламп потужшстю 40 Вт кожна, достатньо 20-24 одноватних свiтлодiодiв. При цьому сучасш свiтлодiоди серп Xlamp фiрми Cree за-безпечать сумарний св^ловий потiк 2400-2500 лм при номшальному стрyмi через них 0,35 А. При такому стрyмi пряме падшня напруги на одному дiодi складе 3 В, а загальне падшня напруги на 24 сполучених послщовно свгтлодюдах - 72 В. Найпроспшим варiан-том було б живлення свiтлодiодiв вiд лiнiйного стабiлiзатора струму, виконаного на штег-ральному «Lowdrop», регульованому лiнiйномy стабiлiзаторi напруги. Проте використання
такого стабшзатора струму викликае великi втрати потужносп за рахунок низького, порядку 30-50%, коефщента корисно'1 дп останнього.
Перевагу у цьому випадку мае застосування iмпульсного перетворювача напруги з Ш1М регулюванням. ККД такого перетворювача може досягати 80-90%. У даний час про-вщш фiрми-виробники електронних компонентiв випускають велику номенклатуру мшро-схем для побудови таких перетворювачiв. Серед усiх цих мшросхем видiляеться група спецiалiзованих компонентiв, призначених для побудови перетворювачiв для живлення свiтлодiодiв зi стабiльним струмом на виходь Багато цих мiкросхем мають входи для управлшня яскравiстю свiтлодiодiв, змiною рiвня постшно!' напруги на них або Ш1М сигналом.
В iдеалi мiкросхема для побудови джерела живлення св^ильниюв для вагонiв мет-рополiтену повинна мати такi характеристики:
- широкий, до 100-120 В, дiапазон вхщно'1 напруги;
- можливють установки будь-яко'1 напруги в межах половини вхщно!', вихщно'1 на-
пруги;
- можливють установки i пiдтримки номшального струму для свiтлодiодiв рiзних титв i виробникiв;
- можливiсть управлшня яскравютю (DIMMING) свiтлодiодiв, як аналоговим, так i Ш1М сигналом;
- доступшсть в Укршш при хорошому спiввiдношеннi цiна/якiсть.
Перерахованим вище вимогам задовольняе лише одна з доступних на ринку Украь
ни мшросхем - HV9910B фiрми Supertex [3].
Мшросхема HV9910B призначена для побудови високоефективних, з ККД бшьше 90%, джерел живлення свiтлодiодiв з Ш1М управлшням. Застосування ще'1 мiкросхеми дозволяе проектувати AC/DC i DC/DC перетворювачi в дiапазонi живлячо'1 напруги вщ 8 до 450 В. HV9910B управляе зовшшшм транзистором MOSFET з фшсованою частотою перемикання до 300 кГц. Частота перемикання задаеться единим резистором. Ланцюжок свiтлодiодiв живиться стабшьним струмом, а не напругою, що забезпечуе постшний св№ ловий потш. Вихiдний струм перетворювача може програмуватися величиною вщ декшь-кох мА до 1 А.
Внутршнш стабшзатор живлення HV9910B добре iзольований вщ решти схеми, що дозволяе витримувати сплески вхщно'1 напруги аж до 450 В. Вихщний струм перетворювача може задаватися вщ нуля до максимального значення змшою величини напруги на аналоговому входi «dimming» мшросхеми. Мiкросхема мае другий вхщ змiни яскравостi свiтлодiодiв у дiапазонi 0-100% подачею низькочастотного, приблизно декшька кiлогерц, Ш1М сигналу.
Мiкросхема HV9910B, залежно вщ вхщно'1 напруги, може живити стабшьним струмом вщ одного до сотш свiтлодiодiв. При цьому необхщно дотримуватися умови, згщно з якою максимальна вихiдна напруга не повинна перевищувати половини мшмаль-
но'1 вхщно'1 напруги £/Bxmin . Таким чином, кiлькiсть свiтлодiодiв у послiдовному ланцюзi не
може перевищувати 12 штук (Ueux max = 12*3=36 В < 76/2=38 В).
Перераховаш вище особливостi HV9910B дозволяють використовувати ii для ство-рення самих рiзних джерел живлення, зокрема:
- AC/DC або DC/DC перетворювачiв для живлення свiтлодiодiв стабшьним стру-
мом;
- джерел постшного струму загального застосування;
- пристро'1'в для зарядки акумуляторiв i т.п.
Базова схема перетворювача для живлення свiтлодiодiв стабшьним струмом показана на рис. 1.
BAT
ИУ9910 8
VD1
Vin
VDD ROSK
LD GATE
РШШП г»
GND
3
4
R1
9
Рис. 1. Базова схема перетворювача для живлення свiтлодiодiв
Резистор R1 задае частоту перемикання перетворювача, а е датчиком струму через св1тлодюди. Виконаемо розрахунок основних елеменпв джерела живлення. Похщш даш для розрахунку зведеш в табл. 1.
Таблиця 1. Похщш даш для розрахунку
№ п/п Найменування параметра Значення Одиниця вим1рювання
1 . . . * Вх1дна напруга мшшальна, ивх ^ 76 В
2 . . * Вх1дна напруга ном1нальна, и^ном 80 В
3 . * Вх1дна напруга максимальна, ивх тах 84 В
4 . . . ** Вихщна напруга м1н1мальна, ивж тт 30 В
5 . . ** Вих1дна напруга номшальна, ивтном 33 В
6 . ** Вих1дна напруга максимальна, ивжтах 36 В
7 Номшальний струм через св1тлодюди, /вих 0,35 л
8 Частота перемикання середня, ^ 100 кГц
9 Передбачуваний ККД 85 %
- дiапазон вхщно! напруги визначаеться Технiчним завданням «Розробка енергозберiгаючих осв> тлювальних св^лодюдних модулiв та блокiв живлення до них для салонного осв^лення вагошв метрополитену типiв 81-717, 81-714 та 1х модифшацш».
- дiапазон вихщно! напруги визначаеться кiлькiстю свiтлодiодiв у послщовному ланцюзi: 30 В -10 свiтлодiодiв; 33 В - 11 свiтлодiодiв; 36 В - 12 свiтлодiодiв.
ЕТАП 1: Виб1р номшально! частоти перемикання
Хоча частота перемикання перетворювача змшюеться залежно вщ вхщно'1/вихщно'1 напруги, номшальна частота перемикання може бути вибрана 1 встановлена. Велика частота перетворення типова для малих величин шдуктивностей L1, але при цьому збшьшують-ся 1 втрати у схемк Типовою частотою перемикання, яка рекомендуеться виробником м1к-росхем, е ^ =100 кГц; при цьому перюд коливань складе
Т_
1
пер. ном.
= 10 мс.
(1)
ЕТАП 2: Розрахунок часу виключення 1 величини резистора Ш1
Час, протягом якого ключ Q1 закритий (ой1 - time), може бути обчислено за форму-
лою
1
2
т =
закр.
' и л
2__вих.ном.
V и
\ вх.ном. /
Т (2)
пер.ном. V /
Час Т встановлюеться резистором Я1, величина якого може бути отримана з такого виразу:
Я1 = Гзакр -25-22. (3)
У нашому випадку 7^акр = 5,875 мс, Ш = 124,875 кОм, а робочий цикл (перюд часу, протягом якого транзистор Q1 вщкритий) складае 41,25%. ЕТАП 3: Розрахунок шдуктивносп дроселя Ы1
Величина шдуктивносп Ы1 залежить вiд необхщного розмаху пульсацiй вихiдного струму перетворювача. Зазвичай допускаеться 30% розмахiв пульсацш вихiдного струму. У цьому випадку величина шдуктивносп Ы1 буде
Т
п=ТГ ■_закр- (4)
ВИХ.НОМ. Г\ О 7" * ^ '
~> вих.
Максимальний струм через дросель буде дещо бшыпим, шж 1,3-/вих , а ефективна величина струму через дросель - нижча /вих . Для нашого випадку шдуктившсть дроселя складе 184,64 мс, а максимальний струм через нього 0,455 А. ЕТАП 4: Розрахунок датчика струму - резистора Я 2
Максимальний струм / , що протшае через датчик струму, визначаеться виразом
(и -Т )
J _ г ^ V вих.ном. закр./ .
дс вих. 2/Д '
Величина резистора Я2 може бути обчислена як
(6)
/ '
ДС
якщо використовуеться внутршня опорна напруга мiкросхеми, що складае 0,25 В на виве-денш LD.
Потужнiсть Рроз, що розаюеться резистором Я2, може бути обчислена з виразу
Поз. Свих. ^
ги л
вих. шах V ^вх.шт J
■Я2. (7)
Для нашого випадку /дс = 0,4027А, Я2 = 0,62 кОм, Рроз = 0,036Вт . ЕТАП 5: Вибiр MOSFET транзистора Q1 i дiода VD1
Максимальна напруга и , на яку повинен бути розрахований транзистор, залежить вiд максимально! вхщно! напруги ивхтах. Вибираючи 50-процентний запас по напрузi, отримуемо
(8)
Максимальне середне значення струму через транзистор складе
(9)
Лр. ^вих.
ги л
вих. шах
V ^. ПИП )
У нашому випадку максимальна напруга, яка прикладаеться до транзистора, и = 1265, а середнезначения струму через нього I =0,241 А.
При вибор1 транзистора слщ керуватися тим, що вш повинен мати велию, в пор1в-нянш з розрахунковими, максимальш напругу та струм 1 при цьому мш1мальний отр випк - спк Двс. Останнш чинник впливае на величину втрат у транзистор!. Велике значення мае також конструкщя (тип корпусу транзистора).
Вибираемо транзистор IRF7450 в корпус! SO-8, що мае так! параметри:
и^ = 200 В, = 2А,ЯВС = 130 мОм .
Максимальна напруга, яка прикладаеться до дюда, така ж, як ! на транзистор!:
ил=и^=\26В. (10)
А максимальний струм через дюд складе
/ = /
' и
^_ вих.ном.
Д
V ^ вх.тах )
= 0,415 А . (11)
Для нашого проекту понад усе шдходить дюд Шотки з IIл = 200 В ! I = \А . ЕТАП 6: Анал1з вар1ац1й частоти перемикання
Два крайш (мшмальне 1 максимальне) значення частоти перемикання можуть бути обчислеш з вираз1в:
1
' и л
^__в их. шах
р _ " _ V_вх.гшп ; П 2")
пер.тт т т ^ ^ '
Т Т
пер.тах закр.
' и ■ Л
^_ вих.тт
Т7 — ' _ V ^вх.тах У
пер.тах у-г Т '
пер.min закр.
У нашому проект! частота перемикання змшюеться вщ ГперпАп =89,586 кГц при и =Ъ6В\и - = 16В до Г = 109,422 кГц при II - =30 В\11 =84 В.
еих.тах ех.тт ^ пер.тах. ^ "г вих.тт вх.тах
Оскшьки в осв^лювальнш мереж1 вагона метропол1тену можуть виникати коротко-часш викиди напруги до 900 В, у джерел1 живлення св1тильника потр1бно передбачити ланцюги для захисту вщ даних викид1в. Для цього паралельно вхщним клемам джерела живлення включеш оксидноцинковий варистор та TVS-дiод (супрессор).
При виникненш iмпульсу напруги варистор через нелшшшсть свое! характеристики рiзко зменшуе свiй опiр до доль Ома i шунтуе навантаження, захищаючи його та розсшю-чи у виглядi тепла енергiю, яку поглинае. В цьому випадку через варистор короткочасно може протшати струм, що досягае декшькох тисяч ампер. Оскшьки варистор практично безшерцшний, то тсля гасшня iмпульсу напруги вiн знов набувае дуже великого опору. Таким чином, включення варистора паралельно до входу напруги живлення перетворюва-ча не впливае на його роботу в нормальних умовах, але «зрiзае» iмпульси небезпечно! на-пруги.
Напiвпровiдниковi TVS-дiоди - напiвпровiдниковi прилади з рiзко вираженою нель нiйною вольт-амперною характеристикою, що пригшчують iмпульснi електричнi перенап-руження, ампштуда яких перевищуе напругу лавинного пробою дюда. У нормальному ро-бочому режимi TVS-дiод повинен бути «невидимий», тобто не впливати на роботу ланцю-
га, який захищае, до моменту виникнення iмпульсу перенапруження. Електричш характеристики TVS-дюда не повиннi впливати на нормальне функцюнування ланцюга.
Пiд час дп iмпульсу перенапруження TVS-дiод обмежуе викид напруги до безпеч-ного, тодi як небезпечний струм протшае через дiод на землю, обминаючи ланцюг, який вiн захищае. Повна схема джерела живлення представлена на рис. 2.
На наведенш схемi елементи F1 (варистор), VD1 (TVS дюд) та електролiтичнi кон-денсатори C1, C2 являють собою вхщний фiльтр, який захищае джерело живлення вщ ви-кидiв напруги та шших перешкод. Потенцiометром R1 виставляють максимальний струм через паралельно включеш ланцюги послiдовно до з'еднаних свiтлодiодiв.
+ 80V О—
F1
VD1
7\
R2 ,
C1 +C2 + <-i—— —
C3
HV9910
Vin
VDD ROSK
GATE
LD
CS
GND
C4
VD2
MF .—
L1
R4
R5
R6
2-0 + LED1
2-0+ LED2
-O- LED 1,2
1
4
5
2
3
Рис. 2. Повна схема джерела живлення
Основш техшчш характеристики джерела живлення для св1тильниюв салонного осв1тлення вагошв метрополiтену серiй 81-714, 81-717 представлен у табл. 2.
Таблиця 2. Основш техшчш характеристики джерела живлення для свггильниюв салонного освгглення вагонiв метрополiтену серш 81-714, 81-717_
ВИХ1Д Максимальний вихiдний струм, А 0,8
Номшальний вихiдний струм, А 0,7
Дiапазон регулювання струму навантаження, % 0-100
Вихщна потужнiсть, Вт 26
Похибка пiдтримання струму навантаження, % ±1
Дiапазон регулювання вихщно! напруги, В 24-36
Час встановлення вихщного струму, мс 300
ВХ1Д Дiапазон вхщно! напруги постшного струму, в якому повнютю забезпечуються вихiднi параметри, В Вщ 60 до 90
Коефщент корисно! дп, типовий, % 90
Струм, який споживаеться при повному навантаженш та напрузi живлення 80 В, типовий, А 0,3
Мшмальна вхiдна напруга, при якш заявленi параметри збер^аються на рiвнi 75% вiд номшальних, В 50
ЗАХИСТ НА ВХОД1 Вiд викидiв напруги Зберiгае повну працездатшсть при викидах напруги до 1200 В на протязi 10 мс
ЗАХИСТ НА ВИХОД1 Вщ перевантаження 110-135% вщ максимального току, споживаного св^ильни-ком
Автоматичне повернення у робочий режим шсля усунення причини
Вiд короткого зами-кання на виходi Автоматичне повернення у робочий режим шсля усунення причини
Продовж. табл. 2
УМОВИ ЭКСПЛУ-АТАЦП Температура оточуючого середовища, °С Вщ мшус 20 до плюс 60
Волопсть, % 20-90
Температура зберпання при вологост 10-95%, °С Вщ мшус 40 до плюс 85
В1браци 10-500 Гц, 2g, 10хв/1 цикл
ЗАГАЛЬН1 Розм1ри (довжина х ширина х висота), мм 95 х 60 х 28 (170 х 60 х 30 з пром1жною платою)
Вага, кг 0,25
На вщмшу вщ базово'! схеми вивiд 8 мiкросхеми пiдключений через резистор R3 до затвору транзистора Q1, а не до мшусово'! шини. Таке тдключення переводить мiкросхему у режим роботи зi змiнною частотою та постшним часом виключення («constantoff»). У цьому режимi мiкросхема мае дещо бшьший ККД.
Резистор R4 е датчиком струму через св^лодюди, а через вирiвнюючi резистори R5 та R6 до джерела живлення пiдключаються ланцюги свiтлодiодiв.
Схема стiйка до короткого замикання на виход^ але для тдвищення надiйностi в не'! введений самовщновлювальний запобiжник MF. Вiн спрацьовуе, якщо струм через двi паралельно включеш гiлки свiтлодiодiв перевищить 1,1 А. Пюля усунення причини короткого замикання схема автоматично повертаеться у робочий режим.
Джерело живлення змонтовано на друкованш плат (рис. 3), яка розмщена в корпу-сi (рис. 4).
Рис. 3. Джерело живлення на друкованш плат1
Рис. 4. Друкована плата в корпус
4. Виб1р структурноУ схеми системи освiтлення вагон1в метро
Розглянемо загальнi вимоги до системи св^лодюдного освiтлення. Для того, щоб система свiтлодiодного освiтлення могла реалiзувати всi необхiднi режими штучного осв^лення, вона повинна забезпечувати:
- св^ловий потiк, достатнiй для створення на рiвнi пiдлоги нормованих для даного класу примщень освiтлювальних умов;
- необхщну дiаграму спрямованостi (зону осв^лення) освiтлювальних приладiв при !х мiнiмальнiй кiлькостi для заданих розмiрiв примiщення;
- мале, у порiвняннi з традицiйними освiтлювальними приладами, енергоспоживан-ня при одночасному виконаннi перших двох вимог;
- можливють, при необхщносп, управлшня яскравютю осв1тлювальних пристроив;
- простоту монтажу i обслуговування освгтлювальних пристроив;
- можливють використання проводки, що юнуе на об'ект1, для живлення осв1тлюва-льних пристроив.
Кожна система св1тлодюдного осв1тлення мютить у соб1 джерела св1тла (свгтлодю-ди), розмщеш у вщповщному конструктив!, джерела живлення, яю можуть бути розмще-ш у тому ж конструктив1 або окремо, прилади управлшня, прилади комутацп та з'еднувальш дроти. Так1 системи, в залежносп вщ призначення, можуть живитися вщ ме-реж1 постшного або змшного струму р1зно! напруги. Вщповщно, таю системи мають р1зш структуры схеми [4].
Найпроспшою структурою е одиночний св1тлодюдний св1тильник з вбудованим джерелом живлення (рис. 5).
А1 - модуль св^лодюдний;
А2 - AC/DC перетворювач в режимi «стаб^зований струм».
Рис. 5. Св^лодюдний светильник з вбудованим джерелом живлення
На рисунку показаний перетворювач AC/DC, який працюе в режим1 «стабшзований струм», але може бути використаний i перетворювач DC/DC. Потужшсть i вихщна напруга перетворювача вибираються вщповщно до кшькосп св1тлодюд1в у модуль Перетворювач не мае вход1в для управлшня струмом через св1тлодюди. На основ1 ще! структури легко створюються системи освгтлення з шдивщуальним живленням (рис. 6).
12 3
1 - мережа змшного або постшного струму;
2 - перетворювач AC/DC або DC/DC в режимi «стабЫзована напруга»;
3 - мережа стабЫзовано! постшно! напруги;
4 - стабЫзатор струму;
5 - светильники.
Рис. 6. Система осв^лення з iндивiдуальним живленням
Переваги тако'! структури в тому, що OKpeMi свiтильники встановлюються на мюця свiтильникiв з традицiйними джерелами св^ла i освiтлювальна мережа не потребуе нiяких доробок.
Представленi вище системи св^лодюдного освiтлення не дозволяють змшювати вручну чи автоматично освiтленiсть примщень, якi вони освiтлюють.
Структура, показана на рис. 7, доповнена пристроем керування, що дозволяе в широких межах змшювати яскравють св^ильниюв, яю входять в систему. Режими штучного осв^лення можуть змшюватись автоматично залежно вщ астрономiчного часу та пори року. Пристрш керування осв^ленням може бути електромеханiчним, але бшьшу гнуч-кiсть забезпечують програмованi контролери.
Система з керуванням освiтленiстю в порiвняннi з бiльш простими системами, до-рожча як за рахунок вартост джерел живлення, так i вартостi монтажу й обслуговування.
Вартгсть джерел живлення, якi мають входи для «dimming», на 15-20% бшьше, шж у звичайних, а вартють монтажних робiт збiльшуеться за рахунок необхщносп прокладати до кожного светильника лiнiю для Ш1М сигналу керування. Крiм того, збiльшення кшькос-т компонентiв, що входять до складу системи, знижуе ii надiйнiсть та збiльшуе експлуата-цiйнi затрати.
i
1 - мережа змшного або поспйного струму;
2 - пристрш керування;
3 - перетворювач AC/DC або DC/DC в режим1 «стабшзований струм»;
4 - светильники.
Рис. 7. Структура, що дозволяе змшювати яскравють св1тильниюв
Вище були розглянуп системи свiтлодiодного освiтлення з шдивщуальним живлен-ням кожного свiтильника та використанням перетворювачiв у режимi «стабшзований струм».
Однак B^ip перетворювачiв з режимом «стабшзований струм» вщповщно! потуж-ност обмежений, у той час, як вибip пеpетвоpювачiв з режимом «стабiлiзована напруга» набагато бiльший, а ix потужшсть може досягати 500 Вт i бiльше. При викоpистаннi таких пеpетвоpювачiв системи свiтлодiодного освiтлення мають групове живлення.
Завданням AC/DC або DC/DC перетворювача е формування на своему виxодi стабь лiзованоi напруги такого piвня, який прийнятний для свiтлодiодiв. Напруга на виxодi фор-муеться з високо'1 напруги осв^лювально! меpежi або iншого первинного джерела живлення.
Проста i вiдносно дешева структура системи св^лодюдного освiтлення показана на рис. 8. У цш сxемi послiдовно з ланцюгом свiтлодiодiв у кожному свiтильнику включений резистор R, що обмежуе струм через свгтлодюди, не даючи останнiм виходити з ладу при аваршному тдвищенш напруги на виxодi перетворювача. Використання обмежуючих ре-зистоpiв веде до зниження ККД системи за рахунок того, що падшня напруги на них пере-творюеться на тепло. Кpiм того, якщо перетворювач мае низький коефщент стабшзацп напруги, св^ильники будуть змiнювати свою яскpавiсть.
12 3
1 — мережа змшного або поспйного струму;
2 - перетворювач AC/DC або DC/DC в режим1 «стабшзована напруга»;
3 — мережа стабiлiзованоi постiйноi напруги;
4 — светильники.
Рис. 8. Проста i вщносно дешева структура системи св1тлодюдного осв1тлення
Замiсть pезистоpiв можна використати штегральш аналоговi pегульованi стабшзато-ри напруги, яю включаються за схемою стабшзатора струму. В цьому випадку вони будуть тдтримувати стабшьний струм через свiтлодiоди, незважаючи на змшу напруги на вxодi, i свiтильники не будуть змiнювати яскравють. Але на таких стабiлiзатоpаx при нор-мальнiй pоботi повинно падати не менше 3—6 В, яю також перетворюються на тепло. З урахуванням того, що ряд вихщних напруг пеpетвоpювачiв стандартизований, напруга на вxодi стабшзатора струму може бути бшьша, шж потpiбна йому для нормально! роботи, тобто бiльша, шж сума падiнь напруги на ланцюгу свiтлодiодiв та самому стабiлiзатоpi. У цьому випадку вся надлишкова напруга перетвориться на тепло, що може визвати необ-хщнють застосування тепловщводу для самого стабшзатора.
Бшьш енергоекономiчним, але й бiльш дорогим, е використання у кожному св^и-льнику Ш1М перетворювачiв постiйного струму в постшний, якi працюють в режимi «ста-бiлiзований струм». Така структура показана на рис. 9.
1 2 3
1 - мережа змшного або постшного струму;
2 - перетворювач AC/DC або DC/DC в режим «стабшзована напруга»;
3 - мережа стабшзовано! поспйно! напруги;
4 - стабшзатор струму;
5 - светильники.
Рис. 9. Структура з штегральними Ш1М стабшзаторами струму
*^VD7 VD8 VD9 VD10 *^vVD11 *^\VD12
-ЁН-EH--ЁИ-ЁИ-EH--^V-i
я*
но-
НО-
НО-
НО-
но-
VD6
VD5
VD4
VD3
VD2
VD1
Ж VD7 VD8
-EH-И—
но-
но-
VD9
-ЕН— л*
ЧО—
VD10
-ей—
л*
-но—
VD11
-ЕН— я*
-но—
VD6
VD5
VD4
VD3
VD2
VD1
А1
Конт Ланцюг
1 -
2 +
VD12
-BH-L
Л* г
ч<М
А2
Конт Ланцюг
1 -
2 +
Конт Ланцюг
1 -
2 -
3 +
4 +
A3
Ланцюг Конт
- 80В 1
+ 80В 2
А1, А2 - модул1 свгтлодюдт лшшт;
A3 - DC/DC перетворювач в режим1 «стабш1зований струм».
Рис. 10. Система салонного осв1тлення вагошв метрополитену
Такi штегральш Ш1М стабiлiзатори струму випускаються рiзними зарубiжними фь рмами i мають велику номенклатуру вхщних i вихщних напруг та вихiдного струму вщ 0,35 А до 1 А. Таким чином, послщовш ланки свiтлодiодiв можуть пiдключатись до них паралельно.
За результатами аналiзу наведених вище структурних схем систем св^лодюдного освiтлення для системи салонного осв^лення вагонiв метропол^ену вибрана структура, зображена на рис. 10, яка е рiзновидом структури системи осв^лення з iндивiдуальним живленням (рис. 6).
Вщмшшсть ще'1" структури вщ системи освiтлення з шдивщуальним живленням (рис. 6) полягае в тому, що перетворювач А3 мае ручне регулювання струму через гшки свiтлодiодiв А1 та А2. Це дозволяе в широких межах регулювати яскравють кожного з десяти свггильниюв, забезпечуючи потрiбну освiтленiсть у заданш площинi вагона. Усi свь тильники вагона об'еднанi у двi групи (7 штук основного осв^лення та 3 штуки аварiйного осв^лення), в межах яких вони включен паралельно. Всi свiтильники живляться вщ бор-тово'1' мереж вагона напругою постiйного струму +80 В.
5. Конструктивш р1шення св1тлод1одних освгглювальних пристроТв
Для виконання вимог до св^лового потоку освiтлювального пристрою в ньому треба ви-користовувати необхiдну кшькють свiтлодiодiв зi свiтловим потоком не менше 110— 120 лм. Також треба враховувати, що плафон св^ильника може затримувати 35-40% св^-лового потоку.
Для виконання вимог до зони освгглення при необхщносп використовують з кож-ним свгглодюдом оптичну систему (колiматор) з необхщним кутом розкриття i розмща-ють свiтлодiоди на достатнiй вiдстанi один вщ одного.
Вибрана для використання в конкретному проект освiтлювальна арматура повинна забезпечити можливють установки свiтлодiодiв на тепловiдвiд вщповщно'1' площi ^ бажано, монтаж джерела живлення, а також, при необхщносп, датчика руху або сутiнкового реле.
Особливу групу складають свiтильники спецiального призначення, в тому чист для освiтлення салону вагошв метрополiтену.
Згiдно з Техшчним завданням на дослiдно-конструкторську роботу «Розробка енер-гозберiгаючих свiтлодiодних модулiв та блоюв живлення до них для салонного осв^лення вагонiв метро моделей 81-717, 81-714», св^лодюдш модулi конструктивно повинш бути виконанi з використанням iснуючих плафонiв салонного освiтлення вагошв метропол^ену моделей 81-717, 81-714 з мшмальними переробками. Крiплення свiтлодiодного модуля повинне бути «нестандартним» (не пристосованим для використання в побуп), важкозшм-ним, ремонтопридатним.
На рис. 11 представлений внутршнш вигляд свiтильника для салонного осв^лення
вагонiв метрополiтену серiй 81-714, 81-717, розробленого у процес виконання проекту.
Як видно на рис. 11, з корпусу вида-леш люмшесцентш лампи, всi компоненти 1'х живлення i з'еднувальнi дроти. Замiсть лю-мiнесцентних ламп встановленi два тепловь дводи, виконанi з алюмiнiевого профшю. На кожному тепловiдводi встановлено по 12 потужних свiтлодiодiв та елементи безгвин-тового пiдключення - клемники фiрми WAGO. Тепловiдводи крiпляться до корпусу комбшованими кутниками, одне плече яких виконане з алюмЫю, а друге - iз склотекс-тол^у.
Це потрiбно для того, щоб гальвашч-но розв'язати тепловiдводи iз свiтлодiодами вiд «землi» вагону. На дш корпусу розмiщене джерело живлення, яке працюе в режимi «стабшзований струм». Конструкцiя розрахована
так, що Bei 11 елементи кршляться у Kopnyci без будь-яких доробок останнього. При мон-тажi св^лодюдного свiтильника немае потреби знiмати корпус з мюця його установки. Ц особливостi розроблено'1 нами конструкцп дають можливiсть значно зменшити час замши люмшесцентних ламп на свiтлодiоднi модуль
6. Етапи розробки та результати впровадження
На замовлення комунального тдприемства «Кшвський метропол^ен» 1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши (1ПММС НАН Украши) розробив енергозбе-рiгаючy свiтлодiоднy систему салонного освгглення вагонiв метро моделей 81-717, 81-714, яка складаеться з св^лодюдних модyлiв свiтильникiв та блокiв живлення до них.
Графш сгнввщношення р1вня осв1тленосп (осн. + авар.) в1д потужносл одного св1тильника основного осв1тлення
\ «темя робл*м нчни*
\
\
TOB „ТД Arlnoc" ПП „УТЦ"
Ыстмтут микроприл«д1в тов _скг- тов .Гжпан-КнЙ!'
25,668 27,04 28,767 28,798 29,575 31,98 Потужысть, ВТ
Рис. 12. Граф1ки результатiв стацiонарних випробувань
Роботи розпочалися у березш 2010 року, коли КП «Кшвський метрополией» об'явив конкурс на модершзацш систем салонного осв1тлення вагошв метро моделей 81717, 81-714 та !х модифшацш для Курешвсько-Червоноармшсь^' лшп. За техшчним за-вданням освiтлювальиi свiтлодiодиi модулi (ОСМ) повинш були замiиити люмiиесцеитиi лампи ЛБ-40 з иапiвпровiдииковими перетворювачами живлення у св^ильниках салонного
осв^лення. При цьому споживання електроенергл вама свiтильниками салону (10штук ) не повинно було перевищувати 300Вт при напрузi живлення 80В.
У конкура приймали участь 6 органiзацiй, у тому чист i 1ПММС. Кожен iз учасни-кiв повинен був обладнати один вагон ОСМ своею розробкою, використовуючи iснуючу арматуру салонного св^ильника. Переобладнанi вагони пускалися у дослщну експлуата-цiю, на протязi яко'1 по кожному вагону перюдично рееструвалися свiтлотехнiчнi, енерге-тичнi та експлуатацшш параметри систем освiтлення. Шсля закiнчення дослщно'1 експлуа-тацп в депо «Оболонь» комiсiею з представниюв Кшвського метрополiтену i учасникiв конкурсу були проведет стащонарш випробування систем осв^лення дослiдних вагонiв. Результати випробувань вщображеш на рис. 12 [5].
Як видно з графшв, система осв^лення, розроблена та виготовлена 1ПММС, випе-реджае iншi по вам показникам.
Загальний вигляд модернiзованого вагону серп 81-717 з установленою в ньому системою св^лодюдного осв^лення розробки 1ПММС показаний на рис. 13.
Рис. 13. Загальний вигляд модершзованого вагону серн 81-717
У липш 2011 року КП «Кшвський метропол^ен» об'явив вiдкритi торги по закутв-лi енергозберiгаючих свiтлодiодних систем салонного осв^лення вагонiв метро 81-714, 81717 та ix модифiкацiй.
Умовами тендеру передбачалось надання учасниками висновку, що запропонована система осв^лення вiдповiдаe санiтарним нормам i може бути використана у вагонах мет-ропол^ену. У зв'язку з цим 1ПММС НАН Украши спiльно з 1нститутом медицини працi АМН Украши, який мае досвiд дослiджень св^лодюдних джерел свiтла [6], провiв досль дження та оцiнку параметрiв енергозбер^аючих свiтлодiодниx модулiв i блокiв живлення до них салонного осв^лення вагошв метро (призначених для замiни люмшесцентних ламп у свiтильникаx вагонiв) на вщповщшсть санiтарним нормам Украши.
Дослщження проводились в електродепо «Оболонь» на дшчш системi освiтлення вагону метро розробки 1ПММС, що складаеться з 10 св^ильниюв з енергозберiгаючими св^лодюдними модулями.
У процесi дослiджень були використаш така контрольно-вимiрювальна апаратура i обладнання: фотометр цифровий ТЕС 0693, термометр кульовий «Тензор-41», дозиметр енергетично'1' освiтленостi «Тензор-51», пiрометр МХ-2.
Результати вимiрювань наведенi в табл. 3.
Таблиця 3. Результати вимiрювань
№ Параметр вим1рювання Вщстань, м Одиниця вим1рювання Результати вим1рювань Нормоваш значення
Т.1 Т.2 Т.3 Т.4 Т.5
1 Осв1тлешсть На р1вш очей Лк 230 230 196 200 230 150
Зпдно з ТЗ* Лк 150 159 138 142 159
2 Видиме випро-мшювання На р1вш очей Вт/м2 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 3,0**
Зпдно з ТЗ* Вт/м2 0,8 0,8 0,6 0,6 0,8
3 Яскравють На р1вш очей Кд/м2 1940 1940 1900 1900 1950 5-105
Зпдно з ТЗ* Кд/м2 1070 1070 1000 1070 1070
4 Температура на поверхш св1тильника На поверхш приладу °С 20,820,9 20,820,9 20,820,9 20,820,9 20,820,9 45
5 Пульсащя св1тлового потоку Зпдно з ТЗ* % - - - - - 20
*- п. 2.1.7 ТЗ. Свiтильники основного освiтлення повиннi забезпечувати освiтленiсть салону вагошв метрополтену на рiвнi 0,8 м вiд пiдлоги та на вщсташ 0,6 м вщ спинки дивану 110 ± 10 Лк. ** ... - орieнтовш рiвнi.
Висновки 1нституту медицини пращ АМН Украши такь «За результатами випробу-вань енергозбер1гаюч1 св1тлодюдш модул1 та блоки живлення до них салонного осв1тлення вагошв метро (призначених для замши люмшесцентних ламп у св1тильниках салонного
осв^лення вагошв метрополiтену) вiдповiдають вимогам д^чого caHiTapHoro Законодав-ства Украши i можуть бути використаш в заявленш cфеpi застосування».
У лиcтoпaдi 2011 року були опублшоваш результати тендеру на закутвлю ОСМ з джерелами живлення для обладнання 50 вагошв згаданих вище серш, в якому переможцем був об'явлений 1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши.
На пpoтязi чотирьох наступних мсящв було виготовлено майже 1000 св^лодюдних мoдулiв та 500 джерел живлення до них. Енергозбер^аючими св^лодюдними системами ocвiтлення розробки та виготовлення 1ПММС пеpеoблaднaнi 50 вaгoнiв Курешвсько-Чеpвoнoapмiйcькoi лшп Кшвського метpoпoлiтену, яю безвiдмoвнo працюють по теперш-нш час.
Розроблена в 1ПММС система св^лодюдного ocвiтлення вaгoнiв метро серп 81-717, 81-714 в пopiвняннi зi стандартною системою ocвiтлення на люмшесцентних лампах за-безпечуе екoнoмiю електроенергп в 3 рази, збiльшення осв^леносп вaгoнiв бiльше нiж у 1,5 рази, зменшення витрат на обслуговування системи осв^лення за рахунок значно 6í-льшо'' нaдiйнocтi i термшу експлуатацп cвiтлoдioдних джерел cвiтлa. У вщповщносп з те-хнiкo-екoнoмiчним обгрунтуванням, виконаним у депо «Оболонь», щopiчнa екoнoмiя вiд впровадження cвiтлoдioдних св^ильниюв у вагонах метpoпoлiтену серп 81-717, 81-714 становить понад 250 тис. гривень.
Розроблеш в 1ПММС свгглодюдш пристро'1' для ocвiтлення вaгoнiв рухомого складу зaлiзницi, у тому чист для ocвiтлення вaгoнiв метpoпoлiтену, та св^лодюдш cвiтильники piзнoгo призначення захищеш Патентами Украши [7-10].
7. Висновки
1. Сформульований кpитеpiй вибору cвiтлoдioдiв для ocвiтлювaльних пристро'1'в. Згiднo з цим крш^ем, для pеaлiзaцii даного проекту були вибраш cвiтлoдioди фipми Cree.
2. Показано, що як джерела живлення св^ильниюв вaгoнiв метропол^ену дoцiльне застосування iмпульcнoгo перетворювача напруги з Ш1М регулюванням.
3. Для джерела живлення вибрана мшросхема HV9910B фipми Supertex, призначена для побудови високоефективних, з ККД бшьше 90%, пеpетвopювaчiв для живлення св^лодю-дiв зi cтaбiльним струмом на вихoдi та з Ш1М управлшням.
4. Представлена схема джерела живлення та виконаний розрахунок основних його елемен-тiв. Нaведенi ocнoвнi техшчш характеристики джерела живлення.
5. За результатами aнaлiзу структурних схем систем св^лодюдного ocвiтлення для системи салонного осв^лення вaгoнiв метpoпoлiтену вибрана структура, яка е piзнoвидoм структури системи осв^лення з iндивiдуaльним живленням.
6. За результатами експлуатацп енергозбер^аючих cвiтлoдioдних систем салонного осв^-лення вагошв метро Курешвсько-Червоноармшсько'1' лшп Кшвського метpoпoлiтену, роз-роблених i впроваджених 1ПММС, установлено, що у пopiвняннi зi стандартними системами осв^лення з люмiнеcцентними cвiтильникaми cвiтлoдioднi системи забезпечують екoнoмiю електроенергп' в 3 рази i збшьшення ocвiтленocтi бшьше шж у 1,5 рази.
СПИСОК ДЖЕРЕЛ
1. Сорокин В.М. Внедрение светодиодных осветительных систем в масштабах национальной экономики Украины / В.М. Сорокин // Современная светотехника. - 2012. - № 3-4. - С. 7 - 14.
2. Мельниченко А.Ф. Светодиоды Cree XLamp XB-D и XT-E - новый шаг на пути к светодиодному освещению / А.Ф. Мельниченко // Электронные компоненты и системы. - 2012. - № 1 (173). - С. 31
- 33.
3. Вовк П.С. Микросхемы драйверов светодиодов HV9910B и HV9961 производства Supertex / П.С. Вовк // Chip News Украина. - 2011. - № 3. - С. 36 - 38.
4. Корбут В.Б. Енергозберiгаючi св^лодюдш системи осв^лення / В.Б. Корбут, М.Г. 1евлев, В.Г. Бутко // Науково-техшчна iнформацiя. - 2013. - № 2. - С. 42 - 49.
5. Корбут В.Б. Енергозберiгаючi св^лодюдш системи осв^лення вагонiв метро / В.Б. Корбут, М.Г. 1евлев, В.Г. Бутко // Науково-техшчна шформащя. - 2013. - № 4. - С. 44 - 49.
6. Исследование влияния излучения светодиодных источников света на некоторые основные системы организма / В.Г. Мартиросова, В.И. Назаренко, В.М. Сорокин [и др.] // Свггло Люкс. - 2011. -№ 2. - С. 36 - 43.
7. Пат. Украши на корисну модель № 71804. Пристрш для осв^лення вагошв рухомого складу / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., ¡евлев М.Г., Бутко В.Г. - опубл. 25.07.2012, Бюл. № 14.
8. Пат. Украши на корисну модель № 90086. Светильник свгглодюдний / Морозов А.О., Клименко В.П., Корбут В.Б., ¡евлев М.Г., Бутко В.Г. - опубл. 12.05.2014, Бюл. № 9.
9. Пат. Украши на корисну модель № 91106. Св^ильник аваршного (евакуацшного) осв^лення / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., ¡евлев М.Г., Бутко В.Г. - опубл. 25.06.2014, Бюл. № 12.
10. Пат. Украши на винахщ № 106578. Св^ильник аваршного (евакуацшного) осв^лення / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., ¡евлев М.Г., Бутко В.Г. - опубл. 10.09.2014, Бюл. № 17.
Стаття над1йшла до редакцп 02.05.2018
