上海地铁四号线车辆客室照明节能改造研究-同济大学.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 （（学位论文学位论文）） 上海地铁四号线车辆客室照明节能改造上海地铁四号线车辆客室照明节能改造 研究研究 姓 名 顾耀君 学 号1231556 所在院系汽车学院 职业类型工程硕士 专业领域车辆工程 指导教师 魏学哲 副指导教师 吴浩 二〇一六年七月 A dissertation ted to Tongji University in conity with the requirements for the degree of Master of Engineering July, 2016 Candidate Gu Yaojun Student Number 1231556 School/DepartmentSchool ofAutomotive Studies Discipline Engineering Master Major Vehicle Engineering Supervisor Wei Xuezhe Deputy Supervisor Wu Hao Energy-Saving Modification Research of Shanghai Metro Line 4 Vehicles’ Saloon Illuminance 上上 海海 地地 铁铁 四四 号号 线线 车车 辆辆 客客 室室 照照 明明 节节 能能 改改 造造 研研 究究 顾顾 耀耀 君君 同同 济济 大大 学学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要 城市轨道交通作为一种安全、快捷、舒适、环保的交通方式，逐渐成为解决 各大城市交通问题的有效途径。随着投运列车数的增加，地铁运营消耗的电能也 急剧增加。随着“节能减排”工作的推进和市民节能意识的加强，人们对轨道交 通的节能要求也与日俱增。 本文就上海地铁四号线车辆运营过程中客室照明采用的灯具和控制方式进 行了研究。由于 LED 灯具的节能优势，决定应用于四号线车辆客室照明的节能 改造方案。 通过解决 LED 灯具在应用中遇到的电源选型、 接线改造、 照度要求、 电磁兼容等问题，实现了 LED 灯具替代荧光灯具的节能替代改造。通过节能计 算和现场测试，客室照度符合相关标准要求。 通过对四号线车辆客室照明控制回路中串联光敏控制装置， 使列车具备了根 据外界照度强弱来调节客室常用照明开关的功能， 使列车在露天条件下运营时可 以关闭客室常用照明，从而实现节能。 针对既有的客室照明光敏节能控制器的功能缺陷，本文从实用性需求出发， 重新设计开发了一种适应各种光照强度变化工况的智能光敏节能控制器。 设计新 型光敏节能控制器的基础是掌握四号线列车运营线路的光照变化规律。 通过采集 四号线的光照强度数据，并分析照度的变化规律，制定了有针对性的节能控制策 略，实现了客室照明节能与乘客照明需求之间的平衡。为了保证光敏节能控制器 的轨道交通车辆应用的要求，在设计时充分考虑为了控制器的电源、安装位置、 电路结构、可靠性、电磁兼容、振动与冲击等要求。通过装车功能试验，证明新 型智能光敏节能控制器实现了设计功能，具有很好的实用性。 新型智能光敏节能控制器的应用，结合客室照明 LED 灯具替代改造，综合 节能率到达 50以上，实现了节能目标。同时，四号线车辆客室照明节能改造方 案的实用化以及取得的良好节能效果， 有利于此方案在其它线路既有车辆上推广 应用，有利于轨道交通行业节能工作的进步与发展。 关键词关键词上海地铁四号线，客室照明，LED 照明，智能光敏节能控制器，节能 率 Tongji University Master of Engineering Abstract II ABSTRACT As a safe, fast, conable and environment friendly transportation, urban rail transit has gradually become the effective solution to traffic problems in big cities. As fast development of Shanghai Rail Transit, Metro Units have provided huge convenience for citizens. And as the increase of operational trains, energy consumption is also rising for Metro operation. People has more requirement for rail transit since the development of “energy saving and emission reduction” and increased awareness of energy saving. This essay has furthered the research of saloon lighting and control of SHL4 Metro Units. This essay has analyzed energy-saving advantage of LED lighting which will be applied for SHL4 saloon. The problems for LED lighting application, such as power supply selection, wiring alteration, luminance requirement and electromagnetic compatibility, have been solved and energy-saving modification has been realized. Energy-saving calculation and site test show saloon illuminance meets relevant standards and requirements. Besides, photosensitive control device in series of SHL4 saloon lighting control circuit makes saloon light switch adjust to the external illuminance. When train is running in the open air, saloon common lighting could be turned off, which thus saves energy. For existing functional defects of saloon lighting photosensitive energy-saving controller, this essay has re-designed a type of intelligent photosensitive energy-saving controller adjusting to all lighting intensity based on practical demands. The basis of designing photosensitive energy-saving controller is to understand the illuminance change rules along SHL4 operational lines. By collecting SHL4 illuminance intensity data, analyzing change rules and developing pointed energy-saving control strategy, an balance between saloon energy-saving lighting and passenger demand has been reached. To meet the standard of photosensitive energy-saving controller application in rail transit industry, power supply of controller, installation location, circuit structure, reliability, electromagnetic compatibility and vibration and shock have been fully considered in design. Functional test on train has proved this new type intelligent photosensitive energy-saving controller has realized design functions, which is very practical. Tongji University Master of Engineering Abstract III The application of this new type intelligent photosensitive energy-saving controller combined with replacement of saloon LED lights has reached more than 50 comprehensive energy-saving rate, realizing energy-saving goal. Meanwhile, practicability of SHL4 saloon illuminance energy-saving modification and good perance are helpful to the extending application on other lines, as well as the improvement and development of energy-saving work in rail transit industry. Key Words Shanghai Metro Line 4, saloon lighting, LED lighting, intelligent photosensitive energy-saving controller, energy saving rate 同济大学 硕士学位论文 目录 IV 目录目录 第 1 章 引言 ........................................................ 1 1.1 概述 ......................................................... 1 1.2 轨道交通车辆节能技术概况 ..................................... 1 1.2.1 减轻车辆自重 ............................................. 1 1.2.2 牵引系统节能措施 ......................................... 2 1.2.3 辅助系统节能措施 ......................................... 2 1.3 地铁车辆客室照明节能技术国内外应用概况 ....................... 4 1.3.1 LED 光源替代传统照明光源 ................................. 4 1.3.2 光敏控制方式 ............................................. 4 1.4 研究的目的和意义 ............................................. 6 1.5 本文主要研究工作 ............................................. 7 1.6 本章小结 ..................................................... 8 第 2 章 四号线车辆客室照明 LED 替代改造研究 .......................... 9 2.1 LED 的原理与优势 ............................................. 9 2.1.1 LED 的发光原理 ........................................... 9 2.1.2 LED 的技术特点 ........................................... 9 2.1.3 LED 灯具与传统灯具的比较 ................................ 10 2.2 LED 在轨道交通车辆上的应用 .................................. 11 2.2.1 国内外应用情况 .......................................... 11 2.2.2 社会效益 ................................................ 11 2.3 四号线车辆 LED 照明节能替代改造研究 .......................... 12 2.3.1 客室照明分布 ............................................ 12 2.3.2 客室照明功率计算 ........................................ 13 2.3.3 客室照明照度计算 ........................................ 14 2.3.4 LED 灯具的选择 .......................................... 18 2.3.5 振动冲击要求及测试 ...................................... 21 2.3.6 电磁兼容要求及测试 ...................................... 21 2.4 节能计算 .................................................... 22 2.4.1 节能率计算 .............................................. 22 2.4.2 节电量计算 .............................................. 22 2.5 本章小结 .................................................... 23 第 3 章 四号线车辆客室照明光敏节能控制电路改造设计 ................. 25 3.1 四号线线路条件及车辆概况 .................................... 25 3.1.1 四号线运营线路条件 ...................................... 25 同济大学 硕士学位论文 目录 V 3.1.2 四号线车辆概况 .......................................... 25 3.1.3 四号线列车客室照明控制原理 .............................. 26 3.2 三种典型客室照明光敏节能控制电路 ............................ 27 3.2.1 三号线车辆客室照明光敏节能控制电路 ...................... 27 3.2.2 十一号线车辆客室照明光敏节能控制电路 .................... 29 3.2.3 十六号线车辆客室照明光敏节能控制电路 .................... 30 3.2.4 三种车辆客室照明光敏节能控制功能分析 .................... 32 3.3 四号线车辆客室照明控制电路节能改造的可行性分析 .............. 32 3.3.1 集中调光节能方案 ........................................ 32 3.3.2 四号线列车客室照明节能控制改造方案设计 .................. 34 3.4 光敏控制节能改造节电量计算 .................................. 41 3.5 本章小结 .................................................... 42 第 4 章 四号线车辆客室照明光敏节能控制器设计与实现 ................. 43 4.1 光敏节能控制原理 ............................................ 43 4.1.1 光敏二极管原理 .......................................... 43 4.1.2 光敏三极管原理 .......................................... 44 4.2 光照度检测电路设计 .......................................... 44 4.2.1 照度检测范围 ............................................ 44 4.2.2 照度检测电路设计 ........................................ 45 4.3 四号线沿线光照度分析 ........................................ 46 4.3.1 地面区间照度分析 ........................................ 47 4.3.2 地面站台照度分析 ........................................ 47 4.3.3 地下区间照度分析 ........................................ 49 4.3.4 地下站台照度分析 ........................................ 50 4.3.5 照度数据分析 ............................................ 51 4.3.6 控制策略 ................................................ 52 4.4 客室照明光敏节能控制器设计与实现 ............................ 55 4.4.1 照度传感器电路设计 ...................................... 55 4.4.2 计时功能 ................................................ 57 4.4.3 可编程控制 .............................................. 58 4.4.4 兼容性设计 .............................................. 61 4.4.5 可靠性与安全性设计 ...................................... 64 4.5 光敏节能控制器装车试验与功能验证 ............................ 67 4.5.1 控制逻辑功能验证 ........................................ 67 4.5.2 装车功能验证 ............................................ 68 4.5.3 正线运营功能验证 ........................................ 69 4.5.4 节能数据 ................................................ 70 4.5.5 节电量计算 .............................................. 70 同济大学 硕士学位论文 目录 VI 4.6 综合节能效果评估 ............................................ 71 4.6.1 综合节能率计算 .......................................... 71 4.6.2 综合节能量计算 .......................................... 72 4.7 本章小结 .................................................... 73 第 5 章 结论与展望 ................................................. 75 5.1 结论 ........................................................ 75 5.2 展望 ........................................................ 75 致谢 .............................................................. 77 参考文献 .......................................................... 78 附录 A LED T8 灯管振动与冲击试验报告 ............................... 81 附录 B LED T8 灯管电磁兼容试验报告 ................................. 83 附录 C 上海申通地铁四号线列车客室 LED 节能改造项目竣工报告 ..... 85 附录 D 列车客室照明光敏节能控制器振动与冲击试验报告 ............... 86 附录 E 列车客室照明光敏节能控制器电磁兼容试验报告 ................. 88 附录 F 列车客室照明光敏节能控制器功能试验记录表 ................... 90 附录 G 列车客室照明光敏节能控制器专家评审意见 ..................... 91 附录 H 列车客室照明光敏节能控制器用户报告 ......................... 92 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 ........................ 93 第 1 章 引言 1 第第 1 1 章章 引言引言 1.1 概述 随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，城市人口不断增多，城市 区域不断扩张，日益严重的交通拥堵问题逐步成为制约城市发展的瓶颈。城市轨 道交通作为一种安全、快捷、舒适、环保的大客流交通方式，逐渐成为有效解决 各大城市交通问题的有效途径。 上海作为中国最大的城市，经过二十年的发展，轨道交通已经成为市民出行 的主要交通方式。截至 2015 年底，上海轨道交通单日最大客流已突破 1000 万人 次记录。根据规划，预计到 2020 年左右，上海轨道交通将达到 800 公里规模， 可承担单日 1000 万至 1200 万人次的出行任务。随着上海轨道交通的飞速发展， 上海地铁为广大市民出行带来了极大的方便，同时随着投运列车数的增加，地铁 运营消耗的电能也急剧增加。 随着贯彻落实科学发展观、全面建设小康社会的积极推进， “十一五”规划 纲要中提出的“节能减排”概念作为社会共识深入人心。全社会各行各业投入大 量的人力物力，研究和发展节能减排技术，努力实现“十二五”规划纲要中制定 的具体节能减排目标。同时，全国各地“雾霾”现象的频繁发生，空气污染日益 严重，使全社会更加关注节能减排。近年来，作为上海轨道交通的运营方，上海 申通地铁集团多次接到人大代表意见及市民来信， 反映轨道交通列车运营中存在 的各种不利于节能的环节与问题，希望运营部门采取有效措施，降低能耗水平。 因此，如何在保证运营质量的前提下，实现节能减排目标的相关实用技术研究， 成为目前轨道交通车辆节能减排技术研究的重要方向之一。 1.2 轨道交通车辆节能技术概况 1.2.1 减轻车辆自重 地铁车辆是轨道交通的重要设备，是实现载客的主体工具，也是主要耗能设 备之一。其特点是重量大，车辆自重占定员车总重的 60，每节车辆行驶 1 千米 用电量约为 2.4kWh。根据上海、广州等大型城市地铁的最新能耗统计，地铁运 营车辆的能耗大约占系统总能耗的 40左右。 因此， 减轻车辆自重是降低能耗的 同济大学 硕士学位论文 上海地铁四号线车辆客室照明节能改造研究 2 重要有效途径之一。 根据国内外地铁车辆的使用经验，地铁车辆每增加 1 吨，全年耗电约增加 1 万度电。因此，现代地铁车辆通过采用铝合金车体、在满足运营要求的前提下选 择功率较小的牵引设备和制动电阻、采用强迫风冷方式、内装轻量化等措施，实 现地铁车辆的轻量化设计，从而取得较好的节能减排效果。 1.2.2 牵引系统节能措施 目前，绝大多数的地铁车辆的牵引系统采用交流变频变压VVVF传动方式， 由于该传动方式能够实现电制动，可以降低地铁车辆运行能耗。 地铁车辆的电制动是指地铁列车运营过程中，列车在制动工况下，牵引电机 从电动机状态转换为发电机状态，列车的动能转换为电能。其中，再生制动通过 牵引逆变器控制将列车的动能转换为再生电能反馈回电网， 如同一供电区间内有 其它列车处于牵引工况，则该电制动能量即可由其它车辆吸收利用，从而达到节 能的目的。否则，列车将采用电阻制动方式通过车载制动电阻将电能转换为热能 并发散至运营区间内。目前，国内外普遍采用上述方式利用或消耗电制动能量。 由于再生制动电能需由同一供电区间内的其它列车处于牵引工况才能实现， 因此实际上相当部分的电制动能量是由电阻制动消耗掉的， 同时带来隧道内粉尘、 噪音、温升等问题，不利于节能减排的实现。因此，国内外部分线路尝试采用超 级电容作为列车电制动能量吸收装置。当列车处于电制动工况时，超级电容吸收 电制动能量；当列车处于牵引工况时，超级电容释放储存的电能，起到稳定电网 电压的作用。因此，采用超级电容作为储能装置，可以实现储存能量和稳定网压 的作用，同时解决了电阻制动带来的污染问题。但是，由于该方式初期建设投资 较大，后期维护成本较高，因此目前应用实例较少。 1.2.3 辅助系统节能措施 地铁列车的辅助系统是指为除牵引系统以外所有用电设备供电的系统， 主要 设备包括空调通风设备、空气压缩机、蓄电池充电机、牵引设备冷却风扇、列车 控制设备、照明等，是保证列车正常运行及乘客舒适度不可缺少的重要系统。 目前，辅助系统典型的结构形式主要分为分区供电方式和并网供电方式。分 区供电方式中，列车上每台辅助逆变器通过互相独立的 380V 交流中压母线分别 为列车的部分中压负载供电。当任意逆变器故障时，则相应供电的三相负载由于 断电而失效。并网供电方式则是列车上有一条贯穿全列车 380V 交流中压母线， 列车上的所有辅助逆变器并联在中压母线上同时向全列车的中压负责供电。 当单 第 1 章 引言 3 台或多台辅助逆变器的故障时，三相负载根据供电能力进行降级模式运行，对列 车的辅助系统影响较小。 并网供电方式相比分区供电方式具有明显的节能优势， 其主要原因是并网供 电在设计时只需考虑各类负载的正常工况，其恶劣工况通过并网控制来处理。分 区供电则需考虑各类负载的恶劣工况，因此实际能耗更高。 空调通风系统作为地铁车辆主要的耗能系统之一， 对其进行节能设计或改造 将会到达很好的节能减排效果。现有地铁车辆空调大多采用定频空调机组，制冷 量按额定载荷的所需最大热负荷选取。运营中，由于客室空调系统的热负荷并非 总处于最大值， 在客流较小的时段， 制冷量常常处于输出大于需求的不经济状态。 传统的定频空调压缩机在固定的频率下运转，对于负荷变化只能采用启停控制。 同时，定频空调机组是通过频繁启停压缩机的方式来调节制冷量的输出。压缩机 每启停一次就造成一次开关损耗，这种控制方式增加了能耗。 目前，随着技术的发展，空调变频控制和新风量自动控制成为主流的节能技 术开始推广应用。 变频空调与普通定频空调的主要区别在于前者增加了变频器。 变频器能使压 缩机电机的转速无级连续可调，其转速是根据室内空调负荷而成比例变化的。因 此变频制冷系统可以随室内空调热负荷的变化而调整压缩机转速， 使制冷量与热 负荷达到平衡。在初始运行阶段，变频空调处于高频工作状态，压缩机以最大转 速运转， 使室温迅速降低； 当室温接近设定值时， 控制程序控制压缩机转速降低， 制冷量减少，以平衡室内的热负荷。上海地铁五号线列车部分列车客室空调进行 了变频改造，以检验变频空调在轨道交通车辆上的适用性。经过连续测试，在气 温最高的季节变频空调比原有的定频空调节电 29， 在气温最低的季节变频空调 的最高节电率更是高达 50。 轨道交通车辆载客量大，必须向客室内输入新风，不断更换车内的空气，使 空气保持一定的新鲜程度。现有轨道交通车辆空调装置采用定新风系统，新风输 入占了空调装置负荷的很大部分。轨道交通车辆的定员较多，乘客人数随时间、 区段的变化很大，上下班高峰乘客最多，繁华地段乘客集中，在车内人数少于定 员人数时，车内空气品质将高于标准，但会增加车内瞬时冷负荷，从而造成了不 必要的电能浪费。 因此， 合理地控制新风量就是在保证客室内二氧化碳浓度不超过标准值的前 提下，减小新风负荷，从而达到降低空调能耗的目的。要兼顾这两个方面，就要 使新风量随着二氧化碳浓度变化而变化。实践中，首先需将空调机组新风门设置 为电动控制，在客室内布置二氧化碳传感器，将二氧化碳浓度数据传至空调控制 器，空调控制器控制新风门的开启度随客室内二氧化碳浓度的变化而自动调节， 同济大学 硕士学位论文 上海地铁四号线车辆客室照明节能改造研究 4 以保证客室内有适当的新鲜空气量。 上海地铁四号线采用此控制方法对于列车空 调进行了节能改造，根据对用电数据的统计发现，可以实现 13的节能率。 国内地铁车辆客室照明大多采用传统的荧光灯作为光源，其效率低、能耗大 等特点已经不能适应轨道交通发展的需要和节能减排的要求。 近年来， 随着 LED 照明技术的发展，LED 光源以其效率高、能耗小、寿命长等优势，逐渐取代荧 光灯等传统照明方式在各个领域内得到大范围的应用。目前，国内部分城市的新 建地铁线路已经开始采用 LED作为列车客室照明光源， 取得了较好的节能效果。 1.3 地铁车辆客室照明节能技术国内外应用概况 目前，国内外关于城市轨道车辆照明节能技术的研究，主要集中在使用更节 能的 LED 灯具替代传统的白炽灯和荧光灯，以及在客室照明控制回路中增加光 敏控制器，使列车能够在外界照度充足时关闭客室照明，以达到节能目的。 1.3.1 LED 光源替代传统照明光源 目前，轨道交通车辆的照明大部分仍采用传统的荧光灯作为照明灯具，其成 本虽然低廉，但发光效率低、需要配合镇流器使用、维护成本高、能耗大，不符 合目前节能减排的要求。 目前， 发光二极管 （Light Emitting Diode， 缩写为 LED） 作为新型的光源形式，以其超长寿命、抗衰减性、低能耗、抗震动冲击等优势， 正逐步取代传统照明光源，在轨道交通车辆上逐步推广应用。自 2008 年以来， 各地区的地铁运营方陆续引入 LED 照明灯具应用。2008 年，香港地铁成为全球 首例将 LED 光源为引入地铁客室照明应用领域。2011 年，中国半导体照明工程 研发及产业联盟发布了地铁场所照明用 LED 灯具技术规范 ，该技术规范细化 了地铁场所照明用 LED 灯具的设计、生产、使用等环节的具体要求，为 LED 灯 具在轨道交通行业内的推广行业提供了指导。 近年来， 新建地铁的城市中， 郑州、 昆明、杭州、宁波等地铁线路列车客室照明先后采用了 LED 照明光源。上海、 深圳、广州、南京、北京等城市的地铁车辆上也逐步通过旧车改造和新车采购等 方式推广应用 LED 照明光源，均达到了很好的节能效果。因此，采用 LED 光源 替代传统荧光灯是节能减排的有效措施和发展趋势。 1.3.2 光敏控制方式 除了采用 LED 光源替代传统的荧光灯光源外，轨道交通车辆客室照明节能 的另一种主要方式是采用光敏控制方式， 即根据外界照度的强弱对客室照明进行 第 1 章 引言 5 开关控制或亮度调节，从而起到节能减排的作用。 2003 年， 上海地铁三号线引进的法国 ALSTOM 生产的 03A01 型电动列车是 国内第一种具备客室照明光敏节能控制功能的列车。03A01 型列车采用 LU1000 系列光敏控制器，安装于列车司机室右上方挡风玻璃内，如图 1.1 所示。其控制 阈值