高速公路隧道LED照明智能控制示范应用

2014-10-10 06:13黎碧波张春化马荣贵
机电信息 2014年9期
关键词:钠灯恒流照明灯

路 杨 黎碧波 张春化 马荣贵

(1.陕西省交通建设集团公司,陕西 西安710075;2.长安大学,陕西 西安710064)

0 引言

隧道是一种特殊的管状构造物,车辆进入隧道的过程是一个明暗交替的过程,往往会产生“黑洞效应”和“白洞效应”,容易发生交通事故。隧道照明控制就是在确保行车安全的前提下,尽可能节约照明电能,降低运行成本。目前公路隧道照明使用最多的是高压纳灯,这种光源启动时间长,节能采用多回路控制。LED即发光二极管,是第4代照明光源,即21世纪绿色节能光源,具有无污染、光效高、耗电量小、寿命长(理论寿命达10万h)等优点。随着LED技术的不断发展,LED隧道照明发展迅猛,我国的个别高速公路隧道实施LED节能照明示范工程。目前,LED隧道照明控制大多与高压钠灯照明一样,没有采用按需照明、智能控制。LED灯响应迅速,其启动响应时间为纳秒量级,每次点亮只是瞬间过程,因此完全可以针对使用环境变化对其亮灭明暗实现智能控制,以充分节省电能,延长隧道灯寿命,使隧道灯照明系统更趋合理。

1 LED照明灯开发

1.1 LED照明灯无级亮度调节

LED无级调光解决方案及规范一直在不断变化中,现在市场上存在模拟、可控硅(TRAIC)和脉宽调制(PWM)3种调光方案。PWM调光是一种利用简单的数字脉冲,反复开关白光LED驱动器的调光技术。它以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率(通常高于100 MHz)在零电流和最大LED电流之间进行切换,从而调节白光LED的亮度。该占空比改变了有效平均电流,从而可实现高达3 000∶1的调光范围(仅受限于最小占空比)。由于LED电流要么处于最大值,要么被关断,所以该方法还具有能够避免在电流变化时发生LED色偏的优点,而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。

1.2 LED照明灯电源控制器

每个LED照明灯的亮度可调,是智能节能控制的基础,而现有的LED照明灯没有这样的功能。为了对LED照明灯亮度进行调节,就必须研制电流可调的电源控制器,设计采用恒压电源结合低压恒流模块结合的方案。恒流模块采用NS公司生产的L M3409 HV芯片,该芯片输入电压范围12~70 V,输出电压范围12~60 V,输出恒流,而且有PWM电流控制端,适合系统应用。一种电源控制器可以适应系列LED灯,比如1个75 W/54 V恒压电源结合1个恒流模块,可以适应40 W、50 W、60 W、70 W系列隧道灯;1个150 W/54 V恒压源配2个恒流模块,可以适应100 W、140 W等规格的隧道灯。PWM控制恒流模块原理如图1所示,包括直流电源、防反接电路、PWM控制电路及续流电路、大功率LED光源。直流电源通过防反接电路连接PWM控制电路和续流电路,续流电路连接PWM控制电路,大功率LED光源与PWM控制电路相连。直流电源经防反接电路给PWM控制电路供电,PWM控制电路和续流电路为大功率LED光源提供稳定的设定的电流。

图1 PWM控制恒流模块原理图

2 高速公路隧道LED照明智能控制系统

2.1 系统组成

系统组成如图2所示,现场传感信号和控制信号通过光纤在远程控制中心和隧道间传输,现场控制器和LED照明灯之间的信号用无线方式传输。

图2 高速公路隧道LED照明智能控制系统组成图

2.2 控制模式

(1)自动模式(远程控制)。按需照明,依据洞内外亮度、车流量和车速自动调整照明灯亮度。洞内局部因烟或雾能见度降低时,照明亮度自动增加,保证安全;洞外亮度强时,照明亮度自动增加。当没有车辆时,系统将使洞内维持最低亮度;当有车辆到来时,系统很快将洞内增至需要的亮度,从而避免隧道长时间无车照明。车速越高,照明灯亮度越强。(2)时序模式(远程控制)。按季节、时段和天气自动调整照明灯亮度。在自动控制信号出现故障等情况下,自动转换为该模式。时间自动读取计算机时钟。每天拂晓和傍晚亮度变化剧烈的时段,每15~30 min自动调整亮度一次;其他时段每1~2 h自动调整亮度一次。天气状况分为晴、多云、阴和重阴,人工输入。(3)手动模式(远程控制或现场控制)。人工手动控制照明灯的开、关和改变照明灯亮度,用于检修等情况。控制软件主界面如图3所示。

图3 控制软件主界面

3 示范工程实施效果

黄沙岭隧道和岭底隧道是LED照明示范工程,实施按需照明智能控制。黄沙岭隧道和岭底隧道双向六车道,设计时速100 k m/h,照明灯具采用左右两侧双排布设。黄沙岭隧道左线ZK103+930~ZK107+909,长3 979 m;右线 K103+934~K107+951,长4 017 m。岭底隧道左线ZK103+041~ZK103+826,长785 m;右线K103+285~K103+820,长735 m。

3.1 照度均匀性

为了对比平面光源LED灯和高压钠灯照度均匀性,分别测量了黄沙岭隧道LED照明中间段照度和小黄川隧道高压钠灯照明中间段照度。黄沙岭隧道中间段和小黄川隧道中间段布灯方式均为双侧对称布置,间隔为8 m。测量时在路面横向和纵向每间隔0.8 m画出记号,测量每个点的照度。

左车道的左侧和右车道的右侧均靠近电缆沟,照度测量值受电缆沟侧面涂的黄色或黑色油漆影响,波动太大,因此去掉最靠边列的照度数据。黄沙岭隧道LED照明中间段照度测量结果如图4所示,小黄川隧道高压钠灯照明中间段照度测量结果如图5所示。LED灯照度最大值63.4 lux、最小值46.3 lux,二者之差为17.1 lux;高压钠灯照度最大值63.2 lux、最小值45.5 lux,二者之差为17.7 lux。和高压钠灯相比,平面光源LED照度值起伏较小、相邻点变化小。

按照JTJ026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》,路面总亮度均匀性为最小亮度与平均亮度之比。以下用最小照度与平均照度之比表示路面总照度均匀性。LED灯整个区域的最小值为46.3 lux、平均值为48.85 lux,均匀性为0.95;高压钠灯整个区域的最小值为45.4 lux、平均值为48.2 lux,均匀性为0.94。二者均超过要求的0.4。

3.2 照明耗电

对小黄川隧道高压钠灯的功率和照度进行了测量。2个隧道中间段照明均为8 m间隔,双侧布灯,每8 m的平均功率和照度对比如表1所示。黄沙岭隧道中间段LED单灯设计功率为50 W,亮度设置为90%时的平均照度为48.85 lux,2盏灯的实测平均功率为88 W;小黄川隧道中间段高压钠灯单灯设计功率为70 W,平均照度为48.20 lux,2盏灯的实测平均功率为161 W。在照度不低于高压钠灯的条件下,LED灯的电功率降低45.3%。

图4 黄沙岭隧道LED照明中间段照度

图5 小黄川隧道高压钠灯照明中间段照度

表1 黄沙岭LED灯照明和小黄川隧道高压钠灯照明的功率和照度对比

4 结论

通过以上分析可知,和高压钠灯相比,平面光源LED照度值起伏较小、相邻点变化小。在照度不低于高压钠灯的条件下,LED灯的电功率降低45.3%。

[1]江西省交通运输厅信息中心.交通运输行业第二批节能减排示范项目推广材料之十——隧道LED节能照明在江西景鹰高速公路高傍下隧道的应用,2009

[2]朱磊.公路隧道LED照明节能控制研究.长安大学,2011

[3]JTJ026.l—1999 公路隧道通风照明设计规范

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