Analys och utvärdering av LED-belysning i Stockholms tunnelbana

(1)

INOM

EXAMENSARBETE ELEKTROTEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP

,

STOCKHOLM SVERIGE 2019

Analys och utvärdering av

LED-belysning i Stockholms

tunnelbana

Analysis and evaluation of LED

lighting in the subway of

Stockholm

CHRISTOPHER ALFRIJAT

RASMUS ERIKSSON

KTH

(2)

(3)

Analys och utvärdering av

LED-belys-ning i Stockholms tunnelbana

Analysis and evaluation of LED lighting in the subway of

Stockholm

Christopher Alfrijat

Rasmus Eriksson

Examensarbete inom Elektroteknik, Grundnivå, 15 hp

Handledare på KTH: L.O. Carlheim Examinator: Elias Said

TRITA-CBH-GRU-2019:046 KTH

Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa 141 52 Huddinge, Sverige

(4)

(5)

Sammanfattning

Trafikförvaltningen, som ansvarar för kollektivtrafiken i Stockholm, har startat ett projekt för att byta ut befintliga armaturer i Stockholms tunnelbana mot LED-arma-turer. Denna rapport utför förarbetet inför en kommande upphandling.

Detta arbete utvärderar olika LED-armaturers tekniska specifikationer som är lämp-liga för Stockholms tunnelbana där armaturerna ska bytas ut. För denna miljö sak-nas det i dagsläget standarder som är anpassade för LED-armaturer. Med hjälp av litteraturstudier och mätningar kunde underlag för en kravspecifikation skapas. Mätningar har gjorts på ett urval av LED-armaturer och deras tekniska specifikation har presenterats. Samtliga armaturer klarade EMC-testerna (elektromagnetisk kom-patibilitet) där inga störningar uppstod vid frekvenserna för Storstockholms Lokal-trafiks (SL) radiokommunikationssystem.

Arbetet har även hanterat miljö- samt den ekonomiska aspekten av implemente-ringen av LED-belysning.

Nyckelord

(6)

(7)

Abstract

Trafikförvaltningen, responsible for public transport in Stockholm, has started a project to replace existing luminaires in the subway of Stockholm to LED lights. This thesis could be a basis for an upcoming procurement.

In this report, various models of LED lights technical specifications will be evaluated based on the environmental requirements in Stockholm’s subway, where the existing luminaires will be replaced. For this environment, there is no standard regarding LED lights today. With the help of literature studies and tests, a groundwork for a specification could be made. The tests were only made on a selection of LED lights and their technical specifications were presented. All luminaires passed the EMC (electromagnetic compatibility) tests that were made in order to determine any in-terference with Stockholm’s public transport (SL) radio communication system. Environmental aspects and economical aspects of the implementation of LED lights has been taken into consideration.

Keywords

(8)

(9)

Förord

Författarna till detta examensarbete vill tacka våra handledare från L.O. Carlheim som har hjälpt oss under arbetets gång för att uppnå bästa möjliga resultat.

Vi vill tacka våra uppdragsgivare från Trafikförvaltningen Patrik Widén och Fatih Kosmaz som har gett oss chansen att utföra ett intressant och lärorikt arbete.

Vi vill även tacka Hans Grönqvist från företaget RISE som assisterade och gav oss tillgång till RISEs EMC-laboratorium.

Slutligen tackas Åke Holmberg från RFSYS Communication AB som gav oss un-derlag för de relevanta frekvenserna.

(10)

(11)

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1

1.1 Problemformulering ... 1

1.2 Målsättning ... 1

1.3 Avgränsningar ... 1

2 Teori och bakgrund ... 3

2.1 Bakgrund ... 3

2.2 Ljuskvalitet ... 3

2.2.1 Ra-index ... 3

2.2.2 Correlated color temperature ... 4

2.2.3 Lumen ... 4

2.3 Ljuskällor ... 4

2.3.1 Light emitting diode ... 4

2.3.2 Lysrör ... 5 2.4 Elektromagnetism ... 5 2.4.1 Elektromagnetisk kompatibilitet ... 5 2.4.2 Antenner ... 6 2.4.3 Närfält och fjärrfält ... 6 2.4.4 Detektorer ... 8 2.4.5 Semi-ekofri kammare ... 9

2.4.6 Open area test site ... 10

2.4.7 Conducted emissions test ... 10

2.5 Standarder ... 11

2.6 IP-klassning ... 12

2.7 Livslängd ... 13

2.8 Storstockholms Lokaltrafiks krav på belysningsarmaturer ... 14

3 Metoder och resultat ... 15

3.1 Metod för framställning av kravspecifikation ... 15

3.2 Mätningsmetodik ... 15

3.2.1 EMC-mätning ... 15

(12)

3.2.3 Alternativa lösningsmetoder för EMC-mätning ... 16

3.2.4 Effektmätning ... 17

3.3 Resultat ... 18

3.3.1 Kravspecifikation ... 20

4 Analys och diskussion ... 21

5 Slutsatser ... 23

(13)

1 | INLEDNING

1 Inledning

Detta kapitel behandlar problemställningen, målsättningen samt avgränsningarna.

1.1 Problemformulering

Trafikförvaltningen ansvarar för kollektivtrafiken i Stockholms län där armaturerna samt ljuskällorna i tunnlarna i tunnelbanan har uppnått sin tekniska livslängd. Be-lysningen behöver bytas ut och detta examensarbete utförs på uppdrag av Trafikför-valtningen som ett förarbete inför en kommande upphandling.

Den nya belysningen ska bestå av LED-lampor (lysdioder). I dagsläget saknas det dock en standard att testa efter för LED-armaturers/ljuskällors elektromagnetiska störningar för över 300 MHz. Över dessa frekvenser ligger Storstockholms Lokaltra-fiks (SL) radiokommunikationssystem där störningar inte får uppstå.

1.2 Målsättning

Målsättningen med examensarbetet är att ta fram en kravspecifikation för LED-be-lysning i Stockholms tunnelbanas tunnlar. De parametrar som kommer att finnas med i denna kravspecifikation är effekt, livslängd, ljuskvalitet samt radiostörningar. Målen ska uppnås med hjälp av litteraturstudier av relevant forskning, utveckling samt analys av andra anläggningar där LED-armaturer/ljuskällor används. Även tes-ter på LED-armaturer/ljuskällor ska utföras för att bestämma elektromagnetisk kompatibilitet samt effektförbrukning.

1.3 Avgränsningar

Under examensarbetet kommer tester att utföras på ett fåtal utvalda LED-armaturer för att se om dessa uppfyller kravspecifikationen. Testerna ska utföras på hela pro-dukten, detta inkluderar drivdon, matningskabel samt ljuskällan. Alla tester kom-mer att utföras i laboratorium och inte i tunnelbanan. Produkterna utvärderas uti-från ett exemplar av var fabrikat.

De tester som kommer att genomföras är EMC-test samt uppmätning av LED-arma-turernas effektförbrukning.

Anledningen till detta är den begränsade tid som arbetet har till förfogande. Hela arbetet utförs under 10 veckor och med en budget på maximalt 2500 kr vilket även gör att EMC-testerna endast kommer att kunna utföras vid ett tillfälle.

Tester på produkternas livslängd samt ljuskvalitet kommer alltså inte att utföras på grund av tidsbrist.

(14)

(15)

3 | TEORI OCH BAKGRUND

Figur 1: Jämförelse av Ra-värden.

2 Teori och bakgrund

Detta kapitel beskriver teorin för de relevanta ämnena samt metoderna för analyser av elektriska komponenter. I detta kapitel presentas även tidigare arbeten inom ämnet.

2.1 Bakgrund

Belysningen i Stockholms tunnelbana består idag av lysrörslampor med utgående livslängd och behöver ersättas med ett mer energisnålt alternativ. Lysrörslamporna innehåller kvicksilver som är skadligt för miljön samt hälsan [1].

Den nya belysningen ska bestå av LED-belysning. När ljuskällor ersätts i stora an-läggningar krävs det att olika standarder följs som tar hänsyn till behoven för en fungerande miljö. Standarders syfte är att upprätthålla en nivå för att undvika upp-repade problem. Olika standarder bestäms av styrande organ (exempelvis IEC och FCC,). Idag saknas en standard att testa efter, för LED-armaturer/ljuskällor, som är anpassad för frekvenser över 300 MHz.

De nya ljuskällorna får inte medföra störningar på Storstockholms Lokaltrafiks (SL) radiokommunikationssystem som finns i tunnelbanan. Systemet heter ERDM (Enhanced Radio Distribution in Metro) och används för ledning samt säkerhets-kommunikation. I detta system finns räddningstjänstens avsatta frekvensband (RAKEL), dessa frekvenser är 380–385 MHz, 390–395 MHz samt 417–419 MHz [2].

2.2 Ljuskvalitet

2.2.1 Ra-index

Ra-index beskriver ljuskällans förmåga att belysa olika färger. Ett bra Ra-värde över cirka 80 betyder att den belysta ytan behåller sin ursprungsfärg och ett Ra-värde vid 50 betyder att färgen kan uppfattas annorlunda (se figur 1). Värdet baseras på en skala mellan 0–100, där 100 är naturligt dagsljus [3].

(16)

Figur 3: Grundprincip för LED.

Figur 4: Hur vitt ljus framställs från en LED [4]. Figur 2: Färgtemperatur.

2.2.2 Correlated color temperature

Correlated color temperature (CCT) är värdet som hanterar ljuskällans färgtempera-tur. Den refererar till vilken temperatur en svartkropp ska värmas upp för att stråla ut ljus av samma färg. En svartkropp är en massa som absorberar allt ljus som strålas på den. Till exempel kan en svartkropp vid temperaturen 2000 K uppfattas som orange och en svartkropp kan uppfattas som blå vid 6500 K. Den beskrivs ofta med termerna ”varmt” och ”kallt” där Kelvin på 2000 K är varmt och 6500 K är kallt (se figur 2) [3].

2.2.3 Lumen

Lumen är SI-enheten för ljusflöde, med beteckningen lm, och beskriver hur mycket ljus en ljuskälla avger.

2.3 Ljuskällor

Detta avsnitt presenterar de relevanta ljuskällorna för tunnelbanan. 2.3.1 Light emitting diode

Light emitting diode (LED) är en ljuskälla bestående av dioder. Den skapar ljus ge-nom elektroluminescens i en kombination av två halvledarmaterial (se figur 3). Elektroluminescens är fenomenet när ett material avger ljus när en ström eller ett elektriskt fält passerar igenom den. Den färg som utstrålas beror på materialet halvledaren består av.

Under detta arbete används endast LED med vit färg. Den vita färgen uppstår ge-nom att kombinera blått ljus och gult ljus (se figur 4) [4].

(17)

Figur 5: Grundprincip för lysrör [7].

Det finns många fördelar med LED-belysning. De är mer energieffektiva än andra typer av ljuskällor (se tabell 1) [5]. Andra egenskaper med LED-belysning är att de har lång livslängd (över 50 000 timmar), är kvicksilverfria och har låga effektför-luster i form av värme [6].

Tabell 1: Jämförelser av ljuskällors effektivitet [5].

Typ Ljusutbyte (lm/W) Drivdonseffek-tivitet Diffusor-skärm Total effektivitet (lm/W) Glödlampa 12 - - 12 Lysrörslampa 70 80 % - 56 LED 130 90 % 75 % 88 2.3.2 Lysrör

Lysrör bygger på att det leds ström genom kvicksilverånga som i sin tur avger violett strålning. Insidan av lysröret är täckt med ett lyspulver som färgar den ultra-violetta strålningen till den önskade färgen (se figur 5). Ett typiskt lysrör har ett ljus-utbyte på 100 lm/W [7].

2.4 Elektromagnetism

Detta avsnitt beskriver teorin samt relevant mätmetodik för den elektromagnetiska strålning som komponenter avger samt de standarder myndigheter bestämt.

2.4.1 Elektromagnetisk kompatibilitet

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är ett elektriskt systems förmåga att fun-gera ordentligt i en elektromagnetisk miljö. Samtidigt ska systemet inte påverka sin omgivning. Under ideala förhållanden är produkter och system immuna mot

elektromagnetisk strålning och avger inte någon strålning.

Det finns två huvudkategorier av elektromagnetisk interferens. Elektromagnetiska vågor och ledningsbunden interferens. Den ledningsbundna interferensen överförs via matningskabeln från ett system till ett annat och de elektromagnetiska vågorna propagerar i alla riktningar utifrån ursprungskällan [8].

(18)

Figur 6: Olika antennkonstruktioner. Från vänster; hornantenn, logperiodisk antenn, bikonisk antenn och loop-antenn.

Figur 7: Elektromagnetiska vågor i närfält samt fjärrfält.

2.4.2 Antenner

För att mäta de utstrålade störningarna behövs en antenn. Beroende på vilka fre-kvenser antennen skall mäta finns det olika konstruktioner (se figur 6). Antennen läser av elektromagnetiska fält och matar informationen till en spektrumanalysator. Antennen är en transduktor som transformerar det elektriska fältet till en känd spän-ning på antennterminalerna. Denna omvandlingsfaktor är känd som antennfaktorn och är given med (se formel 1);

𝐴𝐹 = 𝐸 𝑉_𝐿 (1) där 𝐴𝐹 = 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟𝑛, 𝑚−1 𝐸 = 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑓ä𝑙𝑡, 𝑉/𝑚 𝑉_𝐿= 𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑣𝑖𝑑 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑟𝑛𝑎

Moderna spektrumanalysatorer kan automatiskt korrigera för antennfaktorns kor-rektion och visa den verkliga fältstyrkan.

2.4.3 Närfält och fjärrfält

Elektromagnetiska vågor är en kombination av ett elektriskt fält (E) och ett magne-tiskt fält (H). När ett system producerar ett elektromagnemagne-tiskt fält som propagerar i rummet är den klassad i fjärrfältet. I fjärrfältet är elektromagnetiska vågorna relativt enkla att läsa och propagerar i klassisk radiofrekvensteori (se figur 7). Gränsen mel-lan närfältet och fjärrfältet är inte exakt, det finns en övergångsfas melmel-lan dem som kallas Fresnelzonen. En vanlig tumregel är att fjärrfältet börjar på avståndet λ/2π. Det vill säga det minsta avståndet att börja mäta fjärrfältsvågor.

(19)

Våglängden (λ) kan beräknas med frekvensen av den våg som ska propagera och lju-sets hastighet (se formel 2).

𝜆 = 𝑐 𝑓 (2) där 𝜆 = 𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑠 𝑣å𝑔𝑙ä𝑛𝑔𝑑 𝑐 = 𝑙𝑗𝑢𝑠𝑒𝑡𝑠 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 𝑓 = 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑠

Se tabell 2 för exempel på sambandet mellan våglängd och frekvens;

Tabell 2: Samband mellan frekvens och våglängd.

Frekvens Våglängd

10 MHz 30 m

100 MHz 3 m

1 GHz 0,3 m

10 GHz 0,03 m

I fjärrfältsområdet är vågimpedansen i ett fritt rum givet av kvoten mellan E-fält och H-fält (se formel 3). 𝑍0 = 𝐸 𝐻 = 𝜇0 ∙ 𝑐 ≈ 377 Ω (3) där 𝜇0 = 𝑑𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑘𝑎 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 (𝑡𝑜𝑚𝑟𝑢𝑚𝑚𝑒𝑡𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑒𝑡) ( 4𝜋 ∙ 10−7∙ 𝑠 𝐴 ∙ 𝑚 ) 𝑐 = 𝑙𝑗𝑢𝑠𝑒𝑡𝑠 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡 𝑖 𝑣𝑎𝑐𝑢𝑢𝑚 (3 ∙ 108_𝑚/𝑠)

(20)

Figur 8: Förhållandet mellan elektriska fältet och magnetiska fältet från källan.

Figur 9: Hög repetition av störsignaler respektive låg repetition störsignaler.

När elektromagnetiska fältet befinner sig i närfältet är impedansen beroende av käl-lan och dess närliggande miljö. Om kälkäl-lan har en hög ström och en låg spänning (E/H<377 ohm), är fältet dominant magnetiskt. Om källan har låg ström och hög spänning (E/H>377 ohm) är fältet dominant elektriskt (se figur 8) [8].

2.4.4 Detektorer

Spektrumanalysatorer för EMC-mätningar har olika detektorer tillgängliga: Topp-detektor detekterar toppvärden på frekvenserna som studeras. Detektorn Quasi-peak detekterar toppvärdet och tar hänsyn till hur ofta det förekommer.

Toppdetektorn är bäst lämpad för EMC-felsökning då det är enkelt att identifiera huvudfelsområden. Detektorn Quasi-peak är främst lämpad för EMC-mätningar. Den mäter de toppvärden som uppstår. Toppvärdena avtar sedan med en bestämd tidskonstant. Signaler med låg repetition kommer visa ett lägre värde medan signa-ler med högre repetition kommer visa ett högre värde (se figur 9). Detta imiterar den verkliga påverkan EMC-signalen har i systemet. Detektorerna är en programvara och ingen fysisk detektor [8].

(21)

Figur 10: EMC-mätning i en semi-ekofri kammare [6].

Figur 11: Olika konstruktioner av skärmningar.

2.4.5 Semi-ekofri kammare

Semi-anechoic Chamber (SAC) är en kammare byggd för tester av EMC. Den elimi-nerar reflektion och störningar från elektromagnetiska vågor för att isolera de stör-ningar testobjektet avger. Utstrålningen av vågor är inte en homogen sfär därför ro-teras produkten och antennen för att mäta de högsta störningarna vid tester (se fi-gur 10).

Materialet som väggen består av beror på vilket frekvensområde och hur hög dämpningen av strålning från omgivningen är. Vid höga krav av skydd mot elektro-magnetisk störning kan två väggar byggas (se figur 11). Vid lägre krav kan en en-klare Faradays bur byggas med ett kopparnät som vägg.

(22)

Effektiviteten i en sluten kammare mäts i hur mycket den kan dämpa elektromag-netisk strålning. Kammaren absorberar även strålning från insidan och reflektioner som kan uppstå [9] [10].

För att se typisk dämpningskarakteristik för olika konstruktioner se tabell 3;

Tabell 3: Dämpning av elektromagnetisk strålning

Yttre skal Inre skal

Magne-tisk 14 kHz Elektrisk 14 kHz Planvåg 450 MHz 1 GHz Mikrovåg 10 GHz Kopparnät Kopparnät 68 dB 120 dB 110–120 dB 90– 110 dB 50–80 dB 0,64 mm galvanise-rat stål 0,1 mm kopparnät 75–80 dB 120 dB 120 dB 120 dB 100–110 dB 0,1 mm kopparnät 0,1 mm kopparnät 64 dB 120 dB 120 dB 120 dB 110–120 dB 0,64 mm galvanise-rat stål 0,83 mm kopparnät 86–93 dB 120 dB 120 dB 120 dB 106–120 dB 0,51 mm magnetstål & 0,83 mm kopparnät 0,51 mm magnet-stål & 0,83 mm kopparnät 100–120 dB 120 dB 120 dB 120 dB 120 dB

2.4.6 Open area test site

Open area test site (OATS) är en testplats med minimalt radiobrus utan inneslu-tande kammare. Det finns inga reflekterande material av radiovågor inom testplat-sen. Dessa byggs i miljöer som öppna ängar, fotbollsplaner eller underjordiska kammare där dem uppfyller de tidigare nämnda kriterierna [11].

2.4.7 Conducted emissions test

Dessa tester identifierar den elektromagnetiska störningen som överförs via mat-ningskabeln. Testerna ligger på frekvensintervallet 150 kHz - 30 MHz. De störningar som uppstår identifieras via matningskabeln och kan då åtgärdas för att skydda pro-dukter inom samma miljö. Dessa störningar sker både via kretsen och trådlös kom-munikation eftersom kabeln fungerar som sändarantenner.

För lågfrekventa tester används en LISN (Line Impedance Stabilization Network). Den är ett lågpassfilter placerad mellan matningen och produkten. Filtret skapar en känd impedans och har ett uttag för radiofrekvensstörningar [12].

(23)

2.5 Standarder

Beroende på miljön produkten skall befinna sig i finns det olika standarder den ska uppfylla. De relevanta standarderna för denna produkt är CISPR 32 och SS-EN 55 032, CFR § 15.109. Dokumenten är skapade av styrande organ som FCC (Federal Communications Commission) och CISPR (International Special Committee on Radio Interference) för att produkter skall vara elektromagnetiskt kompatibla med sin omgivning. Ett typisk test (se figur 12) innehåller standarden med angivna gränser för den styrkan på störningen får vara. Om produkten inte uppfyller stan-darden är den inte godkänd för utstrålning av 200 MHz – 1 GHz vilket kan störa

den miljö med elektrisk utrustning som arbetar vid dessa frekvenser [13].

Figur 12: Exempel på en EMC-mätning.

7 May 2019 10 : 04 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Background Tested by: Hans G Test Notes: Horisontal

200M 300M 400M 500M 600M 700M 800M 900M 1G Frequency (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Le ve l ( dB uV /m )

CISPR22 Class B @ 1m Average

CISPR22 Class B @ 1m Peak CISPR22 Class B @ 1m QP

(24)

2.6 IP-klassning

IP-klassning beskriver hur skyddad en elektronisk produkt är och uträttas enligt standarden EN 60529 eller likvärdig standard. Den representeras med två siffror, första siffran står för dess grad av skydd mot beröring och inträngande föremål på en skala 1–6. Nivå 1–4 är tester av en skyddande kapsel, detta testas genom att trycka olika instrument mot kapselns utsida. Högre nivå betyder högre tryck per areaenhet, till exempel nivå 1 är en 50 mm i diametersfär med 50 N, nivå 2 är en 12 mm i dia-metersfär med ett tryck på 30 N, nivå 3 är en sond med 2,5 mm i diameter som pressas med ett tryck av 3 N. Nivå 5 och 6 beskriver hur dammtät produkten är. Ac-cepteringsvillkoret för den första siffran är att de olika instrumenten inte perforerar kapseln.

Den andra siffran står för skydd av inträngande vatten. Denna skala går från 1–9 (se tabell 4). Denna klassning testas genom att utsätta den skyddande kapslingen genom vattenbesprutning från låg till hög intensitet. Det kravet Trafikförvaltningen har på LED-armaturer är IP-klass 65 [14].

Tabell 4: IP-klassning.

Nivå Beskrivning Nivå Beskrivning

1 50 N sfär/Ø 50 mm 1 Droppskyddat

2 10/30 N ”provfinger”/sfär 12,5 mm 2 Droppskyddat vid lutning

3 3 N sond/ Ø 2,5 mm 3 Strålsäkert

4 1 N ståltråd/ Ø 1 mm 4 Striltätt

5 Dammskyddat (20 mbar och 60 x volym/timme) 5 Spolsäkert

6 Dammtätt samma som prov 5 6 Spoltätt

7 Vattentätt

8 Tryckvattentätt

(25)

Figur 13: Livslängdstest av en LED-armatur.

2.7 Livslängd

Fluorescerande lysrör har en livslängd på 8 000 – 15 000 timmar, detta mäts genom att lampan är i drift tills den slocknar eller slutar fungera. Livslängden på LED-lam-por deklareras med hjälp av ett L-värde. L-värdet står för hur många timmar det tar innan ljusstyrkan sjunker till en viss procent av ursprungsvärdet. Ljuskällors livs-längd kan även uppvisas med ett B-värde, vilket står för hur stor procent av

produk-terna som inte uppfyller L-värdet. En produkt med L80/B10 (100 000 h) till exempel

har 90 % av produkterna efter 100 000 h behållit 80 % av sin ursprungliga ljus-styrka. B-värdet är dock inte alltid tillgänglig för alla produkter.

LED-lampor kan ha en livslängd på över 50 000 timmar (5,7 år), därför har industrin anpassat ett sätt beräkna den uppskattade livslängden med hjälp av en standard från IES (Illuminating Engineering Society) som benämns TM-21. Det är en standard som ligger i grund för att uppskatta den livslängd som lampor har. Den tillåtna ex-trapoleringen är sex gånger testperioden. Till exempel efter 10 000 timmar av test-ning kan produkten bli tilldelad en uppskattad livslängd på 60 000 (se figur 13) [15].

(26)

2.8 Storstockholms Lokaltrafiks krav på belysningsarmaturer

För att säkerställa kvaliteten på armaturer följer SL kravspecifikationen FUT EL-AMA [16]. Dokumentet anger krav som bland annat ska tillämpas vid upphandling av belysningsarmaturer.

Enligt FUT EL-AMA skall belysningsarmaturer bland annat uppfylla dessa krav:

• Livslängd; L80B10 (80 000 h) och maxtemperatur vid test 25oC

• Färgtemperatur 3000K-5000K

• Ra-index ≥ 80

• IP65

(27)

15 | METODER OCH RESULTAT

Figur 14: N9000A-507 CXA Signal Analyzer spektru-manalysator.

3 Metoder och resultat

Kapitel 3 beskriver den valda lösningsmetoden för arbetet samt presenterar det slut-giltiga resultatet.

3.1 Metod för framställning av kravspecifikation

Kravspecifikationen kunde framställas med hjälp av analyser av befintliga standar-der. Dessa standarder var FUT EL-AMA samt CISPR 32.

Efter analys av FUT EL-AMA, SL:s krav för belysningsarmaturer, samt analys av re-levanta radiofrekvenser i tunnelbanan (SL:s radiokommunikationssystem) kunde grunden för kravspecifikationen skapas. Frekvenserna låg vid 380–385 MHz, 390– 395 MHz samt 417–419 MHz.

3.2 Mätningsmetodik

Detta avsnitt presenterar de valda metoderna för EMC-mätning samt effektmätning. 3.2.1 EMC-mätning

EMC-mätningarna utfördes på ett urval av LED-armaturer/ljuskällor. Detta för att avgöra om de uppfyllde kraven för radiostörningar från kravspecifikationen. Den metod som valdes för mätningarna var SAC.

Laboratoriet där testerna utfördes låg i Atlas Copcos lokaler och testerna utfördes av företaget RISE. Ansvarig för laboratoriet var Hans Grönqvist PhD inom mikrovåg-steknologi. Detta laboratorium kunde godkänna produkter för EMC-mätningar. Kammaren var uppbyggd av en Faradays bur med dimensionerna (l, b, h) 4 X 2,5 X 2,5 meter med ett lager av skärmning. Skärmningen bestod av ett kopparnät med träram.

Spektrumanalysatorn var en N9000A-507 CXA Signal Analyzer (se figur 14). Den modell som användes hanterade frekvenser inom intervallet 9 kHz- 7,5 GHz. Den var utrustad med programvaran Compliance 5 från Teseq.

(28)

Figur 15: EM-7820 LISN.

Figur 16: Illustration av EMC-laboratoriet som användes under detta projekt.

Elektromagnetiska strålningen lästes in av en logperiodisk antenn av modellen EM-6950. Den hanterade frekvensintervallet 200 MHz- 1 GHz och kan mäta både hori-sontella och vertikala elektromagnetiska vågor.

För att mäta den ledningsbundna elektromagnetiska störningen hade laboratoriet en LISN av modellen EM-7820 (se figur 15). Den är ett tvåkanals lågpassfilter som stabiliserar den ledningsbundna impedansen och mäter störningen som uppstår.

Innan testerna började utfördes ett bakgrundstest för att identifiera eventuella stör-ningar som inte blivit avskärmade av kammaren. Under testerna placerades en LED-armatur i taget på en jordad yta i kammaren. Antennen placerades en meter ifrån armaturen. Armaturen kopplades in i LISN och kammaren stängdes. De elektromag-netiska vågorna mättes i horisontell respektive vertikal riktning genom att rotera an-tennen 90 grader. Spektrumanalysatorn tog emot informationen från anan-tennen och med mjukvaran konverterade om informationen till grafer. För komplett ritning av laboratoriet se figur 16.

3.2.2 Testspecifikation för EMC-mätning

Samtliga produkter testades efter standarden CISPR 32 som täcker frekvensinter-vallet 200 MHz – 1 GHz. Detta för att täcka frekvenserna 380 – 385 MHz, 390 – 395 MHz samt 417 – 419 MHz där RAKEL ingår.

3.2.3 Alternativa lösningsmetoder för EMC-mätning

OATS-metoden isolerar inte testobjektet från störande radiovågor. De relevanta fre-kvenserna ligger i närområdet av radio- och telekommunikation. Därför valdes inte denna metod.

(29)

Figur 17: Mätning av ström med strömtång.

De relevanta frekvenserna för arbetet ligger över 300 MHz kombinerat med att pro-dukterna är CE märkta för conducted emissions behövs inte conducted emissions test. Därför valdes inte denna metod för att mäta elektromagnetisk strålning.

3.2.4 Effektmätning

Produkternas effekt mättes med strömtång och voltmeter för att säkerställa den an-givna effekten på produktbladen.

För att göra dessa mätningar krävdes det att fasen, neutralen samt jorden separera-des ifrån varandra. Detta löstes genom att skala av kabeln på ett grenuttag och an-sluta det till en avskalad europaplugg. För att mäta strömmen placerades ström-tången över fasen (se figur 17). Spänningen mättes med hjälp av voltmetern som pla-cerades över fas och neutral. Därefter beräknades produkternas effekt med effekt-formeln P=UxI.

(30)

Figur 18: EMC-bakgrundstest, y-axeln beskriver gränsvärdet och x-axeln frekvensen.

Figur19: EMC-test CISPR-32 för en armatur.

3.3 Resultat

I detta avsnitt presenteras resultatet av mätningarna som utfördes på de olika arma-turmodellerna. Ett antal EMC-tester utfördes med den logperiodiska antennen. Pro-dukterna mättes två gånger, med antennen i horisontellt samt vertikalt läge.

Innan armaturerna testades utfördes det ett bakgrundstest för att identifiera stör-ningar som inte skärmades bort. Störstör-ningarna som illustreras i figur 18 var samma störningar som uppstod vid testerna av armaturerna.

Se figur 19 för illustration av en EMC-mätning för en armatur. Här syns samma stör-ningar som uppstod i bakgrundstestet.

(31)

Alla armaturer som testades för elektromagnetiska störningar enligt CISPR 32 vi-sade sig inte avge några störningar för de relevanta frekvensernas gränsvärden. AQUA-70-LED-FL var inte med under EMC-testerna. EMC-mätningarna och den uppmätta effekten är resultatet av mätningarna, övrig info är hämtad från leveran-törerna samt produktblad (se tabell 5).

Tabell 5: Produkternas tekniska specifikation. N/A står för not applicable och är information som inte hittats.

Modell Uppmätt effekt /angiven effekt Effekt- avvi-kelse (%) lm/ W Lumen Livslängd LED Lxx/Bxx Temp. Livslängd driv-don/max utfall % IP-klass Längd EMC-mätning CISPR-32 Ra-in-dex/CCT LED Line SWD D1530 59,1 W/55 W 7,45 140 7700 60 000 h L85/B10 N/A 100 000 h /N/A 65 150 cm Godkänd N/A 34321 Kaptur LITE 42,1 W/39 W 7,95 143 5577 60 000 h L80/B10 N/A 100 000 h /10 % 67 150 cm Godkänd 80/4000 K VALTA-VALO LED-Prima Plus 23,7 W/24 W -1,25 110 2640 96 000 h L80/B10 25o_C 96 000 h /10 % 66 150 cm Godkänd 80/4000 K GLT TUBE 150 M 4K++ 18,2 W/18 W 1,11 167 3006 60 000 h L80/B10 45o_C 50 000 h /10 % 65 150 cm Godkänd 92– 94/4000 K Fergin ZUG LED HIGH OUTPUT m1200 44,9 W/48 W -6,46 138 6624 96 000 h L80/B10 35o_C 96 000 h /10 % 69K 141 cm Godkänd >80/400 0 K Aura Light Duro QC OptiT5 AC 38,7 W/37 W 4,59 122 4514 60 000 h L80/B10 25o _C 60 000 h /10 % 66 156 cm Godkänd >80/400 0 K AQUA-70-LED-FL 21 W/18 W 16,67 102 1836 83 000 h L80/B10 40o_C N/A 69 75 cm Ej testad >80/400 0 K

(32)

3.3.1 Kravspecifikation

För att undvika att störningar uppstår på SL:s radiokommunikationssystem, som ligger inom frekvenserna 380–385 MHz, 390–395 MHz och 417–419 MHz, skall LED-armaturerna/ljuskällorna testas enligt standarden CISPR 32 (200 MHz-1 GHz).

LED-belysningen skall även uppfylla de krav enligt FUT EL-AMA vilka är:

• Livslängd; L80B10 (80 000 h) och maxtemperatur vid test 25oC

• Färgtemperatur 3000K-5000K

• Ra-index ≥ 80

• IP65

(33)

21 | ANALYS OCH DISKUSSION

4 Analys och diskussion

Syftet med detta arbete var att skapa underlag för en kravspecifikation för LED-ar-maturer i tunnelbanemiljö inför en framtida upphandling. De metoder som valts för att utföra arbetet har varit anpassade till arbetets avgränsningar. Att till exempel ut-föra livslängdstester var ej aktuellt på grund av tidsbegränsningen på 10 arbets-veckor.

EMC-testerna utfördes på ett icke ackrediterat laboratorium. Laboratoriet dämpade omgivningens störningar tillräckligt. Detta visade sig genom att samtliga produkter klarade testerna. Fördelen med ett ackrediterat laboratorium är att de bakgrunds-störningar som uppstår försvinner. Men ackrediterade laboratorium har en hög kostnad och låg tillgänglighet. Produkten bör även testas i den miljö där installat-ionen skall ske för att i laboratoriet är det bättre förhållanden än i den reella miljön. Antalet LED-armaturer var begränsat. För ett mer omfattande resultat deras det att ett högre antal produkter testas, i både skala och urval. Det rekommen-deras även att utföra tester på hela belysningsprodukten och inte endast lysdioden. Under detta arbete levererades livslängdstester av leverantörerna. Livslängdstes-terna TM-21 är extrapolerade värden som visar en uppskattad livslängd av olika pro-dukter från olika leverantörer. Detta är inte idealt då leverantörerna utför testerna under olika förhållanden. Till exempel temperatur, längd på tester, olika intervaller och antal produkter. Under ett arbete där produkter skall testas för en specifik miljö bör samtliga produkter testas under samma förhållanden.

De hämtade värdena från leverantörerna (Ra-index, lm/w, färgtemperatur och livs-längd) bör verifieras från en objektiv tredje part. På detta sätt kan upphandlaren få en klarare och mer legitim bild av produkterna.

Effektmätningen utfördes för att samtliga produkter skulle behandlas rättvist. Där-för utDär-fördes detta test under samma Där-förhållanden.

I dagsläget är det enda EMC-kravet från Trafikförvaltningen att LED-belysning upp-fyller SS-EN-55 015 eller likvärdig standard. Denna standard täcker inte det fre-kvensområde som är relevant för tunnelbanemiljö (RAKEL). Därför bör det krävas av framtida produktleverantörer av LED-armaturer att lägga till CISPR 32, SS-EN 55 032 eller likvärdig standard. Dessa standarder hanterar frekvenserna 200 MHz– 1 GHz.

På grund av avgränsningen utfördes EMC-mätningar endast mellan 200 MHz–1 GHz. Med en större budget hade tester kunnat utföras för fler relevanta frekvenser över 1 GHz.

Ur ett ekonomiskt perspektiv är det en fördel med högre livslängd då det kräver mindre underhållsarbete. I tunnelbanemiljön är det inte LED-armaturen i sig som är dyr vid byte, det är kostnaden för nattarbete med tillhörande personal.

(34)

22 | ANALYS OCH DISKUSSION

Effektförbrukningen för LED är upp till 80 % lägre än konventionella lysrör, detta är ett stort område för effektbesparing för stora projekt.

Den reducerade effektförbrukningen är även positiv ur ett miljöperspektiv. Samtlig belysning i tunnelbanetunnlarna är oftast i drift, på grund av säkerhetsskäl. Den ökade återvinningshalten av LED-belysning jämfört med de gamla lysrören är en po-sitiv aspekt. Det finns dessutom inget kvicksilver i LED-armaturerna.

(35)

23 | SLUTSATSER

5 Slutsatser

Arbetet hanterade och uppfyllde de mål som var uppsatta. En kravspecifikation för LED-armaturer/ljuskällor i tunnelbanan presenterades. Produkterna bör testas efter standarden CISPR 32 för att upptäcka eventuella störningar på SL:s

radiokommuni-kationssystem. Armaturerna bör även testas för livslängd enligt L80B10 (80 000 h)

och maxtemperatur vid test 25o_{C. De ska ha en färgtemperatur på 3000K-5000K,}

Ra-index ≥ 80 och IP-klass 65. De bör även vara godkända enligt standarden

SS-EN-55015 eller likvärdig standard.

Samtliga produkter testades efter de radiofrekvenser som var relevanta och de blev godkända i den standarden (CISPR 32) som testet var utformat efter.

Information om produkternas livslängd och effekt togs fram då det är en underlig-gande kostnad i denna upphandlingsfråga.

I framtiden bör Trafikförvaltningen kräva av LED-leverantörer att lägga till standar-den CISPR 32 i deras produktinformation.

Vid framtida arbeten rekommenderas fler produkttester. Utförligare tester på livs-längd av både drivdon och lysdiodssystem, elektromagnetiska störningar på plats i tunnelbanan och tiden ett armaturutbyte tar. Ett utvecklingsområde som uppstod under arbetet var användningen av dimmer. Att minska ljusstyrkan och därmed ef-fekten för att spara på energi.

(36)

(37)

25 | KÄLLFÖRTECKNING

Källförteckning

[1] Kemikalieinspektionen, ”Kvicksilver”,

https://www.kemi.se/privatpersoner/ke-miska-amnen/kvicksilver, Hämtad 2019-03-29.

[2] Trafikförvaltningen, ”Genomförandebeslut avseende reinvestering av kabel för

radiodistribution i spårtunnlar”,

http://sammantradeshandlingar.sll.se/sites/sammantradeshandlingar.sll.se/files/sll/Global/Politik/Politiska-organ/Trafik-

namnden/2015/2015-05-12/p5-Tjut-TN-Gfb-reinvestering-kabel-radiodistribut-ion-spartunnlar.pdf, Publicerad 2015-04-20. Hämtad 2019-04-11.

[3] Rea MS, ”The IESNA LIGHTING HANDBOOK”, Upplaga 9, USA, Publicerad: 2000. Hämtad: 2019-05-27.

[4] PhotonStar Technology Ltd., “How LEDs Produce White Light”

http://www.photonstartechnology.com/learn/how_leds_produce_white_light#,

Hämtad 2019-05-21.

[5] Jhunjhunwala A, Vasudevan K, Kaur P, Ramamurthi B, Kumaravel, Bitra S, et

al, ” Energy Efficiency in Lighting: AC vs DC LED Lights”,

https://ieeexplore-ieee-org.focus.lib.kth.se/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7936068&tag=1, Publicerad

2016. Hämtad 2019-03-25.

[6] Matvoz D, Maksic M, “Comparison of LED and CFL Lamps and Their Impact on

Electric Power Network”,

https://ieeexplore-ieee-org.fo-cus.lib.kth.se/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6381219, Publicerad 2012.

Häm-tad 2019-04-16.

[7] Nationalencyklopedin, “Lysrör”,

https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklo-pedi/l%C3%A5ng/lysr%C3%B6r, Hämtad 2019-05-21.

[8] EMC FastPass, ”EMC Testing: The Beginner’s Guide”,

https://em-

cfastpass.com/wp-content/uploads/2018/05/EMC_Testing_Begin-ners_Guide.pdf, Publicerad 2018. Hämtad 2019-03-27.

[9] Witte RA, Kapitel: “EMC Measurements”, “Spectrum and Network

Measure-ments”,

https://digital-li- brary.theiet.org/docserver/fulltext/books/ew/sbew506e/SBEW506E_ch16.pdf?ex-

pires=1558613985&id=id&accname=ietid004739&check-sum=67B220E086C8D55B44FBFD7788AA1796, Publicerad Oktober 2014.

Häm-tad 2019-05-08.

[10] Chung BK, ”EMI/EMC Chamber Design, Measurement, and Instrument”,

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-981-4560-44-3_81.pdf,

(38)

26 | KÄLLFÖRTECKNING

[11] Lindgren ETS, “Double Electrically Isolated RF Enclosures”,

https://www.atecorp.com/atecorp/media/pdfs/data-sheets/ets-lindgren-

dei_datasheet.pdf?fbclid=IwAR1WGB650CvAH3Qdy-sui4fPaTo1LAFw09_4Jiw6x8Qc1Y4v9kJfOjFLF6D8, Publicerad 2005. Hämtad

2019-04-30.

[12] Armstrong K, Williams Tim, “EMC testing”,

http://www.compliance-club.com/pdf/emctestingpart1.pdf, Publicerad 2014. Hämtad: 2019-05-09.

[13] Tektronix, ”Conducted and Radiated Emissions Testing”,

https://www.linktro-nix.ch/resources/public/liveedit/media/1520498551_5aa0f7770c3a6.pdf, Hämtad

2019-04-11.

[14] RISE, “IP-klassning”,

https://www.sp.se/sv/index/services/ip/sidor/de-

fault.aspx?fbclid=IwAR1x1JeV7ksA-LyJhMJ2kiFu9Mc-k83sZosSI_vhY-8KD6z1mmiOkWFdeZ0, Hämtad 2019-05-14.

[15] Fagerhult, “Redovisning av livslängd på LED-armaturer”,

https://www.fager-

hult.com/globalassets/global/downloads/technical_info/led_livslangd_down-load.pdf, Publicerad 2015-06-04. Hämtad 2019-03-29.

[16] FUT AMA-MALL FÖR BELYSNING (UTDRAG UR FUT EL-AMA MALL) [In-ternet], Svensk Byggtjänst, http://amabv.byggtjanst.se/#4830800, Publicerad: 2018-11-12. Hämtad 2019-05-28.

(39)

7 May 2019 10 : 04 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Background Tested by: Hans G Test Notes: Horisontal 200M 300M 400M 500M 600M 700M 800M 900M 1G Frequency (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Le ve l ( dB uV /m )

Trace2: Measured Quasi Peak

7 May 2019 10 : 06 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Background Tested by: Hans G Test Notes: Vertikal

Bilaga

Alla figurer i bilagan är testade enligt CISPR 32 och inte CISPR 22 som det står i figurerna.

Bakgrundstest horisontell:

(40)

7 May 2019 09 : 19 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Nr 1 Tested by: Hans G Test Notes: Horisontal 200M 300M 400M 500M 600M 700M 800M 900M 1G Frequency (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Le ve l ( dB uV /m )

7 May 2019 09 : 24 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Nr 1 Tested by: Hans G Test Notes: Vertrical

LED Line SWD D1530 horisontell:

(41)

7 May 2019 09 : 31 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Nr 2 Tested by: Hans G Test Notes: Horisontell 200M 300M 400M 500M 600M 700M 800M 900M 1G Frequency (Hz) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Le ve l ( dB uV /m )

7 May 2019 09 : 35 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Nr 2 Tested by: Hans G Test Notes: vertical

34321 Kaptur LITE horisontell:

(42)

7 May 2019 09 : 42 Test: Radiated - CISPR22 Class B @ 1m Project: Nr 3 Tested by: Hans G Test Notes: Vertical

VALTAVALO LED-Prima Plus horisontell:

(43)

GLT TUBE 150 M 4K++ horisontell:

(44)

Fergin ZUG LED HIGH OUTPUT m1200 horisontell (I denna mätning uppstod det en glitch som gav felaktiga resultat, se vertikal för rätt resultat):

(45)

Aura Light Duro QC OptiT5 AC horisontell:

(46)

(47)

(48)

TRITA CBH-GRU-2019:046