DC600V直流變速空調(diào)客車系統(tǒng)方案設(shè)計研究

王 衛(wèi)

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計部，江蘇南京210031）

DC600V直流變速空調(diào)客車系統(tǒng)方案設(shè)計研究

王 衛(wèi)

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計部，江蘇南京210031）

分析了現(xiàn)有25G、25T型DC600V供電鐵道客車空調(diào)機組的現(xiàn)狀及不足，分析比較了采用定速空調(diào)機組及直流變速空調(diào)機組的優(yōu)缺點，提出了采用直流變速空調(diào)客車的系統(tǒng)方案設(shè)計。

25G、25T型客車；空調(diào)客車；DC600V供電；直流變速空調(diào)；逆變器并聯(lián)。

目前我國25 G、25 T型DC 600 V供電鐵道客車采用機車集中整流、客車分散逆變方式，構(gòu)成旅客列車交—直—交變流供電系統(tǒng)。客車車輛采用傳統(tǒng)的定速空調(diào)存在供電系統(tǒng)效率低、沖擊電流大，客室溫度不易調(diào)控，開關(guān)電源需要分時啟動，空調(diào)機組制冷劑不環(huán)保等問題。

空調(diào)裝置是鐵路客車的重要部件，也是客車車輛主要能源消耗設(shè)備之一，如何減少空調(diào)裝置故障率，減少能源消耗，保證運行安全是鐵路車輛專業(yè)的重要課題。

為推動國家鐵路節(jié)能減排深入發(fā)展，推進(jìn)鐵道客車科技進(jìn)步，降低鐵路的運營成本和維修成本，推動國家鐵路客車行業(yè)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，各鐵道客車裝備單位正在開展直流變速空調(diào)在鐵路客車空調(diào)上的應(yīng)用研究。

1　現(xiàn)狀調(diào)查及分析

1.1定速空調(diào)客車現(xiàn)狀

（1）我國現(xiàn)有25G、25T型DC600V供電鐵道客車空調(diào)機組采用50HZ、AC380V電源供電?？蛙囋O(shè)置一套DC600V轉(zhuǎn)AC 380 V的逆變電源裝置。定速空調(diào)客車在啟動及過分相后，沖擊電流較大，增加了逆變電源的故障率，干擾DC600V母線其他用電設(shè)備。

（2）定速空調(diào)機組采用壓縮機開機、關(guān)機方式調(diào)節(jié)客室溫度，階梯式調(diào)節(jié)溫度使車廂內(nèi)溫度場梯度波動大，目前車廂內(nèi)溫差達(dá)4℃，舒適度較差。

（3）DC600V供電25G、25T型客車空調(diào)機組用電負(fù)荷超過全列車用電的50%。定速空調(diào)調(diào)機組采用壓縮機開機/關(guān)機方式以額定功率運轉(zhuǎn)，能源消耗較大。

（4）制冷劑采用非環(huán)保冷媒R22，易造成臭氧層破壞，違反蒙特利爾協(xié)議。

綜上所述定速空調(diào)客車存在：輔助供電系統(tǒng)故障率高、維護成本高；電流沖擊大、易造成逆變電源及空調(diào)機組部件潛在故障；客室溫度波動大；能源浪費大；非環(huán)保等問題。

1.2直流變速空調(diào)的應(yīng)用及優(yōu)勢

1.2.1直流變速空調(diào)的應(yīng)用

直流變速空調(diào)機組已在機車車輛、地鐵車輛、高鐵動車組等軌道行業(yè)成功應(yīng)用，技術(shù)成熟、安全可靠。變速空調(diào)在節(jié)能減排與減重、客室舒適性、環(huán)境保護等方面已取得顯著成效。

1.2.2直流變速空調(diào)的優(yōu)勢

采用DC600V電源直接供電，減小逆變電源容量，優(yōu)化客車整車配電系統(tǒng)，可減輕整車質(zhì)量、節(jié)約運營成本；采用變頻軟啟動技術(shù)，減小壓縮機、風(fēng)機部件啟動對電源網(wǎng)絡(luò)和電機部件的電流沖擊；通過變頻控制技術(shù)，實現(xiàn)空調(diào)機組的可變能力輸出。既提高客室溫度調(diào)節(jié)舒適性又滿足不同負(fù)荷狀況的能力需求供給，實現(xiàn)節(jié)能降耗；使用R410a共沸點冷媒，綠色環(huán)保。

采用直流變速空調(diào)，可實現(xiàn)安全可靠、節(jié)能舒適、綠色交通的目的，具有非?？捎^的社會效益和經(jīng)濟效益。

2　直流變速空調(diào)客車系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1供電系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)概述

客車空調(diào)機組采用DC600V電源供電，車下設(shè)小容量逆變電源及隔離變壓器，輸出三相四線AC380V、50Hz交流電，向電茶爐、溫水箱、伴熱系統(tǒng)、廢排風(fēng)機、電源插座等交流負(fù)載供電。DC 600 V直流變速空調(diào)客車供電系統(tǒng)如圖1所示。

（2）交流供電系統(tǒng)方案

客車空調(diào)機組采用DC600V電源供電，25G型客車交流用電負(fù)荷相應(yīng)減少，為適應(yīng)新的負(fù)載變化情況，在兼顧原有成熟設(shè)計和新負(fù)載變化情況的基礎(chǔ)上，考慮到供電系統(tǒng)的安全性及可靠性，提出如下供電設(shè)計方案：

圖1　DC600V直流變速空調(diào)客車供電系統(tǒng)示意圖

①硬座、硬臥、軟臥車（以下統(tǒng)稱為普通車）逆變電源采用單功率模塊（1×15 kVA）設(shè)計，逆變電源輸出通過15kVA隔離變壓器并聯(lián)到三相四線交流供電母線上；

②餐車逆變電源沿用統(tǒng)型鐵道客車雙模塊逆變電源（2×35 kVA），不參與并聯(lián)；

③客車車端增加AC380V連接器，車輛增加交流AC 380 V母線。

交流供電并聯(lián)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.2直流變速空調(diào)機組方案

2.2.1機組主要技術(shù)參數(shù)

型號：KLR（D）-29DBP（硬座車）

類型：單元頂置一體式變頻冷暖型（熱泵+電加熱）

供電電源：

圖2　交流供電系統(tǒng)框圖

主回路/V：DC 600（允許波動范圍DC 500-DC 660）

控制回路/V：DC 110（DC 77～DC 137.5）

循環(huán)風(fēng)量/（m3·h-1）：4 500，低風(fēng)3 000，機外靜壓/Pa：235～250

新風(fēng)量/（m3·h-1）：1 500，低風(fēng)1 000

額定制冷量/kW：29，額定制冷功率/kW：13

額定制暖量/kW：18，額定制暖功率/kW：8.2

制冷劑：R410a

制冷劑控制：電子膨脹閥自動控制

質(zhì)量/kg：750

外形尺寸/mm：（L×W×H）2 100×2 280×650

能效比/mm：2.1（按T B/T 1804-2009標(biāo)準(zhǔn)工況）

2.2.2空調(diào)機組原理

直流變速空調(diào)壓縮機采用直流永磁電機，轉(zhuǎn)子為永磁體，自身產(chǎn)生磁力線，與電機定子中繞組間的電流產(chǎn)生作用，實現(xiàn)壓縮機的運轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，沒有線圈（繞組），無需外部供電，不產(chǎn)生電能損耗，效率高、節(jié)能；變速空調(diào)器的壓縮機運行頻率在20～120 Hz，電壓范圍85～395 V。變速空調(diào)器可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化，降低或升高壓縮機的轉(zhuǎn)速，以改變空調(diào)機組輸出的冷量來達(dá)到維持空間溫度穩(wěn)定、提高舒適性的目的。

直流變速空調(diào)機組制冷回路由壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、四通閥等主要部件連接成封閉的制冷系統(tǒng)，其制冷原理與定速空調(diào)完全相同；供暖時制冷劑在制冷回路中的流動方向通過四通閥的換向與制冷時相反，室外冷凝器和客室蒸發(fā)器的作用互換。

2.2.3 變速空調(diào)與定速空調(diào)的區(qū)別（見表1）

表1　變速空調(diào)與定速空調(diào)的差異對比

2.2.4空調(diào)機組的冗余設(shè)計

采用并聯(lián)冗余可靠性設(shè)計，可靠性大大提高，在任何一個子部件系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，保證另一個子系統(tǒng)正常工作，保證半能力輸出。

（1）空調(diào)機組采用獨立的制冷系統(tǒng)回路，同時各系統(tǒng)部件系統(tǒng)相互獨立，保證在任何一個部件故障時，系統(tǒng)仍然可實現(xiàn)半能力輸出。

（2）空調(diào)機組內(nèi)部通風(fēng)機、壓縮機1、壓縮機2、冷凝風(fēng)機1、冷凝風(fēng)機2使用獨立的變頻器驅(qū)動，同時將冷凝風(fēng)機變頻器作為通風(fēng)機變頻器的故障備份，保證在任何一個變頻器故障時，系統(tǒng)仍然可實現(xiàn)半能力輸出。

2.3綜合控制柜方案

DC600V直流變速空調(diào)客車綜合控制柜在原DC600V供電客車綜合控制柜基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。增加空調(diào)控制器及相關(guān)控制器件，增加PLC與空調(diào)控制器通訊網(wǎng)絡(luò)，綜合控制柜外形尺寸及安裝接口保持不變。

2.3.1空調(diào)控制原理說明

空調(diào)機組控制采用車輛顯示觸摸屏控制，空調(diào)控制器與車輛顯示觸摸屏進(jìn)行R S232方式通訊，車輛觸摸屏通過PLC通過R S485總線進(jìn)行通訊，同時通過硬線控制提高系統(tǒng)可靠性。

車輛顯示觸摸屏負(fù)責(zé)接收來自人工或列車網(wǎng)絡(luò)空調(diào)控制命令，其中包括模式命令、電流設(shè)定等，并把這些空調(diào)控制命令通過RS485通訊傳遞給空調(diào)機組空調(diào)控制器。同時根據(jù)空調(diào)控制器的命令執(zhí)行客室電加熱控制。

空調(diào)控制器負(fù)責(zé)接收車輛顯示觸摸屏的空調(diào)控制命令，空調(diào)機組負(fù)責(zé)執(zhí)行來自空調(diào)控制器的控制命令進(jìn)行各部件控制。

2.3.2直流變速空調(diào)機組電氣接口（見圖3）

（1）供電接口

從控制柜引入兩路DC110V（硬座車，其他車型為一路）電源，兩路DC600V（硬座車，其他車型為一路）電源到空調(diào)機組。

圖3　空調(diào)機組電氣接口框圖

（2）控制接口

綜合控制柜空調(diào)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)硬線信號給空調(diào)控制器，同時引入空調(diào)機組。綜合控制柜中央控制單元（PLC、觸摸屏）將空調(diào)控制命令發(fā)送到本車空調(diào)控制空調(diào)控制器。

空調(diào)控制器向綜合控制柜中央控制單元（PLC、觸摸屏）發(fā)送本空調(diào)機組的狀態(tài)和故障信息。并通過PLC網(wǎng)關(guān)上傳到Lonworks列車總線轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2.4逆變電源方案

直流變速空調(diào)機組采用DC600V供電，因此逆變電源三相交流負(fù)載減少。逆變電源在兼顧原有成熟設(shè)計和新負(fù)載變化情況的基礎(chǔ)上重新設(shè)計，交流負(fù)荷表如表2所示。

表2　列車不同車廂逆變電源交流負(fù)荷表kVA

2.4.1主要技術(shù)參數(shù)

額定輸入電壓/V：DC 600

額定輸出電壓/V：3NAC 380±10%AC 220±10%

容量/kVA：1×15

輸出頻率/H z：50±1

效率：大于90%

外形尺寸（長×寬×高）/mm：1 700×850×700

質(zhì)量/kg：＜400

2.4.2逆變電源并聯(lián)方案：

（1）硬座、硬臥、軟臥車（以下統(tǒng)稱為普通車）逆變電源采用單功率模塊（1×15 kVA）設(shè)計，逆變電源輸出通過15kVA隔離變壓器并聯(lián)到三相四線交流供電母線上；設(shè)置AC 380 V交流干線。

（2）餐車逆變電源沿用統(tǒng)型鐵道客車雙模塊逆變電源（2×35 kVA），不參與并聯(lián)，設(shè)置交流通過線。

（3）可并聯(lián)逆變器不但可在全車并聯(lián)情況下使用，還可單獨隔離使用，為系統(tǒng)和列車編組靈活性提供保障。

2.4.3逆變電源并聯(lián)策略

全列17臺普通車逆變電源輸出并聯(lián)，餐車逆變電源不參與并聯(lián)，三相四線交流母線貫通全車。

列車過分相或逆變電源重啟時，方案執(zhí)行各逆變電源先帶本車負(fù)載啟動后并聯(lián)的策略。當(dāng)控制柜上電時，每臺逆變電源帶本車負(fù)載啟動。啟動完成后，普通車奇數(shù)車廂逆變電源按車廂號1，3，5…遞增的順序依次并聯(lián)。

逆變電源發(fā)生故障時，使奇數(shù)車廂負(fù)載由母線3NAC380VI路供電，偶數(shù)車廂負(fù)載由母線3NAC380VII路供電。

逆變器并聯(lián)保證了任一路交流母線對應(yīng)的3臺及以下（全系統(tǒng)6臺）出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)正常運行無需減載。

3　結(jié)束語

（1）2013年6月至2014年7月在濟南鐵路局完成了25G型硬臥、硬座車兩種車型的空調(diào)機組及電氣系統(tǒng)裝車改造及運行考核試驗，DC600V直流變速空調(diào)機組，已無故障運行51萬km，運行總時間約7221h，運行安全可靠。

（2）采用直流變速空調(diào)機組后，機組采用DC600V電源供電，節(jié)省空調(diào)輔助電源逆變功率和質(zhì)量，有利于列車整車減重，從而使列車運行用電的整體節(jié)能。

（3）直流變速空調(diào)機組通過變頻控制、熱泵技術(shù)的應(yīng)用，提高了空調(diào)機組的利用率，提高了旅客乘車的舒適度。

（4）直流變速空調(diào)機組，適應(yīng)普速客車的空調(diào)技術(shù)向節(jié)約型和智能化方向轉(zhuǎn)變的需求。

（5）直流變速空調(diào)機組采用變頻、熱泵、專項控制技術(shù)，機組內(nèi)增設(shè)變頻器、四通閥等部件，使得機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使空調(diào)機組本身維護要求增高。

（6）整車供電系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，空調(diào)機組采用變頻壓縮機，啟動時減少對母線的影響，交流供電采用逆變器并聯(lián)方案使整車供電系統(tǒng)可靠性及冗余性提高。

（7）對于DC600V直流變速空調(diào)機組在25G、25T型客車上的應(yīng)用需小批量裝車運用考核以驗證系統(tǒng)的可靠性及安全性。

［1］ TB/T 1804-2009.鐵道客車空調(diào)機組［S］.

［2］ TB/T 3063-2011.旅客列車DC 600 V供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗［S］.

［3］ 張赤勇.R410a環(huán)保型直流變頻空調(diào)器的設(shè)計［J］家電科技2013，（10）：60-62.

［4］ 李貫穎，李敬茂，楊曉慶，侯運彪.直流變速空調(diào)機組在鐵路客車上的應(yīng)用［J］.鐵道車輛2012，51（2）：29-31.

Design and Research of DC 600 V Speed-variable Air-conditioned Train System

WANG Wei
（Passenger Car Division，CSR Nanjing Puzhen Rolling Sbock Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China）

This paper analyzes the lack of existing 25G，25T type DC600V air-conditioning units in the train.And it analyzes and compares the advantages and disadvantages of fixed-speed air-conditioning units and DC speed-variable air-conditioning unit.Then this paper proposes the design of DC speed-variable air-conditioned train system.

25 G，25 T-type train；air-conditioned train；DC 600 V power；DC Speed-variable air-conditioning；inverter parallel connection；

U264.5+5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.10

1008-7842（2015）04-0045-05

?）男，高級工程師（

2015-03-25）