淺析鐵路空調(diào)客車變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)

趙峰

【摘要】鐵路客車空調(diào)裝置對提高旅客的舒適度、改善衛(wèi)生條件有著不可忽視的作用，同時，客車空調(diào)裝置性能的好壞已成為評價客車舒適性的重要依據(jù)。本文對鐵路空調(diào)客車變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)進行了詳細的分析。

【關鍵詞】鐵路空調(diào)客車；變頻調(diào)速；制冷系統(tǒng)

一、制冷系統(tǒng)概述

制冷系統(tǒng)是利用外界能量使熱量從溫度較高的物質(zhì)（或環(huán)境）轉(zhuǎn)移到溫度較低的物質(zhì)（或環(huán)境）的系統(tǒng)。它由制冷劑和壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器四大機件組成，其可分為蒸氣制冷系統(tǒng)、空氣制冷系統(tǒng)和熱電制冷系統(tǒng)。

二、壓縮機變額調(diào)速的工作原理

我國目前的鐵路空調(diào)客車的空調(diào)裝置通常由通風系統(tǒng)、空氣冷卻制冷系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等基本系統(tǒng)組成。鐵路客車的空調(diào)裝置通過將一定量的車外新鮮空氣和車內(nèi)再循環(huán)空氣混合后，經(jīng)過過濾、冷卻或加熱、減濕或加濕等處理，以一定的流速送入車內(nèi)，并將車內(nèi)一定量的污濁空氣排出車外，以實現(xiàn)車內(nèi)濕度和溫度良好地保持在人體感覺舒適的范圍內(nèi)。

當前，我國客車上安裝的空調(diào)壓縮機組多為活塞式壓縮機，其轉(zhuǎn)速連續(xù)變化即可實現(xiàn)制冷量的連續(xù)調(diào)節(jié)?？紤]到壓縮機電機是通用的異步電動機，所以調(diào)速必須限制在一定范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速過高會增加電機的機械損耗；轉(zhuǎn)速過低，轉(zhuǎn)差增大，電磁損耗加大，二者均不利于壓縮機長期穩(wěn)定工作。對壓縮機速度的連續(xù)調(diào)節(jié)，是通過采用對壓縮機進行調(diào)頻調(diào)壓的方法實現(xiàn)的。

三、鐵路客車空調(diào)溫度控制系統(tǒng)

目前，我國的列車空調(diào)幾乎全部采用單元式機組，即將壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置等集成在一個箱內(nèi)，組成一個完整的單元后安裝在車頂，每臺機組有2臺壓縮機。通常，每節(jié)硬座車廂安裝2臺，臥鋪車廂安裝1臺（功率不同）。車廂內(nèi)部安裝有控制柜，實現(xiàn)車廂溫度控制和機組保護?？照{(diào)電源供電后，控制柜中的PLC控制空調(diào)機組進入“自動”運行。在夏季，鐵路客車空調(diào)工作于“半冷”和“全冷”兩個工況，以硬座車廂為例，“半冷”工況下啟動2臺壓縮機工作，“全冷”工況則啟動4臺壓縮機工作。

在這種簡單的制冷控制方式下，空調(diào)壓縮機只分為啟動/停止兩擋運行，高于設定溫度就啟動，低于設定溫度便停止運行。由于鐵路客車空調(diào)的運行環(huán)境復雜，室外溫度、太陽輻射等因素變化迅速，車廂溫度場慣性大，現(xiàn)行的控制方式使車廂內(nèi)溫度波動大，乘客感覺到忽冷忽熱。由于在現(xiàn)行的鐵路客車空調(diào)控制系統(tǒng)中沒有考慮到車廂內(nèi)CO2含量動態(tài)變化的問題，有時會引發(fā)車廂內(nèi)氧氣含量偏低，旅客就會覺得頭暈頭悶。

四、變頻調(diào)速節(jié)能分析

通常，壓縮機是根據(jù)最大制冷量來選用的。在壓縮機的運用中，其負荷需隨外界條件和熱負荷的增減而變化，即對壓縮機的輸出量進行調(diào)節(jié)。采用壓縮機停開運行方式，在車廂熱負荷增加時，一臺或兩臺壓縮機全負荷運行，在車廂內(nèi)熱負荷減少時，未停歇的壓縮機仍全負荷運行，上述兩種工況的電機是以工頻全負荷運轉(zhuǎn)，其中有一部分作無用功，這樣就使實際制冷系數(shù)有較大程度的降低。同時，壓縮機輸氣量的調(diào)節(jié)可通過改變電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。此外，若車廂內(nèi)熱負荷增減時，即實時控制壓縮機電機轉(zhuǎn)速，使壓縮機的實際輸氣量也隨之增減，從而達到制冷量的無級調(diào)節(jié)。

變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)是將兩臺壓縮機分一臺工頻一臺變頻控制。在車廂內(nèi)熱負荷增加時，變頻壓縮機逐漸增速，增加輸出氣量，但仍不能達到熱平衡時，自動切換為工頻壓縮機運轉(zhuǎn)，變頻壓縮機隨車廂熱負荷的增加，再逐漸增速增加制冷量，直至達到兩臺壓縮機均工頻運轉(zhuǎn)，滿足車廂內(nèi)空洞工況的溫、濕度要求。反之，在車廂內(nèi)熱負荷減少時，先停工頻壓縮機，變頻壓縮機隨熱負荷的減少逐漸降低電機轉(zhuǎn)速來降低制冷量，直至達到變頻壓縮機低負荷運轉(zhuǎn)，減少壓縮機軸功率。

五、變頻調(diào)速解決的技術難點

在將變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)裝車的過程中，結(jié)合鐵路空調(diào)客車的特點，應主要解決以下技術難點。

（1）根據(jù)不同壓縮機在啟動階段具有不同轉(zhuǎn)矩特性的特點，在變頻調(diào)節(jié)中采用轉(zhuǎn)矩提升技術，提高啟動轉(zhuǎn)矩，防止啟動狀態(tài)過電流現(xiàn)象。在運行階段采用頻率跳轉(zhuǎn)技術，避開設備的不穩(wěn)定點和共振點，減少噪音，提高設備運行的穩(wěn)定性。

（2）采用一臺變頻器拖動多臺壓縮機的控制方式，減少設備成本，充分利用變頻對電機的軟啟動功能，減小電流沖擊。采用一臺變頻器循環(huán)控制多臺壓縮機負荷，更好地適應現(xiàn)有車輛的單元式空調(diào)壓縮機結(jié)構。

（3）為解決客車控制室空間狹小，對變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)有尺寸的要求，在設計中采用變頻器PID控制器，輔以專用的控制裝置，將整個控制設備安裝于變頻器內(nèi)部，實現(xiàn)變頻和控制一體化，即縮小了設備占用空間，同時也提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

經(jīng)將變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)在現(xiàn)車進行安裝和靜態(tài)試驗表明，制冷壓縮機可在低電壓低頻率下啟動，并根據(jù)車廂內(nèi)溫度變化連續(xù)可調(diào)；車廂內(nèi)溫差控制在1℃范圍內(nèi)；變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)用電量約為壓縮機間歇運行調(diào)節(jié)的1/2。

六、結(jié)語

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，旅客對鐵路客車的乘車舒適度提出了更高的要求，車廂內(nèi)的溫度環(huán)境直接影響著旅客的乘車體驗，受到人們越來越多的關注。

參考文獻

[1]袁秀玲.制冷與空調(diào)裝置[M].西安：西安交通大學出版社，2014（04）.

[2]騰兆武，王剛.車輛制冷與空氣調(diào)節(jié)[M].北京：中國鐵道出版社，2014：65～66.

[3]黃三彌.鐵路空調(diào)客車變頻調(diào)速制冷系統(tǒng)研究[J].中國鐵道科學，2015（03）：103～106.