直流變速空調(diào)機(jī)組在鐵路客車上的應(yīng)用_李貫穎

1、文章編號：（）直流變速空調(diào)機(jī)組在鐵路客車上的應(yīng)用李貫穎，李敬茂，楊曉慶，侯運(yùn)彪（濟(jì)南鐵路局車輛處，山東濟(jì)南；山東郎進(jìn)科技股份有限公司，山東青島）摘要：以供電鐵路客車為例，從直接供電技術(shù)、直流變速技術(shù)、熱泵供暖技術(shù)等方面介紹了直流變速空調(diào)機(jī)組節(jié)電、節(jié)能原理，為在客車和動車組上使用直流變速空調(diào)機(jī)組提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：直流供電；客車；變速空調(diào)；節(jié)能中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：目前我國正處在鐵路交通高速發(fā)展期，電氣化鐵路網(wǎng)已遍布全國各地，采用直接供電技術(shù)已成為普速客車的主要發(fā)展趨勢?？照{(diào)裝置是鐵路客車的重要部件，也是主要能源消耗系統(tǒng)之一，如何減少能源消耗、保證運(yùn)行可靠是鐵道車輛專業(yè)的重要課題。定速空調(diào)機(jī)組

2、存在的主要問題（）制冷量按額定載荷時所需的最大熱負(fù)荷選取。運(yùn)營中，由于客車空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷并非總處于最大值，在非高峰期或天氣變化、季節(jié)變化時，制冷量常常處于輸出大于需求的不經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。（）定速空調(diào)機(jī)組通過頻繁啟停壓縮機(jī)的方式來調(diào)節(jié)制冷量的輸出，壓縮機(jī)從啟動到建立制冷所需要的壓力期間滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)，客室內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)值時停機(jī)，停機(jī)后高低壓平衡，建立的壓力被卸掉，壓縮機(jī)再次啟動又要重新建立壓力。這種控制方式增加了能耗。（）空調(diào)機(jī)組只在夏天使用，冬季只使用其通風(fēng)功能，取暖還需在車內(nèi)設(shè)置電加熱器，能耗高，空調(diào)機(jī)組利用率低。直流供電變速空調(diào)機(jī)組節(jié)能原理直流供電變速空調(diào)機(jī)組通過采用先進(jìn)的變頻技術(shù)和熱泵供暖技術(shù)實(shí)

3、現(xiàn)節(jié)能。減重節(jié)能采用直流電直接供電技術(shù)后，可用小功率輔助逆變器替代大功率逆變器，為伴熱、廚房電器等小功率設(shè)備提供電源。采用高效直流變頻壓縮機(jī)節(jié)能空調(diào)機(jī)組的主要耗能部件為壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)和冷收稿日期：作者簡介：李貫穎（），男，高級工程師。凝風(fēng)機(jī)。其中，壓縮機(jī)的耗能占整個空調(diào)機(jī)組耗能的絕大部分。目前，客車變速空調(diào)機(jī)組采用的是定速壓縮機(jī)，其內(nèi)置電機(jī)為三相異步電動機(jī)，如果采用（永磁同步電機(jī)）壓縮機(jī)，在相同的運(yùn)行條件下，由于永磁同步電機(jī)的效率高，其功耗要低于定速壓縮機(jī)的功耗。通過采用高效的壓縮機(jī)，可以提高空調(diào)制冷系統(tǒng)的能效比，節(jié)能。變頻變負(fù)荷節(jié)電原理定速空調(diào)機(jī)組的目的是給車內(nèi)降溫和維持車內(nèi)恒溫。降溫需一定

4、的功率儲備，維持恒溫不需太大的功率。定速空調(diào)機(jī)組與變速空調(diào)機(jī)組降溫和恒溫的方式不同，前者是靠不斷地開停壓縮機(jī)來維持車內(nèi)的溫度，后者是靠低頻、低功率運(yùn)轉(zhuǎn)來維持車內(nèi)的溫度。定速空調(diào)機(jī)組有個缺點(diǎn)：（）為了壓縮機(jī)的潤滑，壓縮機(jī)每次開機(jī)至少要工作以上；（）為了避免頻繁開停，程序中設(shè)定當(dāng)高于設(shè)定溫度時允許開機(jī)，低于設(shè)定溫度時關(guān)機(jī)，因此溫度波動很大（圖） 。圖定速空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)圖··問題討論鐵道車輛第卷第期年月直流變速空調(diào)機(jī)組是針對客車而設(shè)計的，直接采用機(jī)車直流電源進(jìn)行供電，理論上可節(jié)能，且該技術(shù)已在地鐵車輛上得到應(yīng)用。其技術(shù)特點(diǎn)是，將只能用供電的傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)組更換為直接供電的變頻節(jié)能型

5、空調(diào)機(jī)組?？照{(diào)機(jī)組通過采用專用變頻技術(shù)和系統(tǒng)控制技術(shù)，自動按照設(shè)定溫度運(yùn)行制冷或制熱，能力輸出根據(jù)設(shè)定的溫差自動調(diào)節(jié)，避免壓縮機(jī)的反復(fù)啟停，減少開關(guān)損耗，節(jié)能環(huán)保。因直流供電無需逆變電源，所以可減輕整車質(zhì)量。目前普速客車電源是由機(jī)車供電（電力機(jī)車或“和諧號”機(jī)車都是由套獨(dú)立的直流電源向客車供電），直流電源經(jīng)客車逆變電源轉(zhuǎn)換為電源供車輛空調(diào)等交流設(shè)備使用。逆變電源的容量為×，質(zhì)量約為，逆變電源容量的為客車定速空調(diào)機(jī)組供電，其余用于電茶爐及伴熱系統(tǒng)。車輛各用電裝置的電能分配及控制由客車綜合控制柜完成。直流變速空調(diào)機(jī)組可以直接使用電源供電，因此可以減小逆變電源容量，車內(nèi)溫度較高時即自動調(diào)高

6、頻，平穩(wěn)快速地使車內(nèi)降溫，溫度達(dá)到設(shè)定溫度時采用低頻連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)維持恒溫，因溫度波動小，對供電系統(tǒng)電流沖擊?。▓D） 。圖變速空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)低頻運(yùn)行節(jié)電理論能效比高（）在標(biāo)準(zhǔn)工況下，室內(nèi)溫度為，室外溫度為，采用制冷劑，一般普通空調(diào)機(jī)組或變速空調(diào)機(jī)組高頻運(yùn)行，為了滿足一定的制冷能力，其設(shè)計蒸發(fā)溫度為，冷凝溫度為，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力為，冷凝壓力為，蒸發(fā)傳熱溫差為，冷凝溫差為，過冷度為，過熱度為，理論計算能效比為。空調(diào)機(jī)組高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫熵圖見圖。（） 變速空調(diào)機(jī)組在高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時由于其變頻器的圖空調(diào)機(jī)組高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫熵圖功耗為，計入變頻器功耗，因此高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時變速空調(diào)機(jī)組的能效比較普通空調(diào)機(jī)組低；低頻運(yùn)行狀態(tài)只要

7、保證一定的蒸發(fā)、冷凝溫差即可滿足正常的制冷，達(dá)到維持恒溫的目的。采用制冷劑，設(shè)定蒸發(fā)溫度差為，則蒸發(fā)溫度為，冷凝溫差為，冷凝溫度為，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力升高為，冷凝壓力降低為，壓縮機(jī)的壓比（）降低，理論計算其能效比為?？照{(diào)機(jī)組低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫熵圖見圖。圖空調(diào)機(jī)組低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫熵圖（）在保證實(shí)用的傳熱溫差情況下，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時能效比提高了。由于在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時制冷劑流量減小，傳熱量減小，而換熱面積不變，因此低速下的相對換熱面積增大，傳熱溫差減小，壓比減小。壓縮機(jī)的容積效率提高由于壓縮機(jī)余隙的存在，壓縮后的高壓氣體排出后，留在余隙容積的氣體在吸氣時膨脹，占據(jù)了一部分吸入氣體的比例。此比例受壓比的影響較大，當(dāng)壓比達(dá)

8、到一定程度時，容積效率為，無氣體排出。開關(guān)損耗減少··鐵道車輛第卷第期年月定速壓縮機(jī)從開機(jī)到建立制冷、制熱所需的壓力大約需要的時間，這期間是以滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到客室的溫度時停機(jī)，然后高低壓平衡而卸掉壓力，每次開關(guān)機(jī)造成的這一壓力損耗定義為開關(guān)損耗。變頻壓縮機(jī)能效比試驗(yàn)結(jié)果見表。含變頻器與不含變頻器情況下壓縮機(jī)能效比對比見表。表變頻壓縮機(jī)能效比對比測試項(xiàng)額定制熱半能力制熱額定制冷半能力制冷冷凝溫度（高壓）（）（）（）（）測試條件蒸發(fā)溫度（低壓）（）（）（）（）吸氣溫度膨脹閥前溫度壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（·）壓縮機(jī)冷卻能力壓縮機(jī)壓縮機(jī)輸入功率排量壓縮機(jī)能效比壓縮機(jī)額定電流變頻器輸

9、入功率能效比（帶變頻器）變頻器效率壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（·）壓縮機(jī)冷卻能力壓縮機(jī)壓縮機(jī)輸入功率排量壓縮機(jī)能效比壓縮機(jī)額定電流變頻器輸入功率能效比（帶變頻器）變頻器效率表含變頻器與不含變頻器情況下壓縮機(jī)能效比對比壓縮機(jī)排量（·）高頻（不含變頻器）低頻（含變頻器）（）（）（）（）不難看出，直流變速空調(diào)機(jī)組低頻運(yùn)行恒溫方式減小了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的效率。熱泵制熱技術(shù)在需要制熱的情況下可采用空調(diào)熱泵制熱。普速客車空調(diào)機(jī)組都是通過電加熱制熱，只能產(chǎn)生和耗電量相當(dāng)?shù)闹茻崃俊岜弥茻岵捎媚婵ㄖZ循環(huán)原理，從低溫?zé)嵩次鼰幔ㄜ噹猓┫蚋邷責(zé)嵩矗ㄜ噹麅?nèi)）供熱，因此向室內(nèi)供熱的熱量等于從室外吸收的熱量加上

10、壓縮機(jī)輸入的能量，比純電加熱效率高倍，可節(jié)能。采用直流變速空調(diào)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性綜合上述各因素，直流變速空調(diào)機(jī)組相對于傳統(tǒng)定速空調(diào)機(jī)組理論上在制冷季可節(jié)能以上，制暖季可節(jié)能，整年度可節(jié)能以上。我國現(xiàn)有鐵路空調(diào)客車約萬輛，空調(diào)機(jī)組近萬臺，如果選用新型直流變速空調(diào)機(jī)組可取得顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益：（）變速空調(diào)年節(jié)能達(dá)億元；（）減重節(jié)能年節(jié)約億元；（）取消或減少輔助電源購置維修費(fèi)用節(jié)約億元；（）通過變頻節(jié)能與減重節(jié)能，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤萬，可減少排放量萬。結(jié)論（）整車減重。采用直流變速空調(diào)機(jī)組替代目前的定速空調(diào)機(jī)組，有利于列車整車減重，從而使列車運(yùn)行用電整體節(jié)能。（）節(jié)約能耗。采用直流變速空調(diào)后，全年可實(shí)現(xiàn)節(jié)能以上

11、。（）功能優(yōu)化。采用直流變速空調(diào)機(jī)組后，可直接接入電源，省卻輔助電源逆變功率，減少或取消輔助電源逆變器，提高了運(yùn)力和效益；采用熱泵取暖，彌補(bǔ)了目前列車空調(diào)不能制熱的問題，提高了空調(diào)機(jī)組的利用率，且可取消電暖器；變頻啟動，可取消順序啟動控制柜。（）便于實(shí)施。直流變速空調(diào)機(jī)組在鐵道車輛整體設(shè)計中不存在接口障礙，該型空調(diào)機(jī)組可直接取代現(xiàn)有定速空調(diào)機(jī)組。（）效益明顯。直流變速空調(diào)機(jī)組適應(yīng)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，其可觀的節(jié)能能力將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。參考文獻(xiàn)：，軌道車輛空調(diào)機(jī)組劉豹現(xiàn)代控制理論（第二版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，張少軍，杜金城交流調(diào)速原理及應(yīng)用北京：中國電力出版社，（編輯：李萍）··直流變速空調(diào)機(jī)組在鐵路客車上的應(yīng)用李貫穎，李敬茂，楊曉慶，侯運(yùn)彪：，：；（，）：，：；，（，）：，：；，（，）：，：；，（，）：，：；，（，）：；（，）：，：；，（，）：；（，）：，：；櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄