王 衛(wèi)

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

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

王 衛(wèi)

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計(jì)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(jī)組的現(xiàn)狀及不足，分析比較了采用定速空調(diào)機(jī)組及直流變速空調(diào)機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用直流變速空調(diào)客車的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

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(jī)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(shí)啟動(dòng)，空調(diào)機(jī)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(yùn)行安全是鐵路車輛專業(yè)的重要課題。

為推動(dòng)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(yùn)營成本和維修成本，推動(dòng)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(jī)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(dòng)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(jī)組采用壓縮機(jī)開機(jī)、關(guān)機(jī)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(chǎng)梯度波動(dòng)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(jī)組用電負(fù)荷超過全列車用電的50%。定速空調(diào)調(diào)機(jī)組采用壓縮機(jī)開機(jī)/關(guān)機(jī)方式以額定功率運(yùn)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(hù)成本高；電流沖擊大、易造成逆變電源及空調(diào)機(jī)組部件潛在故障；客室溫度波動(dòng)大；能源浪費(fèi)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(shì)

1.2.1直流變速空調(diào)的應(yīng)用

直流變速空調(diào)機(jī)組已在機(jī)車車輛、地鐵車輛、高鐵動(dòng)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(hù)等方面已取得顯著成效。

1.2.2直流變速空調(diào)的優(yōu)勢(shì)

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(yùn)營成本；采用變頻軟啟動(dòng)技術(shù)，減小壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)部件啟動(dòng)對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)部件的電流沖擊；通過變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；使用R410a共沸點(diǎn)冷媒，綠色環(huán)保。

采用直流變速空調(diào)，可實(shí)現(xiàn)安全可靠、節(jié)能舒適、綠色交通的目的，具有非常可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2　直流變速空調(diào)客車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1供電系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)概述

客車空調(diào)機(jī)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(jī)、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(jī)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(jì)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(jì)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(jì)，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(jī)組方案

2.2.1機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：KLR（D）-29DBP（硬座車）

類型：?jiǎn)卧斨靡惑w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(dòng)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(jī)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(dòng)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(jī)組原理

直流變速空調(diào)壓縮機(jī)采用直流永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁體，自身產(chǎn)生磁力線，與電機(jī)定子中繞組間的電流產(chǎn)生作用，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的運(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以改變空調(diào)機(jī)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(jī)組制冷回路由壓縮機(jī)、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(shí)制冷劑在制冷回路中的流動(dòng)方向通過四通閥的換向與制冷時(shí)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(duì)比

2.2.4空調(diào)機(jī)組的冗余設(shè)計(jì)

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

（1）空調(diào)機(jī)組采用獨(dú)立的制冷系統(tǒng)回路，同時(shí)各系統(tǒng)部件系統(tǒng)相互獨(dú)立，保證在任何一個(gè)部件故障時(shí)，系統(tǒng)仍然可實(shí)現(xiàn)半能力輸出。

（2）空調(diào)機(jī)組內(nèi)部通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2、冷凝風(fēng)機(jī)1、冷凝風(fēng)機(jī)2使用獨(dú)立的變頻器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將冷凝風(fēng)機(jī)變頻器作為通風(fēng)機(jī)變頻器的故障備份，保證在任何一個(gè)變頻器故障時(shí)，系統(tǒng)仍然可實(shí)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(jì)。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(jī)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(shí)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(jī)組空調(diào)控制器。同時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)組。

圖3　空調(diào)機(jī)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(hào)給空調(diào)控制器，同時(shí)引入空調(diào)機(jī)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(jī)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(diǎn)。

2.4逆變電源方案

直流變速空調(diào)機(jī)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(jì)和新負(fù)載變化情況的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)，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(zhǎng)×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(jì)，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(dú)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(tái)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(shí)，方案執(zhí)行各逆變電源先帶本車負(fù)載啟動(dòng)后并聯(lián)的策略。當(dāng)控制柜上電時(shí)，每臺(tái)逆變電源帶本車負(fù)載啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，普通車奇數(shù)車廂逆變電源按車廂號(hào)1，3，5…遞增的順序依次并聯(lián)。

逆變電源發(fā)生故障時(shí)，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(duì)應(yīng)的3臺(tái)及以下（全系統(tǒng)6臺(tái)）出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行無需減載。

3　結(jié)束語

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

（2）采用直流變速空調(diào)機(jī)組后，機(jī)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(yùn)行用電的整體節(jié)能。

（3）直流變速空調(diào)機(jī)組通過變頻控制、熱泵技術(shù)的應(yīng)用，提高了空調(diào)機(jī)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(jī)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(jī)組采用變頻、熱泵、專項(xiàng)控制技術(shù)，機(jī)組內(nèi)增設(shè)變頻器、四通閥等部件，使得機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使空調(diào)機(jī)組本身維護(hù)要求增高。

（6）整車供電系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，空調(diào)機(jī)組采用變頻壓縮機(jī)，啟動(dòng)時(shí)減少對(duì)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(duì)于DC600V直流變速空調(diào)機(jī)組在25G、25T型客車上的應(yīng)用需小批量裝車運(yùn)用考核以驗(yàn)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(jī)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(yàn)［S］.

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

［4］ 李貫穎，李敬茂，楊曉慶，侯運(yùn)彪.直流變速空調(diào)機(jī)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(jí)工程師（

2015-03-25）