DC600V直流變速空調客車系統方案設計研究

王 衛

（南車南京浦鎮車輛有限公司 客車設計部，江蘇南京210031）

DC600V直流變速空調客車系統方案設計研究

王 衛

（南車南京浦鎮車輛有限公司 客車設計部，江蘇南京210031）

分析了現有25G、25T型DC600V供電鐵道客車空調機組的現狀及不足，分析比較了采用定速空調機組及直流變速空調機組的優缺點，提出了采用直流變速空調客車的系統方案設計。

25G、25T型客車；空調客車；DC600V供電；直流變速空調；逆變器并聯。

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，構成旅客列車交—直—交變流供電系統。客車車輛采用傳統的定速空調存在供電系統效率低、沖擊電流大，客室溫度不易調控，開關電源需要分時啟動，空調機組制冷劑不環保等問題。

空調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備之一，如何減少空調裝置故障率，減少能源消耗，保證運行安全是鐵路車輛專業的重要課題。

為推動國家鐵路節能減排深入發展，推進鐵道客車科技進步，降低鐵路的運營成本和維修成本，推動國家鐵路客車行業節能技術進步，各鐵道客車裝備單位正在開展直流變速空調在鐵路客車空調上的應用研究。

1　現狀調查及分析

1.1定速空調客車現狀

（1）我國現有25G、25T型DC600V供電鐵道客車空調機組采用50HZ、AC380V電源供電。客車設置一套DC600V轉AC 380 V的逆變電源裝置。定速空調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母線其他用電設備。

（2）定速空調機組采用壓縮機開機、關機方式調節客室溫度，階梯式調節溫度使車廂內溫度場梯度波動大，目前車廂內溫差達4℃，舒適度較差。

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

（4）制冷劑采用非環保冷媒R22，易造成臭氧層破壞，違反蒙特利爾協議。

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

1.2直流變速空調的應用及優勢

1.2.1直流變速空調的應用

直流變速空調機組已在機車車輛、地鐵車輛、高鐵動車組等軌道行業成功應用，技術成熟、安全可靠。變速空調在節能減排與減重、客室舒適性、環境保護等方面已取得顯著成效。

1.2.2直流變速空調的優勢

采用DC600V電源直接供電，減小逆變電源容量，優化客車整車配電系統，可減輕整車質量、節約運營成本；采用變頻軟啟動技術，減小壓縮機、風機部件啟動對電源網絡和電機部件的電流沖擊；通過變頻控制技術，實現空調機組的可變能力輸出。既提高客室溫度調節舒適性又滿足不同負荷狀況的能力需求供給，實現節能降耗；使用R410a共沸點冷媒，綠色環保。

采用直流變速空調，可實現安全可靠、節能舒適、綠色交通的目的，具有非常可觀的社會效益和經濟效益。

2　直流變速空調客車系統方案設計

2.1供電系統方案

（1）系統概述

客車空調機組采用DC600V電源供電，車下設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、廢排風機、電源插座等交流負載供電。DC 600 V直流變速空調客車供電系統如圖1所示。

（2）交流供電系統方案

客車空調機組采用DC600V電源供電，25G型客車交流用電負荷相應減少，為適應新的負載變化情況，在兼顧原有成熟設計和新負載變化情況的基礎上，考慮到供電系統的安全性及可靠性，提出如下供電設計方案：

圖1　DC600V直流變速空調客車供電系統示意圖

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

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

③客車車端增加AC380V連接器，車輛增加交流AC 380 V母線。

交流供電并聯系統原理框圖如圖2所示。

2.2直流變速空調機組方案

2.2.1機組主要技術參數

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）

循環風量/（m3·h-1）：4 500，低風3 000，機外靜壓/Pa：235～250

新風量/（m3·h-1）：1 500，低風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標準工況）

2.2.2空調機組原理

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

直流變速空調機組制冷回路由壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、四通閥等主要部件連接成封閉的制冷系統，其制冷原理與定速空調完全相同；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器的作用互換。

2.2.3 變速空調與定速空調的區別（見表1）

表1　變速空調與定速空調的差異對比

2.2.4空調機組的冗余設計

采用并聯冗余可靠性設計，可靠性大大提高，在任何一個子部件系統出現故障的情況下，保證另一個子系統正常工作，保證半能力輸出。

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

（2）空調機組內部通風機、壓縮機1、壓縮機2、冷凝風機1、冷凝風機2使用獨立的變頻器驅動，同時將冷凝風機變頻器作為通風機變頻器的故障備份，保證在任何一個變頻器故障時，系統仍然可實現半能力輸出。

2.3綜合控制柜方案

DC600V直流變速空調客車綜合控制柜在原DC600V供電客車綜合控制柜基礎上進行優化設計。增加空調控制器及相關控制器件，增加PLC與空調控制器通訊網絡，綜合控制柜外形尺寸及安裝接口保持不變。

2.3.1空調控制原理說明

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

車輛顯示觸摸屏負責接收來自人工或列車網絡空調控制命令，其中包括模式命令、電流設定等，并把這些空調控制命令通過RS485通訊傳遞給空調機組空調控制器。同時根據空調控制器的命令執行客室電加熱控制。

空調控制器負責接收車輛顯示觸摸屏的空調控制命令，空調機組負責執行來自空調控制器的控制命令進行各部件控制。

2.3.2直流變速空調機組電氣接口（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）電源到空調機組。

圖3　空調機組電氣接口框圖

（2）控制接口

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

空調控制器向綜合控制柜中央控制單元（PLC、觸摸屏）發送本空調機組的狀態和故障信息。并通過PLC網關上傳到Lonworks列車總線轉發到其他網絡節點。

2.4逆變電源方案

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

表2　列車不同車廂逆變電源交流負荷表kVA

2.4.1主要技術參數

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

質量/kg：＜400

2.4.2逆變電源并聯方案：

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

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

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

2.4.3逆變電源并聯策略

全列17臺普通車逆變電源輸出并聯，餐車逆變電源不參與并聯，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，方案執行各逆變電源先帶本車負載啟動后并聯的策略。當控制柜上電時，每臺逆變電源帶本車負載啟動。啟動完成后，普通車奇數車廂逆變電源按車廂號1，3，5…遞增的順序依次并聯。

逆變電源發生故障時，使奇數車廂負載由母線3NAC380VI路供電，偶數車廂負載由母線3NAC380VII路供電。

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

3　結束語

（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機組及電氣系統裝車改造及運行考核試驗，DC600V直流變速空調機組，已無故障運行51萬km，運行總時間約7221h，運行安全可靠。

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

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

（4）直流變速空調機組，適應普速客車的空調技術向節約型和智能化方向轉變的需求。

（5）直流變速空調機組采用變頻、熱泵、專項控制技術，機組內增設變頻器、四通閥等部件，使得機組結構復雜，使空調機組本身維護要求增高。

（6）整車供電系統進一步優化，空調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方案使整車供電系統可靠性及冗余性提高。

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

［1］ TB/T 1804-2009.鐵道客車空調機組［S］.

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

［3］ 張赤勇.R410a環保型直流變頻空調器的設計［J］家電科技2013，（10）：60-62.

［4］ 李貫穎，李敬茂，楊曉慶，侯運彪.直流變速空調機組在鐵路客車上的應用［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）