固態(tài)繼電器在旅客列車環(huán)境控制系統(tǒng)中的應用

摘 要：針對目前旅客列車進一步提升服務檔次的需求，在多年研究和試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的裝車經(jīng)驗，嘗試在車載環(huán)境控制系統(tǒng)中大量使用固態(tài)繼電器，進一步提升空調(diào)控制系統(tǒng)控制精度，降低噪音，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線，以實現(xiàn)車載環(huán)境控制系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和性能提升。

關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；旅客列車；環(huán)境控制系統(tǒng)；應用

1 現(xiàn)有客車環(huán)境控制系統(tǒng)的不足

現(xiàn)有系統(tǒng)的電加熱控制部分，控制部件使用各種不同型號的交直流接觸器。由于接觸器有使用壽命，不能進行頻繁的開關(guān)，無法滿足對車廂不同區(qū)域進行精確控制的要求。為實現(xiàn)分區(qū)精確控制，往往對某個控制區(qū)域設置2組電加熱器，實現(xiàn)分區(qū)加熱的全熱和半熱控制，從一定程度上解決了分區(qū)精確控制的要求，但這又導致控制接觸器和相關(guān)控制線路的大量增加，整個系統(tǒng)也因此變得更加復雜，增加了系統(tǒng)設計和維護的難度。

現(xiàn)有車載環(huán)境控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 采用固態(tài)繼電器優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)性能

固態(tài)繼電器（SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導體器件和電子元件的電磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機械，不含運動零部件的繼電器，但具有與電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。被廣泛應用于工業(yè)自動化控制，工作可靠，無觸點、無火花、壽命長、無噪聲，無電磁干擾，開關(guān)速度快，以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載的目的，非常適合用于車載電加熱器等阻性負載的控制。因此，考慮在現(xiàn)有列車環(huán)境控制系統(tǒng)中，對包括客室電加熱器和空調(diào)機組預熱器的所有阻性負載，改用固態(tài)繼電器控制，達到優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)性能的目的。

針對現(xiàn)有環(huán)境控制系統(tǒng)對應分區(qū)精確控制的要求，可以為每個獨立的控制分區(qū)配備一只固態(tài)繼電器，用于控制該控制分區(qū)的一組電加熱器，同時為空調(diào)機組預熱器配備一只固態(tài)繼電器，實現(xiàn)對分區(qū)溫度和機組送風溫度的精確控制。

優(yōu)化后的車載環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

優(yōu)化后的車載環(huán)境控制系統(tǒng)相對于現(xiàn)有系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：（1）固態(tài)繼電器是電子控制器件，控制過程中沒有機械動作，減少了車廂內(nèi)的噪音。（2）固態(tài)繼電器是電子控制器件，在啟停次數(shù)和頻率上幾乎沒有限制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)各控制區(qū)域的精確控制。（3）原系統(tǒng)為實現(xiàn)精確控制，在每個控制分區(qū)設置了2組電加熱器，并配備2只接觸器進行控制。優(yōu)化后每個控制分區(qū)只設置1組電加熱器和1只固態(tài)繼電器，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量和系統(tǒng)布線。

3 固態(tài)繼電器分區(qū)精確控制原理

固態(tài)繼電器由于其開關(guān)次數(shù)和頻率不受限制，因此可以參考PWM控制原理，通過頻繁開關(guān)，并控制其占空比來實現(xiàn)類似于“無級”平滑控制的效果。可以人為設定一個固態(tài)繼電器的控制時間周期。在該控制周期內(nèi)，根據(jù)固態(tài)繼電器的控制功率百分比，控制固態(tài)繼電器開啟和關(guān)閉的時間。在控制周期足夠短的情況下，就可以實現(xiàn)“無級”平滑控制的效果。由于電加熱器和機組預熱器等阻性負載的特性，其反應速度比較慢，并有一定的滯后效應，因此固態(tài)繼電器的控制周期不必設置的過短，一般周期范圍在10秒～100秒比較合適。比如控制周期為100秒。如果某個固態(tài)繼電器的控制功率需求百分比為40%，則該固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)首先開啟40秒，然后關(guān)閉60秒，循環(huán)往復。從長時間宏觀角度看，該固態(tài)繼電器就實現(xiàn)了負載的40%功率的平穩(wěn)輸出。在控制邏輯和算法上，基于固態(tài)繼電器的控制系統(tǒng)也不同于傳統(tǒng)的基于接觸器的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)中由于接觸器非開即關(guān)的二元離散特性，需要采用相對比較復雜PID控制算法來對接觸器進行控制。即便如此，實際的溫度控制曲線仍然呈現(xiàn)一種圍繞設定溫度小幅波動的波浪狀曲線，控制效果并不理想。基于固態(tài)繼電器的控制系統(tǒng)，由于固態(tài)繼電器所固有的無級調(diào)整特性，可以采用非常簡單的邏輯算法進行控制。設定Tset為分區(qū)設定溫度，Tavg為之前一段時間分區(qū)溫度的平均值，P為電加熱功率，Th為一個與外溫相關(guān)的可調(diào)參數(shù)。采用如下控制策略：

當Tavg>Tset+Th時，P=0%。

當Tavg在Tset-1+Th和Tset+Th之間時，P=Tset-Tavg。

Tavg

引入可調(diào)參數(shù)Th，是為了平衡車體本身對外部環(huán)境的散熱，使得實際的控制曲線能夠更接近設定溫度Tset。參數(shù)Th應該與外溫呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，同時與車體保溫性能有關(guān)，該參數(shù)應該在車輛實際運行過程中根據(jù)控制效果進行適當調(diào)整。

實踐證明，采用上述控制算法，對單一分區(qū)的溫度控制曲線非常理想，能夠達到非常接近于設定溫度Tset的近似直線的控制效果。

4 全車固態(tài)繼電器控制的負載均衡

上述固態(tài)繼電器的控制原理帶來一個問題。假設我們有5個控制分區(qū)，根據(jù)車廂環(huán)境狀況，這5個控制分區(qū)的控制功率需求如表1所示：

為簡單起見，我們先假設每個控制分區(qū)的負載功率是一樣的，均為1。如果這5個分區(qū)按照上述控制原理同步運行，如圖3所示：

我們可以看到在整個控制周期內(nèi)，5個控制分區(qū)對于列車供電系統(tǒng)的總負載是非常不均衡的，如圖4所示：

功率最大時達到5，最小時為0，高峰和低谷的差值為5，波動很大。這樣的結(jié)果會給列車供電系統(tǒng)帶來問題。尤其是對于部分采用柴油發(fā)電機組供電的特種車輛，頻繁大幅波動的負載會給柴油發(fā)電機組帶來很大的挑戰(zhàn)，會導致柴油發(fā)電機組效率大幅下降，并減少發(fā)電機組的使用壽命。為此，需要設計一種控制策略，對車廂內(nèi)所有由固態(tài)繼電器控制負載進行平衡處理，盡量減少總負載的頻繁波動。設想讓不同的控制分區(qū)不要同時啟動，而是讓它們的啟動時間首尾相接，順序進行，這樣應該能夠達到初步的負載平衡效果。針對上述例子，可以設計出新的控制分區(qū)啟停方案，如圖5所示：

分區(qū)1在0s時啟動，在50s時停止；分區(qū)2在50s時啟動，在130s時停止；分區(qū)3在30s時啟動，在90s時停止；分區(qū)4在90s時啟動，在110s時停止；分區(qū)5在10s時啟動，在40s時停止。

采用該方案，5個控制分區(qū)對于列車供電系統(tǒng)的總負載如圖6所示：

在這個方案中，功率最大時為3，最小時為2，高峰和低谷的差值只有1，可以說基本上解決了上述負載不均衡的問題，對列車供電系統(tǒng)沖擊很小。

上面的分析基于一個簡化了的情況，即各個分區(qū)的負載功率是一樣的。很顯然，這在實際應用中是不可能的，根據(jù)不同的應用情況，各個分區(qū)的負載功率會相差很大，因此需要進一步考慮各個分區(qū)負載功率不同的情況。

仍然采用上述分析中的例子，不同之處在于我們?yōu)槊總€分區(qū)賦予不同的負載功率值，如表2所示：

很顯然，這時繼續(xù)采用前面的方法就不合適了，需要有新的思路和算法。

首先，我們需要根據(jù)各個分區(qū)的負載功率從大到小進行排序。從負載功率最大的分區(qū)開始逐步設置，設置的原則是，在整個控制周期中，選擇已有功率最小的區(qū)段分段填充，同時遵循前述首尾相接的原則，但是不能和自身已填充的部分重疊。

根據(jù)上述思路設計的各分區(qū)啟停方案如圖7所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，分區(qū)2被分成了不相連的2段，這對后續(xù)控制不利。可以通過軟件進一步對啟停方案進行優(yōu)化，得到如下方案（圖8）。

分區(qū)1在0s時啟動，在50s時停止；分區(qū)2在20s時啟動，在100s時停止；分區(qū)3在50s時啟動，在110s時停止；分區(qū)4在50s時啟動，在70s時停止；分區(qū)5在70s時啟動，在100s時停止。

采用該方案，5個控制分區(qū)對于列車供電系統(tǒng)的總負載如圖9所示。

在這個方案中，功率最大時為7，最小時為4，高峰和低谷的差值為3，這已經(jīng)是這種特定情況下的最優(yōu)方案了。

實際系統(tǒng)運行中，各個分區(qū)的控制需求百分比是不斷變化的，因此控制軟件也要根據(jù)情況不斷的實時計算并生成最優(yōu)化的分區(qū)啟停方案，并控制固態(tài)繼電器的動作。

5 固態(tài)繼電器控制的散熱處理

固態(tài)繼電器采用MOS開關(guān)管技術(shù)控制負載的啟停，其自身不可避免的要產(chǎn)生熱量，這是與傳統(tǒng)接觸器不同的地方。由于多個固態(tài)繼電器一般會集中布放在一個電氣控制柜中，因此固態(tài)繼電器的散熱就成為一個必須解決的問題。

方法很簡單，在電氣控制柜的柜門上根據(jù)需要安裝若干散熱風扇，并將散熱風扇的控制端接到系統(tǒng)控制器上，由系統(tǒng)控制器根據(jù)所有固態(tài)繼電器的控制需求百分比來控制散熱風扇的啟停。也可以在控制柜內(nèi)部加裝溫度傳感器，并將溫度傳感器連接到系統(tǒng)控制器，由系統(tǒng)控制器根據(jù)控制柜內(nèi)部溫度來控制散熱風扇的啟停。

6 結(jié)束語

目前控制系統(tǒng)廠商根據(jù)上述固態(tài)繼電器控制原理設計了新型車載環(huán)境控制系統(tǒng)，并應用于旅客列車中，取得了很好的控制效果。實踐證明，將固態(tài)繼電器應用于車載環(huán)境控制系統(tǒng)是完全可行的，也是車載環(huán)境控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。