DC 1 500 V直進變頻空調在城市軌道交通車輛上的應用

李寶泉 張顯輝 岳小鶴 曹春偉 唐立國 張淑環

(1. 中車唐山機車車輛有限公司, 064099， 唐山； 2. 山東朗進科技股份有限公司， 266071, 青島//第一作者，教授級高級工程師)

目前城市軌道交通車輛供電系統主要有DC 1 500 V和DC 750 V兩種供電方式。傳統定速空調由DC 1 500 V/DC 750 V經過輔助逆變電源(SIV)進行電源轉換輸出三相AC 380 V/50 Hz給空調供電。而早期變頻空調沿用傳統技術路線，需經過交-直-交電源變換后給變頻壓縮機等部件供電。目前變頻空調技術應用已經成熟，根據變頻空調的技術特點，節省或減小中間電源轉換環節，由DC 1 500 V/DC 750 V直接供電，可以極大提升電源利用效率，降低車輛制造和運營成本。

1 DC 1 500 V直進變頻空調與AC 380 V變頻空調供電方案對比

1.1 AC 380 V變頻空調供電方案[1]

傳統定速或變頻空調的供電方式是由車輛弓網的DC 1 500 V/DC 750 V經過SIV降壓變換后，輸出三相AC 380 V/50 Hz供給空調機組，如圖1所示。傳統變頻空調的電氣原理是將SIV輸出的三相AC 380 V/50 Hz經過整流濾波為DC 540 V供給變頻器，變頻器輸出三相電壓和頻率可調的交流電供給壓縮機和風機等負載，如圖2所示。

圖1 傳統空調供電原理圖

1.2 DC 1 500 V直進變頻空調供電方案[2]

由圖3和圖4可見，DC 1 500 V直進變頻空調機組直接從弓網取電，將DC 1 500 V降壓成DC 600 V電壓直接供給空調機組;SIV根據其他小容量用電設備的要求進行匹配設計，因此，SIV可以減小容量或直接取消[3-4]。直流穩壓電源與變頻器安裝在空調機組內部，由空調控制器統一控制，與傳統供電方式相比取消了電源變換過程中直-交-直部分，降壓后直接給變頻器供電。

圖2 變頻空調在既有車輛上應用的拓撲結構圖

圖3 DC 1 500 V直進變頻空調供電原理圖

2 DC 1 500 V直進變頻空調設計方案

2.1 DC 1 500 V直進變頻空調設計參數

DC 1 500 V直進變頻空調機(CK29/BPG-E14)外形尺寸(長×寬×高)為3 800 mm×1 600 mm×300 mm,機組為頂置單元式，設計參數見表1。

圖4 新型DC 1 500 V直進變頻空調應用拓撲結構圖

表1 DC 1 500 V直進變頻空調機(CK29/BPG-E14)設計參數

2.2 DC 1 500 V直進變頻空調結構

DC 1 500 V直進變頻空調結構布局如圖5所示。其空調機組分為蒸發腔，室外腔和電源腔三部分。送風方式采用底部送風，底部回風。變頻器電控盒安裝在回風口上部，采用混合風進行散熱。

圖5 DC 1 500 V直進變頻空調結構布局圖

2.3 DC 1 500 V直進變頻空調電控方案

該變頻空調采用DC 1 500 V直進，不需要整流環節，減少了能量損失。直流穩壓電源將弓網上DC 1 500 V電源經變壓器隔離后，變換成穩定的DC 600 V供給變頻器使用。5個獨立的變頻器分別控制壓縮機1、壓縮機2、通風機、冷凝風機及電加熱器運行。變頻器根據空調控制器的指令，輸出頻率和電壓可變的波形，控制相應的負載運行。

2.4 DC 1 500 V直進變頻空調系統方案

DC 1 500 V直進變頻空調系統由兩套獨立的制冷回路組成。其原理圖如圖6所示。壓縮機采用全封閉變頻渦旋壓縮機，根據需求自動調節空調機組的制冷能力，可實現制冷能力的無級調節,提高客室舒適性[5]。制冷劑采用新型環保制冷劑R407C。 節流元件采用電子膨脹閥，可適時優化系統冷媒流量，保證任何工況下的最佳能效比輸出[6]。通過壓力開關及溫度傳感器，檢測系統運行狀態，進而達到智能診斷、智能保護的目的。

圖6 DC 1 500 V直進變頻空調系統原理圖

3 DC 1 500 V直進變頻空調的優勢

3.1 采用DC 1 500 V直進變頻空調可使整車減重

DC 1 500 V直進變頻空調的緊急通風逆變器集成在機組內部，整車取消了外置的逆變器，質量減輕；采用熱泵制熱，取消機組內部電加熱器，機組質量進一步減輕。傳統空調與DC 1 500 V直進變頻空調的減重分析如表2所示。

表2 傳統空調方案與DC 1 500 V變頻空調方案減重分析

空調機組節省了電源逆變及整流環節，電源在DC/DC降壓環節同時實現隔離;殼體采用鋁合金材質，優化機組結構設計，整機質量僅為600 kg。[7]

空調機組直接由DC 1 500 V供電，無需SIV提供AC 380 V電源，因此SIV設計容量減小，體積和質量減小，利于整車設備布置及車體布線。

由表2可知：傳統空調方案的合計質量為13 319 kg,DC 1 500 V變頻空調方案合計質量為9 927 kg,整車總計減重近3.4 t，減重1.7%(整車質量約為200 t)，由此，牽引運行每公里能耗可降低1.7%～2.0%。由文獻[8]提供的數據可知，站間距為1～2 km時，在限速70 km/h下，牽引運行每公里能耗可減少0.20 kW。

3.2 空調整體電源轉換效率提高

變頻空調不需要SIV提供AC 380 V電源，直接DC 1 500 V供電，給原空調供電的功率部分不經過逆變(空調功率占SIV額定功率的55%以上),減少了此部分的功率損耗。此電源變換環節功率損耗約占整個SIV輸入功率的8%～10%。變頻空調直接利用DC 1 500 V電壓，無需AC 380 V交流電的整流環節，不需要為空調配置整流電路，因此節省了變頻空調內部的整流環節的功率損失(約占空調輸入功率的3%)[9]。由表3數據可知，空調整體節能效益達254.925萬元。

表3 城市軌道交通車輛節能效益分析[10]

3.3 整車電源購置成本減少

傳統空調采用SIV輸出的AC 380 V/50 Hz的電源供電，空調負載功率占SIV總輸出功率的60%～80%。采用DC 1 500 V直接供電，SIV設計容量減小至傳統空調方案一半，輔助電源購置成本和維修成本大幅降低。

3.4 布線工藝簡單

DC 1 500 V直進變頻空調系統，簡化了中間控制環節，優化了車輛整體布線。原SIV輸出經空調控制柜到空調之間的車體布線全部取消，提高了車輛的生產效率。

3.5 空調控制系統匹配進一步優化

1) 直流電源與變頻模塊單元由空調控制器統一控制，設備各部件參數可以更好地進行匹配、調整與兼容。

2) 直流電源輸出端直接帶變頻器負載，變頻器采用軟起動；空調風機、壓縮機等部件順序變頻起動，起動沖擊電流小。直流電源裝置在空調內部，因負載沖擊電流小，電源利用效率高，電源容量設計只需匹配此臺空調功率即可。

4 應用DC 1 500 V直進變頻空調的經濟效益分析

對采用DC 1 500 V直進變頻空調的車輛空調系統LCC(全壽命周期成本)進行分析。若按城市軌道交通車輛設計壽命為30年，每年運營約12萬km，空調運行制冷時間為5個月、運行制熱時間為3個月進行計算，可帶來可觀的經濟效益(見表4)。

整車節能分為整車減重帶來的牽引能耗降低與變頻空調本身運行能耗降低兩大部分。參考國內各大城市軌道交通用電電價定價標準，取平均電價為0.825元/(kW·h)，參考變頻空調在各線路統計的每公里節電量數據， 在30年運營期間，每列車牽引系統節能實現經濟效益為59.4萬元，空調系統節能實現經濟效益約為195.5萬元，整車節能經濟效益為254.9萬元。

表4 城市軌道交通車輛LCC效益分析