城市軌道車輛變頻與定頻空調比較淺析

隋福義

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111

1 原理

定頻空調:列車從受電弓下來1500VDC或者750VDC電源,經過輔助逆變器后轉化為380V、50HZ 的電源給空調使用,空調的主要部件壓縮機、風機、電加熱等都是使用穩定不變的電壓與頻率進行運轉。

變頻空調:列車從受電弓下來1500VDC或者750VDC電源,經過輔助逆變器后轉化為380V、50HZ 的電源,再經過空調變頻器提供電壓恒定,頻率可變的電源給空調使用,空調的主要部件壓縮機、風機使用不同頻率的電源來改變輸出。

2 舒適度比較

人體舒適度指數(Comfort Index of Human Body)是日常生活中較為常用的表征人體舒適度的方法,它主要取決于氣溫、濕度與風速3個指標。氣溫是判斷氣候舒適度的主要指標,濕度和風速是輔助指標。

2.1 風速調節能力比較 定頻:風機一直滿功率運行,風速恒定

變頻:由于需要滿足新風量以及循環風量,變頻空調一般送風機不能變頻,需要一直滿功率運行。

結論:兩者一樣

2.2 濕度調節能力比較 相對濕度受干球溫度影響很大,故此項可參考溫度恒定效果比較。

2.3 溫度調節能力比較 調節方法比較:軌道交通空調一般采用多壓縮機或者采用帶有能調的單壓縮機空調機組。現在地鐵空調一般每節車廂都選用雙空調機組,而且每臺空調一般至少采用兩個壓縮機。我們以每節車廂采用4臺壓縮機為例,來比較變頻與定頻的差別。

適應負荷變化能力比較:定頻空調系統隨著房間熱負荷的變化,逐步變化壓縮機開啟數量,從而實現能量調節的目的。由于一節車廂內有至少有四臺壓縮機,因此至少可以實現0,25%,50%,75%,100%的能量調節(對于有些車輛采用了8個壓縮機,其實現的能量調節范圍更廣)。

假定設定溫度相同,溫度控制曲線比較:MLK 定頻空調的溫度調節采用的PID調節方式,P為比例常數,I為積分常數,溫度調節屬于線性調節,所以我們的調節函數在時間線上呈現為很好的收斂性。結論:變頻空調能夠對外界環境突然變化能夠作出更快的反應,車廂內溫度波動較小,但隨著工況穩定,定頻與變頻控溫能力相差不大。

3 節能性能的比較

為了分析變頻空調與定頻空調的節能性能,由于軌道交通空調方面沒有有關這方面的標準,我們先從家用空調和商用空調的相關標準入手,來闡明變頻和定頻在節能方面的差別。

3.1 計算能效的比較 結合2018年H 市參數,進行定頻與變頻的能效分析對比。

在空調的實際運行中,在時間為參考的前提下,每一天的溫度變化為一個循環周期,所以我們取7月1日的氣溫參數,計算能效比。當日最高干球溫度為28攝氏度,最低干球溫度為21攝氏度。溫度變化曲線近似為下圖。

3.2 變頻空調季節能效比(SEER)沒有計算諧波損耗 變頻器無一例外存在諧波損耗,其計量入口處的總有功將是基波有功和諧波有功之代數和。由于諧波有功不能被普通電度表計量(諧波有功可采用電力分析儀計量),所以,總有功沒有包含諧波有功。也就是說,在SEER 的測試中,并沒有計入諧波耗損。《數碼渦旋與變頻技術的對比分析》一文中指出,變頻器總損耗為15%-20%,其中,交、直流變換器損耗即諧波損耗約為10%。如果計入這部分損耗,變頻空調的SEER 更低。

3.3 空調耗電量(WXL1現場實測)

3.3.1 變頻空調耗電量 變頻空調機組2017年06月02日電表記錄數據:機組1為16608.2度,機組2為15057.0度。

變頻空調機組2018年08 月20 日電表記錄數據:機組1 為25094.0度,機組2為23498.4度。

3.3.2 耗電量比較 2017年06月02至2018年08月20日期間,定頻空調耗電量=(24509.6+23192.2)-(15761.6+15222.5)=47701.8-30984.1=16717.7度。

2017年06 月02 至2018 年08 月20 日 期 間,變 頻 空 調 耗 電 量=(25094.0+23498.4)-(16608.2+15057.0)=48592.4-31665.2=16927.2度。

結論:變頻空調的節能效果并沒有想象中的那么好。

3.4 其他不利于軌道交通車輛變頻空調節能的因素

3.4.1 滿負荷運轉時間長 在高環境溫度的條件下,變頻空調需滿負荷工作,由于變頻器效率以及其他因素,在滿負荷條件下,變頻空調的功耗比定頻空調更大。然而,在軌道交通車輛空調的工作過程中,出現滿負荷工作的概率比家用和商用空調的概率更大,滿負荷工作時間較長。

3.4.2 變頻器的效率 由于車輛采用輔助逆變器供電,其電源品質較差,諧波含量較高。從而引起變頻器的效率偏低,功率損耗較大。

3.4.3 變頻范圍有限 現在運營的軌道車輛變頻空調,其壓縮機一般采用渦旋壓縮機。由于渦旋壓縮機的固有特性,在低頻條件下,動渦旋與定渦旋不能保證很好密封作用,所有其工作頻率一般要大于45Hz。現有的軌道交通車輛變頻空調,一般采用50～100Hz的超頻壓縮機。因此,在0～50Hz之間沒有調頻能力。從這點來講,這類變頻空調與多壓縮機定頻空調相比,在節能方面更沒有太多優勢。

4 可靠性比較

軌道交通車輛屬于公共服務系統,因此車輛以及相關配件的可靠性要求非常高。然而,變頻空調用于軌道交通車輛,將會降低車輛空調系統的可靠性。

變頻器的可靠性:逆變器作為變頻空調的核心部件,其可靠性對整個變頻空調影響很大。但由于變頻器內部部件很多,加上軌道交通車輛空調的使用環境較家用和商用空調更惡劣,在列車空調上使用的變頻器的可靠性并不如人意。現有的列車空調變頻器故障率較高。

空調系統的可靠性:現有變頻空調壓縮機采用的都是超頻的渦旋壓縮機,這種超頻的小馬拉大車做法,使變頻壓縮機長時間處于高頻狀態,不僅空調能效比低,還會對空調器及其元器件造成傷害,縮短壓縮機使用壽命。

5 總結

通過以上分析,我們可以得出以下結論:

變頻空調與定頻單壓縮機空調系統相比,變頻空調在適應負荷能力,溫控精度,啟動性能等方面有較大的優勢。

多壓縮機定頻空調在適應負荷能力,溫控精度等方面可以通過調整壓縮機的數量來獲得與變頻空調相類似的性能。

簡單從SEER 與EER 比較,變頻空調看似在節能方面有些優勢。但綜合SEER 與EER 的測試條件,變頻器諧波損耗以及軌道交通空調的一些特殊應用條件,變頻空調在軌道車輛空調節能這方面并不能達到很好的效果。

變頻空調的可靠性較差,故障率較定頻空調高。

結束語

綜上所述,變頻空調并不適合H 市車輛使用,軌道車輛空調的主流還是多壓縮機定頻空調系統。