地鐵車輛定頻空調改變頻研究

李天翊 趙慧陽

（鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州450000）

車輛變頻空調改造項目以既有電客車空調為基礎，在不改變原有空調機組外觀及安裝尺寸的前提下，在空調機組內部增加了變頻器和變頻壓縮機，并在客室空調控制柜內增加變頻控制器。通過這種方式，將原有的定頻空調改成了變頻空調，驗證了變頻空調在地鐵車輛使用中具有明顯的節能效果，有很好的推廣價值。

1 空調機組制冷原理

空調系統主要由壓縮機、冷凝器、冷凝風機、蒸發器、蒸發風機、電加熱、膨脹閥等部件組成。空調系統的制冷原理為：制冷劑在制冷回路中循環進行吸熱放熱的過程，低溫低壓的制冷劑氣體經過壓縮機作用后變成高溫高壓的氣體制冷劑，隨后進入冷凝器，在冷凝風機的作用下，與室外空氣進行熱交換，氣態制冷劑冷凝成高溫高壓的液體制冷劑，在節流裝置作用下液體制冷劑降溫降壓，變成低溫低壓的液態制冷劑，進入蒸發器，高溫混合風在送風機的作用下，經過蒸發器，制冷劑吸收熱量，液態制冷劑變為氣態制冷劑，經過氣液分離器后，氣態制冷劑又被壓縮機壓縮，實現一個循環，通過不停的吸熱放熱，實現制冷效果。

2 軌道車輛定頻空調機組與變頻空調機組概述

2.1 定頻空調機組

定頻空調系統通過控制壓縮機的啟動或停止來實現客室溫度的調節，如圖1，定頻啟動，定頻運轉，這種控制方式對壓縮機的壽命存在較大的影響，同時其調節反應速度一般相對較慢，經常會出現車內環境溫度波動較的情況。

圖1 定頻空調溫度調節

2.2 變頻空調機組

傳統空調的溫度控制是由不同的運行工況來控制的，即控制壓縮機的啟停，制冷工況主要有通風、半冷、全冷；變頻空調系統的優點是控制壓縮機運行不同工作頻率，可實現不同功率輸出，使空調能效比提高，從而達到節能效果。控制器通過新風溫度計算出目標溫度后，根據回風溫度反饋，計算出當前的冷量輸出，再通過變頻運行曲線調整變頻壓縮機的運行頻率，控制車廂溫度達到目標設定值，如圖2。

圖2 變頻空調溫度調節

2.3 定頻空調改變頻空調方案

變頻空調機組是在原定頻空調機組的基礎上對制冷系統進行了改動，在保證制冷量、風量等性能指標滿足合同要求，確保乘客乘車環境舒適的情況下進行設計，使用變頻壓縮機替代原設計中的定頻壓縮機，并增加變頻器、DC 電源、電子膨脹閥等部件實現機組變頻功能[2]。在此基礎上空調控制柜需要重新設計變頻軟件。

3 措施及效果

3.1 空調機組改造

3.1.1 空調機組更改變頻方案需更換并增加以下部件

①壓縮機由定頻壓縮機改為變頻壓縮機。②毛細管改為電子膨脹閥。③增加管路傳感器。溫度傳感器為NTC 型，用于壓縮機的吸氣溫度，用于計算過熱度，并調節電子膨脹閥的開度。④增加壓力傳感器。高壓、低壓壓力傳感器通過螺紋連接的方式安裝在壓縮機排氣、吸氣管路上，用于實施監測壓縮機運行壓力，保證壓縮機運行在安全范圍內，并且通過和管路溫度傳感器聯合計算系統的過熱度，來確定電子膨脹閥的調節量。

3.1.2 改動后機組布置圖

其中，控制單元、變頻模塊、電容板等部件機組安裝在控制箱內，控制箱整體安裝在機組內，通過控制箱連接器與外部實現電氣連接。電抗器、濾波器直接安裝在機組內。改動后機組布置圖如圖3。

圖3 空調機組布置圖

3.2 客室控制方案

3.2.1 控制盤更改變頻方案需更換并增加以下部件

①控制器更換。控制器改為帶有RS485 通訊功能，可與機組內控制單元、變頻器等進行通訊。②增加DC/DC 電源。增加DC110 轉DC24V 電源模塊，為空調機組內控制單元、變頻模塊等提供24V 電源。

3.2.2 軟件更改

制冷等級由原半冷、全冷改為五級制冷，并根據變頻系統更改溫控邏輯，通過室內溫度與目標問題比較，調整制冷等級上升或下降，將室內溫控控制在目標溫度附近，為乘客提供舒適的乘車環境。

3.3 原理圖更改

從更改后的原理圖可知，從空調控制盤至每臺機組需車輛需增加RS485 通訊線及控制回路電源線等布線。

3.3.1 主回路原理圖整改

主回路需要增加變頻電源系統，如圖4 所示。

圖4 主回路整改圖

3.3.2 控制回路原理圖整改

控制回路需要增加交流電源系統、24V 電源模塊，如圖5 所示。

圖5 控制回路整改圖

4 結論及展望

本文詳細介紹了定頻空調改變頻空調方案，該方案能夠實現不改變原有空調機組外觀及安裝尺寸的前提下，將定頻空調改變頻空調，有很好的推廣價值。