直流变速空调机组在铁路客车上的应用_李贯颖

图 ２ 变 速 空 调 机 组 运 行 状 态
２．２．２ 低 频 运 行 节 电 ２．２．２．１ 理 论 能 效 比 高
（１）在 标 准 工 况 下 ，室 内 温 度 Ｔｉｎ为 ２７ ℃ ，室 外 温 度 Ｔｏｕｔ为 ３５ ℃ ，采 用 制 冷 剂 Ｒ４０７Ｃ，一 般 普 通 空 调 机 组 或 变 速 空 调 机 组 高 频 运 行 ，为 了 满 足 一 定 的 制 冷 能 力 ，其 设 计 蒸 发 温 度 Ｔｅ为 ５ ℃ ，冷 凝 温 度Ｔｃ 为 ４５ ℃ ，对 应 的 蒸 发 压 力 Ｐ１为 ５．８４ｂａｒ，冷 凝 压 力 Ｐ２为 １７．３４ｂａｒ，蒸 发 传 热 温 差 为 ２２ ℃ ，冷 凝 温 差 为 １０ ℃ ，过 冷 度 为 ５ ℃ ，过 热 度 为 １０ ℃ ，理 论 计 算 能 效 比 ＥＥＲ 为 ３．７４７。 空 调 机 组 高 频 运 转 时 的 温－ 熵 图 见 图 ３。
直流变速空调机组可以直接使 用 ＤＣ ６００Ｖ 电 源 供 电 ，因 此 可 以 减 小 逆 变 电 源 容 量 ，车 内 温 度 较 高 时 即 自 动 调 高 频 ，平 稳 快 速 地 使 车 内 降 温 ，温 度 达 到 设 定 温 度 时 采 用 低 频 连 续 运 转 维 持 恒 温 ，因 温 度 波 动 小 ，对 供 电 系 统 电 流 冲 击 小 （图 ２）。
４ ０００ １ ８００ ２ ９００ １ ２５０
压缩机冷却能力／Ｗ ２ ５３１ １ ３８８ ２ ５５７ １ ４７９
压缩机 压缩机输入功率／Ｗ ６５８ ２２１ ５５８ １９３
排量 压缩机能效比
３．８４９ ６．２７６ ４．５８１ ７．６５７
８．１８ 压缩机额定电流／Ａ ４．３３ ３．４８ ５．０４ ４．３８
变频压缩机能效比试验结果 见 表 １。 含 变 频 器 与 不 含 变 频 器 情 况 下 压 缩 机 能 效 比 对 比 见 表 ２。
表 １ 变 频 压 缩 机 能 效 比 对 比
测试项
额定 半能力 额定 半能力 制热 制热 制冷 制冷
冷 凝 温 度／℃ （高 压／ＭＰａ）
３７．１ ２８．３ ４５．８ ４０．４ （２．１５５） （１．７００） （２．６７８） （２．３４３）
１ 定 速 空 调 机 组 存 在 的 主 要 问 题
（１）制冷量按额定载荷 ＡＷ２ 时所需的最大热负 荷选取。运营中，由于 客 车 空 调 系 统 的 热 负 荷 并 非 总 处于最大值，在非高 峰 期 或 天 气 变 化、季 节 变 化 时，制 冷量常常处于输出大于需求的不经济状态。
（２）定 速 空 调 机 组 通 过 频 繁 启 停 压 缩 机 的 方 式 来 调节制冷量的输出，压 缩 机 从 启 动 到 建 立 制 冷 所 需 要 的压力期间满功率运 转，客 室 内 温 度 达 到 目 标 值 时 停 机，停机后高低压平 衡，建 立 的 压 力 被 卸 掉，压 缩 机 再 次启动又 要 重 新 建 立 压 力。 这 种 控 制 方 式 增 加 了 能 耗。
直流变速空调机组是针对 ＤＣ ６００Ｖ 客 车 而 设 计 的，直接采 用 机 车 直 流 电 源 进 行 供 电，理 论 上 可 节 能 ３０％，且该技术已 在 地 铁 车 辆 上 得 到 应 用。 其 技 术 特 点是，将只能用 ＡＣ ３８０ Ｖ 供 电 的 传 统 空 调 机 组 更 换 为 ＤＣ ６００Ｖ 直接供电的变频节能型空 调 机 组。 空 调 机组通过采用专用变 频 技 术 和 系 统 控 制 技 术，自 动 按 照设定温度运行制冷 或 制 热，能 力 输 出 根 据 设 定 的 温 差自动调节，避免压 缩 机 的 反 复 启 停，减 少 开 关 损 耗， 节能环保。因直流供 电 无 需 逆 变 电 源，所 以 可 减 轻 整 车质量。
由于压缩机余隙 的 存 在，压 缩 后 的 高 压 气 体 排 出 后 ，留 在 余 隙 容 积 的 气 体 在 吸 气 时 膨 胀 ，占 据 了 一 部 分 吸入气体的比例。此 比 例 受 压 比 的 影 响 较 大，当 压 比 达 到 一 定 程 度 时 ，容 积 效 率 为 ０，无 气 体 排 出 。 ２．２．２．３ 开 关 损 耗 减 少
直 流 变 速 空 调 机 组 在 铁 路 客 车 上 的 应 用 李 贯 颖 ，李 敬 茂 ，杨 晓 庆 ，侯 运 彪
定速压缩机从开 机 到 建 立 制 冷、制 热 所 需 的 压 力 大 约 需 要 ３０ｓ～６０ｓ的 时 间 ，这 期 间 是 以 满 功 率 运 转 ， 当达到客室的温度时 停 机，然 后 高 低 压 平 衡 而 卸 掉 压 力 ，每 次 开 关 机 造 成 的 这 一 压 力 损 耗 定 义 为 开 关 损 耗 。
问 题 讨 论
铁 道 车 辆 第 ５１ 卷 第 ２ 期 ２０１３ 年 ２ 月
文 章 编 号 ：１００２－７６０２（２０１３）０２－００２９－０３
直流变速空调机组在铁路客车上的应用
李 贯 颖１，李 敬 茂２，杨 晓 庆１，侯 运 彪１
（１．济南铁路局 车辆处，山东 济南 ２５０００１；２．山东郎进科技股份有限公司，山东 青岛 ２６６０７１）
定速空调 机 组 有 ２ 个 缺 点：（１）为 了 压 缩 机 的 润 滑，压缩机每次开机 至 少 要 工 作 ４ ｍｉｎ 以 上；（２）为 了 避免频繁开停，程序 中 设 定 当 高 于 设 定 温 度 １ ℃ 时 允 许开机，低于设定温度１ ℃时关机，因此温度波动很大 （图 １）。
２ ＤＣ ６００Ｖ 直流供电变速空调机组节能原理
（３）空调机 组 只 在 夏 天 使 用，冬 季 只 使 用 其 通 风 功能，取暖还需在车 内 设 置 电 加 热 器，能 耗 高，空 调 机 组利用率低。
凝风机。其中，压缩机 的 耗 能 占 整 个 空 调 机 组 耗 能 的 绝大部分。目前，ＤＣ ６００Ｖ 客车变速空调机组采用的 是 定 速 压 缩 机 ，其 内 置 电 机 为 三 相 异 步 电 动 机 ，如 果 采 用 ＰＭＳＭ（永磁同步电机）压缩机，在 相 同 的 运 行 条 件 下 ，由 于 永 磁 同 步 电 机 的 效 率 高 ，其 功 耗 要 低 于 定 速 压 缩机的功耗。通过采用高效的 ＰＭＳＭ 压缩机，可以提 高 空 调 制 冷 系 统 的 能 效 比 ，节 能 ７％ ～１０％ 。 ２．２．１ 变 频 变 负 荷 节 电 原 理
直流供电变速空调机组通过采用先进的变频技术 和热泵供暖技术实现节能。 ２．１ 减 重 节 能
采用直流电直接 供 电 技 术 后，可 用 小 功 率 辅 助 逆 变 器 替 代 大 功 率 逆 变 器 ，为 伴 热 、厨 房 电 器 等 小 功 率 设 备提供电源。 ２．２ 采用高效 ＰＭＳＭ 直流变频压缩机节能
图 ３ 空 调 机 组 高 频 运 转 时 的 温 －熵 图
功耗为１０％～１８％，计 入 变 频 器 功 耗，因 此 高 频 运 转 时变 速 空 调 机 组 的 能 效 比 较 普 通 空 调 机 组 低 １０％ ～ ２０％ ；低 频 运 行 状 态 只 要 保 证 一 定 的 蒸 发 、冷 凝 温 差 即 可满足正常的制冷，达 到 维 持 恒 温 的 目 的。 采 用 制 冷 剂 Ｒ４０７Ｃ，设定蒸发温度差为７ ℃，则 蒸 发 温 度 Ｔｅ′为 ２０ ℃，冷凝温差为５ ℃，冷凝温度 Ｔｃ′为４０ ℃，对应的 蒸发压 力 Ｐ１′升 高 为 ９．１１ｂａｒ，冷 凝 压 力 Ｐ２′降 低 为 １５．３８ｂａｒ，压缩机的压比（Ｐ１／Ｐ２）降低，理论计算 其 能 效比 ＥＥＲ′为８．６９５。空调机 组 低 频 运 转 时 的 温－熵 图 见 图 ４。
能效比（带变频器） ３．４３７ ５．４６３ ４．０４０ ６．３９２
摘 要：以 ＤＣ ６００Ｖ 供电铁路客车为例，从直接供电技术、直流变速 技 术、热 泵 供 暖 技 术 等 方 面 介 绍 了 直 流 变 速 空 调机组节电、节能原理，为在 ＤＣ ６００Ｖ 客车和动车组上使用直流变速空调机组提供了依据。
关键词：ＤＣ ６００Ｖ 直流供电；客车；变速空调；节能 中 图 分 类 号 ：Ｕ２７０．３８＋３ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
压缩机冷却能力／Ｗ ２ ５０３ １ ３３３ ２ ４５４ １ ５２７
压缩机 压缩机输入功率／Ｗ ６５１ ２１４ ５３３ １９５
排量 压缩机能效比
３．８４８ ６．２２６ ４．６０７ ７．８２７
９．１５ 压缩机额定电流／Ａ ４．４１ ３．３６ ５．０５ ４．４４
ｍＬ／ｒｅｖ 变频器输入功率／Ｗ ７２８ ２４４ ６０７ ２３９
定速空调机组的目的是给车内降温和维持车内恒 温。降温需一定的功 率 储 备，维 持 恒 温 不 需 太 大 的 功 率。定速空调机组与变速空调机组降温和恒温的方式 不 同 ，前 者 是 靠 不 断 地 开 停 压 缩 机 来 维 持 车 内 的 温 度 ， 后 者 是 靠 低 频 、低 功 率 运 转 来 维 持 车 内 的 温 度 。
（２）变 速 空 调 机 组 在 高 频 运 转 时 由 于 其 变 频 器 的 ·３０ ·
图 ４ 空 调 机 组 低 频 运 转 时 的 温 －熵 图
（３）在保 证 实 用 的 传 热 温 差 情 况 下，低 频 运 转 时 能效比提高了１３２．１％。由于在低 频 运 转 时 制 冷 剂 流 量减小，传热量减小，而 换 热 面 积 不 变，因 此 低 速 下 的 相 对 换 热 面 积 增 大 ，传 热 温 差 减 小 ，压 比 减 小 。 ２．２．２．２ 压 缩 机 的 容 积 效 率 提 高
目前我国正处在 铁 路 交 通 高 速 发 展 期，电 气 化 铁 路网 已 遍 布 全 国 各 地，采 用 ＤＣ ６００ Ｖ 直 接 供 电 技 术 已成为普速客车的主要发展趋势。空调装置是铁路客 车 的 重 要 部 件 ，也 是 主 要 能 源 消 耗 系 统 之 一 ，如 何 减 少 能 源 消 耗 、保 证 运 行 可 靠 是 铁 道 车 辆 专 业 的 重 要 课 题 。