DC600V直流变速空调客车系统方案设计研究

王 卫

（南车南京浦镇车辆有限公司 客车设计部，江苏南京210031）

DC600V直流变速空调客车系统方案设计研究

王 卫

（南车南京浦镇车辆有限公司 客车设计部，江苏南京210031）

分析了现有25G、25T型DC600V供电铁道客车空调机组的现状及不足，分析比较了采用定速空调机组及直流变速空调机组的优缺点，提出了采用直流变速空调客车的系统方案设计。

25G、25T型客车；空调客车；DC600V供电；直流变速空调；逆变器并联。

目前我国25 G、25 T型DC 600 V供电铁道客车采用机车集中整流、客车分散逆变方式，构成旅客列车交—直—交变流供电系统。客车车辆采用传统的定速空调存在供电系统效率低、冲击电流大，客室温度不易调控，开关电源需要分时启动，空调机组制冷剂不环保等问题。

空调装置是铁路客车的重要部件，也是客车车辆主要能源消耗设备之一，如何减少空调装置故障率，减少能源消耗，保证运行安全是铁路车辆专业的重要课题。

为推动国家铁路节能减排深入发展，推进铁道客车科技进步，降低铁路的运营成本和维修成本，推动国家铁路客车行业节能技术进步，各铁道客车装备单位正在开展直流变速空调在铁路客车空调上的应用研究。

1　现状调查及分析

1.1定速空调客车现状

（1）我国现有25G、25T型DC600V供电铁道客车空调机组采用50HZ、AC380V电源供电。客车设置一套DC600V转AC 380 V的逆变电源装置。定速空调客车在启动及过分相后，冲击电流较大，增加了逆变电源的故障率，干扰DC600V母线其他用电设备。

（2）定速空调机组采用压缩机开机、关机方式调节客室温度，阶梯式调节温度使车厢内温度场梯度波动大，目前车厢内温差达4℃，舒适度较差。

（3）DC600V供电25G、25T型客车空调机组用电负荷超过全列车用电的50%。定速空调调机组采用压缩机开机/关机方式以额定功率运转，能源消耗较大。

（4）制冷剂采用非环保冷媒R22，易造成臭氧层破坏，违反蒙特利尔协议。

综上所述定速空调客车存在：辅助供电系统故障率高、维护成本高；电流冲击大、易造成逆变电源及空调机组部件潜在故障；客室温度波动大；能源浪费大；非环保等问题。

1.2直流变速空调的应用及优势

1.2.1直流变速空调的应用

直流变速空调机组已在机车车辆、地铁车辆、高铁动车组等轨道行业成功应用，技术成熟、安全可靠。变速空调在节能减排与减重、客室舒适性、环境保护等方面已取得显著成效。

1.2.2直流变速空调的优势

采用DC600V电源直接供电，减小逆变电源容量，优化客车整车配电系统，可减轻整车质量、节约运营成本；采用变频软启动技术，减小压缩机、风机部件启动对电源网络和电机部件的电流冲击；通过变频控制技术，实现空调机组的可变能力输出。既提高客室温度调节舒适性又满足不同负荷状况的能力需求供给，实现节能降耗；使用R410a共沸点冷媒，绿色环保。

采用直流变速空调，可实现安全可靠、节能舒适、绿色交通的目的，具有非常可观的社会效益和经济效益。

2　直流变速空调客车系统方案设计

2.1供电系统方案

（1）系统概述

客车空调机组采用DC600V电源供电，车下设小容量逆变电源及隔离变压器，输出三相四线AC380V、50Hz交流电，向电茶炉、温水箱、伴热系统、废排风机、电源插座等交流负载供电。DC 600 V直流变速空调客车供电系统如图1所示。

（2）交流供电系统方案

客车空调机组采用DC600V电源供电，25G型客车交流用电负荷相应减少，为适应新的负载变化情况，在兼顾原有成熟设计和新负载变化情况的基础上，考虑到供电系统的安全性及可靠性，提出如下供电设计方案：

图1　DC600V直流变速空调客车供电系统示意图

①硬座、硬卧、软卧车（以下统称为普通车）逆变电源采用单功率模块（1×15 kVA）设计，逆变电源输出通过15kVA隔离变压器并联到三相四线交流供电母线上；

②餐车逆变电源沿用统型铁道客车双模块逆变电源（2×35 kVA），不参与并联；

③客车车端增加AC380V连接器，车辆增加交流AC 380 V母线。

交流供电并联系统原理框图如图2所示。

2.2直流变速空调机组方案

2.2.1机组主要技术参数

型号：KLR（D）-29DBP（硬座车）

类型：单元顶置一体式变频冷暖型（热泵+电加热）

供电电源：

图2　交流供电系统框图

主回路/V：DC 600（允许波动范围DC 500-DC 660）

控制回路/V：DC 110（DC 77～DC 137.5）

循环风量/（m3·h-1）：4 500，低风3 000，机外静压/Pa：235～250

新风量/（m3·h-1）：1 500，低风1 000

额定制冷量/kW：29，额定制冷功率/kW：13

额定制暖量/kW：18，额定制暖功率/kW：8.2

制冷剂：R410a

制冷剂控制：电子膨胀阀自动控制

质量/kg：750

外形尺寸/mm：（L×W×H）2 100×2 280×650

能效比/mm：2.1（按T B/T 1804-2009标准工况）

2.2.2空调机组原理

直流变速空调压缩机采用直流永磁电机，转子为永磁体，自身产生磁力线，与电机定子中绕组间的电流产生作用，实现压缩机的运转。由于转子是永磁体，没有线圈（绕组），无需外部供电，不产生电能损耗，效率高、节能；变速空调器的压缩机运行频率在20～120 Hz，电压范围85～395 V。变速空调器可以根据环境温度的变化，降低或升高压缩机的转速，以改变空调机组输出的冷量来达到维持空间温度稳定、提高舒适性的目的。

直流变速空调机组制冷回路由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、四通阀等主要部件连接成封闭的制冷系统，其制冷原理与定速空调完全相同；供暖时制冷剂在制冷回路中的流动方向通过四通阀的换向与制冷时相反，室外冷凝器和客室蒸发器的作用互换。

2.2.3 变速空调与定速空调的区别（见表1）

表1　变速空调与定速空调的差异对比

2.2.4空调机组的冗余设计

采用并联冗余可靠性设计，可靠性大大提高，在任何一个子部件系统出现故障的情况下，保证另一个子系统正常工作，保证半能力输出。

（1）空调机组采用独立的制冷系统回路，同时各系统部件系统相互独立，保证在任何一个部件故障时，系统仍然可实现半能力输出。

（2）空调机组内部通风机、压缩机1、压缩机2、冷凝风机1、冷凝风机2使用独立的变频器驱动，同时将冷凝风机变频器作为通风机变频器的故障备份，保证在任何一个变频器故障时，系统仍然可实现半能力输出。

2.3综合控制柜方案

DC600V直流变速空调客车综合控制柜在原DC600V供电客车综合控制柜基础上进行优化设计。增加空调控制器及相关控制器件，增加PLC与空调控制器通讯网络，综合控制柜外形尺寸及安装接口保持不变。

2.3.1空调控制原理说明

空调机组控制采用车辆显示触摸屏控制，空调控制器与车辆显示触摸屏进行R S232方式通讯，车辆触摸屏通过PLC通过R S485总线进行通讯，同时通过硬线控制提高系统可靠性。

车辆显示触摸屏负责接收来自人工或列车网络空调控制命令，其中包括模式命令、电流设定等，并把这些空调控制命令通过RS485通讯传递给空调机组空调控制器。同时根据空调控制器的命令执行客室电加热控制。

空调控制器负责接收车辆显示触摸屏的空调控制命令，空调机组负责执行来自空调控制器的控制命令进行各部件控制。

2.3.2直流变速空调机组电气接口（见图3）

（1）供电接口

从控制柜引入两路DC110V（硬座车，其他车型为一路）电源，两路DC600V（硬座车，其他车型为一路）电源到空调机组。

图3　空调机组电气接口框图

（2）控制接口

综合控制柜空调控制转换开关硬线信号给空调控制器，同时引入空调机组。综合控制柜中央控制单元（PLC、触摸屏）将空调控制命令发送到本车空调控制空调控制器。

空调控制器向综合控制柜中央控制单元（PLC、触摸屏）发送本空调机组的状态和故障信息。并通过PLC网关上传到Lonworks列车总线转发到其他网络节点。

2.4逆变电源方案

直流变速空调机组采用DC600V供电，因此逆变电源三相交流负载减少。逆变电源在兼顾原有成熟设计和新负载变化情况的基础上重新设计，交流负荷表如表2所示。

表2　列车不同车厢逆变电源交流负荷表kVA

2.4.1主要技术参数

额定输入电压/V：DC 600

额定输出电压/V：3NAC 380±10%AC 220±10%

容量/kVA：1×15

输出频率/H z：50±1

效率：大于90%

外形尺寸（长×宽×高）/mm：1 700×850×700

质量/kg：＜400

2.4.2逆变电源并联方案：

（1）硬座、硬卧、软卧车（以下统称为普通车）逆变电源采用单功率模块（1×15 kVA）设计，逆变电源输出通过15kVA隔离变压器并联到三相四线交流供电母线上；设置AC 380 V交流干线。

（2）餐车逆变电源沿用统型铁道客车双模块逆变电源（2×35 kVA），不参与并联，设置交流通过线。

（3）可并联逆变器不但可在全车并联情况下使用，还可单独隔离使用，为系统和列车编组灵活性提供保障。

2.4.3逆变电源并联策略

全列17台普通车逆变电源输出并联，餐车逆变电源不参与并联，三相四线交流母线贯通全车。

列车过分相或逆变电源重启时，方案执行各逆变电源先带本车负载启动后并联的策略。当控制柜上电时，每台逆变电源带本车负载启动。启动完成后，普通车奇数车厢逆变电源按车厢号1，3，5…递增的顺序依次并联。

逆变电源发生故障时，使奇数车厢负载由母线3NAC380VI路供电，偶数车厢负载由母线3NAC380VII路供电。

逆变器并联保证了任一路交流母线对应的3台及以下（全系统6台）出现故障时，系统正常运行无需减载。

3　结束语

（1）2013年6月至2014年7月在济南铁路局完成了25G型硬卧、硬座车两种车型的空调机组及电气系统装车改造及运行考核试验，DC600V直流变速空调机组，已无故障运行51万km，运行总时间约7221h，运行安全可靠。

（2）采用直流变速空调机组后，机组采用DC600V电源供电，节省空调辅助电源逆变功率和质量，有利于列车整车减重，从而使列车运行用电的整体节能。

（3）直流变速空调机组通过变频控制、热泵技术的应用，提高了空调机组的利用率，提高了旅客乘车的舒适度。

（4）直流变速空调机组，适应普速客车的空调技术向节约型和智能化方向转变的需求。

（5）直流变速空调机组采用变频、热泵、专项控制技术，机组内增设变频器、四通阀等部件，使得机组结构复杂，使空调机组本身维护要求增高。

（6）整车供电系统进一步优化，空调机组采用变频压缩机，启动时减少对母线的影响，交流供电采用逆变器并联方案使整车供电系统可靠性及冗余性提高。

（7）对于DC600V直流变速空调机组在25G、25T型客车上的应用需小批量装车运用考核以验证系统的可靠性及安全性。

［1］ TB/T 1804-2009.铁道客车空调机组［S］.

［2］ TB/T 3063-2011.旅客列车DC 600 V供电系统技术要求及试验［S］.

［3］ 张赤勇.R410a环保型直流变频空调器的设计［J］家电科技2013，（10）：60-62.

［4］ 李贯颖，李敬茂，杨晓庆，侯运彪.直流变速空调机组在铁路客车上的应用［J］.铁道车辆2012，51（2）：29-31.

Design and Research of DC 600 V Speed-variable Air-conditioned Train System

WANG Wei
（Passenger Car Division，CSR Nanjing Puzhen Rolling Sbock Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China）

This paper analyzes the lack of existing 25G，25T type DC600V air-conditioning units in the train.And it analyzes and compares the advantages and disadvantages of fixed-speed air-conditioning units and DC speed-variable air-conditioning unit.Then this paper proposes the design of DC speed-variable air-conditioned train system.

25 G，25 T-type train；air-conditioned train；DC 600 V power；DC Speed-variable air-conditioning；inverter parallel connection；

U264.5+5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.10

1008-7842（2015）04-0045-05

�）男，高级工程师（

2015-03-25）