城市轨道车辆变频与定频空调比较浅析

隋福义

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

1 原理

定频空调:列车从受电弓下来1500VDC或者750VDC电源,经过辅助逆变器后转化为380V、50HZ 的电源给空调使用,空调的主要部件压缩机、风机、电加热等都是使用稳定不变的电压与频率进行运转。

变频空调:列车从受电弓下来1500VDC或者750VDC电源,经过辅助逆变器后转化为380V、50HZ 的电源,再经过空调变频器提供电压恒定,频率可变的电源给空调使用,空调的主要部件压缩机、风机使用不同频率的电源来改变输出。

2 舒适度比较

人体舒适度指数(Comfort Index of Human Body)是日常生活中较为常用的表征人体舒适度的方法,它主要取决于气温、湿度与风速3个指标。气温是判断气候舒适度的主要指标,湿度和风速是辅助指标。

2.1 风速调节能力比较 定频:风机一直满功率运行,风速恒定

变频:由于需要满足新风量以及循环风量,变频空调一般送风机不能变频,需要一直满功率运行。

结论:两者一样

2.2 湿度调节能力比较 相对湿度受干球温度影响很大,故此项可参考温度恒定效果比较。

2.3 温度调节能力比较 调节方法比较:轨道交通空调一般采用多压缩机或者采用带有能调的单压缩机空调机组。现在地铁空调一般每节车厢都选用双空调机组,而且每台空调一般至少采用两个压缩机。我们以每节车厢采用4台压缩机为例,来比较变频与定频的差别。

适应负荷变化能力比较:定频空调系统随着房间热负荷的变化,逐步变化压缩机开启数量,从而实现能量调节的目的。由于一节车厢内有至少有四台压缩机,因此至少可以实现0,25%,50%,75%,100%的能量调节(对于有些车辆采用了8个压缩机,其实现的能量调节范围更广)。

假定设定温度相同,温度控制曲线比较:MLK 定频空调的温度调节采用的PID调节方式,P为比例常数,I为积分常数,温度调节属于线性调节,所以我们的调节函数在时间线上呈现为很好的收敛性。结论:变频空调能够对外界环境突然变化能够作出更快的反应,车厢内温度波动较小,但随着工况稳定,定频与变频控温能力相差不大。

3 节能性能的比较

为了分析变频空调与定频空调的节能性能,由于轨道交通空调方面没有有关这方面的标准,我们先从家用空调和商用空调的相关标准入手,来阐明变频和定频在节能方面的差别。

3.1 计算能效的比较 结合2018年H 市参数,进行定频与变频的能效分析对比。

在空调的实际运行中,在时间为参考的前提下,每一天的温度变化为一个循环周期,所以我们取7月1日的气温参数,计算能效比。当日最高干球温度为28摄氏度,最低干球温度为21摄氏度。温度变化曲线近似为下图。

3.2 变频空调季节能效比(SEER)没有计算谐波损耗 变频器无一例外存在谐波损耗,其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和。由于谐波有功不能被普通电度表计量(谐波有功可采用电力分析仪计量),所以,总有功没有包含谐波有功。也就是说,在SEER 的测试中,并没有计入谐波耗损。《数码涡旋与变频技术的对比分析》一文中指出,变频器总损耗为15%-20%,其中,交、直流变换器损耗即谐波损耗约为10%。如果计入这部分损耗,变频空调的SEER 更低。

3.3 空调耗电量(WXL1现场实测)

3.3.1 变频空调耗电量 变频空调机组2017年06月02日电表记录数据:机组1为16608.2度,机组2为15057.0度。

变频空调机组2018年08 月20 日电表记录数据:机组1 为25094.0度,机组2为23498.4度。

3.3.2 耗电量比较 2017年06月02至2018年08月20日期间,定频空调耗电量=(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 间,变 频 空 调 耗 电 量=(25094.0+23498.4)-(16608.2+15057.0)=48592.4-31665.2=16927.2度。

结论:变频空调的节能效果并没有想象中的那么好。

3.4 其他不利于轨道交通车辆变频空调节能的因素

3.4.1 满负荷运转时间长 在高环境温度的条件下,变频空调需满负荷工作,由于变频器效率以及其他因素,在满负荷条件下,变频空调的功耗比定频空调更大。然而,在轨道交通车辆空调的工作过程中,出现满负荷工作的概率比家用和商用空调的概率更大,满负荷工作时间较长。

3.4.2 变频器的效率 由于车辆采用辅助逆变器供电,其电源品质较差,谐波含量较高。从而引起变频器的效率偏低,功率损耗较大。

3.4.3 变频范围有限 现在运营的轨道车辆变频空调,其压缩机一般采用涡旋压缩机。由于涡旋压缩机的固有特性,在低频条件下,动涡旋与定涡旋不能保证很好密封作用,所有其工作频率一般要大于45Hz。现有的轨道交通车辆变频空调,一般采用50～100Hz的超频压缩机。因此,在0～50Hz之间没有调频能力。从这点来讲,这类变频空调与多压缩机定频空调相比,在节能方面更没有太多优势。

4 可靠性比较

轨道交通车辆属于公共服务系统,因此车辆以及相关配件的可靠性要求非常高。然而,变频空调用于轨道交通车辆,将会降低车辆空调系统的可靠性。

变频器的可靠性:逆变器作为变频空调的核心部件,其可靠性对整个变频空调影响很大。但由于变频器内部部件很多,加上轨道交通车辆空调的使用环境较家用和商用空调更恶劣,在列车空调上使用的变频器的可靠性并不如人意。现有的列车空调变频器故障率较高。

空调系统的可靠性:现有变频空调压缩机采用的都是超频的涡旋压缩机,这种超频的小马拉大车做法,使变频压缩机长时间处于高频状态,不仅空调能效比低,还会对空调器及其元器件造成伤害,缩短压缩机使用寿命。

5 总结

通过以上分析,我们可以得出以下结论:

变频空调与定频单压缩机空调系统相比,变频空调在适应负荷能力,温控精度,启动性能等方面有较大的优势。

多压缩机定频空调在适应负荷能力,温控精度等方面可以通过调整压缩机的数量来获得与变频空调相类似的性能。

简单从SEER 与EER 比较,变频空调看似在节能方面有些优势。但综合SEER 与EER 的测试条件,变频器谐波损耗以及轨道交通空调的一些特殊应用条件,变频空调在轨道车辆空调节能这方面并不能达到很好的效果。

变频空调的可靠性较差,故障率较定频空调高。

结束语

综上所述,变频空调并不适合H 市车辆使用,轨道车辆空调的主流还是多压缩机定频空调系统。