地铁车辆定频空调改变频研究

李天翊 赵慧阳

（郑州地铁集团有限公司，河南 郑州450000）

车辆变频空调改造项目以既有电客车空调为基础，在不改变原有空调机组外观及安装尺寸的前提下，在空调机组内部增加了变频器和变频压缩机，并在客室空调控制柜内增加变频控制器。通过这种方式，将原有的定频空调改成了变频空调，验证了变频空调在地铁车辆使用中具有明显的节能效果，有很好的推广价值。

1 空调机组制冷原理

空调系统主要由压缩机、冷凝器、冷凝风机、蒸发器、蒸发风机、电加热、膨胀阀等部件组成。空调系统的制冷原理为：制冷剂在制冷回路中循环进行吸热放热的过程，低温低压的制冷剂气体经过压缩机作用后变成高温高压的气体制冷剂，随后进入冷凝器，在冷凝风机的作用下，与室外空气进行热交换，气态制冷剂冷凝成高温高压的液体制冷剂，在节流装置作用下液体制冷剂降温降压，变成低温低压的液态制冷剂，进入蒸发器，高温混合风在送风机的作用下，经过蒸发器，制冷剂吸收热量，液态制冷剂变为气态制冷剂，经过气液分离器后，气态制冷剂又被压缩机压缩，实现一个循环，通过不停的吸热放热，实现制冷效果。

2 轨道车辆定频空调机组与变频空调机组概述

2.1 定频空调机组

定频空调系统通过控制压缩机的启动或停止来实现客室温度的调节，如图1，定频启动，定频运转，这种控制方式对压缩机的寿命存在较大的影响，同时其调节反应速度一般相对较慢，经常会出现车内环境温度波动较的情况。

图1 定频空调温度调节

2.2 变频空调机组

传统空调的温度控制是由不同的运行工况来控制的，即控制压缩机的启停，制冷工况主要有通风、半冷、全冷；变频空调系统的优点是控制压缩机运行不同工作频率，可实现不同功率输出，使空调能效比提高，从而达到节能效果。控制器通过新风温度计算出目标温度后，根据回风温度反馈，计算出当前的冷量输出，再通过变频运行曲线调整变频压缩机的运行频率，控制车厢温度达到目标设定值，如图2。

图2 变频空调温度调节

2.3 定频空调改变频空调方案

变频空调机组是在原定频空调机组的基础上对制冷系统进行了改动，在保证制冷量、风量等性能指标满足合同要求，确保乘客乘车环境舒适的情况下进行设计，使用变频压缩机替代原设计中的定频压缩机，并增加变频器、DC 电源、电子膨胀阀等部件实现机组变频功能[2]。在此基础上空调控制柜需要重新设计变频软件。

3 措施及效果

3.1 空调机组改造

3.1.1 空调机组更改变频方案需更换并增加以下部件

①压缩机由定频压缩机改为变频压缩机。②毛细管改为电子膨胀阀。③增加管路传感器。温度传感器为NTC 型，用于压缩机的吸气温度，用于计算过热度，并调节电子膨胀阀的开度。④增加压力传感器。高压、低压压力传感器通过螺纹连接的方式安装在压缩机排气、吸气管路上，用于实施监测压缩机运行压力，保证压缩机运行在安全范围内，并且通过和管路温度传感器联合计算系统的过热度，来确定电子膨胀阀的调节量。

3.1.2 改动后机组布置图

其中，控制单元、变频模块、电容板等部件机组安装在控制箱内，控制箱整体安装在机组内，通过控制箱连接器与外部实现电气连接。电抗器、滤波器直接安装在机组内。改动后机组布置图如图3。

图3 空调机组布置图

3.2 客室控制方案

3.2.1 控制盘更改变频方案需更换并增加以下部件

①控制器更换。控制器改为带有RS485 通讯功能，可与机组内控制单元、变频器等进行通讯。②增加DC/DC 电源。增加DC110 转DC24V 电源模块，为空调机组内控制单元、变频模块等提供24V 电源。

3.2.2 软件更改

制冷等级由原半冷、全冷改为五级制冷，并根据变频系统更改温控逻辑，通过室内温度与目标问题比较，调整制冷等级上升或下降，将室内温控控制在目标温度附近，为乘客提供舒适的乘车环境。

3.3 原理图更改

从更改后的原理图可知，从空调控制盘至每台机组需车辆需增加RS485 通讯线及控制回路电源线等布线。

3.3.1 主回路原理图整改

主回路需要增加变频电源系统，如图4 所示。

图4 主回路整改图

3.3.2 控制回路原理图整改

控制回路需要增加交流电源系统、24V 电源模块，如图5 所示。

图5 控制回路整改图

4 结论及展望

本文详细介绍了定频空调改变频空调方案，该方案能够实现不改变原有空调机组外观及安装尺寸的前提下，将定频空调改变频空调，有很好的推广价值。