直流变速空调机组在铁路客车上的应用_李贯颖
问题讨论
（）文章编号：１００２７６０２２０１３０２００２９０３－－－
铁道车辆 第５１卷第２期２０１３年２月
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
（）济南铁路局车辆处，山东济南２山东郎进科技股份有限公司，山东青岛２１．５０００１；２．６６０７１
摘 要：以Ｄ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Ｃ６００Ｖ供电铁路客车为例， 调机组节电、节能原理，为在ＤＣ６００Ｖ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：客车；变速空调；节能ＤＣ６００Ｖ直流供电；
＋
中图分类号：Ｕ２７０．３８３ 文献标识码：Ｂ
电气化铁 目前我国正处在铁路交通高速发展期，
路网已遍布全国各地，采用ＤＣ６００Ｖ直接供电技术 已成为普速客车的主要发展趋势。空调装置是铁路客也是主要能源消耗系统之一，如何减少车的重要部件，
能源消耗、保证运行可靠是铁道车辆专业的重要课题。
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，ＤＣ６００Ｖ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，如果采永磁同步电机）压缩机，在相同的运行条件用ＰＭＳＭ（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ＰＭＳ可以提Ｍ压缩机，节能７％～１高空调制冷系统的能效比，０％。２．２．１ 变频变负荷节电原理
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前者是靠不断地开停压缩机来维持车内的温度，不同，
后者是靠低频、低功率运转来维持车内的温度。
（定速空调机组有２个缺点：为了压缩机的润１）（压缩机每次开机至少要工作４ｍ为了滑，ｉｎ以上；２）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
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
由于客车空调系统的热负荷并非总荷选取。运营中，
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。
）定速空调机组通过频繁启停压缩机的方式来（２
调节制冷量的输出，压缩机从启动到建立制冷所需要客室内温度达到目标值时停的压力期间满功率运转，
停机后高低压平衡，建立的压力被卸掉，压缩机再机，
次启动又要重新建立压力。这种控制方式增加了能耗。
（）空调机组只在夏天使用，冬季只使用其通风３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。
２ ＤＣ６００Ｖ直流供电变速空调机组节能原理
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
空调机组的主要耗能部件为压缩机、通风机和冷
收稿日期：２０１２１１１２－－
，男，作者简介：李贯颖（高级工程师。１９６２－）
图１ 定速空调机组运行状态图
·２９·
铁道车辆 第５１卷第２期２０１３年２月
直流变速空调机组是针对ＤＣ６００Ｖ客车而设计 的，直接采用机车直流电源进行供电，理论上可节能且该技术已在地铁车辆上得到应用。其技术特３０％，
点是，将只能用ＡＣ３８０Ｖ供电的传统空调机组更换 为ＤＣ６００Ｖ直接供电的变频节能型空调机组。空调 自动按机组通过采用专用变频技术和系统控制技术，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。
目前普速客车Ｄ电Ｃ６００Ｖ电源是由机车供电（ 力机车或“和谐号”机车都是由２套独立的ＤＣ６００Ｖ ，直流电源向客车供电）ＤＣ６００Ｖ直流电源经客车逆 变电源转换为３ＡＣ３８０Ｖ电源供车辆空调等交流设 备使用。逆变电源的容量为２×３质量约为５ｋＶＡ，，逆变电源容量的７７５０ｋ０％为客车定速空调机组供ｇ电，其余用于电茶炉及伴热系统。车辆各用电装置的电能分配及控制由客车综合控制柜完成。
直流变速空调机组可以直接使用ＤＣ６００Ｖ电源 因此可以减小逆变电源容量，车内温度较高时即供电，
自动调高频，平稳快速地使车内降温，温度达到设定温因温度波动小，对供度时采用低频连续运转维持恒温，）
。图２电系统电流冲击小（
图３ 空调机组高频运转时的温－熵图
功耗为１计入变频器功耗，因此高频运转０％～１８％，时变速空调机组的能效比较普通空调机组低１０％～低频运行状态只要保证一定的蒸发、冷凝温差即２０％；
可满足正常的制冷，达到维持恒温的目的。采用制冷剂Ｒ设定蒸发温度差为７℃，则蒸发温度Ｔｅ为４０７Ｃ，′冷凝温差为５℃，冷凝温度Ｔｃ为４对应的２０℃，′０℃，
，冷凝压力Ｐ２蒸发压力Ｐ１′升高为９．１１ｂａｒ′降低为，／压缩机的压比（降低，理论计算其能１５．３８ｂａｒＰ１Ｐ２）
为８．效比ＥＥＲ′６９５。空调机组低频运转时的温－熵图见图４。
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
（室内温度Ｔ室外１）在标准工况下，７℃，ｉｎ为２温度Ｔｏ一般普通空５℃，采用制冷剂Ｒ４０７Ｃ，ｕｔ为３调机组或变速空调机组高频运行，为了满足一定的其设计蒸发温度Ｔｅ为５℃，冷凝温度Ｔｃ制冷能力，
，为４对应的蒸发压力Ｐ１为５．冷凝压力５℃，８４ｂａｒ，蒸发传热温差为２冷凝温差Ｐ２为１７．３４ｂａｒ２℃，
过冷度为５℃，过热度为１理论计算为１０℃，０℃，能效比ＥＥＲ为３．７４７。空调机组高频运转时的温－熵图见图３。
（）
变速空调机组在高频运转时由于其变频器的２
·３０·
图４ 空调机组低频运转时的温－熵图
）在保证实用的传热温差情况下，低频运转时３ （
能效比提高了１３２．１％。由于在低频运转时制冷剂流传热量减小，而换热面积不变，因此低速下的量减小，
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
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
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 李贯颖，
定速压缩机从开机到建立制冷、制热所需的压力大约需要３这期间是以满功率运转，０ｓ０ｓ的时间，～６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。
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
冷凝温度／℃
（）高压／ＭＰａ
测试
条件
蒸发温度／℃（）低压／ＭＰａ吸气温度／℃膨胀阀前温度／℃压缩机转速／
－１）·ｍｒｉｎ （
压缩机冷却能力／Ｗ
压缩机压缩机输入功率／Ｗ 排量８．１８
压缩机能效比压缩机额定电流／Ａ
额定
制热
半能力制热
额定制冷
半能力制冷
此向室内供热的热量等于从室外吸收的热量加上压缩机输入的能量，比纯电加热效率高３倍，可节能７０％。
３ 采用直流变速空调机组的经济性
综合上述各因素，直流变速空调机组相对于传统制暖定速空调机组理论上在制冷季可节能３０％以上，季可节能７整年度可节能４０％，０％以上。我国现有铁路空调客车约３．空调机组近６万台，如果选２８万辆，用新型直流变速空调机组可取得显著的社会经济效益：
）变速空调年节能达６．（１２１亿元；
（）减重节能年节约４．２０３亿元；
（）取消或减少辅助电源购置维修费用节约４．３８亿元；
）通过变频节能与减重节能，（可节约标准煤４
，可减少Ｃ。５１．７万ｔＯ３４万ｔ２排放量１
３７．１２８．３４５．８４０．４
（）（）（）（）２．１５５１．７００２．６７８２．３４３－０．７２．３１２．４１９．２（）（）（）（）０．２８００．７５８１．０６３１．３０９７．３１０．３２９．４０６．１５ １ １ ２３２．１４３．２６１．８２６．４２ ２ ４ ３４０００８００９００２５０ １ ２ １ ２５３１３８８５５７４７９ １ ２ １ ６５８
２２１
５５８
１９３
３．８４９２７６５８１６５７ ６． ４． ７．４．３３ ７４０
３．４８ ２５７
５．０４ ６３８
４．３８２３８
４ 结论
（）整车减重。采用直流变速空调机组替代目前１
有利于列车整车减重，从而使列车运的定速空调机组，行用电整体节能。
（）节约能耗。采用直流变速空调后，全年可实２
现节能４０％以上。
（）功能优化。采用直流变速空调机组后，可直３
接接入Ｄ省却辅助电源逆变功率，减少Ｃ６００Ｖ电源， 或取消辅助电源逆变器，提高了运力和效益；采用热泵取暖，弥补了目前列车空调不能制热的问题，提高了空且可取消电暖器；变频启动，可取消调机组的利用率，顺序启动控制柜。
（）便于实施。直流变速空调机组在铁道车辆整４
体设计中不存在接口障碍，该型空调机组可直接取代现有定速空调机组。
（）效益明显。直流变速空调机组适应客车的空５
调技术向节约型和智能化方向转变的需求，其可观的节能能力将产生较大的经济效益和社会效益。
参考文献：
［］／］１ＢＴ１９８４２—２００５，轨道车辆空调机组［Ｓ． Ｇ
［］［现代控制理论（第二版）北京：机械工业出版社，２Ｍ］． 刘 豹．
２０００．
［］杜金城．交流调速原理及应用［北京：中国电力出版３Ｍ］． 张少军，
社，２００３．
／ｍＬｒｅｖ变频器输入功率／Ｗ
能效比（带变频器）变频器效率／％压缩机转速／
－１）·ｍｒｉｎ （
压缩机冷却能力／Ｗ
压缩机压缩机输入功率／Ｗ 排量９．１５
压缩机能效比压缩机额定电流／Ａ
３．４１９３９９０１０２２３ ５． ４． ６．８８．８
８６．０
８７．５
８１．３
３９００７５０８００３００ １ ２ １ ２５０３３３３４５４５２７ １ ２ １ ６５１
２１４
５３３
１９５
３．８４８２２６６０７８２７ ６． ４． ７．４．４１ ７２８
３．３６ ２４４
５．０５ ６０７
４．４４２３９
／ｍＬｒｅｖ变频器输入功率／Ｗ
能效比（带变频器）变频器效率／％
３．４３７４６３０４０３９２ ５． ４． ６．８９．３
８７．７
８７．７
８１．７
表２ 含变频器与不含变频器情况下压缩机能效比对比
压缩机排量
－１）／（ｍＬ·ｒｅｖ
高频（不含变频器）低频（含变频器）
ＥＥＲＥＥＲ′
／ＥＥＲＥＥＲΔ０．３８７０．３５８
９．１５ ８．１８
（／）６．（／）４．６０７２８００ｒｍｉｎ３９２１３００ｒｍｉｎ （／）６．（／）４．５８１２９００ｒｍｉｎ２２３１２５０ｒｍｉｎ
直流变速空调机组低频运行恒温方式 不难看出，
减小了开关损耗，提高了系统的效率。２．３ 热泵制热技术
在需要制热的情况下可采用空调热泵制热。普速只能产生和耗电客车空调机组都是通过电加热制热，
量相当的制热量。热泵制热采用逆卡诺循环原理，从低温热源吸热（车厢外）向高温热源（车厢内）供热，因
（编辑：李 萍）
·３１·
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，，）ＷＡＮＧＸｉｕｆｅｎｅｔａｌ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｉｎ１０００３６，Ｃｈｉｎａ － ｊｇ
（，，，，：ｆｅｍａｌｅｂｏｒｎｉｎ１９６６ｓｅｎｉｏｒｅｎｉｎｅｅｒＣＳＲＦｅｂＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｆｏｒｍｏｆｃｒａｃｋｉｎａｅａｒｅｄｉｎｔｈｅ ｇｇｐｐ
，，，）７ｔｈＲｏｌｌｉｎＳｔｏｃｋＣｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｉｎ１０００７２ＣｈｉｎａｓｔｒｉｋｅｒｓｏｆＳｈｅｎｈｕａＣｃａｒｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ｏｎｄｏｌａ ｇｊｇｇ８０ｇ
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，ｔｅｓｔｉｎｉｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳＴ２５０ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｓｔｏｃｒａｃｋｉｎａｒｅａｎａｌｚｅｄａｎｄｓｕｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｉｍｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ －ｐｇｙｇｇｐ２－
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下 期 要 目
ＮＸ７０Ａ型共用平车车体制造工艺研究出口巴西电动车组用ＳＹＳ５４０Ｋ型空气弹簧的研制出口巴西ＥＭＵ车辆电气系统ＳＡＰＥＲＰ在轨道交通行业的实施与应用的研究
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