固態(tài)繼電器在旅客列車環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)目前旅客列車進(jìn)一步提升服務(wù)檔次的需求，在多年研究和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的裝車經(jīng)驗(yàn)，嘗試在車載環(huán)境控制系統(tǒng)中大量使用固態(tài)繼電器，進(jìn)一步提升空調(diào)控制系統(tǒng)控制精度，降低噪音，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線，以實(shí)現(xiàn)車載環(huán)境控制系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和性能提升。

關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；旅客列車；環(huán)境控制系統(tǒng)；應(yīng)用

1 現(xiàn)有客車環(huán)境控制系統(tǒng)的不足

現(xiàn)有系統(tǒng)的電加熱控制部分，控制部件使用各種不同型號(hào)的交直流接觸器。由于接觸器有使用壽命，不能進(jìn)行頻繁的開關(guān)，無法滿足對(duì)車廂不同區(qū)域進(jìn)行精確控制的要求。為實(shí)現(xiàn)分區(qū)精確控制，往往對(duì)某個(gè)控制區(qū)域設(shè)置2組電加熱器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)加熱的全熱和半熱控制，從一定程度上解決了分區(qū)精確控制的要求，但這又導(dǎo)致控制接觸器和相關(guān)控制線路的大量增加，整個(gè)系統(tǒng)也因此變得更加復(fù)雜，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的難度。

現(xiàn)有車載環(huán)境控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 采用固態(tài)繼電器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)性能

固態(tài)繼電器（SSR）是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能。固態(tài)繼電器與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械，不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有與電磁繼電器本質(zhì)上相同的功能。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制，工作可靠，無觸點(diǎn)、無火花、壽命長(zhǎng)、無噪聲，無電磁干擾，開關(guān)速度快，以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載的目的，非常適合用于車載電加熱器等阻性負(fù)載的控制。因此，考慮在現(xiàn)有列車環(huán)境控制系統(tǒng)中，對(duì)包括客室電加熱器和空調(diào)機(jī)組預(yù)熱器的所有阻性負(fù)載，改用固態(tài)繼電器控制，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)性能的目的。

針對(duì)現(xiàn)有環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分區(qū)精確控制的要求，可以為每個(gè)獨(dú)立的控制分區(qū)配備一只固態(tài)繼電器，用于控制該控制分區(qū)的一組電加熱器，同時(shí)為空調(diào)機(jī)組預(yù)熱器配備一只固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)分區(qū)溫度和機(jī)組送風(fēng)溫度的精確控制。

優(yōu)化后的車載環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

優(yōu)化后的車載環(huán)境控制系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：（1）固態(tài)繼電器是電子控制器件，控制過程中沒有機(jī)械動(dòng)作，減少了車廂內(nèi)的噪音。（2）固態(tài)繼電器是電子控制器件，在啟停次數(shù)和頻率上幾乎沒有限制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)各控制區(qū)域的精確控制。（3）原系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)精確控制，在每個(gè)控制分區(qū)設(shè)置了2組電加熱器，并配備2只接觸器進(jìn)行控制。優(yōu)化后每個(gè)控制分區(qū)只設(shè)置1組電加熱器和1只固態(tài)繼電器，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)部件的數(shù)量和系統(tǒng)布線。

3 固態(tài)繼電器分區(qū)精確控制原理

固態(tài)繼電器由于其開關(guān)次數(shù)和頻率不受限制，因此可以參考PWM控制原理，通過頻繁開關(guān)，并控制其占空比來實(shí)現(xiàn)類似于“無級(jí)”平滑控制的效果。可以人為設(shè)定一個(gè)固態(tài)繼電器的控制時(shí)間周期。在該控制周期內(nèi)，根據(jù)固態(tài)繼電器的控制功率百分比，控制固態(tài)繼電器開啟和關(guān)閉的時(shí)間。在控制周期足夠短的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)“無級(jí)”平滑控制的效果。由于電加熱器和機(jī)組預(yù)熱器等阻性負(fù)載的特性，其反應(yīng)速度比較慢，并有一定的滯后效應(yīng)，因此固態(tài)繼電器的控制周期不必設(shè)置的過短，一般周期范圍在10秒～100秒比較合適。比如控制周期為100秒。如果某個(gè)固態(tài)繼電器的控制功率需求百分比為40%，則該固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)首先開啟40秒，然后關(guān)閉60秒，循環(huán)往復(fù)。從長(zhǎng)時(shí)間宏觀角度看，該固態(tài)繼電器就實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的40%功率的平穩(wěn)輸出。在控制邏輯和算法上，基于固態(tài)繼電器的控制系統(tǒng)也不同于傳統(tǒng)的基于接觸器的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)中由于接觸器非開即關(guān)的二元離散特性，需要采用相對(duì)比較復(fù)雜PID控制算法來對(duì)接觸器進(jìn)行控制。即便如此，實(shí)際的溫度控制曲線仍然呈現(xiàn)一種圍繞設(shè)定溫度小幅波動(dòng)的波浪狀曲線，控制效果并不理想。基于固態(tài)繼電器的控制系統(tǒng)，由于固態(tài)繼電器所固有的無級(jí)調(diào)整特性，可以采用非常簡(jiǎn)單的邏輯算法進(jìn)行控制。設(shè)定Tset為分區(qū)設(shè)定溫度，Tavg為之前一段時(shí)間分區(qū)溫度的平均值，P為電加熱功率，Th為一個(gè)與外溫相關(guān)的可調(diào)參數(shù)。采用如下控制策略：

當(dāng)Tavg>Tset+Th時(shí)，P=0%。

當(dāng)Tavg在Tset-1+Th和Tset+Th之間時(shí)，P=Tset-Tavg。

Tavg

引入可調(diào)參數(shù)Th，是為了平衡車體本身對(duì)外部環(huán)境的散熱，使得實(shí)際的控制曲線能夠更接近設(shè)定溫度Tset。參數(shù)Th應(yīng)該與外溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與車體保溫性能有關(guān)，該參數(shù)應(yīng)該在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中根據(jù)控制效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

實(shí)踐證明，采用上述控制算法，對(duì)單一分區(qū)的溫度控制曲線非常理想，能夠達(dá)到非常接近于設(shè)定溫度Tset的近似直線的控制效果。

4 全車固態(tài)繼電器控制的負(fù)載均衡

上述固態(tài)繼電器的控制原理帶來一個(gè)問題。假設(shè)我們有5個(gè)控制分區(qū)，根據(jù)車廂環(huán)境狀況，這5個(gè)控制分區(qū)的控制功率需求如表1所示：

為簡(jiǎn)單起見，我們先假設(shè)每個(gè)控制分區(qū)的負(fù)載功率是一樣的，均為1。如果這5個(gè)分區(qū)按照上述控制原理同步運(yùn)行，如圖3所示：

我們可以看到在整個(gè)控制周期內(nèi)，5個(gè)控制分區(qū)對(duì)于列車供電系統(tǒng)的總負(fù)載是非常不均衡的，如圖4所示：

功率最大時(shí)達(dá)到5，最小時(shí)為0，高峰和低谷的差值為5，波動(dòng)很大。這樣的結(jié)果會(huì)給列車供電系統(tǒng)帶來問題。尤其是對(duì)于部分采用柴油發(fā)電機(jī)組供電的特種車輛，頻繁大幅波動(dòng)的負(fù)載會(huì)給柴油發(fā)電機(jī)組帶來很大的挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組效率大幅下降，并減少發(fā)電機(jī)組的使用壽命。為此，需要設(shè)計(jì)一種控制策略，對(duì)車廂內(nèi)所有由固態(tài)繼電器控制負(fù)載進(jìn)行平衡處理，盡量減少總負(fù)載的頻繁波動(dòng)。設(shè)想讓不同的控制分區(qū)不要同時(shí)啟動(dòng)，而是讓它們的啟動(dòng)時(shí)間首尾相接，順序進(jìn)行，這樣應(yīng)該能夠達(dá)到初步的負(fù)載平衡效果。針對(duì)上述例子，可以設(shè)計(jì)出新的控制分區(qū)啟停方案，如圖5所示：

分區(qū)1在0s時(shí)啟動(dòng)，在50s時(shí)停止；分區(qū)2在50s時(shí)啟動(dòng)，在130s時(shí)停止；分區(qū)3在30s時(shí)啟動(dòng)，在90s時(shí)停止；分區(qū)4在90s時(shí)啟動(dòng)，在110s時(shí)停止；分區(qū)5在10s時(shí)啟動(dòng)，在40s時(shí)停止。

采用該方案，5個(gè)控制分區(qū)對(duì)于列車供電系統(tǒng)的總負(fù)載如圖6所示：

在這個(gè)方案中，功率最大時(shí)為3，最小時(shí)為2，高峰和低谷的差值只有1，可以說基本上解決了上述負(fù)載不均衡的問題，對(duì)列車供電系統(tǒng)沖擊很小。

上面的分析基于一個(gè)簡(jiǎn)化了的情況，即各個(gè)分區(qū)的負(fù)載功率是一樣的。很顯然，這在實(shí)際應(yīng)用中是不可能的，根據(jù)不同的應(yīng)用情況，各個(gè)分區(qū)的負(fù)載功率會(huì)相差很大，因此需要進(jìn)一步考慮各個(gè)分區(qū)負(fù)載功率不同的情況。

仍然采用上述分析中的例子，不同之處在于我們?yōu)槊總€(gè)分區(qū)賦予不同的負(fù)載功率值，如表2所示：

很顯然，這時(shí)繼續(xù)采用前面的方法就不合適了，需要有新的思路和算法。

首先，我們需要根據(jù)各個(gè)分區(qū)的負(fù)載功率從大到小進(jìn)行排序。從負(fù)載功率最大的分區(qū)開始逐步設(shè)置，設(shè)置的原則是，在整個(gè)控制周期中，選擇已有功率最小的區(qū)段分段填充，同時(shí)遵循前述首尾相接的原則，但是不能和自身已填充的部分重疊。

根據(jù)上述思路設(shè)計(jì)的各分區(qū)啟停方案如圖7所示。

觀察發(fā)現(xiàn)，分區(qū)2被分成了不相連的2段，這對(duì)后續(xù)控制不利。可以通過軟件進(jìn)一步對(duì)啟停方案進(jìn)行優(yōu)化，得到如下方案（圖8）。

分區(qū)1在0s時(shí)啟動(dòng)，在50s時(shí)停止；分區(qū)2在20s時(shí)啟動(dòng)，在100s時(shí)停止；分區(qū)3在50s時(shí)啟動(dòng)，在110s時(shí)停止；分區(qū)4在50s時(shí)啟動(dòng)，在70s時(shí)停止；分區(qū)5在70s時(shí)啟動(dòng)，在100s時(shí)停止。

采用該方案，5個(gè)控制分區(qū)對(duì)于列車供電系統(tǒng)的總負(fù)載如圖9所示。

在這個(gè)方案中，功率最大時(shí)為7，最小時(shí)為4，高峰和低谷的差值為3，這已經(jīng)是這種特定情況下的最優(yōu)方案了。

實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中，各個(gè)分區(qū)的控制需求百分比是不斷變化的，因此控制軟件也要根據(jù)情況不斷的實(shí)時(shí)計(jì)算并生成最優(yōu)化的分區(qū)啟停方案，并控制固態(tài)繼電器的動(dòng)作。

5 固態(tài)繼電器控制的散熱處理

固態(tài)繼電器采用MOS開關(guān)管技術(shù)控制負(fù)載的啟停，其自身不可避免的要產(chǎn)生熱量，這是與傳統(tǒng)接觸器不同的地方。由于多個(gè)固態(tài)繼電器一般會(huì)集中布放在一個(gè)電氣控制柜中，因此固態(tài)繼電器的散熱就成為一個(gè)必須解決的問題。

方法很簡(jiǎn)單，在電氣控制柜的柜門上根據(jù)需要安裝若干散熱風(fēng)扇，并將散熱風(fēng)扇的控制端接到系統(tǒng)控制器上，由系統(tǒng)控制器根據(jù)所有固態(tài)繼電器的控制需求百分比來控制散熱風(fēng)扇的啟停。也可以在控制柜內(nèi)部加裝溫度傳感器，并將溫度傳感器連接到系統(tǒng)控制器，由系統(tǒng)控制器根據(jù)控制柜內(nèi)部溫度來控制散熱風(fēng)扇的啟停。

6 結(jié)束語

目前控制系統(tǒng)廠商根據(jù)上述固態(tài)繼電器控制原理設(shè)計(jì)了新型車載環(huán)境控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于旅客列車中，取得了很好的控制效果。實(shí)踐證明，將固態(tài)繼電器應(yīng)用于車載環(huán)境控制系統(tǒng)是完全可行的，也是車載環(huán)境控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。