DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)在城市軌道交通車(chē)輛上的應(yīng)用

李寶泉 張顯輝 岳小鶴 曹春偉 唐立國(guó) 張淑環(huán)

(1. 中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司, 064099， 唐山； 2. 山東朗進(jìn)科技股份有限公司， 266071, 青島//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

目前城市軌道交通車(chē)輛供電系統(tǒng)主要有DC 1 500 V和DC 750 V兩種供電方式。傳統(tǒng)定速空調(diào)由DC 1 500 V/DC 750 V經(jīng)過(guò)輔助逆變電源(SIV)進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換輸出三相AC 380 V/50 Hz給空調(diào)供電。而早期變頻空調(diào)沿用傳統(tǒng)技術(shù)路線，需經(jīng)過(guò)交-直-交電源變換后給變頻壓縮機(jī)等部件供電。目前變頻空調(diào)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟，根據(jù)變頻空調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)，節(jié)省或減小中間電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，由DC 1 500 V/DC 750 V直接供電，可以極大提升電源利用效率，降低車(chē)輛制造和運(yùn)營(yíng)成本。

1 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)與AC 380 V變頻空調(diào)供電方案對(duì)比

1.1 AC 380 V變頻空調(diào)供電方案[1]

傳統(tǒng)定速或變頻空調(diào)的供電方式是由車(chē)輛弓網(wǎng)的DC 1 500 V/DC 750 V經(jīng)過(guò)SIV降壓變換后，輸出三相AC 380 V/50 Hz供給空調(diào)機(jī)組，如圖1所示。傳統(tǒng)變頻空調(diào)的電氣原理是將SIV輸出的三相AC 380 V/50 Hz經(jīng)過(guò)整流濾波為DC 540 V供給變頻器，變頻器輸出三相電壓和頻率可調(diào)的交流電供給壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)等負(fù)載，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)空調(diào)供電原理圖

1.2 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)供電方案[2]

由圖3和圖4可見(jiàn)，DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)機(jī)組直接從弓網(wǎng)取電，將DC 1 500 V降壓成DC 600 V電壓直接供給空調(diào)機(jī)組;SIV根據(jù)其他小容量用電設(shè)備的要求進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，因此，SIV可以減小容量或直接取消[3-4]。直流穩(wěn)壓電源與變頻器安裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，由空調(diào)控制器統(tǒng)一控制，與傳統(tǒng)供電方式相比取消了電源變換過(guò)程中直-交-直部分，降壓后直接給變頻器供電。

圖2 變頻空調(diào)在既有車(chē)輛上應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)供電原理圖

2 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)設(shè)計(jì)方案

2.1 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)機(jī)(CK29/BPG-E14)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為3 800 mm×1 600 mm×300 mm,機(jī)組為頂置單元式，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 新型DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)機(jī)(CK29/BPG-E14)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)

DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。其空調(diào)機(jī)組分為蒸發(fā)腔，室外腔和電源腔三部分。送風(fēng)方式采用底部送風(fēng)，底部回風(fēng)。變頻器電控盒安裝在回風(fēng)口上部，采用混合風(fēng)進(jìn)行散熱。

圖5 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)結(jié)構(gòu)布局圖

2.3 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)電控方案

該變頻空調(diào)采用DC 1 500 V直進(jìn)，不需要整流環(huán)節(jié)，減少了能量損失。直流穩(wěn)壓電源將弓網(wǎng)上DC 1 500 V電源經(jīng)變壓器隔離后，變換成穩(wěn)定的DC 600 V供給變頻器使用。5個(gè)獨(dú)立的變頻器分別控制壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2、通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)及電加熱器運(yùn)行。變頻器根據(jù)空調(diào)控制器的指令，輸出頻率和電壓可變的波形，控制相應(yīng)的負(fù)載運(yùn)行。

2.4 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)系統(tǒng)方案

DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)系統(tǒng)由兩套獨(dú)立的制冷回路組成。其原理圖如圖6所示。壓縮機(jī)采用全封閉變頻渦旋壓縮機(jī)，根據(jù)需求自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組的制冷能力，可實(shí)現(xiàn)制冷能力的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),提高客室舒適性[5]。制冷劑采用新型環(huán)保制冷劑R407C。 節(jié)流元件采用電子膨脹閥，可適時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)冷媒流量，保證任何工況下的最佳能效比輸出[6]。通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)及溫度傳感器，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到智能診斷、智能保護(hù)的目的。

圖6 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3 DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)的優(yōu)勢(shì)

3.1 采用DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)可使整車(chē)減重

DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)的緊急通風(fēng)逆變器集成在機(jī)組內(nèi)部，整車(chē)取消了外置的逆變器，質(zhì)量減輕；采用熱泵制熱，取消機(jī)組內(nèi)部電加熱器，機(jī)組質(zhì)量進(jìn)一步減輕。傳統(tǒng)空調(diào)與DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)的減重分析如表2所示。

表2 傳統(tǒng)空調(diào)方案與DC 1 500 V變頻空調(diào)方案減重分析

空調(diào)機(jī)組節(jié)省了電源逆變及整流環(huán)節(jié)，電源在DC/DC降壓環(huán)節(jié)同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離;殼體采用鋁合金材質(zhì)，優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整機(jī)質(zhì)量?jī)H為600 kg。[7]

空調(diào)機(jī)組直接由DC 1 500 V供電，無(wú)需SIV提供AC 380 V電源，因此SIV設(shè)計(jì)容量減小，體積和質(zhì)量減小，利于整車(chē)設(shè)備布置及車(chē)體布線。

由表2可知：傳統(tǒng)空調(diào)方案的合計(jì)質(zhì)量為13 319 kg,DC 1 500 V變頻空調(diào)方案合計(jì)質(zhì)量為9 927 kg,整車(chē)總計(jì)減重近3.4 t，減重1.7%(整車(chē)質(zhì)量約為200 t)，由此，牽引運(yùn)行每公里能耗可降低1.7%～2.0%。由文獻(xiàn)[8]提供的數(shù)據(jù)可知，站間距為1～2 km時(shí)，在限速70 km/h下，牽引運(yùn)行每公里能耗可減少0.20 kW。

3.2 空調(diào)整體電源轉(zhuǎn)換效率提高

變頻空調(diào)不需要SIV提供AC 380 V電源，直接DC 1 500 V供電，給原空調(diào)供電的功率部分不經(jīng)過(guò)逆變(空調(diào)功率占SIV額定功率的55%以上),減少了此部分的功率損耗。此電源變換環(huán)節(jié)功率損耗約占整個(gè)SIV輸入功率的8%～10%。變頻空調(diào)直接利用DC 1 500 V電壓，無(wú)需AC 380 V交流電的整流環(huán)節(jié)，不需要為空調(diào)配置整流電路，因此節(jié)省了變頻空調(diào)內(nèi)部的整流環(huán)節(jié)的功率損失(約占空調(diào)輸入功率的3%)[9]。由表3數(shù)據(jù)可知，空調(diào)整體節(jié)能效益達(dá)254.925萬(wàn)元。

表3 城市軌道交通車(chē)輛節(jié)能效益分析[10]

3.3 整車(chē)電源購(gòu)置成本減少

傳統(tǒng)空調(diào)采用SIV輸出的AC 380 V/50 Hz的電源供電，空調(diào)負(fù)載功率占SIV總輸出功率的60%～80%。采用DC 1 500 V直接供電，SIV設(shè)計(jì)容量減小至傳統(tǒng)空調(diào)方案一半，輔助電源購(gòu)置成本和維修成本大幅降低。

3.4 布線工藝簡(jiǎn)單

DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了中間控制環(huán)節(jié)，優(yōu)化了車(chē)輛整體布線。原SIV輸出經(jīng)空調(diào)控制柜到空調(diào)之間的車(chē)體布線全部取消，提高了車(chē)輛的生產(chǎn)效率。

3.5 空調(diào)控制系統(tǒng)匹配進(jìn)一步優(yōu)化

1) 直流電源與變頻模塊單元由空調(diào)控制器統(tǒng)一控制，設(shè)備各部件參數(shù)可以更好地進(jìn)行匹配、調(diào)整與兼容。

2) 直流電源輸出端直接帶變頻器負(fù)載，變頻器采用軟起動(dòng)；空調(diào)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等部件順序變頻起動(dòng)，起動(dòng)沖擊電流小。直流電源裝置在空調(diào)內(nèi)部，因負(fù)載沖擊電流小，電源利用效率高，電源容量設(shè)計(jì)只需匹配此臺(tái)空調(diào)功率即可。

4 應(yīng)用DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)的經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)采用DC 1 500 V直進(jìn)變頻空調(diào)的車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)LCC(全壽命周期成本)進(jìn)行分析。若按城市軌道交通車(chē)輛設(shè)計(jì)壽命為30年，每年運(yùn)營(yíng)約12萬(wàn)km，空調(diào)運(yùn)行制冷時(shí)間為5個(gè)月、運(yùn)行制熱時(shí)間為3個(gè)月進(jìn)行計(jì)算，可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益(見(jiàn)表4)。

整車(chē)節(jié)能分為整車(chē)減重帶來(lái)的牽引能耗降低與變頻空調(diào)本身運(yùn)行能耗降低兩大部分。參考國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通用電電價(jià)定價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取平均電價(jià)為0.825元/(kW·h)，參考變頻空調(diào)在各線路統(tǒng)計(jì)的每公里節(jié)電量數(shù)據(jù)， 在30年運(yùn)營(yíng)期間，每列車(chē)牽引系統(tǒng)節(jié)能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益為59.4萬(wàn)元，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益約為195.5萬(wàn)元，整車(chē)節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益為254.9萬(wàn)元。

表4 城市軌道交通車(chē)輛LCC效益分析