機車空調系統的節能改造和智能化控制設計

楊國志 呂崇偉 吳劍偉 金素霜

摘要：為了解決當前機車空調舒適性差、運維成本較高、可靠性不高等問題，現從節能改造和智能化控制設計兩個角度出發，設計一款功能完善、實用性強的機車空調系統。首先，根據系統需求分析情況，完成系統總體設計和系統功能設計。其次，從智能空調控制器、變頻空調機組、一體化智慧空調工作模式這3個方面入手，完成對系統核心功能的實現，并將該系統應用于具體實踐中。結果表明：系統運行正常、可靠、穩定，各個功能模塊實現滿足設計相關要求，符合實際應用需求，

關鍵詞：機車空調系統節能改造智能化控制設計

中圖分類號：U260.1 ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Energy Saving Transformation and Intelligent Control Design of Locomotive Air Conditioning System

YANG Guozhi1 LV Chongwei1 WU Jianwei2 JIN Sushuang2

（1.Cangzhou Locomotive and Rolling Stock Maintenance Branch of Guoneng Railway Equipment Co.，Ltd， Cangzhou，Hebei Province， 061113 China;2.Shenzhen Tongye Technology Co.，Ltd， Shenzhen， Guangdong Province，518110 China）

Abstract： In order to solve the problems of poor comfort， high operation and maintenance cost and low reliability of locomotive air conditioning， a locomotive air conditioning system with perfect function and strong practicability is designed from the perspectives of energy-saving transformation and intelligent control design. Firstly， according to the system requirements analysis， the overall design and function design of the system are completed. Secondly， the core functions of the system are realized from three aspects： intelligent air conditioning controller， variable frequency air conditioning unit and integrated intelligent air conditioning working mode， and the system is applied to specific practice. The results show that the locomotive air conditioning system operates normally， reliably and stably， and the realization of each functional module meets the relevant design requirements.

Key Words： Locomotive air conditioning system; Energy saving transformation; Intelligent control; Design

最近幾年，在我國科技水平的不斷提高下，節能技術和人工智能技術應運而生，這些技術憑借著自身安全可靠、操作簡單、智能先進等特征，被廣泛地應用于機車空調系統設計中，不僅可以大幅度降低機車空調運行成本，提高了系統能效比，還能借助大數據分析技術，提高系統智能運維水平，保證系統運行的可靠性和穩定性。因此，如何對機車空調系統進行節能改造和智能化控制設計是技術人員必須思考和解決的問題。

1系統需求分析

要想滿足用戶的個性化使用需求，該文所設計的機車空調系統必須要滿足以下3個指標：（1）舒適度。室內座椅處溫度與設定溫度波動范圍不超過±2℃;（2）可靠性。設計壽命30年，定期維護及更換易損件;MTBF>200 000 h;（3）節能環保。與原定頻空調比，節能率不低于15%;車輛靜止時，室內噪音≤60 dB。

2系統總體設計

該系統主要由以下兩個子系統組成：（1）監控系統。該子系統可以實時監測機組各部件的運行狀態和數據，存儲歷史數據;還包括能耗統計、故障診斷、生成日志報表等任務管理;（2）智能控制子系統。該子系統主要用于對溫度精準調節，人性化設計;同時處理分析數據評估系統各部件運行趨勢，給維護提供建議。

3系統功能設計

該項目將以機車空調作為研究對象，基于空調提高舒適性、提高節能效果、提高可靠性、降低運維成本、實現健康管理及實現智能運維為研究目的，展開以下研究。

3.1智能空調控制器

智能空調控制器是控制空調機組的一種裝置。是智慧空調系統的核心部分，其功能主要包括壓縮機轉速控制、司機室溫濕度調節控制、空調系統故障診斷、空調系統智能運維等。

3.2變頻空調機組

變頻空調機組是實現司機室溫度可高精度靈活調節一種裝置。是智慧空調系統的重要部分，主要由變頻電源、變頻壓縮機、室內外EC風機、干燥器、毛細管、蒸發器、冷凝器、四通閥以及管路等組成。

3.2.1變頻電源

目前空調使用的是定頻壓縮機，存在啟動電流大，轉速不可調等問題;研究采用變頻電源驅動變頻壓縮機的方案。變頻電源是將工頻電源轉換成任意頻率、任意電壓交流電源的一種電氣設備，變頻電源的使用主要是調整電機的功率、實現電機的變速運行。變頻電源的組成主要包括控制電路和主電路兩個部分，其中主電路還包括整流器和逆變器等部件。變頻電源采用SVPWM技術驅動電機，具有軟啟動功能，電機啟動電流小、噪音小等特點。

3.2.2變頻壓縮機

變頻壓縮機，是指相對轉速恒定的壓縮機而言，通過一種控制方式或手段使其轉速在一定范圍內連續調節，能連續改變輸出能量的壓縮機。變頻壓縮機的設計原理是利用無級調速變頻電源進行工作，對壓縮機電機進行調速，以滿足制冷、制熱需求。壓縮機可以是渦旋、回轉或往復式、半密封、開放式壓縮機，包括螺桿、離心和軸流式壓縮機。這種壓縮機利用特制驅動器控制壓縮機電機轉速（單位為r/s，RPS）。變頻壓縮機可以在不同速度下工作：變頻壓縮機采用特殊設計，可以在不同電機速度下運行，產生調制的制冷劑調制質量流量和制冷、制熱輸出。

3.2.3 EC風機

目前機車空調機組采用的室內和室外機均為三相異步電機，存在啟動電流大、風機轉速不可調、噪音大、體積大、重量重等問題。新型一體化智慧空調系統采用EC風機，具有高效節能，無級調速、風速可控、維護方便等特點，易實現智能化。

EC風機指采用數字化無刷直流外轉子電機的離心式風機。風機內置小型驅動器，包括控制電路和主電路，實現功率變換及電機驅動控制，還包括對外通信功能。

4系統功能實現

針對現有機車司機室，設計開發新型一體化智慧空調系統;該系統包含智能空調控制器和變頻空調機組兩大部分。空調機組則由變頻電源、室內外EC風機、變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器等部件組成。系統方案框圖如圖1所示。

4.1智能空調控制器

新型一體化智慧空調系統集成智能空調控制器，是系統的核心部分。智能空調控制器通過通信控制變頻壓縮機和室內外風機的啟停及運轉轉速，獲取變頻空調機組相關數據：如溫度、轉速、電流等信息;同時結合空調系統各部件歷史運行數據，通過智能空調控制器PID預測式控制算法，內部健康管理算法，為空調系統運維提供維護建議。采用LCD顯示屏作為人機接口，界面較為，方便操作，簡便直觀。

4.2變頻空調機組

新型一體化智慧空調系統集成變頻空調機組，機組采用變頻壓縮機無級調速，高效節能，低噪音;與智能空調控制器進行網絡通信，完成調速控制和信息互通。

變頻空調機組采用變頻壓縮機，驅動變頻壓縮機的變頻電源集成在機組內;簡化原空調機組與空調電源的接線，優化走線工藝。變頻電源的啟停和頻率輸出則由智能空調控制器通過通信進行控制。

4.2.1變頻電源

新型一體化智慧空調系統集成變頻電源，由變頻電源驅動變頻壓縮機，實現壓縮機的軟啟動，降低啟動電流，減輕電流對壓縮機的沖擊，避免因電流過大對機械造成較大的沖擊，提高壓縮機的使用壽命[1]。變頻電源的工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉變為直流電，直流中間電路將直流電進行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉換為所需頻率和電壓的交流電，變頻電源還會在電路內加入MCU等部件，來進行必要的轉矩運算。同時變頻電源與智能空調控制器進行通信，傳輸壓縮機相關數據和狀態。變頻電源集成在變頻空調機組內，取消原機車空調電源。

4.2.2 EC風機

新型一體化智慧空調系統機組集成EC風機，用EC風機代替原定頻空調機組內的室內外風機。EC風機可實現無級調速，高效節能，低噪音;并與智能空調控制器進行網絡通信，完成調速控制和信息互通。

EC風機內部集成小型驅動器，驅動器與電機集成在一塊[2]，實現機電一體化。驅動器將輸入交流電經過整流LC濾波后，由三相逆變橋逆變成高頻PWM方波驅動永磁同步電機轉動，從而帶動葉輪的轉動。驅動器采用無霍爾傳感器FOC控制，高精度高可靠性;另外控制器可通過網絡通信實現調速和信息交互，如轉速、溫度、電流、電壓等。

4.2.2四通閥

新型一體化智慧空調用熱泵制熱代替目前機車空調電熱器加熱制熱，是通過切換安裝在空調制冷劑管道回路中四通閥的方向來實現的。其原理是：更改管道制冷劑的流動方向，達到將蒸發器和冷凝器的功能調換，使空調即可以制冷又可以制熱.，通過它空調可以從制冷變成制熱[3]，從制熱變成制冷。

4.3一體化智慧空調工作模式

一體化智慧空調具有制冷、制熱、通風、加濕等功能，可依據需求選擇和設定運行模式。人機界面是一控制面板，其包括LCD顯示屏和旋鈕。顯示屏可設定模式、顯示狀態、顯示溫度濕度、故障信息等;旋鈕可切換模式[4]。一體化智慧空調主要包含以下4種模式：（1）自動模式。自動模式主要包含暖和、常規、涼快這3種可選模式。可通過人機界面預設置司機各自喜好的自動溫度模式。智能空調控制器根據外界環境氣候條件來決定機組的工作方式，自動調節機組的制冷、制熱量及濕度;（2）手動模式。在手動模式下，智能空調控制器根據人機界面設定的溫度來決定機組的工作方式，自動調節機組的制冷、制熱量，保證室內的溫度與設定值相差范圍不超過±1 ℃。濕度則默認為自動模式;（3）調試模式。通過人機界面可設定調試模式[5]，主要用于機車一體化智能空調系統出車前或檢修時例行檢驗，通過人機界面可觀測各數據數值，通過智能空調控制器可下載例行日志報告;（4）停止模式。通過人機界面設定空調機組停機模式。

5系統應用效果

通過將機車空調系統應用于具體生產車間中，發現該系統具有較高的經濟效益和社會效益。在經濟效益提升方面，可以提高空調檢修效率，降低運維成本，提高機組效率;在社會效益提升方面，機車空調系統的研究和開發，能為廣大機車司機提供高舒適性良好的駕駛環境;降低了機車空調故障率，能減輕檢修機車空調的負擔，簡化維修保養工作，提高檢修作業效率;實時監控機車空調運行狀態，及時做出狀態調整[6]，并根據積累的數據，預測空調當前某些狀態發生的趨勢，提供空調維護的最佳時間，實現機車空調智能運維，降低機車空調運維成本;可加快機車空調的改革速度，對促進機車空調的發展具有十分重大的意義。

6結語

綜上所述，在節能技術和人工智能技術的應用背景下，機車空調系統在設計和應用方面取得了重大突破和創新，該系統具有溫度與風量調節、加濕系統運行噪聲低等特征，方便司乘人員進行操作，同時，還實現了電源、空調一體化系統的打造，司乘人員控制面板與機組取消硬線連接，有效降低維護難度和維護成本，為提高空調節能降耗效果，實現空調的智能化控制提供有力的保障。

參考文獻

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