DC 1 500 V直進變頻空調(diào)在城市軌道交通車輛上的應用

李寶泉 張顯輝 岳小鶴 曹春偉 唐立國 張淑環(huán)

(1. 中車唐山機車車輛有限公司, 064099， 唐山； 2. 山東朗進科技股份有限公司， 266071, 青島//第一作者，教授級高級工程師)

目前城市軌道交通車輛供電系統(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)過輔助逆變電源(SIV)進行電源轉換輸出三相AC 380 V/50 Hz給空調(diào)供電。而早期變頻空調(diào)沿用傳統(tǒng)技術路線，需經(jīng)過交-直-交電源變換后給變頻壓縮機等部件供電。目前變頻空調(diào)技術應用已經(jīng)成熟，根據(jù)變頻空調(diào)的技術特點，節(jié)省或減小中間電源轉換環(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，降低車輛制造和運營成本。

1 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)與AC 380 V變頻空調(diào)供電方案對比

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)的供電方式是由車輛弓網(wǎng)的DC 1 500 V/DC 750 V經(jīng)過SIV降壓變換后，輸出三相AC 380 V/50 Hz供給空調(diào)機組，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和風機等負載，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)空調(diào)供電原理圖

1.2 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)供電方案[2]

由圖3和圖4可見，DC 1 500 V直進變頻空調(diào)機組直接從弓網(wǎng)取電，將DC 1 500 V降壓成DC 600 V電壓直接供給空調(diào)機組;SIV根據(jù)其他小容量用電設備的要求進行匹配設計，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)在既有車輛上應用的拓撲結構圖

圖3 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)供電原理圖

2 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)設計方案

2.1 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)設計參數(shù)

DC 1 500 V直進變頻空調(diào)機(CK29/BPG-E14)外形尺寸(長×寬×高)為3 800 mm×1 600 mm×300 mm,機組為頂置單元式，設計參數(shù)見表1。

圖4 新型DC 1 500 V直進變頻空調(diào)應用拓撲結構圖

表1 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)機(CK29/BPG-E14)設計參數(shù)

2.2 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)結構

DC 1 500 V直進變頻空調(diào)結構布局如圖5所示。其空調(diào)機組分為蒸發(fā)腔，室外腔和電源腔三部分。送風方式采用底部送風，底部回風。變頻器電控盒安裝在回風口上部，采用混合風進行散熱。

圖5 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)結構布局圖

2.3 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)電控方案

該變頻空調(diào)采用DC 1 500 V直進，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個獨立的變頻器分別控制壓縮機1、壓縮機2、通風機、冷凝風機及電加熱器運行。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，控制相應的負載運行。

2.4 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)系統(tǒng)方案

DC 1 500 V直進變頻空調(diào)系統(tǒng)由兩套獨立的制冷回路組成。其原理圖如圖6所示。壓縮機采用全封閉變頻渦旋壓縮機，根據(jù)需求自動調(diào)節(jié)空調(diào)機組的制冷能力，可實現(xiàn)制冷能力的無級調(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]。通過壓力開關及溫度傳感器，檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，進而達到智能診斷、智能保護的目的。

圖6 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3 DC 1 500 V直進變頻空調(diào)的優(yōu)勢

3.1 采用DC 1 500 V直進變頻空調(diào)可使整車減重

DC 1 500 V直進變頻空調(diào)的緊急通風逆變器集成在機組內(nèi)部，整車取消了外置的逆變器，質量減輕；采用熱泵制熱，取消機組內(nèi)部電加熱器，機組質量進一步減輕。傳統(tǒng)空調(diào)與DC 1 500 V直進變頻空調(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)同時實現(xiàn)隔離;殼體采用鋁合金材質，優(yōu)化機組結構設計，整機質量僅為600 kg。[7]

空調(diào)機組直接由DC 1 500 V供電，無需SIV提供AC 380 V電源，因此SIV設計容量減小，體積和質量減小，利于整車設備布置及車體布線。

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

3.2 空調(diào)整體電源轉換效率提高

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SIV輸入功率的8%～10%。變頻空調(diào)直接利用DC 1 500 V電壓，無需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254.925萬元。

表3 城市軌道交通車輛節(jié)能效益分析[10]

3.3 整車電源購置成本減少

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設計容量減小至傳統(tǒng)空調(diào)方案一半，輔助電源購置成本和維修成本大幅降低。

3.4 布線工藝簡單

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

3.5 空調(diào)控制系統(tǒng)匹配進一步優(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，設備各部件參數(shù)可以更好地進行匹配、調(diào)整與兼容。

2) 直流電源輸出端直接帶變頻器負載，變頻器采用軟起動；空調(diào)風機、壓縮機等部件順序變頻起動，起動沖擊電流小。直流電源裝置在空調(diào)內(nèi)部，因負載沖擊電流小，電源利用效率高，電源容量設計只需匹配此臺空調(diào)功率即可。

4 應用DC 1 500 V直進變頻空調(diào)的經(jīng)濟效益分析

對采用DC 1 500 V直進變頻空調(diào)的車輛空調(diào)系統(tǒng)LCC(全壽命周期成本)進行分析。若按城市軌道交通車輛設計壽命為30年，每年運營約12萬km，空調(diào)運行制冷時間為5個月、運行制熱時間為3個月進行計算，可帶來可觀的經(jīng)濟效益(見表4)。

整車節(jié)能分為整車減重帶來的牽引能耗降低與變頻空調(diào)本身運行能耗降低兩大部分。參考國內(nèi)各大城市軌道交通用電電價定價標準，取平均電價為0.825元/(kW·h)，參考變頻空調(diào)在各線路統(tǒng)計的每公里節(jié)電量數(shù)據(jù)， 在30年運營期間，每列車牽引系統(tǒng)節(jié)能實現(xiàn)經(jīng)濟效益為59.4萬元，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能實現(xiàn)經(jīng)濟效益約為195.5萬元，整車節(jié)能經(jīng)濟效益為254.9萬元。

表4 城市軌道交通車輛LCC效益分析