城市軌道車輛變頻與定頻空調(diào)比較淺析

隋福義

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111

1 原理

定頻空調(diào):列車從受電弓下來1500VDC或者750VDC電源,經(jīng)過輔助逆變器后轉(zhuǎn)化為380V、50HZ 的電源給空調(diào)使用,空調(diào)的主要部件壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、電加熱等都是使用穩(wěn)定不變的電壓與頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

變頻空調(diào):列車從受電弓下來1500VDC或者750VDC電源,經(jīng)過輔助逆變器后轉(zhuǎn)化為380V、50HZ 的電源,再經(jīng)過空調(diào)變頻器提供電壓恒定,頻率可變的電源給空調(diào)使用,空調(diào)的主要部件壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)使用不同頻率的電源來改變輸出。

2 舒適度比較

人體舒適度指數(shù)(Comfort Index of Human Body)是日常生活中較為常用的表征人體舒適度的方法,它主要取決于氣溫、濕度與風(fēng)速3個(gè)指標(biāo)。氣溫是判斷氣候舒適度的主要指標(biāo),濕度和風(fēng)速是輔助指標(biāo)。

2.1 風(fēng)速調(diào)節(jié)能力比較 定頻:風(fēng)機(jī)一直滿功率運(yùn)行,風(fēng)速恒定

變頻:由于需要滿足新風(fēng)量以及循環(huán)風(fēng)量,變頻空調(diào)一般送風(fēng)機(jī)不能變頻,需要一直滿功率運(yùn)行。

結(jié)論:兩者一樣

2.2 濕度調(diào)節(jié)能力比較 相對濕度受干球溫度影響很大,故此項(xiàng)可參考溫度恒定效果比較。

2.3 溫度調(diào)節(jié)能力比較 調(diào)節(jié)方法比較:軌道交通空調(diào)一般采用多壓縮機(jī)或者采用帶有能調(diào)的單壓縮機(jī)空調(diào)機(jī)組。現(xiàn)在地鐵空調(diào)一般每節(jié)車廂都選用雙空調(diào)機(jī)組,而且每臺空調(diào)一般至少采用兩個(gè)壓縮機(jī)。我們以每節(jié)車廂采用4臺壓縮機(jī)為例,來比較變頻與定頻的差別。

適應(yīng)負(fù)荷變化能力比較:定頻空調(diào)系統(tǒng)隨著房間熱負(fù)荷的變化,逐步變化壓縮機(jī)開啟數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的目的。由于一節(jié)車廂內(nèi)有至少有四臺壓縮機(jī),因此至少可以實(shí)現(xiàn)0,25%,50%,75%,100%的能量調(diào)節(jié)(對于有些車輛采用了8個(gè)壓縮機(jī),其實(shí)現(xiàn)的能量調(diào)節(jié)范圍更廣)。

假定設(shè)定溫度相同,溫度控制曲線比較:MLK 定頻空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)采用的PID調(diào)節(jié)方式,P為比例常數(shù),I為積分常數(shù),溫度調(diào)節(jié)屬于線性調(diào)節(jié),所以我們的調(diào)節(jié)函數(shù)在時(shí)間線上呈現(xiàn)為很好的收斂性。結(jié)論:變頻空調(diào)能夠?qū)ν饨绛h(huán)境突然變化能夠作出更快的反應(yīng),車廂內(nèi)溫度波動較小,但隨著工況穩(wěn)定,定頻與變頻控溫能力相差不大。

3 節(jié)能性能的比較

為了分析變頻空調(diào)與定頻空調(diào)的節(jié)能性能,由于軌道交通空調(diào)方面沒有有關(guān)這方面的標(biāo)準(zhǔn),我們先從家用空調(diào)和商用空調(diào)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)入手,來闡明變頻和定頻在節(jié)能方面的差別。

3.1 計(jì)算能效的比較 結(jié)合2018年H 市參數(shù),進(jìn)行定頻與變頻的能效分析對比。

在空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行中,在時(shí)間為參考的前提下,每一天的溫度變化為一個(gè)循環(huán)周期,所以我們?nèi)?月1日的氣溫參數(shù),計(jì)算能效比。當(dāng)日最高干球溫度為28攝氏度,最低干球溫度為21攝氏度。溫度變化曲線近似為下圖。

3.2 變頻空調(diào)季節(jié)能效比(SEER)沒有計(jì)算諧波損耗 變頻器無一例外存在諧波損耗,其計(jì)量入口處的總有功將是基波有功和諧波有功之代數(shù)和。由于諧波有功不能被普通電度表計(jì)量(諧波有功可采用電力分析儀計(jì)量),所以,總有功沒有包含諧波有功。也就是說,在SEER 的測試中,并沒有計(jì)入諧波耗損。《數(shù)碼渦旋與變頻技術(shù)的對比分析》一文中指出,變頻器總損耗為15%-20%,其中,交、直流變換器損耗即諧波損耗約為10%。如果計(jì)入這部分損耗,變頻空調(diào)的SEER 更低。

3.3 空調(diào)耗電量(WXL1現(xiàn)場實(shí)測)

3.3.1 變頻空調(diào)耗電量 變頻空調(diào)機(jī)組2017年06月02日電表記錄數(shù)據(jù):機(jī)組1為16608.2度,機(jī)組2為15057.0度。

變頻空調(diào)機(jī)組2018年08 月20 日電表記錄數(shù)據(jù):機(jī)組1 為25094.0度,機(jī)組2為23498.4度。

3.3.2 耗電量比較 2017年06月02至2018年08月20日期間,定頻空調(diào)耗電量=(24509.6+23192.2)-(15761.6+15222.5)=47701.8-30984.1=16717.7度。

2017年06 月02 至2018 年08 月20 日 期 間,變 頻 空 調(diào) 耗 電 量=(25094.0+23498.4)-(16608.2+15057.0)=48592.4-31665.2=16927.2度。

結(jié)論:變頻空調(diào)的節(jié)能效果并沒有想象中的那么好。

3.4 其他不利于軌道交通車輛變頻空調(diào)節(jié)能的因素

3.4.1 滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長 在高環(huán)境溫度的條件下,變頻空調(diào)需滿負(fù)荷工作,由于變頻器效率以及其他因素,在滿負(fù)荷條件下,變頻空調(diào)的功耗比定頻空調(diào)更大。然而,在軌道交通車輛空調(diào)的工作過程中,出現(xiàn)滿負(fù)荷工作的概率比家用和商用空調(diào)的概率更大,滿負(fù)荷工作時(shí)間較長。

3.4.2 變頻器的效率 由于車輛采用輔助逆變器供電,其電源品質(zhì)較差,諧波含量較高。從而引起變頻器的效率偏低,功率損耗較大。

3.4.3 變頻范圍有限 現(xiàn)在運(yùn)營的軌道車輛變頻空調(diào),其壓縮機(jī)一般采用渦旋壓縮機(jī)。由于渦旋壓縮機(jī)的固有特性,在低頻條件下,動渦旋與定渦旋不能保證很好密封作用,所有其工作頻率一般要大于45Hz。現(xiàn)有的軌道交通車輛變頻空調(diào),一般采用50～100Hz的超頻壓縮機(jī)。因此,在0～50Hz之間沒有調(diào)頻能力。從這點(diǎn)來講,這類變頻空調(diào)與多壓縮機(jī)定頻空調(diào)相比,在節(jié)能方面更沒有太多優(yōu)勢。

4 可靠性比較

軌道交通車輛屬于公共服務(wù)系統(tǒng),因此車輛以及相關(guān)配件的可靠性要求非常高。然而,變頻空調(diào)用于軌道交通車輛,將會降低車輛空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。

變頻器的可靠性:逆變器作為變頻空調(diào)的核心部件,其可靠性對整個(gè)變頻空調(diào)影響很大。但由于變頻器內(nèi)部部件很多,加上軌道交通車輛空調(diào)的使用環(huán)境較家用和商用空調(diào)更惡劣,在列車空調(diào)上使用的變頻器的可靠性并不如人意。現(xiàn)有的列車空調(diào)變頻器故障率較高。

空調(diào)系統(tǒng)的可靠性:現(xiàn)有變頻空調(diào)壓縮機(jī)采用的都是超頻的渦旋壓縮機(jī),這種超頻的小馬拉大車做法,使變頻壓縮機(jī)長時(shí)間處于高頻狀態(tài),不僅空調(diào)能效比低,還會對空調(diào)器及其元器件造成傷害,縮短壓縮機(jī)使用壽命。

5 總結(jié)

通過以上分析,我們可以得出以下結(jié)論:

變頻空調(diào)與定頻單壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)相比,變頻空調(diào)在適應(yīng)負(fù)荷能力,溫控精度,啟動性能等方面有較大的優(yōu)勢。

多壓縮機(jī)定頻空調(diào)在適應(yīng)負(fù)荷能力,溫控精度等方面可以通過調(diào)整壓縮機(jī)的數(shù)量來獲得與變頻空調(diào)相類似的性能。

簡單從SEER 與EER 比較,變頻空調(diào)看似在節(jié)能方面有些優(yōu)勢。但綜合SEER 與EER 的測試條件,變頻器諧波損耗以及軌道交通空調(diào)的一些特殊應(yīng)用條件,變頻空調(diào)在軌道車輛空調(diào)節(jié)能這方面并不能達(dá)到很好的效果。

變頻空調(diào)的可靠性較差,故障率較定頻空調(diào)高。

結(jié)束語

綜上所述,變頻空調(diào)并不適合H 市車輛使用,軌道車輛空調(diào)的主流還是多壓縮機(jī)定頻空調(diào)系統(tǒng)。