機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造和智能化控制設(shè)計(jì)

楊國(guó)志 呂崇偉 吳劍偉 金素霜

摘要：為了解決當(dāng)前機(jī)車空調(diào)舒適性差、運(yùn)維成本較高、可靠性不高等問(wèn)題，現(xiàn)從節(jié)能改造和智能化控制設(shè)計(jì)兩個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)。首先，根據(jù)系統(tǒng)需求分析情況，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。其次，從智能空調(diào)控制器、變頻空調(diào)機(jī)組、一體化智慧空調(diào)工作模式這3個(gè)方面入手，完成對(duì)系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于具體實(shí)踐中。結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠、穩(wěn)定，各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求，符合實(shí)際應(yīng)用需求，

關(guān)鍵詞：機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造智能化控制設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U260.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：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(guó)科技水平的不斷提高下，節(jié)能技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這些技術(shù)憑借著自身安全可靠、操作簡(jiǎn)單、智能先進(jìn)等特征，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅可以大幅度降低機(jī)車空調(diào)運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)能效比，還能借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提高系統(tǒng)智能運(yùn)維水平，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。因此，如何對(duì)機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造和智能化控制設(shè)計(jì)是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1系統(tǒng)需求分析

要想滿足用戶的個(gè)性化使用需求，該文所設(shè)計(jì)的機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)必須要滿足以下3個(gè)指標(biāo)：（1）舒適度。室內(nèi)座椅處溫度與設(shè)定溫度波動(dòng)范圍不超過(guò)±2℃;（2）可靠性。設(shè)計(jì)壽命30年，定期維護(hù)及更換易損件;MTBF>200 000 h;（3）節(jié)能環(huán)保。與原定頻空調(diào)比，節(jié)能率不低于15%;車輛靜止時(shí)，室內(nèi)噪音≤60 dB。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由以下兩個(gè)子系統(tǒng)組成：（1）監(jiān)控系統(tǒng)。該子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組各部件的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù);還包括能耗統(tǒng)計(jì)、故障診斷、生成日志報(bào)表等任務(wù)管理;（2）智能控制子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要用于對(duì)溫度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，人性化設(shè)計(jì);同時(shí)處理分析數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)各部件運(yùn)行趨勢(shì)，給維護(hù)提供建議。

3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目將以機(jī)車空調(diào)作為研究對(duì)象，基于空調(diào)提高舒適性、提高節(jié)能效果、提高可靠性、降低運(yùn)維成本、實(shí)現(xiàn)健康管理及實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維為研究目的，展開以下研究。

3.1智能空調(diào)控制器

智能空調(diào)控制器是控制空調(diào)機(jī)組的一種裝置。是智慧空調(diào)系統(tǒng)的核心部分，其功能主要包括壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制、司機(jī)室溫濕度調(diào)節(jié)控制、空調(diào)系統(tǒng)故障診斷、空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維等。

3.2變頻空調(diào)機(jī)組

變頻空調(diào)機(jī)組是實(shí)現(xiàn)司機(jī)室溫度可高精度靈活調(diào)節(jié)一種裝置。是智慧空調(diào)系統(tǒng)的重要部分，主要由變頻電源、變頻壓縮機(jī)、室內(nèi)外EC風(fēng)機(jī)、干燥器、毛細(xì)管、蒸發(fā)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(diào)使用的是定頻壓縮機(jī)，存在啟動(dòng)電流大，轉(zhuǎn)速不可調(diào)等問(wèn)題;研究采用變頻電源驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)的方案。變頻電源是將工頻電源轉(zhuǎn)換成任意頻率、任意電壓交流電源的一種電氣設(shè)備，變頻電源的使用主要是調(diào)整電機(jī)的功率、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。變頻電源的組成主要包括控制電路和主電路兩個(gè)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(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有軟啟動(dòng)功能，電機(jī)啟動(dòng)電流小、噪音小等特點(diǎn)。

3.2.2變頻壓縮機(jī)

變頻壓縮機(jī)，是指相對(duì)轉(zhuǎn)速恒定的壓縮機(jī)而言，通過(guò)一種控制方式或手段使其轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，能連續(xù)改變輸出能量的壓縮機(jī)。變頻壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)原理是利用無(wú)級(jí)調(diào)速變頻電源進(jìn)行工作，對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以滿足制冷、制熱需求。壓縮機(jī)可以是渦旋、回轉(zhuǎn)或往復(fù)式、半密封、開放式壓縮機(jī)，包括螺桿、離心和軸流式壓縮機(jī)。這種壓縮機(jī)利用特制驅(qū)動(dòng)器控制壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速（單位為r/s，RPS）。變頻壓縮機(jī)可以在不同速度下工作：變頻壓縮機(jī)采用特殊設(shè)計(jì)，可以在不同電機(jī)速度下運(yùn)行，產(chǎn)生調(diào)制的制冷劑調(diào)制質(zhì)量流量和制冷、制熱輸出。

3.2.3 EC風(fēng)機(jī)

目前機(jī)車空調(diào)機(jī)組采用的室內(nèi)和室外機(jī)均為三相異步電機(jī)，存在啟動(dòng)電流大、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)、噪音大、體積大、重量重等問(wèn)題。新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng)采用EC風(fēng)機(jī)，具有高效節(jié)能，無(wú)級(jí)調(diào)速、風(fēng)速可控、維護(hù)方便等特點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)智能化。

EC風(fēng)機(jī)指采用數(shù)字化無(wú)刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)的離心式風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)內(nèi)置小型驅(qū)動(dòng)器，包括控制電路和主電路，實(shí)現(xiàn)功率變換及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，還包括對(duì)外通信功能。

4系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)車司機(jī)室，設(shè)計(jì)開發(fā)新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng);該系統(tǒng)包含智能空調(diào)控制器和變頻空調(diào)機(jī)組兩大部分?？照{(diào)機(jī)組則由變頻電源、室內(nèi)外EC風(fēng)機(jī)、變頻壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等部件組成。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

4.1智能空調(diào)控制器

新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng)集成智能空調(diào)控制器，是系統(tǒng)的核心部分。智能空調(diào)控制器通過(guò)通信控制變頻壓縮機(jī)和室內(nèi)外風(fēng)機(jī)的啟停及運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，獲取變頻空調(diào)機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)：如溫度、轉(zhuǎn)速、電流等信息;同時(shí)結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)各部件歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)智能空調(diào)控制器PID預(yù)測(cè)式控制算法，內(nèi)部健康管理算法，為空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)維提供維護(hù)建議。采用LCD顯示屏作為人機(jī)接口，界面較為，方便操作，簡(jiǎn)便直觀。

4.2變頻空調(diào)機(jī)組

新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng)集成變頻空調(diào)機(jī)組，機(jī)組采用變頻壓縮機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，高效節(jié)能，低噪音;與智能空調(diào)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，完成調(diào)速控制和信息互通。

變頻空調(diào)機(jī)組采用變頻壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)的變頻電源集成在機(jī)組內(nèi);簡(jiǎn)化原空調(diào)機(jī)組與空調(diào)電源的接線，優(yōu)化走線工藝。變頻電源的啟停和頻率輸出則由智能空調(diào)控制器通過(guò)通信進(jìn)行控制。

4.2.1變頻電源

新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng)集成變頻電源，由變頻電源驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，減輕電流對(duì)壓縮機(jī)的沖擊，避免因電流過(guò)大對(duì)機(jī)械造成較大的沖擊，提高壓縮機(jī)的使用壽命[1]。變頻電源的工作原理是通過(guò)控制電路來(lái)控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流中間電路將直流電進(jìn)行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓的交流電，變頻電源還會(huì)在電路內(nèi)加入MCU等部件，來(lái)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)矩運(yùn)算。同時(shí)變頻電源與智能空調(diào)控制器進(jìn)行通信，傳輸壓縮機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)。變頻電源集成在變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)，取消原機(jī)車空調(diào)電源。

4.2.2 EC風(fēng)機(jī)

新型一體化智慧空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組集成EC風(fēng)機(jī)，用EC風(fēng)機(jī)代替原定頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)的室內(nèi)外風(fēng)機(jī)。EC風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，高效節(jié)能，低噪音;并與智能空調(diào)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，完成調(diào)速控制和信息互通。

EC風(fēng)機(jī)內(nèi)部集成小型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)集成在一塊[2]，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。驅(qū)動(dòng)器將輸入交流電經(jīng)過(guò)整流LC濾波后，由三相逆變橋逆變成高頻PWM方波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器采用無(wú)霍爾傳感器FOC控制，高精度高可靠性;另外控制器可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)調(diào)速和信息交互，如轉(zhuǎn)速、溫度、電流、電壓等。

4.2.2四通閥

新型一體化智慧空調(diào)用熱泵制熱代替目前機(jī)車空調(diào)電熱器加熱制熱，是通過(guò)切換安裝在空調(diào)制冷劑管道回路中四通閥的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其原理是：更改管道制冷劑的流動(dòng)方向，達(dá)到將蒸發(fā)器和冷凝器的功能調(diào)換，使空調(diào)即可以制冷又可以制熱.，通過(guò)它空調(diào)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(diào)工作模式

一體化智慧空調(diào)具有制冷、制熱、通風(fēng)、加濕等功能，可依據(jù)需求選擇和設(shè)定運(yùn)行模式。人機(jī)界面是一控制面板，其包括LCD顯示屏和旋鈕。顯示屏可設(shè)定模式、顯示狀態(tài)、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(diào)主要包含以下4種模式：（1）自動(dòng)模式。自動(dòng)模式主要包含暖和、常規(guī)、涼快這3種可選模式?？赏ㄟ^(guò)人機(jī)界面預(yù)設(shè)置司機(jī)各自喜好的自動(dòng)溫度模式。智能空調(diào)控制器根據(jù)外界環(huán)境氣候條件來(lái)決定機(jī)組的工作方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的制冷、制熱量及濕度;（2）手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下，智能空調(diào)控制器根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定的溫度來(lái)決定機(jī)組的工作方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的制冷、制熱量，保證室內(nèi)的溫度與設(shè)定值相差范圍不超過(guò)±1 ℃。濕度則默認(rèn)為自動(dòng)模式;（3）調(diào)試模式。通過(guò)人機(jī)界面可設(shè)定調(diào)試模式[5]，主要用于機(jī)車一體化智能空調(diào)系統(tǒng)出車前或檢修時(shí)例行檢驗(yàn)，通過(guò)人機(jī)界面可觀測(cè)各數(shù)據(jù)數(shù)值，通過(guò)智能空調(diào)控制器可下載例行日志報(bào)告;（4）停止模式。通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定空調(diào)機(jī)組停機(jī)模式。

5系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過(guò)將機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于具體生產(chǎn)車間中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在經(jīng)濟(jì)效益提升方面，可以提高空調(diào)檢修效率，降低運(yùn)維成本，提高機(jī)組效率;在社會(huì)效益提升方面，機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的研究和開發(fā)，能為廣大機(jī)車司機(jī)提供高舒適性良好的駕駛環(huán)境;降低了機(jī)車空調(diào)故障率，能減輕檢修機(jī)車空調(diào)的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化維修保養(yǎng)工作，提高檢修作業(yè)效率;實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)做出狀態(tài)調(diào)整[6]，并根據(jù)積累的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)空調(diào)當(dāng)前某些狀態(tài)發(fā)生的趨勢(shì)，提供空調(diào)維護(hù)的最佳時(shí)間，實(shí)現(xiàn)機(jī)車空調(diào)智能運(yùn)維，降低機(jī)車空調(diào)運(yùn)維成本;可加快機(jī)車空調(diào)的改革速度，對(duì)促進(jìn)機(jī)車空調(diào)的發(fā)展具有十分重大的意義。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在節(jié)能技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用背景下，機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面取得了重大突破和創(chuàng)新，該系統(tǒng)具有溫度與風(fēng)量調(diào)節(jié)、加濕系統(tǒng)運(yùn)行噪聲低等特征，方便司乘人員進(jìn)行操作，同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了電源、空調(diào)一體化系統(tǒng)的打造，司乘人員控制面板與機(jī)組取消硬線連接，有效降低維護(hù)難度和維護(hù)成本，為提高空調(diào)節(jié)能降耗效果，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的智能化控制提供有力的保障。

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