直流变速空调机组在铁路客车上的应用_李贯颖
问题讨论
()文章编号:10027602201302002903---
铁道车辆 第51卷第2期2013年2月
直流变速空调机组在铁路客车上的应用
李贯颖1,李敬茂2,杨晓庆1,侯运彪1
()济南铁路局车辆处,山东济南2山东郎进科技股份有限公司,山东青岛21.50001;2.66071
摘 要:以D从直接供电技术、直流变速技术、热泵供暖技术等方面介绍了直流变速空C600V供电铁路客车为例, 调机组节电、节能原理,为在DC600V客车和动车组上使用直流变速空调机组提供了依据。
关键词:客车;变速空调;节能DC600V直流供电;
+
中图分类号:U270.383 文献标识码:B
电气化铁 目前我国正处在铁路交通高速发展期,
路网已遍布全国各地,采用DC600V直接供电技术 已成为普速客车的主要发展趋势。空调装置是铁路客也是主要能源消耗系统之一,如何减少车的重要部件,
能源消耗、保证运行可靠是铁道车辆专业的重要课题。
凝风机。其中,压缩机的耗能占整个空调机组耗能的绝大部分。目前,DC600V客车变速空调机组采用的 是定速压缩机,其内置电机为三相异步电动机,如果采永磁同步电机)压缩机,在相同的运行条件用PMSM(下,由于永磁同步电机的效率高,其功耗要低于定速压缩机的功耗。通过采用高效的PMS可以提M压缩机,节能7%~1高空调制冷系统的能效比,0%。2.2.1 变频变负荷节电原理
定速空调机组的目的是给车内降温和维持车内恒温。降温需一定的功率储备,维持恒温不需太大的功率。定速空调机组与变速空调机组降温和恒温的方式前者是靠不断地开停压缩机来维持车内的温度,不同,
后者是靠低频、低功率运转来维持车内的温度。
(定速空调机组有2个缺点:为了压缩机的润1)(压缩机每次开机至少要工作4m为了滑,in以上;2)避免频繁开停,程序中设定当高于设定温度1℃时允许开机,低于设定温度1℃时关机,因此温度波动很大()
。图1
1 定速空调机组存在的主要问题
(1)制冷量按额定载荷AW2时所需的最大热负
由于客车空调系统的热负荷并非总荷选取。运营中,
处于最大值,在非高峰期或天气变化、季节变化时,制冷量常常处于输出大于需求的不经济状态。
)定速空调机组通过频繁启停压缩机的方式来(2
调节制冷量的输出,压缩机从启动到建立制冷所需要客室内温度达到目标值时停的压力期间满功率运转,
停机后高低压平衡,建立的压力被卸掉,压缩机再机,
次启动又要重新建立压力。这种控制方式增加了能耗。
()空调机组只在夏天使用,冬季只使用其通风3功能,取暖还需在车内设置电加热器,能耗高,空调机组利用率低。
2 DC600V直流供电变速空调机组节能原理
直流供电变速空调机组通过采用先进的变频技术和热泵供暖技术实现节能。2.1 减重节能
采用直流电直接供电技术后,可用小功率辅助逆变器替代大功率逆变器,为伴热、厨房电器等小功率设备提供电源。
2.2 采用高效PMSM直流变频压缩机节能
空调机组的主要耗能部件为压缩机、通风机和冷
收稿日期:20121112--
,男,作者简介:李贯颖(高级工程师。1962-)
图1 定速空调机组运行状态图
·29·
铁道车辆 第51卷第2期2013年2月
直流变速空调机组是针对DC600V客车而设计 的,直接采用机车直流电源进行供电,理论上可节能且该技术已在地铁车辆上得到应用。其技术特30%,
点是,将只能用AC380V供电的传统空调机组更换 为DC600V直接供电的变频节能型空调机组。空调 自动按机组通过采用专用变频技术和系统控制技术,照设定温度运行制冷或制热,能力输出根据设定的温差自动调节,避免压缩机的反复启停,减少开关损耗,节能环保。因直流供电无需逆变电源,所以可减轻整车质量。
目前普速客车D电C600V电源是由机车供电( 力机车或“和谐号”机车都是由2套独立的DC600V ,直流电源向客车供电)DC600V直流电源经客车逆 变电源转换为3AC380V电源供车辆空调等交流设 备使用。逆变电源的容量为2×3质量约为5kVA,,逆变电源容量的7750k0%为客车定速空调机组供g电,其余用于电茶炉及伴热系统。车辆各用电装置的电能分配及控制由客车综合控制柜完成。
直流变速空调机组可以直接使用DC600V电源 因此可以减小逆变电源容量,车内温度较高时即供电,
自动调高频,平稳快速地使车内降温,温度达到设定温因温度波动小,对供度时采用低频连续运转维持恒温,)
。图2电系统电流冲击小(
图3 空调机组高频运转时的温-熵图
功耗为1计入变频器功耗,因此高频运转0%~18%,时变速空调机组的能效比较普通空调机组低10%~低频运行状态只要保证一定的蒸发、冷凝温差即20%;
可满足正常的制冷,达到维持恒温的目的。采用制冷剂R设定蒸发温度差为7℃,则蒸发温度Te为407C,′冷凝温差为5℃,冷凝温度Tc为4对应的20℃,′0℃,
,冷凝压力P2蒸发压力P1′升高为9.11bar′降低为,/压缩机的压比(降低,理论计算其能15.38barP1P2)
为8.效比EER′695。空调机组低频运转时的温-熵图见图4。
图2 变速空调机组运行状态
2.2.2 低频运行节电
2.2.2.1 理论能效比高
(室内温度T室外1)在标准工况下,7℃,in为2温度To一般普通空5℃,采用制冷剂R407C,ut为3调机组或变速空调机组高频运行,为了满足一定的其设计蒸发温度Te为5℃,冷凝温度Tc制冷能力,
,为4对应的蒸发压力P1为5.冷凝压力5℃,84bar,蒸发传热温差为2冷凝温差P2为17.34bar2℃,
过冷度为5℃,过热度为1理论计算为10℃,0℃,能效比EER为3.747。空调机组高频运转时的温-熵图见图3。
()
变速空调机组在高频运转时由于其变频器的2
·30·
图4 空调机组低频运转时的温-熵图
)在保证实用的传热温差情况下,低频运转时3 (
能效比提高了132.1%。由于在低频运转时制冷剂流传热量减小,而换热面积不变,因此低速下的量减小,
相对换热面积增大,传热温差减小,压比减小。2.2.2.2 压缩机的容积效率提高
由于压缩机余隙的存在,压缩后的高压气体排出后,留在余隙容积的气体在吸气时膨胀,占据了一部分吸入气体的比例。此比例受压比的影响较大,当压比达到一定程度时,容积效率为0,无气体排出。2.2.2.3 开关损耗减少
李敬茂,杨晓庆,侯运彪 直流变速空调机组在铁路客车上的应用 李贯颖,
定速压缩机从开机到建立制冷、制热所需的压力大约需要3这期间是以满功率运转,0s0s的时间,~6当达到客室的温度时停机,然后高低压平衡而卸掉压力,每次开关机造成的这一压力损耗定义为开关损耗。
变频压缩机能效比试验结果见表1。含变频器与不含变频器情况下压缩机能效比对比见表2。
表1 变频压缩机能效比对比
测试项
冷凝温度/℃
()高压/MPa
测试
条件
蒸发温度/℃()低压/MPa吸气温度/℃膨胀阀前温度/℃压缩机转速/
-1)·mrin (
压缩机冷却能力/W
压缩机压缩机输入功率/W 排量8.18
压缩机能效比压缩机额定电流/A
额定
制热
半能力制热
额定制冷
半能力制冷
此向室内供热的热量等于从室外吸收的热量加上压缩机输入的能量,比纯电加热效率高3倍,可节能70%。
3 采用直流变速空调机组的经济性
综合上述各因素,直流变速空调机组相对于传统制暖定速空调机组理论上在制冷季可节能30%以上,季可节能7整年度可节能40%,0%以上。我国现有铁路空调客车约3.空调机组近6万台,如果选28万辆,用新型直流变速空调机组可取得显著的社会经济效益:
)变速空调年节能达6.(121亿元;
()减重节能年节约4.203亿元;
()取消或减少辅助电源购置维修费用节约4.38亿元;
)通过变频节能与减重节能,(可节约标准煤4
,可减少C。51.7万tO34万t2排放量1
37.128.345.840.4
()()()()2.1551.7002.6782.343-0.72.312.419.2()()()()0.2800.7581.0631.3097.310.329.406.15 1 1 232.143.261.826.42 2 4 34000800900250 1 2 1 2531388557479 1 2 1 658
221
558
193
3.849276581657 6. 4. 7.4.33 740
3.48 257
5.04 638
4.38238
4 结论
()整车减重。采用直流变速空调机组替代目前1
有利于列车整车减重,从而使列车运的定速空调机组,行用电整体节能。
()节约能耗。采用直流变速空调后,全年可实2
现节能40%以上。
()功能优化。采用直流变速空调机组后,可直3
接接入D省却辅助电源逆变功率,减少C600V电源, 或取消辅助电源逆变器,提高了运力和效益;采用热泵取暖,弥补了目前列车空调不能制热的问题,提高了空且可取消电暖器;变频启动,可取消调机组的利用率,顺序启动控制柜。
()便于实施。直流变速空调机组在铁道车辆整4
体设计中不存在接口障碍,该型空调机组可直接取代现有定速空调机组。
()效益明显。直流变速空调机组适应客车的空5
调技术向节约型和智能化方向转变的需求,其可观的节能能力将产生较大的经济效益和社会效益。
参考文献:
[]/]1BT19842—2005,轨道车辆空调机组[S. G
[][现代控制理论(第二版)北京:机械工业出版社,2M]. 刘 豹.
2000.
[]杜金城.交流调速原理及应用[北京:中国电力出版3M]. 张少军,
社,2003.
/mLrev变频器输入功率/W
能效比(带变频器)变频器效率/%压缩机转速/
-1)·mrin (
压缩机冷却能力/W
压缩机压缩机输入功率/W 排量9.15
压缩机能效比压缩机额定电流/A
3.419399010223 5. 4. 6.88.8
86.0
87.5
81.3
3900750800300 1 2 1 2503333454527 1 2 1 651
214
533
195
3.848226607827 6. 4. 7.4.41 728
3.36 244
5.05 607
4.44239
/mLrev变频器输入功率/W
能效比(带变频器)变频器效率/%
3.437463040392 5. 4. 6.89.3
87.7
87.7
81.7
表2 含变频器与不含变频器情况下压缩机能效比对比
压缩机排量
-1)/(mL·rev
高频(不含变频器)低频(含变频器)
EEREER′
/EEREERΔ0.3870.358
9.15 8.18
(/)6.(/)4.6072800rmin3921300rmin (/)6.(/)4.5812900rmin2231250rmin
直流变速空调机组低频运行恒温方式 不难看出,
减小了开关损耗,提高了系统的效率。2.3 热泵制热技术
在需要制热的情况下可采用空调热泵制热。普速只能产生和耗电客车空调机组都是通过电加热制热,
量相当的制热量。热泵制热采用逆卡诺循环原理,从低温热源吸热(车厢外)向高温热源(车厢内)供热,因
(编辑:李 萍)
·31·
:AbstractDescribedarethemaincontentsofthe
imrovementdesinoftheKM7oalhoercartoa -pgpp0c
,dattotheoerationofcardumersthestaticstress ppp
testresultfortherototeaswellasthetestin gpyp
withdumers.matched p
:;;m;Kewordscoalhoercardumeratchin pppgy
imrovementpDevelomentofthe2xledRoadail -A -Rp
SecializedTransortCarExortedtoBrazil ppp
anLIZhi -gg
(,,,malebornin1980enineerDalianDevelo -gp
,mentCenterofQiiharRailTrafficEuimentCo. qqp
,)Ltd.Dalian116002,China
:,sAbstractDescribedarethemainusaetruc -g
,,arametersturetechnicalcalculationandtestinof pg 2axledroadrailsecializedtransortcarexorthe - - -ppptedtoBrazil.
:;;Kewordsroadrailcarstructuretechnicala- -py
;rametertestDevelomentofFlatCarsforHonkonMetro pgg
,uneLIXiaotal. - j
(,,,Pmalebornin1980enineerroductRe -g
,searchInstituteofCSRYantzeRollinStockCo. gg
,Wu)Ltd.han430212,China
:,AbstractDescribedarethetechnicalarameters p
,structurefeaturescalculationandtestinofflatcars g
forHonkonMetro. gg
:;;Kewordsflatcartechnicalstrucarameter -py
;turetestAlicationoftheDCVariableSeed -pppAirConditionerSetsonRailwaPassenerCars- yg
,LIGuanetal.in -y g
(,,,Rmalebornin1962seniorenineerollin gg
’,’StockSectionofJinanRailwaBureauJinan y
,)hina250001C
:,AbstractInthisaertherailwaassenercar ppypg
withDC600Vpowersulistakenastheexam -ppy ,heelectricitsavinandenersavinletrinci -yggygpp lesoftheDCvariableseedairconditionersetsare - - pp
fromsuchasectsastheDCowersuldescribed pppyp,technoloDCseedchanintechnoloandhea p gygggy t
,umheatintechnolosothatthebasisisrovid -ppggyp
edforalinDCvariableseedairconditionersets - - ppygp onDC600Vpassenercarsandmultileunits. gp
:;pKewordsDC600Vpowersulassener gppyy
;;carvariableseedairconditioninenersavin- -pggyg
:;;Kewordsbrakeslackadustertestdiscussion jy DiscussionoftheMovableToCover p
RailwaHoerCarson ypp
,LIU Haitaoetal.-
(,,,Pmalebornin1978enineerroductRe -gsearchInstituteofCSRChanianRollinStock gjgg
,,,)Co.Ltd.Wuhan430212China
:rincilesAbstractThetesandworkinofthe ppypg
movabletocoversonrailwahoercarsarede -pypp
ointsscribed.Andthekeindesinandinstallation pyg
thetocoversareexounded.of pp
:;;;Kewordshoercartocoverrincilein -pppppy
stallationDevelomentofthePerformanceTestinEuiment pgqp
theEnerSavinRailwaAirConditionerSetsfor -- gygy
TAN Yuein-mg
(,,malebornin1960,seniorenineerEnineer -gginEuimentDeartmentofQindaoSifanRollin gqppggg
,,Stockesearchnstituteo.Ltd.Qindao R I Cg
,)hina266031C
:,rincilesAbstractDescribedarethetechnical pp
arametercalculationofenersavinintheer - -pgygp formancetestineuimentforenersavinrailwa -gqpgygy airconditionersetsaswellastheracticalalication- ppp
researchedisthedirectheatexchaneeffects.Mainl gy
thecoldairandhotairintestinindoorsandoutof -g doorsaswellasthecontroloftheheatandhumidit y
volume.exchaneg
:;Kewordsairconditionersetenersavinteste- - -gygy ;;enersavindevelomentuimentrincile-gygpqppp DiscussionofDisositionofBrakin pg
andOinionsforImrovementTroubles pp
,MAZhitaoetal. -
(,,,Cmalebornin1975assistantenineerar g
OfficeoftheSafetSuervisionDeartAccetance -yppp ’,mentofJinanRailwaBureauinRizhaoRizhao y ,)276826China
:AbstractThestatisticsaremadefortroublesin
brakinofrailwafreihtcars.Thecausestothem gyg
analzed.Therelevanttroubledisositionmethare -ypodforthetroublesandsuestionsareiven. g gg
:;;Kewordsrailwafreihtcarbrakintrou-ygy g
;blereform;method
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮
AnalsisofCrackinintheStrikersof yg
ShenhuaCondolaCars 80Gg
GAOYushan -
(,,,AnalsisandDiscussionofthePerformanceTestininmalebornin1953enineerRailwaFreiht gygyg
,ofST250BrakeSlackAdustersTransortBranchofChinaShenhuaEnerCo.InsectionCar pgy2-jp
,,)WANGXiufenetal.Ltd.Beiin100036,China - jg
(,,,,:femalebornin1966seniorenineerCSRFebAbstractTheformofcrackinaearedinthe ggpp
,,,)7thRollinStockCo.Ltd.Beiin100072ChinastrikersofShenhuaCcarsisdescribed.ondola gjgg80g
:,AbstractInviewoftheaearedintheThrouhinvestiationandresearchinfieldthecauroblems -ppggp
,testininsectionoftheST250automaticsestocrackinareanalzedandsuestionsforimerformance -pgyggp2-
,,brakeslackadustersthecausesareanalzedmeasuresarerovementiven. j y pg,:;;;forsolutionaresetuandtheverificationismade.Kewordsondolacarstrikercracktractionvehicle p gy
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮
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