高铁动车组列车独立空调控制系统设计

高铁动车组列车独立空调控制系统设计

李守盛 ,张斌 ,杨明

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省  青岛市  266111

摘要：高铁出行中，空调系统作为动车的一个重要子系统在车辆中扮演着重要角色。空调的功能根据地域的不同，所发挥的功能也不尽相同。由于南北的气候差异较大，动车组空调是一体的，空调的温度值是设定的固定值，并不会根据动车组所含有的人口数量而进行更改，而且也没有更改温度的操作面板，所以动车组空调无法正常工作到适宜温度，让人感到忽冷忽热。空调一般都是全冷和半冷，通风量也只有一两挡的调节。因此动车的独立空调系统非常重要。本文的设计就是针对以上问题，加以修改、创新所完成的。具体涉及到动车组独立空调，根据需求在一块操作面板上更改空调的适宜温度。

关键词：动车组空调；控制系统；设计

智能高铁是铁路发展的未来，作为列车的重要组成部件，列车空调的智能化过程将面临巨大的机遇和挑战。从乘客的角度来看，乘坐的舒适性与它密切相关；而从运营方的角度来看，列车空调为列车的的关键装备，也是“用电大户”，在满足输送目的的同时，也与运营方的经济效益密切相关。如果从上面的两个关注角度来展望未来智能列车空调的发展，列车空调智能化程度越高，即列车空调的能效、空调的舒适性和空调设备的可用性越高。本文对动车组列车独立空调控制系统设计进行分析。

1.智能列车空调分析

列车空调可以分为定频空调和变频空调。随着技术的进步，变频技术的使用将有效提升空调系统的能效比。正如家用和商用领域一样，列车变频空调的应用规模也在逐步扩大。以交流定频空调和交流变频空调应用为参考点，为进一步提升空调系统能效，直流变频技术的使用更应该是列车空调的发展方向。

1.1直流变频压缩机

目前流行的直流变频实际上是一种约定俗成的叫法，指直流无刷电机的变速度驱动运行。相对于交流感应电机，永磁电机的转子结构已经具备了相应的永磁体，在运行过程中不再需要对转子励磁，因而没有励磁电流，也没有励磁损耗。这正是永磁电机运行效率高于交流感应电机的原因所在。使用直流变频压缩机的列车空调系统将可以提升空调系统能效比。通常，永磁电机的效率比同等功率级别的交流感应电机要高５％～１０％。就空调压缩机而言，通过简单地查阅相同排量的交流压缩机和直流变频压缩机在相同测试工况的能效比数据，就可以验证上述的电机效率差异。

1.2直流变频驱动

直流变频压缩机的驱动有许多技术方案，其中之一是１８０°无传感器磁场定向技术。驱动器系统通过采集相应的电压和电流，估算出压缩机电机转子的精确位置，然后通过其电流内环施加相应的压缩机电机定子电流，使其产生的磁场与转子的永磁体磁场在位置关系上保持固定的角度并推动转子旋转，以取得最佳的推动效率，ＦＯＣ的目的就在于此。更进一步，在施加的磁场保证定向的基础上，调整该磁场的强度，从而就调整了电机的电磁转矩，实现压缩机速度的调节，即变速度驱动。磁场定向驱动是一种更高能效的压缩机驱动方式，采用磁场定向驱动技术的直流变频空调系统将具备更高的能效。

1.3热泵空调

热泵空调可以形象地理解为冷暖空调，而从热力学的原理来看，空调的制冷和制热是同样一个原理，只是热量的搬运方向做了变换。“泵”（pump）非常形象地描述了这种热量的搬运过程，这种搬运的原动力来源于压缩机。之所以要使用“搬运”而不是“产生”、“转换”的方式来获得能量，是因为“搬运”方式的高能效。以制冷为例，在相应的空调测试工况，能效比可以做到３或更高，也就是用１ｋＷ的电力消耗，可以获得３ｋＷ或更高的冷量，这３ｋＷ的冷量其实就是从空调的蒸发器端被“搬运”走的、到冷凝器端的３ｋＷ热量；换一个角度，当关注点在冷凝器端所呈现出的热量状态时，名义制热量将是４ｋＷ。如果使用者的位置保持不变，而将空调器“泵”热的方向做一个改变，于是对于使用者而言，制冷就变成了制热。除了在极低的蒸发温度（也就是低环境温度）状态下，一般而言，热泵空调的“泵”热的效率要远高于电加热。后者的能效最大也只是１，目前正在作为列车的主要取暖方式。使用热泵空调代替单冷空调，机车冬季取暖将可以获得更高的能效。

1.4喷气增焓技术应用

同样是关注热泵空调的能效比和“泵”热能力，在空调系统工作范围内，前者与空调系统的压缩比（压缩机排气压力／压缩机吸气压力）反向相关，后者与系统的制冷剂流量正向相关。当环境温度很高时制冷，冷凝端的压力很高，此时空调系统将呈现高压缩比；当环境温度很低时制热，蒸发器的压力很低，此时空调系统也呈现出高压缩比，同时，制冷剂流量也将很低。我国幅员辽阔，列车热泵空调将会面对上面的两种工况。有效的解决方案是在空调系统中应用喷气增焓技术（ＥＶＩ）。ＥＶＩ应用示例和热力学压焓图如５所示，中间喷射口制冷剂的加入将在整体上提高了系统的制冷剂流量（Ａ＋Ｂ）即“泵”热能力，同时也使得压缩流程可以近似为“准二级压缩”，中间压力的升高将降低压缩系统的压缩比；更进一步，经济器的使用也同时增加了冷凝端制冷剂的过冷度（Ｃ阶段），为制冷剂主流量Ａ增加了焓差。这三者将有力地提升系统能效。

2.动车组独立空调设计方案

2.1动车独立空调关键技术

在该设计中，主要运用了PLC技术、传感器技术、变频器技术、以太网通讯技术、MCGS触摸屏等技术结合，实现动车空调的独立性和自动化。在手动模式下，通过各个部件的独立按钮来手动调节各个部件的运行方式，达到适合人们需求的温度；在自动模式下，根据温度传感器来感知当前温度，并发送到上位机MCGS触摸屏上，通过上位机发送一系列指令，来使各个部件产生一系列动作来达到适宜的温度。触摸屏作为一种直观方便的人机交互方式，在工业控制中得到了广泛的应用。

2.2动车组独立空调硬件设计

2.1.1硬件系统

使用的控制器是西门子PLCS7-1200，控制的对象是模拟通风机（M4）、模拟压缩机（M1）、模拟冷凝机（M2、M3）、模拟动车运行电机（伺服电机M5）。控制方法是通过交换机使MCGS上位机与每个PLC之间通过以太网的方式进行通讯连接。当有2个以上通信设备时，系统将运行网络连接，这时就要利用以太网加以完成[4]。本次设计中由于通讯设备较多，所以选用交换机作为通讯转换工具。从广义上来分析，在通信系统里对于信息交换功能实现的设备，就是交换机（硬件结构见左图）。

2.2.2应用形态分析

在自动状态下，MCGS上位机采集当前温度值，并根据设定温度范围直接下发命令到各个控制器。然后通过控制器来控制各个机器的运行程度，在5～20℃范围内，压缩机以15Hz的频率运行。在20～30℃范围内，压缩机以30Hz的频率运行。当大于30℃时，压缩机以50Hz的频率运行。冷凝机1先运行5s，然后冷凝机1和2同时运行。

在手动模式下，通过外部按钮，来选择调控各个机器的运行模式。当“手动模式当前车温”设定为小于18℃或者“自动模式温度”显示为18℃时，空调系统进入通风模式。通风机以低速的方式运行4s，6s后电机切换高速的方式运行，并且此时压缩机的指示灯常亮。压缩机以30Hz的频率运行，此时压缩机的代表灯常亮。冷凝机1先运行5s，然后冷凝机2运行5s，2个冷凝机交替运行。

结束语：

本文研究的重点是动车组空调的独立性以及智能化控制技术。关于控制部分主要是对空调系统的硬件设计，完成了动车组独立空调的模拟设计，能够实现自动模式以及手动模式的运行。根据本次的研究，因为采用手、自动2种模式，且各个模式运行互不干扰，展现出空调的独立性。自动模式下，通过温度传感器的采集、程序的运行，使独立空调更加智能化。

参考文献：

[1]李生军,张利军,何宗领.基于PLC与HMI的列车空调控制系统的自动化设计[J].自动化应用,2021(01):16-18.DOI:10.19769/j.zdhy.2021.01.005.

[2]周建容,陈春俊,何震凯.高速列车车内空调微风量自动检测系统设计[J].机械设计与制造,2020(10):51-53+58.DOI:10.19356/j.cnki.1001-3997.2020.10.012.

[3]张月鹏. 列车空调故障诊断系统设计[D].大连交通大学,2019.DOI:10.26990/d.cnki.gsltc.2019.000473.

[4]杨蕾. 高速列车温湿度模拟试验台的空调系统设计研究[D].西华大学,2016.