内燃机车空调电源系统设计研究

内燃机车空调电源系统设计研究

刘赓

天津南环铁路有限公司机务分公司 天津 300450

摘要：文章主要介绍了内燃机车空调电源系统的设计研究，具体分为以下几个部分，分别是空调电源系统的电路设计、系统设计方案、电源通讯系统、辅助控制电路和控制策略设计，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：内燃机车；空调电源；系统设计

引言：随着时代发展，人们生活水平提升，对于工作环境要求相继提高。为了进一步改造内燃铁路机车的空调系统，优化工作环境，需要准确掌握内燃机车中空调电源相关技术，减少对于外国技术依赖性，积极式研发各种新型机车空调电源系统。

1. 空调电源系统主要电路设计

内燃机车的司机控制室中主要设置为DC110V供电，而空调机组全部选择AC220V交流电机，为了进一步满足空调机组运行中的用电需求，可以通过空调电源把DC110V转化成AC220V供空调机组合理应用。在全面掌握空调电源运行原理和操作特征基础上，了解学习以往工程经验，此次设计中选择对直流输入电压实施先升压后逆变的方法进行控制。通过直流母线电压以及调整后输出电压有效值之间联系，考虑所选调制方法对于电压利用率影响，选择把DC110V转化为DC340V，随后借助三相全桥逆变电路把直流电压实施逆变转化成三相交流电，为空调机组供应电源^[1]。

2. 空调电源系统设计方案

系统方案设计中，因为机车运行中，假如空调电源内部元器件产生故障问题，因为缺少检测工具和检修位置狭窄，会影响在线修理工作顺利实施。此次设计中针对硬件结构实施模块化设计，把系统分成三种部分，分别是故障保护电路、电源主控电路、DC-AC部分和DC-DC部分。模块之间借助接插件连接，方便拆装。通过该种设计方法，能够快速实现在线故障处理，减少故障时间，同时还可以针对损毁部分实施离线维修，降低维修成本。

DC-DC部分能够将DC110V输入电压通过升压斩波电路提升至DC600V，在将电压变化输入后，直流斩波可以控制电路，对PWM驱动脉宽实施动态调整，从而维持稳定的直流输出电压，将输入电压维持在DC77V和DC143V之间，直流输出电压维持在DC600V，确保后续逆变电路维持稳定运行。因为空调机组启动中所形成的瞬时电流远远超出稳定运行电流，便会冲击整个系统，为此需要考虑到功率余量。DC-AC部分会将直流升压电路中的DC600V逆变为三相AC380V，由于空调系统起动中，电源会形成较大电流，为此选择变频控制，促进空调机组实现变频起动，把起动电流控制在安全范围中。

3. 空调电源通讯系统设计

原有空调电源通讯系统通常是利用硬线连接方法来传输相应的信号指令，增加了车内布线的复杂度，因为传输数据有限，而且机车控制室中的电磁环境较为复杂，影响了抗干扰能力，容易出现错误传输问题，威胁空调机组的稳定运行。结合该种状况，该系统在空调电源系统内合理应用现场总线技术，具体涵盖三种通讯节点，分别是由温度检测模块、下位微机以及上位微机所组成的通讯系统。上位微机能够提供相应的人机接口界面，借助通讯系统可以把具体的操作质量顺利传达到下位微机当中，同时显示出下位微机传递的系统运行状态以及温度检测模块传送的室内外温度信息。下位机能够自主接收上位微机传输的控制命令，针对空调机组实施合理控制。温度检测模块能够对车厢内外温度进行实时检测，随后将所检测到的信息传递到上位微机和下位微机当中。

4. 空调电源系统中辅助控制电路设计

在空调电源系统整体运行中辅助控制电路发挥着重要的作用，具体可以分成以下几方面内容：第一是人机界面接口电路，能够提供数码管显示、指示灯显示以及按键操作功能。第二是车厢内部的的温度检测模块中，主要包括一个管理芯片以及两个数字温度传感装置，能够对车厢内外温度变化状态进行实时检测，从而将所检测到的温度数值传送到上位微机的管理芯片当中。第三是电流和电压信号采样电路，能够针对主电路中的电流值和电压值进行合理采样。第四是信号调整电路，针对模拟采样信号实施幅值处理。第五是开机缓冲电路^[2]。

5. 空调电源系统中的控制策略设计

为了进一步满足应用需求，相关空调系统能够人工切换设定控制功能以及机组自动控制功能。在手动设定控制中，机组按照手动设定执行相关控制功能时，相关乘务人员可以结合上位微机操作面板对机组停止和启动进行设定；运行模式具体包括通风、加热和制冷，其中通风功能可以分成弱风、中风和强风三种不同阶段，制冷可以分成弱冷、中冷以及强冷三种阶段；室内温度包括降温功能键和增温功能键。上位微机主要是利用CAN总线和空调机组之间实施网络通讯。

机组自动控制功能中，如果操作面板出现故障以及网络出现故障问题，而司乘人员忙于工作的条件下，可以按照机组自动控制功能实施，只要将司机控制室顶层空调机组开关开启，便会使机组运行模式开始转入自动调节状态。在自动运行工况下，空调控制系统能够结合机车控制室内和室外的环境温度变化自动转入制热、除湿、制冷等不同运行工况。控制器检测室内外传感器所采集的温度参数，合理确定设置温度值。如果外部环境温度超出19度，可以设计制冷温度目标是T

_H=22+0.25×（外部温度-19），而制冷目标温度是整数值，相关更新周期是3分钟。假如外部环境温度小于等于19度，将加热目标温度值设置为18度。而在整个系统处于自动调节运行模式下，控制系统通过对室内外温度状态进行检测能够准确掌握整个系统运行状态，对空调机组运行频率实施合理控制调节，确保室内温度能够从最大限度上维持在系统设定温度值。

制冷运行模式主要包括强冷、中冷、弱冷、通风四种模式。如果实际温度超出制冷温度设定值，同时在某种运行模式下保持3分钟以上的连续运行，控制器便会把运行模式提高一格，该种运行模式会持续至机车控制室内部温度降低至所设定的制冷温度。假如温度持续提高，出现提升运行模式的具体要求时，将会进一步提高系统运行模式，直到空调机组处于最高频率运行或机车控制室内温度不再上升为止。如果温度小于制冷设置温度，则相关运行过程和上述过程相似，假如控制室内温度持续降低，通风机运行，冷凝风机和压缩机将会停止工作。

制热运行模式具体可以分成制热和通风两种运行模式。如果机车控制室中的温度小于17度，空调加热器会开始投入运行，转为加热工况，使车内温度不断提高。如果控制室中的温度大于19度，则空调加热器将会停止运行，维持良好通风状态。如果控制室中的温度再次降低到17度以下，会重启空调加热器，转为加热工况。通过该种操作过程不断反复，实现机车内部温度控制目标。于实际工程项目中选择有效的控制策略能够发挥出良好效果，空调系统能够促进机车在长途运行中实现自动调节，同时对司机室内温度进行合理控制，还可以避免人为设置温度出现忽高忽低的现象，减少能源浪费。

结语：综上所述，机车空调电源所处环境直接影响其功能特性，同时机车空调电源应该具备充足功率，确保其满足制冷条件，电源应该具备良好的耐高温和耐低温性能，能够有效承担相应的振动量，形成稳定运行性能，保证电源输出电流以及电压满足机车空调机组运行技术指标，为乘务员创造良好环境。

参考文献：

[1]黄小娟,王晓丽.内燃机车空调电源的散热结构优化设计与热分析[J].电子产品世界,2020,27(01):64-68.

[2]谢颖涛.内燃机车空调故障引发车载设备典型故障的思考[J].内燃机与配件,2018(15):145-146.