孙玉昆+杨芬+王俊玲
摘 要：针对目前旅客列车进一步提升服务档次的需求，在多年研究和试验的基础上，结合国内的装车经验，尝试在车载环境控制系统中大量使用固态继电器，进一步提升空调控制系统控制精度，降低噪音，简化系统结构和布线，以实现车载环境控制系统的进一步优化和性能提升。
关键词：固态继电器；旅客列车；环境控制系统；应用
1 现有客车环境控制系统的不足
现有系统的电加热控制部分，控制部件使用各种不同型号的交直流接触器。由于接触器有使用寿命，不能进行频繁的开关，无法满足对车厢不同区域进行精确控制的要求。为实现分区精确控制，往往对某个控制区域设置2组电加热器，实现分区加热的全热和半热控制，从一定程度上解决了分区精确控制的要求，但这又导致控制接触器和相关控制线路的大量增加，整个系统也因此变得更加复杂，增加了系统设计和维护的难度。
现有车载环境控制系统的结构如图1所示：
2 采用固态继电器优化系统设计，提高系统性能
固态继电器（SSR）是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。固态继电器与传统的电磁继电器相比，是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有与电磁继电器本质上相同的功能。被广泛应用于工业自动化控制，工作可靠，无触点、无火花、寿命长、无噪声，无电磁干扰，开关速度快，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载的目的，非常适合用于车载电加热器等阻性负载的控制。因此，考虑在现有列车环境控制系统中，对包括客室电加热器和空调机组预热器的所有阻性负载，改用固态继电器控制，达到优化系统设计，提高系统性能的目的。
针对现有环境控制系统对应分区精确控制的要求，可以为每个独立的控制分区配备一只固态继电器，用于控制该控制分区的一组电加热器，同时为空调机组预热器配备一只固态继电器，实现对分区温度和机组送风温度的精确控制。
优化后的车载环境控制系统结构如图2所示：
优化后的车载环境控制系统相对于现有系统有如下优势：（1）固态继电器是电子控制器件，控制过程中没有机械动作，减少了车厢内的噪音。（2）固态继电器是电子控制器件，在启停次数和频率上几乎没有限制，因此能够实现各控制区域的精确控制。（3）原系统为实现精确控制，在每个控制分区设置了2组电加热器，并配备2只接触器进行控制。优化后每个控制分区只设置1组电加热器和1只固态继电器，大大简化了系统结构，减少了系统部件的数量和系统布线。
3 固态继电器分区精确控制原理
固态继电器由于其开关次数和频率不受限制，因此可以参考PWM控制原理，通过频繁开关，并控制其占空比来实现类似于“无级”平滑控制的效果。可以人为设定一个固态继电器的控制时间周期。在该控制周期内，根据固态继电器的控制功率百分比，控制固态继电器开启和关闭的时间。在控制周期足够短的情况下，就可以实现“无级”平滑控制的效果。由于电加热器和机组预热器等阻性负载的特性，其反应速度比较慢，并有一定的滞后效应，因此固态继电器的控制周期不必设置的过短，一般周期范围在10秒～100秒比较合适。比如控制周期为100秒。如果某个固态继电器的控制功率需求百分比为40%，则该固态继电器在控制周期内首先开启40秒，然后关闭60秒，循环往复。从长时间宏观角度看，该固态继电器就实现了负载的40%功率的平稳输出。在控制逻辑和算法上，基于固态继电器的控制系统也不同于传统的基于接触器的控制系统。传统系统中由于接触器非开即关的二元离散特性，需要采用相对比较复杂PID控制算法来对接触器进行控制。即便如此，实际的温度控制曲线仍然呈现一种围绕设定温度小幅波动的波浪状曲线，控制效果并不理想。基于固态继电器的控制系统，由于固态继电器所固有的无级调整特性，可以采用非常简单的逻辑算法进行控制。设定Tset为分区设定温度，Tavg为之前一段时间分区温度的平均值，P为电加热功率，Th为一个与外温相关的可调参数。采用如下控制策略：
当Tavg>Tset+Th时，P=0%。
当Tavg在Tset-1+Th和Tset+Th之间时，P=Tset-Tavg。
Tavg 引入可调参数Th，是为了平衡车体本身对外部环境的散热，使得实际的控制曲线能够更接近设定温度Tset。参数Th应该与外温呈现负相关关系，同时与车体保温性能有关，该参数应该在车辆实际运行过程中根据控制效果进行适当调整。 实践证明，采用上述控制算法，对单一分区的温度控制曲线非常理想，能够达到非常接近于设定温度Tset的近似直线的控制效果。 4 全车固态继电器控制的负载均衡 上述固态继电器的控制原理带来一个问题。假设我们有5个控制分区，根据车厢环境状况，这5个控制分区的控制功率需求如表1所示： 为简单起见，我们先假设每个控制分区的负载功率是一样的，均为1。如果这5个分区按照上述控制原理同步运行，如图3所示： 我们可以看到在整个控制周期内，5个控制分区对于列车供电系统的总负载是非常不均衡的，如图4所示： 功率最大时达到5，最小时为0，高峰和低谷的差值为5，波动很大。这样的结果会给列车供电系统带来问题。尤其是对于部分采用柴油发电机组供电的特种车辆，频繁大幅波动的负载会给柴油发电机组带来很大的挑战，会导致柴油发电机组效率大幅下降，并减少发电机组的使用寿命。为此，需要设计一种控制策略，对车厢内所有由固态继电器控制负载进行平衡处理，尽量减少总负载的频繁波动。设想让不同的控制分区不要同时启动，而是让它们的启动时间首尾相接，顺序进行，这样应该能够达到初步的负载平衡效果。针对上述例子，可以设计出新的控制分区启停方案，如图5所示： 分区1在0s时启动，在50s时停止；分区2在50s时启动，在130s时停止；分区3在30s时启动，在90s时停止；分区4在90s时启动，在110s时停止；分区5在10s时启动，在40s时停止。
采用该方案，5个控制分区对于列车供电系统的总负载如图6所示：
在这个方案中，功率最大时为3，最小时为2，高峰和低谷的差值只有1，可以说基本上解决了上述负载不均衡的问题，对列车供电系统冲击很小。
上面的分析基于一个简化了的情况，即各个分区的负载功率是一样的。很显然，这在实际应用中是不可能的，根据不同的应用情况，各个分区的负载功率会相差很大，因此需要进一步考虑各个分区负载功率不同的情况。
仍然采用上述分析中的例子，不同之处在于我们为每个分区赋予不同的负载功率值，如表2所示：
很显然，这时继续采用前面的方法就不合适了，需要有新的思路和算法。
首先，我们需要根据各个分区的负载功率从大到小进行排序。从负载功率最大的分区开始逐步设置，设置的原则是，在整个控制周期中，选择已有功率最小的区段分段填充，同时遵循前述首尾相接的原则，但是不能和自身已填充的部分重叠。
根据上述思路设计的各分区启停方案如图7所示。
观察发现，分区2被分成了不相连的2段，这对后续控制不利。可以通过软件进一步对启停方案进行优化，得到如下方案（图8）。
分区1在0s时启动，在50s时停止；分区2在20s时启动，在100s时停止；分区3在50s时启动，在110s时停止；分区4在50s时启动，在70s时停止；分区5在70s时启动，在100s时停止。
采用该方案，5个控制分区对于列车供电系统的总负载如图9所示。
在这个方案中，功率最大时为7，最小时为4，高峰和低谷的差值为3，这已经是这种特定情况下的最优方案了。
实际系统运行中，各个分区的控制需求百分比是不断变化的，因此控制软件也要根据情况不断的实时计算并生成最优化的分区启停方案，并控制固态继电器的动作。
5 固态继电器控制的散热处理
固态继电器采用MOS开关管技术控制负载的启停，其自身不可避免的要产生热量，这是与传统接触器不同的地方。由于多个固态继电器一般会集中布放在一个电气控制柜中，因此固态继电器的散热就成为一个必须解决的问题。
方法很简单，在电气控制柜的柜门上根据需要安装若干散热风扇，并将散热风扇的控制端接到系统控制器上，由系统控制器根据所有固态继电器的控制需求百分比来控制散热风扇的启停。也可以在控制柜内部加装温度传感器，并将温度传感器连接到系统控制器，由系统控制器根据控制柜内部温度来控制散热风扇的启停。
6 结束语
目前控制系统厂商根据上述固态继电器控制原理设计了新型车载环境控制系统，并应用于旅客列车中，取得了很好的控制效果。实践证明，将固态继电器应用于车载环境控制系统是完全可行的，也是车载环境控制系统未来的发展方向。
