電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)專(zhuān)用逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫燁　許海陽(yáng)　王鳳琴

摘 要：電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)專(zhuān)用逆變系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品。其逆變器依據(jù)正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，主電路采用IGBT（絕緣柵門(mén)極雙極性晶體管）模塊，逆變管采用電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管。控制電路采用了數(shù)字集成電路。實(shí)現(xiàn)將電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的直流電壓變換為電壓、頻率可調(diào)的三相正弦交流電壓，帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)空調(diào);電壓縮機(jī);正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-116-04

Abstract： The special inverter system of electric air conditioner compressor is electromechanical integration product. Its inverter is based on sinusoidal pulse width modulation（SPWM） technology， the main circuit uses the IGBT（insulated gate pole bipolar transistor） module， and the inverter tube uses the power field effect transistor. The control circuit uses digital integrated circuits. The DC voltage in the electric vehicle is transformed into a three-phase sinusoidal AC voltage with adjustable voltage and frequency to drive the compressor operation.Keywords： Electric air conditioning; Electric compressor; Sinusoidal pulse width modulationCLC NO.： U463.85+1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-116-04

前言

目前，以純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車(chē)為代表的先進(jìn)技術(shù)汽車(chē)以其良好的環(huán)保、能源特性開(kāi)始成為國(guó)際汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一。在這樣的背景下我們開(kāi)始研制由高壓電直接驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)電動(dòng)空調(diào)）。

考慮到國(guó)內(nèi)、外成熟的電壓縮機(jī)普遍采用三相電驅(qū)動(dòng)形式，而車(chē)載電池組提供的為高壓直流，故必須通過(guò)某種介質(zhì)將直流電轉(zhuǎn)換為三相電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，這種介質(zhì)即通常所說(shuō)的逆變器。

1 專(zhuān)用逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)空調(diào)與普通空調(diào)器的主要區(qū)別在于壓縮機(jī)由斜盤(pán)式或活塞式更換為全封閉電渦旋式，并添加了逆變器。電動(dòng)空調(diào)的微電腦隨時(shí)收集車(chē)內(nèi)環(huán)境的有關(guān)信息與內(nèi)部的設(shè)定值比較，經(jīng)運(yùn)算處理輸出控制信號(hào)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行自適應(yīng)模糊控制，達(dá)到快速制冷（制熱）及節(jié)能工作的目的。逆變器的工作原理如圖1所示。由車(chē)輛提供的直流電源，送到功率模塊（大功率晶體管開(kāi)關(guān)組合IGBT）;同時(shí)模塊受微電腦送來(lái)的控制信號(hào)控制，輸出頻率可調(diào)的交變電源（合成波形近似正弦波），逆變器能使壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)，其轉(zhuǎn)速是根據(jù)車(chē)內(nèi)空調(diào)負(fù)荷而成比例變化的。當(dāng)車(chē)內(nèi)需要急速降溫（或急速升溫），空調(diào)負(fù)荷加大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就加快，制冷量（或制熱量）就按比例增加;當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，隨即處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)維持車(chē)內(nèi)溫度基本不變。這樣可使運(yùn)行更加可靠、人性化。

2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)的基本原理

在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效應(yīng)基本相同。

上述結(jié)論是脈寬調(diào)制（PWM）控制的重要理論基礎(chǔ)。

把圖2（a）所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，即各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。

如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖2（b）所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。象這樣脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，稱(chēng)為SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

在SPWM波形中各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。

3 車(chē)載逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)我公司12米客車(chē)?yán)渑冾l頂置空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.1 車(chē)載逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

此逆變系統(tǒng)專(zhuān)用于電車(chē)車(chē)載壓縮機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行，采用脈寬調(diào)制方式，變頻變壓（VVVF）輸出。主電路必須專(zhuān)門(mén)針對(duì)電車(chē)電網(wǎng)設(shè)計(jì)，能在頻繁的浪涌電壓、電流下可靠工作，并能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的柔性快速啟動(dòng)和變速運(yùn)行。

設(shè)計(jì)要求：

（1）恒扭矩啟動(dòng)。

（2）使用新型電力半導(dǎo)體器件IGBT，高頻脈寬調(diào)制工作方式。

（3）體積小、重量輕、效率高，節(jié)約安裝空間。

（4）防水防塵，產(chǎn)品防護(hù)等級(jí)至少達(dá)到IP54。

（5）完善的功能設(shè)計(jì)。

（6）50℃環(huán)境溫度連續(xù)運(yùn)行，專(zhuān)門(mén)針對(duì)電車(chē)惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)。

3.2 性能參數(shù)

額定輸入：600VDC

輸入額定電流：20A

額定輸出：三相/380V/50Hz

適配電機(jī)：380V/50Hz 三相交流異步感應(yīng)電機(jī)

輸入輸出特性（穩(wěn)態(tài)）：

U_I>335V_DC時(shí)U_O= 380V/50Hz（高端穩(wěn)壓）

U_I<335V_DC時(shí)U_O/f=380V/50Hz（低端降頻）

環(huán)境溫度：-25℃～+50℃;

過(guò)壓保護(hù)：>750VDC關(guān)閉

欠壓保護(hù)：<240VDC關(guān)閉;

低壓監(jiān)測(cè)：>22V啟動(dòng)、<20V關(guān)閉

短路保護(hù);過(guò)熱保護(hù);浪涌防護(hù);缺相保護(hù)。

3.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變器電路如圖3所示：

各個(gè)端口的功能如下：

J1、J3和J4端口：分別輸出六個(gè)IGBT單元G1～G6的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。

J2端口：為IGBT集電極（短路）檢測(cè)。

J5和J6端口：輸出電流采樣端。通過(guò)電流反饋實(shí)現(xiàn)限流。

J7端口：可控硅驅(qū)動(dòng)端。

J8端口：高壓輸入采樣端。

J9和J10端口：分別接風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2。

J11端口：接熱敏電阻。熱敏電阻檢測(cè)散熱器溫度，散熱器溫度大于45℃、小于80℃時(shí)，風(fēng)機(jī)正常工作。散熱器溫度大于80℃時(shí)，變頻器熱保護(hù)停機(jī)。

J12端口：控制端口。

3.4 工作原理

高壓加電后，輸入電壓經(jīng)輸入電抗器L1和預(yù)沖電路對(duì)輸入濾波電容C1-C2-C3-C4進(jìn)行充電，充電完成后，半控橋D1中的可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，輸入電壓完全加到輸入濾波電容C1-C2-C3-C4上。R1-R2-R11-R12為C1-C2-C3-C4的均壓電阻，電抗器L1可有效抑制輸入浪涌電流，半控橋D1中的二極管可防止輸入端反接。

六個(gè)IGBT單元G1-G6組成變頻器的逆變回路。控制電路的核心是單片計(jì)算機(jī)，單片機(jī)根據(jù)正弦脈寬調(diào)制規(guī)律控制六個(gè)IGBT單元G1～G6的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而將直流電壓變換為所需頻率的交流輸出電壓。

3.5 工作方式

接通低壓電源后，控制電路檢測(cè)網(wǎng)壓正常（240V～750V），則開(kāi)始啟動(dòng)過(guò)程。

啟動(dòng)過(guò)程：逆變器啟動(dòng)時(shí)從零頻率零電壓開(kāi)始逐步增加輸出電壓和頻率，啟動(dòng)過(guò)程中電源頻率同步增長(zhǎng)（見(jiàn)圖4啟動(dòng)特性），約三到四秒鐘達(dá)到額定電壓和頻率，完成啟動(dòng)過(guò)程，之后進(jìn)入電壓和頻率不變（等于額定值）的穩(wěn)定工作階段。

3.6 逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同電壓縮機(jī)的運(yùn)行特性，我們提出了個(gè)性化的控制方案。以美國(guó)谷輪公司的變速臥式渦旋壓縮機(jī)為控制對(duì)象，來(lái)簡(jiǎn)述逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

谷輪電動(dòng)壓縮機(jī)被廣泛運(yùn)用在鐵路、輕軌、地鐵等多種領(lǐng)域，是一種成熟的車(chē)載壓縮機(jī)選配方案。此款壓縮機(jī)可在35～75Hz頻率范圍內(nèi)運(yùn)行（圖5），在35～60Hz范圍內(nèi)，壓縮機(jī)運(yùn)行電壓值是運(yùn)行頻率值的7.67倍，在60～75Hz范圍內(nèi)，電壓保持定值460V，使電壓值嚴(yán)格遵守這些指導(dǎo)的變化可以有效防止電機(jī)飽和過(guò)熱。

有了壓縮機(jī)的頻率電壓曲線圖，就可以根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行特性設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)控制方案。

由圖5可知，壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率區(qū)間為35～75Hz，由于采用的控制器為3線（S1、S2、S3）控制方案，根據(jù)電壓和頻率的關(guān)系，可以將運(yùn)行區(qū)間人為的劃分為8個(gè)部分（表1）。以制冷為例，當(dāng)空調(diào)開(kāi)啟后，為了使車(chē)內(nèi)溫度在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，控制器按照（0 0 0）的控制模式發(fā)出電平信號(hào)給逆變器，逆變器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在（75HZ，460V）狀態(tài)下高速運(yùn)行;當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度等于設(shè)定溫度時(shí)，控制器按照（100）的控制模式發(fā)出電平信號(hào)給逆變器，逆變器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在（50HZ，384V）的狀態(tài)下以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行;若此時(shí)的制冷量大于車(chē)內(nèi)的熱負(fù)荷，由于慣性作用，車(chē)內(nèi)溫度繼續(xù)降低，按照回風(fēng)溫度0.5℃的解析度，順次使控制器發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在更低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，制冷量成比例下降，從而維持一種動(dòng)態(tài)的平衡，以此達(dá)到“不停機(jī)”的目的;反之亦然。

通過(guò)上述逆變器運(yùn)行響應(yīng)設(shè)計(jì)，空調(diào)在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮出了最大的效率，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

3.7 輔助設(shè)計(jì)

為了在逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)判定故障原因，添加了故障指示燈報(bào)警（表2）。

4 結(jié)論

正是由于我公司成功開(kāi)發(fā)了車(chē)用電壓縮機(jī)逆變控制系統(tǒng)，才使得電動(dòng)空調(diào)產(chǎn)品成功推向市場(chǎng)。電動(dòng)空調(diào)電器原理圖（圖6）。

參考文獻(xiàn)

[1] 王運(yùn)朋.實(shí)用汽車(chē)空調(diào)技術(shù)[M].廣東科技出版社，1995.

[2] 陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 李?lèi)?ài)文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2000.