專利名稱：一種電動(dòng)客車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)客車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器。
背景技術(shù)：
近年來我國無軌電車、純電車的大巴空調(diào)一般都選用一體式電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào) 系統(tǒng)的壓縮機(jī)、管路、變頻器、及空調(diào)的零部件都裝在空調(diào)頂部，形成一個(gè)整體，空調(diào)系統(tǒng)只 要接上高壓電源和控制面板就可實(shí)現(xiàn)空調(diào)的制冷制熱功能。而空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、冷凝 風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)是由三臺(tái)變頻器提供的3相交流電工作的，變頻器是電車空調(diào)系統(tǒng)中的關(guān) 鍵控制器件。變頻器質(zhì)量的好壞直接影響空調(diào)系統(tǒng)的質(zhì)量。 現(xiàn)有車用空調(diào)變頻器實(shí)際上是一臺(tái)大功率逆變器，其把汽車提供的直流電源逆變 成三相交流電源供空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)之用，通用低壓變頻器的輸入通常為單相 220VAC或三相380VAC，電壓波動(dòng)范圍小(根據(jù)GB12325-90國標(biāo)規(guī)定的電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，單 相范圍198VAC-236VAC，三相范圍353VAC-407VAC)。三相低壓變頻器整流后的直流電壓 范圍499VDC-575VDC。而空調(diào)變頻器的輸入電源由無軌電車的電網(wǎng)和純電車的電池提供， 它們的供電范圍比較寬，輸入電壓范圍在300VDC-800VDC之間，而且電車在運(yùn)行過程中會(huì) 經(jīng)常出現(xiàn)瞬間脫網(wǎng)斷電，并且立刻合網(wǎng)上電的現(xiàn)象。此時(shí)高達(dá)750V的電壓直接加在變頻器 的大電解電容上，形成巨大的浪涌沖擊電流，高達(dá)上千安培。這種頻繁的大電流沖擊，使得 變頻器主回路部分的PCB發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致?lián)p壞變頻器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種線路簡單、工作可靠的電動(dòng)客 車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 —種空調(diào)變頻器，包含充電部分，和空心電抗器，該空心電抗器耦接于電源和所述 充電部分之間。 所述充電部分主要由緩沖電阻R和與該電阻R并聯(lián)的繼電器RL、大電解電容Cl與 C2、電容均壓電阻Rl與R2，以及及金屬膜電容C3組成。
所述空心電抗器的電感量L的計(jì)算公式如下所示
L = A UL/ (2 Ji fln) = 0. 0楊0 / (Ji fln) 式中Uv交流輸入相電壓有效值(V) ; AUL——電抗器額定電壓降(V) ;In——電 抗器額定電流(A) ;f——電網(wǎng)頻率(Hz)。 所述電抗器鐵芯截面積S與電抗器壓降A(chǔ)UL的關(guān)系，如下式所示
S = A UL/ (4. 44fBNKS X 10—4) 式中AUL——單位V ;f——電源頻率(Hz) ;B——磁通密度(T) ;N——電抗器的 線圈圈數(shù)；Ks——鐵芯迭片系數(shù)取Ks = 0. 93。 所述電抗器鐵芯窗口面積A與電流In及線圈圈數(shù)N的關(guān)系如下式所示
A = InN/(jKA) 式中j——電流密度，根據(jù)容量大小可按2 2. 5A/mm2選?。籏A——窗口填充系 數(shù)，約為0. 4 0. 5。 所述鐵芯中的氣隙大小先選定在2 5mm內(nèi)，通過實(shí)測電感值進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明還提供一種具有上述空調(diào)變頻器的電動(dòng)客車空調(diào)裝置用變頻器控制的冷 凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，所述空調(diào)變頻器通過共母線的形式分別控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。
本發(fā)明一種電動(dòng)客車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器的優(yōu)點(diǎn)是 1).本發(fā)明通過對變頻器增加空心電抗器，使變頻器能適應(yīng)寬電壓輸入(電壓輸 入范圍250-800VDC)和電車換網(wǎng)時(shí)導(dǎo)致的大電流浪涌沖擊。 2).本發(fā)明通過使變頻器具備參數(shù)編輯功能，并將相關(guān)控制電路集成在變頻器內(nèi) 部，通過數(shù)字輸入口和模擬輸入口實(shí)現(xiàn)對電車空調(diào)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)配備RS485 通訊接口 ，開放的M0DEBUS協(xié)議，達(dá)到電車空調(diào)控制系統(tǒng)線路簡單、工作可靠的效果。
3).本發(fā)明通過共母線的形式分別控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，使每臺(tái)大變頻器都有 獨(dú)立的雙路電機(jī)控制和輸出功能，能實(shí)現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)，冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的分 別控制。 4).變頻器內(nèi)制輔助電加熱控制和輸出。通過變頻器的數(shù)字端子來控制單管IGBT 的開關(guān)，將直流電加給PTC電阻，傳統(tǒng)的觸點(diǎn)開關(guān)改為無觸點(diǎn)開關(guān)。這樣能大大延長電路的 使用壽命，提高工作可靠性 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施和優(yōu)點(diǎn)作進(jìn)一步解釋。


附圖1是傳統(tǒng)通用變頻器的電源電路原理圖；
附圖2是一體化空調(diào)變頻器的電源電路原理圖；
附圖3顯示本發(fā)明的空調(diào)變頻器共母線電路原理圖；
附圖4顯示本發(fā)明的輔助電加熱控制和輸出。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖給出本發(fā)明一種電動(dòng)客車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器的具體實(shí)施方 式。 參見附圖1。傳統(tǒng)通用變頻器的電源輸入部分電路主要由緩沖電阻R及與他并聯(lián) 的繼電器RL、大電解電容Cl與C2、均壓電阻Rl與R2，以及電壓尖鋒吸收電容C3組成。
繼續(xù)參見附圖l。剛上電時(shí)電源通過緩沖電阻R對電解電容C1和C2進(jìn)行充電。 此時(shí)的瞬間電流值i = V/R，其中R為幾十歐，V為700V，此時(shí)i僅為幾十安培。但是，當(dāng)繼 電器吸合后，電源突然掉電而又突然上電時(shí)，將造成700V的高壓直接加在大電解上，產(chǎn)生 上千安培的浪涌電流，很容易損壞變頻器。 參見附圖2。本發(fā)明提供的變頻器的輸入端增加了空芯電抗器L。電源輸入部分
的電路主要由空心電抗器L、緩沖電阻R和與其并聯(lián)的繼電器RL、大電解電容C1與C2、電容
均壓電阻Rl與R2，以及及金屬膜電容C3組成。其中C3用來吸收高頻電壓尖鋒。 繼續(xù)參見附圖2。本發(fā)明提供的變頻器剛上電時(shí)的緩沖原理和傳統(tǒng)變頻器是一樣的也是電源通過緩沖電阻R對電解電容CI和C2進(jìn)行充電。此時(shí)的瞬間電流值i = V/R， 其中R為幾十歐，V為700V，此時(shí)i僅為幾十安培。與傳統(tǒng)變頻器不同的是，本發(fā)明在繼電器 RL吸合后，電源突然掉電而又突然上電時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電路中的電流可以由公 式V = L*di/dt決定。此時(shí)只要取合適的電感值，可將浪涌電流限定在幾十安培，從而能 保證變頻器長期可靠運(yùn)行。 進(jìn)一步參見附圖2。本發(fā)明提供的變頻器中的空心電抗器用于緩沖電流沖擊并提 高功率因數(shù)，其余作為充電部分用于濾波干擾、緩沖上電沖擊。 本發(fā)明取合適的電感值的方法是根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備額定電流以及電抗器的壓降
來確定電抗器參數(shù)，從而進(jìn)一步確定空心電抗器制造參數(shù)，把定制的空心電抗器集成到變
頻器主回路中，并且滿足變頻器安裝的要求。 以下介紹空心電抗器相應(yīng)參數(shù)的確定過程。 空心電抗器集成到變頻器主回路中，要考慮兩個(gè)因素，電抗器阻抗參數(shù)和電抗器 安裝尺寸。 首先，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的額定電流以及電抗器的壓降來確定電抗器參數(shù)。電車
空調(diào)系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)等較大功率用電設(shè)備，根據(jù)公式 la = Ip+Ie+Ic+(Ip+Ie+Ic) X 100% 其中，la為空調(diào)系統(tǒng)額定電流，Ip壓縮機(jī)電機(jī)額定電流，Ie蒸發(fā)風(fēng)機(jī)電機(jī)額定電 流，1(3冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)額定電流，可知，在電抗器的壓降一般選擇為網(wǎng)側(cè)相電壓的2% 4%， 本發(fā)明選擇壓降為2%，即電抗器的壓降為12V的情況下，電感量L的計(jì)算公式如下所示
L = A UL/ (2 Ji fin) = 0. 04Uv 0 / (Ji fin) 式中Uv交流輸入相電壓有效值(V) ; AUL——電抗器額定電壓降(V) ;In——電 抗器額定電流(A) ;f——電網(wǎng)頻率(Hz)。 進(jìn)線電抗器壓降不宜取得過大，壓降過大會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
其次，有了以上數(shù)據(jù)便可以對電抗器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以下為確定過程
電抗器鐵芯截面積S與電抗器壓降A(chǔ) UL的關(guān)系，如下式所示
S = A UL/ (4. 44fBNKS X 10—4) 式中AUL——單位V ;f——電源頻率(Hz) ;B——磁通密度(T) ;N——電抗器的 線圈圈數(shù)；Ks——鐵芯迭片系數(shù)取Ks = 0. 93。 電抗器鐵芯窗口面積A與電流In及線圈圈數(shù)N的關(guān)系如下式所示
A = InN/ (jKA) 式中j——電流密度，根據(jù)容量大小可按2 2. 5A/mm2選取；KA——窗口填充系 數(shù)，約為0. 4 0. 5 鐵芯截面積與窗口面積的乘積關(guān)系如下式所示
SA = UI/ (4. 44fBjKsKAX 10—4) 由上式可知，根據(jù)電抗器的容量UI( = AULIn)值，選用適當(dāng)?shù)蔫F芯使截面積SA 的積能符合上式的關(guān)系。 為了使進(jìn)線電抗器有較好的線性度，在鐵芯中應(yīng)有適當(dāng)?shù)臍庀?。調(diào)整氣隙，可以改
變電感量。氣隙大小可先選定在2 5mm內(nèi)，通過實(shí)測電感值進(jìn)行調(diào)整。 參見附圖3，本發(fā)明的控制方式是將控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的變頻器通過共母線
5的形式，集成在一個(gè)箱體內(nèi)部。通過RS485通訊接口分別控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的運(yùn)行。將
控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的變頻器通過共母線的形式，集成在一個(gè)箱體內(nèi)部能使其具有雙路
電機(jī)控制和輸出功能。通過RS485通訊接口實(shí)現(xiàn)冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的分別控制。 繼續(xù)參見圖3，變頻器設(shè)計(jì)有8路數(shù)字輸入，2路數(shù)字輸出，1路繼電器輸出，和2路
模擬輸入。用變頻器的數(shù)字輸入端來實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的壓力檢測和控制，用變頻器的模擬輸
入端可對空調(diào)系統(tǒng)的溫度阻值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用變頻器的繼電器輸出端可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制
冷制熱轉(zhuǎn)換控制，這樣大大減少了外圍控制器件。 參考圖4，本發(fā)明采用輔助電加熱控制和輸出。通過變頻器的數(shù)字端子來控制單 管IGBT的開關(guān)，將直流電加給PTC電阻，傳統(tǒng)的觸點(diǎn)開關(guān)改為無觸點(diǎn)開關(guān)。這樣能大大延 長電路的使用壽命，提高工作可靠性。 試驗(yàn)證明，隨著清潔能源車輛的不斷發(fā)展，電動(dòng)車、混合動(dòng)力車的數(shù)量逐年增加， 而本發(fā)明提供變頻器帶動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱效果好，同時(shí)比傳統(tǒng)機(jī)械壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng) 能耗低，因此，此變頻器對整個(gè)汽車空調(diào)行業(yè)都有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
一種空調(diào)變頻器，包含充電部分，其特征在于，所述空調(diào)變頻器還包含空心電抗器，該空心電抗器耦接于電源和所述充電部分之間；變頻器內(nèi)制輔助電加熱控制和輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述充電部分主要由緩沖電阻R和 與該電阻R并聯(lián)的繼電器RL、大電解電容CI與C2、電容均壓電阻Rl與R2，以及及金屬膜電 容C3組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述空心電抗器的電感量L的計(jì)算 公式如下所示L = A UL/ (2 Ji fln) = 0. 0楊0 / ( ji fln)式中Uv交流輸入相電壓有效值(V) ;AUL——電抗器額定電壓降(V) ;In——電抗器 額定電流(A) ;f——電網(wǎng)頻率(Hz)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述電抗器鐵芯截面積S與電抗器 壓降A(chǔ)UL的關(guān)系，如下式所示S = A UL/(4. 44fBNKS X10-4)式中AUL——單位V;f——電源頻率(Hz) ;B——磁通密度(T) ;N——電抗器的線圈圈數(shù)；Ks——鐵芯迭片系數(shù)取Ks = 0. 93。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述電抗器鐵芯窗口面積A與電流 In及線圈圈數(shù)N的關(guān)系如下式所示A = InN/(jKA)式中j——電流密度，根據(jù)容量大小可按2 2. 5A/mm2選?。籏A——窗口填充系數(shù)，約 為0. 4 0. 5。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述鐵芯中的氣隙大小先選定在 2 5mm內(nèi)，通過實(shí)測電感值進(jìn)行調(diào)整。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述空調(diào)變頻器內(nèi)制輔助電加熱 控制和輸出，通過變頻器的數(shù)字端子來控制單管IGBT的開關(guān)，將直流電加給PTC電阻。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空調(diào)變頻器，其特征在于，所述變頻器設(shè)計(jì)有8路數(shù)字輸入， 2路數(shù)字輸出，1路繼電器輸出，和2路模擬輸入；用變頻器的數(shù)字輸入端來實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的 壓力檢測和控制，用變頻器的模擬輸入端對空調(diào)系統(tǒng)的溫度阻值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用變頻器 的繼電器輸出端實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱轉(zhuǎn)換控制。
9. 一種電動(dòng)客車空調(diào)裝置，包含任意一項(xiàng)上述權(quán)利要求中所述的空調(diào)變頻器。
10. —種電動(dòng)客車空調(diào)裝置，包含由如權(quán)利要求1所述的空調(diào)變頻器控制的冷凝風(fēng)機(jī) 和壓縮機(jī)，其特征在于，所述空調(diào)變頻器通過共母線的形式分別控制冷凝風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電動(dòng)客車空調(diào)用一體式空調(diào)變頻器，所述空調(diào)變頻器包含充電部分和空心電抗器，該空心電抗器耦接于電源和所述充電部分之間；本發(fā)明同時(shí)提供一種包含所述空調(diào)變頻器的電動(dòng)客車空調(diào)裝置。本發(fā)明線路簡單、工作可靠。
文檔編號H02P27/06GK101783647SQ20101010968
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者張逵, 李兵, 王志杰, 賀五星 申請人:上海加冷松芝汽車空調(diào)股份有限公司