CN101783647A - 一种电动客车空调用一体式空调变频器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动客车空调用一体式空调变频器，所述空调变频器包含充电部分和空心电抗器，该空心电抗器耦接于电源和所述充电部分之间；本发明同时提供一种包含所述空调变频器的电动客车空调装置。本发明线路简单、工作可靠。

Description

一种电动客车空调用一体式空调变频器

技术领域

本发明涉及一种电动客车空调用一体式空调变频器。

背景技术

近年来我国无轨电车、纯电车的大巴空调一般都选用一体式电动空调系统。空调系统的压缩机、管路、变频器、及空调的零部件都装在空调顶部，形成一个整体，空调系统只要接上高压电源和控制面板就可实现空调的制冷制热功能。而空调系统中的压缩机、冷凝风机和蒸发风机是由三台变频器提供的3相交流电工作的，变频器是电车空调系统中的关键控制器件。变频器质量的好坏直接影响空调系统的质量。

现有车用空调变频器实际上是一台大功率逆变器，其把汽车提供的直流电源逆变成三相交流电源供空调系统中的压缩机及风机之用，通用低压变频器的输入通常为单相220VAC或三相380VAC，电压波动范围小(根据GB12325-90国标规定的电能质量的标准，单相范围：198VAC-236VAC，三相范围：353VAC-407VAC)。三相低压变频器整流后的直流电压范围：499VDC-575VDC。而空调变频器的输入电源由无轨电车的电网和纯电车的电池提供，它们的供电范围比较宽，输入电压范围在300VDC-800VDC之间，而且电车在运行过程中会经常出现瞬间脱网断电，并且立刻合网上电的现象。此时高达750V的电压直接加在变频器的大电解电容上，形成巨大的浪涌冲击电流，高达上千安培。这种频繁的大电流冲击，使得变频器主回路部分的PCB发热严重，导致损坏变频器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种线路简单、工作可靠的电动客车空调用一体式空调变频器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空调变频器，包含充电部分，和空心电抗器，该空心电抗器耦接于电源和所述充电部分之间。

所述充电部分主要由缓冲电阻R和与该电阻R并联的继电器RL、大电解电容C1与C2、电容均压电阻R1与R2，以及及金属膜电容C3组成。

所述空心电抗器的电感量L的计算公式如下所示：

L＝ΔUL/(2πfIn)＝0.04Uv/(πfIn)

式中：Uv交流输入相电压有效值(V)；ΔUL——电抗器额定电压降(V)；In——电抗器额定电流(A)；f——电网频率(Hz)。

所述电抗器铁芯截面积S与电抗器压降ΔUL的关系，如下式所示：

S＝ΔUL/(4.44fBNKS×10-4)

式中：ΔUL——单位V；f——电源频率(Hz)；B——磁通密度(T)；N——电抗器的线圈圈数；Ks——铁芯迭片系数取Ks＝0.93。

所述电抗器铁芯窗口面积A与电流In及线圈圈数N的关系如下式所示：

A＝InN/(jKA)

式中：j——电流密度，根据容量大小可按2～2.5A/mm2选取；KA——窗口填充系数，约为0.4～0.5。

所述铁芯中的气隙大小先选定在2～5mm内，通过实测电感值进行调整。

本发明还提供一种具有上述空调变频器的电动客车空调装置用变频器控制的冷凝风机和压缩机，所述空调变频器通过共母线的形式分别控制冷凝风机和压缩机。

本发明一种电动客车空调用一体式空调变频器的优点是：

1).本发明通过对变频器增加空心电抗器，使变频器能适应宽电压输入(电压输入范围250-800VDC)和电车换网时导致的大电流浪涌冲击。

2).本发明通过使变频器具备参数编辑功能，并将相关控制电路集成在变频器内部，通过数字输入口和模拟输入口实现对电车空调运行时的数据进行处理，同时配备RS485通讯接口，开放的MODEBUS协议，达到电车空调控制系统线路简单、工作可靠的效果。

3).本发明通过共母线的形式分别控制冷凝风机和压缩机，使每台大变频器都有独立的双路电机控制和输出功能，能实现对空调系统的压缩机，冷凝风机和蒸发风机的分别控制。

4).变频器内制辅助电加热控制和输出。通过变频器的数字端子来控制单管IGBT的开关，将直流电加给PTC电阻，传统的触点开关改为无触点开关。这样能大大延长电路的使用寿命，提高工作可靠性

下面结合附图对本发明的实施和优点作进一步解释。

附图说明

附图1是传统通用变频器的电源电路原理图；

附图2是一体化空调变频器的电源电路原理图；

附图3显示本发明的空调变频器共母线电路原理图；

附图4显示本发明的辅助电加热控制和输出。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种电动客车空调用一体式空调变频器的具体实施方式。

参见附图1。传统通用变频器的电源输入部分电路主要由缓冲电阻R及与他并联的继电器RL、大电解电容C1与C2、均压电阻R1与R2，以及电压尖锋吸收电容C3组成。

继续参见附图1。刚上电时电源通过缓冲电阻R对电解电容C1和C2进行充电。此时的瞬间电流值i＝V/R，其中R为几十欧，V为700V，此时i仅为几十安培。但是，当继电器吸合后，电源突然掉电而又突然上电时，将造成700V的高压直接加在大电解上，产生上千安培的浪涌电流，很容易损坏变频器。

参见附图2。本发明提供的变频器的输入端增加了空芯电抗器L。电源输入部分的电路主要由空心电抗器L、缓冲电阻R和与其并联的继电器RL、大电解电容C1与C2、电容均压电阻R1与R2，以及及金属膜电容C3组成。其中C3用来吸收高频电压尖锋。

继续参见附图2。本发明提供的变频器刚上电时的缓冲原理和传统变频器是一样的：也是电源通过缓冲电阻R对电解电容C1和C2进行充电。此时的瞬间电流值i＝V/R，其中R为几十欧，V为700V，此时i仅为几十安培。与传统变频器不同的是，本发明在继电器RL吸合后，电源突然掉电而又突然上电时，由于电路结构发生变化，电路中的电流可以由公式：V＝L*di/dt决定。此时只要取合适的电感值，可将浪涌电流限定在几十安培，从而能保证变频器长期可靠运行。

进一步参见附图2。本发明提供的变频器中的空心电抗器用于缓冲电流冲击并提高功率因数，其余作为充电部分用于滤波干扰、缓冲上电冲击。

本发明取合适的电感值的方法是根据空调系统设备额定电流以及电抗器的压降来确定电抗器参数，从而进一步确定空心电抗器制造参数，把定制的空心电抗器集成到变频器主回路中，并且满足变频器安装的要求。

以下介绍空心电抗器相应参数的确定过程。

空心电抗器集成到变频器主回路中，要考虑两个因素，电抗器阻抗参数和电抗器安装尺寸。

首先，根据空调系统设备的额定电流以及电抗器的压降来确定电抗器参数。电车空调系统主要包括压缩机、蒸发风机、冷凝风机等较大功率用电设备，根据公式：

Ia＝Ip+Ie+Ic+(Ip+Ie+Ic)×100％

其中，Ia为空调系统额定电流，Ip压缩机电机额定电流，Ie蒸发风机电机额定电流，Ic冷凝风机电机额定电流，可知，在电抗器的压降一般选择为网侧相电压的2％～4％，本发明选择压降为2％，即电抗器的压降为12V的情况下，电感量L的计算公式如下所示：

L＝ΔUL/(2πfIn)＝0.04Uv

/(πfIn)

式中：Uv交流输入相电压有效值(V)；ΔUL——电抗器额定电压降(V)；In——电抗器额定电流(A)；f——电网频率(Hz)。

进线电抗器压降不宜取得过大，压降过大会影响电机转矩。

其次，有了以上数据便可以对电抗器进行结构设计。以下为确定过程：

电抗器铁芯截面积S与电抗器压降ΔUL的关系，如下式所示：

S＝ΔUL/(4.44fBNKS×10-4)

式中：ΔUL——单位V；f——电源频率(Hz)；B——磁通密度(T)；N——电抗器的线圈圈数；Ks——铁芯迭片系数取Ks＝0.93。

电抗器铁芯窗口面积A与电流In及线圈圈数N的关系如下式所示：

A＝InN/(jKA)

式中：j——电流密度，根据容量大小可按2～2.5A/mm2选取；KA——窗口填充系数，约为0.4～0.5

铁芯截面积与窗口面积的乘积关系如下式所示：

SA＝UI/(4.44fBjKsKA×10-4)

由上式可知，根据电抗器的容量UI(＝ΔULIn)值，选用适当的铁芯使截面积SA的积能符合上式的关系。

为了使进线电抗器有较好的线性度，在铁芯中应有适当的气隙。调整气隙，可以改变电感量。气隙大小可先选定在2～5mm内，通过实测电感值进行调整。

参见附图3，本发明的控制方式是将控制冷凝风机和压缩机的变频器通过共母线的形式，集成在一个箱体内部。通过RS485通讯接口分别控制冷凝风机和压缩机的运行。将控制冷凝风机和压缩机的变频器通过共母线的形式，集成在一个箱体内部能使其具有双路电机控制和输出功能。通过RS485通讯接口实现冷凝风机和压缩机的分别控制。

继续参见图3，变频器设计有8路数字输入，2路数字输出，1路继电器输出，和2路模拟输入。用变频器的数字输入端来实现空调系统的压力检测和控制，用变频器的模拟输入端可对空调系统的温度阻值进行数据处理，用变频器的继电器输出端可实现空调系统制冷制热转换控制，这样大大减少了外围控制器件。

参考图4，本发明采用辅助电加热控制和输出。通过变频器的数字端子来控制单管IGBT的开关，将直流电加给PTC电阻，传统的触点开关改为无触点开关。这样能大大延长电路的使用寿命，提高工作可靠性。

试验证明，随着清洁能源车辆的不断发展，电动车、混合动力车的数量逐年增加，而本发明提供变频器带动的空调系统制冷、制热效果好，同时比传统机械压缩机空调系统能耗低，因此，此变频器对整个汽车空调行业都有很大的社会效益和经济效益。

Claims (10)

1.一种空调变频器，包含充电部分，其特征在于，所述空调变频器还包含空心电抗器，该空心电抗器耦接于电源和所述充电部分之间；变频器内制辅助电加热控制和输出。

2.根据权利要求1所述的空调变频器，其特征在于，所述充电部分主要由缓冲电阻R和与该电阻R并联的继电器RL、大电解电容C1与C2、电容均压电阻R1与R2，以及及金属膜电容C3组成。

3.根据权利要求1所述的空调变频器，其特征在于，所述空心电抗器的电感量L的计算公式如下所示：

L＝ΔUL/(2πfIn)＝0.04Uv/(πfIn)

式中：Uv交流输入相电压有效值(V)；ΔUL——电抗器额定电压降(V)；In——电抗器额定电流(A)；f——电网频率(Hz)。

4.根据权利要求3所述的空调变频器，其特征在于，所述电抗器铁芯截面积S与电抗器压降ΔUL的关系，如下式所示：

S＝ΔUL/(4.44fBNKS×10-4)

式中：ΔUL——单位V；f——电源频率(Hz)；B——磁通密度(T)；N——电抗器的线圈圈数；Ks——铁芯迭片系数取Ks＝0.93。

5.根据权利要求4所述的空调变频器，其特征在于，所述电抗器铁芯窗口面积A与电流In及线圈圈数N的关系如下式所示：

A＝InN/(jKA)

式中：j——电流密度，根据容量大小可按2～2.5A/mm2选取；KA——窗口填充系数，约为0.4～0.5。

6.根据权利要求5所述的空调变频器，其特征在于，所述铁芯中的气隙大小先选定在2～5mm内，通过实测电感值进行调整。

7.根据权利要求1所述的空调变频器，其特征在于，所述空调变频器内制辅助电加热控制和输出，通过变频器的数字端子来控制单管IGBT的开关，将直流电加给PTC电阻。

8.根据权利要求1所述的空调变频器，其特征在于，所述变频器设计有8路数字输入，2路数字输出，1路继电器输出，和2路模拟输入；用变频器的数字输入端来实现空调系统的压力检测和控制，用变频器的模拟输入端对空调系统的温度阻值进行数据处理，用变频器的继电器输出端实现空调系统制冷制热转换控制。

9.一种电动客车空调装置，包含任意一项上述权利要求中所述的空调变频器。

10.一种电动客车空调装置，包含由如权利要求1所述的空调变频器控制的冷凝风机和压缩机，其特征在于，所述空调变频器通过共母线的形式分别控制冷凝风机和压缩机。

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