电动空调压缩机专用逆变系统设计

孙烨　许海阳　王凤琴

摘 要：电动空调压缩机专用逆变系统是机电一体化产品。其逆变器依据正弦波脉宽调制（SPWM）技术，主电路采用IGBT（绝缘栅门极双极性晶体管）模块，逆变管采用电力场效应晶体管。控制电路采用了数字集成电路。实现将电动汽车内的直流电压变换为电压、频率可调的三相正弦交流电压，带动压缩机运转。关键词：电动空调;电压缩机;正弦波脉宽调制（SPWM）中图分类号：U463.85+1  文献标识码：A  文章编号：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，以纯电动及混合动力汽车为代表的先进技术汽车以其良好的环保、能源特性开始成为国际汽车工业发展的潮流和热点之一。在这样的背景下我们开始研制由高压电直接驱动的空调系统（简称电动空调）。

考慮到国内、外成熟的电压缩机普遍采用三相电驱动形式，而车载电池组提供的为高压直流，故必须通过某种介质将直流电转换为三相电驱动压缩机，这种介质即通常所说的逆变器。

1 专用逆变系统的设计

电动空调与普通空调器的主要区别在于压缩机由斜盘式或活塞式更换为全封闭电涡旋式，并添加了逆变器。电动空调的微电脑随时收集车内环境的有关信息与内部的设定值比较，经运算处理输出控制信号。可以实现对机组进行自适应模糊控制，达到快速制冷（制热）及节能工作的目的。逆变器的工作原理如图1所示。由车辆提供的直流电源，送到功率模块（大功率晶体管开关组合IGBT）;同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源（合成波形近似正弦波），逆变器能使压缩机电动机的转速无级连续可调，其转速是根据车内空调负荷而成比例变化的。当车内需要急速降温（或急速升温），空调负荷加大时，压缩机转速就加快，制冷量（或制热量）就按比例增加;当达到设定温度时，随即处于低速运转维持车内温度基本不变。这样可使运行更加可靠、人性化。

2 正弦波脉宽调制技术的基本原理

在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效应基本相同。

上述结论是脉宽调制（PWM）控制的重要理论基础。

把图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个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，即各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图2（b）所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。象这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。

在SPWM波形中各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。

3 车载逆变系统设计

针对我公司12米客车冷暖变频顶置空调机组设计的逆变系统进行分析。

3.1 车载逆变系统设计注意事项

此逆变系统专用于电车车载压缩机的启动和运行，采用脉宽调制方式，变频变压（VVVF）输出。主电路必须专门针对电车电网设计，能在频繁的浪涌电压、电流下可靠工作，并能实现压缩机的柔性快速启动和变速运行。

设计要求：

（1）恒扭矩启动。

（2）使用新型电力半导体器件IGBT，高频脉宽调制工作方式。

（3）体积小、重量轻、效率高，节约安装空间。

（4）防水防尘，产品防护等级至少达到IP54。

（5）完善的功能设计。

（6）50℃环境温度连续运行，专门针对电车恶劣环境设计。

3.2 性能参数

额定输入：600VDC

输入额定电流：20A

额定输出：三相/380V/50Hz

适配电机：380V/50Hz 三相交流异步感应电机

输入输出特性（稳态）：

U_I>335V_DC时U_O= 380V/50Hz（高端稳压）

U_I<335V_DC时U_O/f=380V/50Hz（低端降频）

环境温度：-25℃～+50℃;

过压保护：>750VDC关闭

欠压保护：<240VDC关闭;

低压监测：>22V启动、<20V关闭

短路保护;过热保护;浪涌防护;缺相保护。

3.3 电控系统设计

逆变器电路如图3所示：

各个端口的功能如下：

J1、J3和J4端口：分别输出六个IGBT单元G1～G6的PWM驱动脉冲。

J2端口：为IGBT集电极（短路）检测。

J5和J6端口：输出电流采样端。通过电流反馈实现限流。

J7端口：可控硅驱动端。

J8端口：高压输入采样端。

J9和J10端口：分别接风机1和风机2。

J11端口：接热敏电阻。热敏电阻检测散热器温度，散热器温度大于45℃、小于80℃时，风机正常工作。散热器温度大于80℃时，变频器热保护停机。

J12端口：控制端口。

3.4 工作原理

高压加电后，输入电压经输入电抗器L1和预冲电路对输入滤波电容C1-C2-C3-C4进行充电，充电完成后，半控桥D1中的可控硅触发导通，输入电压完全加到输入滤波电容C1-C2-C3-C4上。R1-R2-R11-R12为C1-C2-C3-C4的均压电阻，电抗器L1可有效抑制输入浪涌电流，半控桥D1中的二极管可防止输入端反接。

六个IGBT单元G1-G6组成变频器的逆变回路。控制电路的核心是单片计算机，单片机根据正弦脉寬调制规律控制六个IGBT单元G1～G6的导通、关断，从而将直流电压变换为所需频率的交流输出电压。

3.5 工作方式

接通低压电源后，控制电路检测网压正常（240V～750V），则开始启动过程。

启动过程：逆变器启动时从零频率零电压开始逐步增加输出电压和频率，启动过程中电源频率同步增长（见图4启动特性），约三到四秒钟达到额定电压和频率，完成启动过程，之后进入电压和频率不变（等于额定值）的稳定工作阶段。

3.6 逆变器控制系统设计

针对不同电压缩机的运行特性，我们提出了个性化的控制方案。以美国谷轮公司的变速卧式涡旋压缩机为控制对象，来简述逆变器控制系统设计。

谷轮电动压缩机被广泛运用在铁路、轻轨、地铁等多种领域，是一种成熟的车载压缩机选配方案。此款压缩机可在35～75Hz频率范围内运行（图5），在35～60Hz范围内，压缩机运行电压值是运行频率值的7.67倍，在60～75Hz范围内，电压保持定值460V，使电压值严格遵守这些指导的变化可以有效防止电机饱和过热。

有了压缩机的频率电压曲线图，就可以根据压缩机运行特性设计逆变系统控制方案。

由图5可知，压缩机的运行频率区间为35～75Hz，由于采用的控制器为3线（S1、S2、S3）控制方案，根据电压和频率的关系，可以将运行区间人为的划分为8个部分（表1）。以制冷为例，当空调开启后，为了使车内温度在最短时间内达到设定温度，控制器按照（0 0 0）的控制模式发出电平信号给逆变器，逆变器驱动压缩机在（75HZ，460V）状态下高速运行;当车内温度等于设定温度时，控制器按照（100）的控制模式发出电平信号给逆变器，逆变器驱动压缩机在（50HZ，384V）的状态下以额定转速运行;若此时的制冷量大于车内的热负荷，由于惯性作用，车内温度继续降低，按照回风温度0.5℃的解析度，顺次使控制器发出信号，驱动压缩机在更低的转速下运行，制冷量成比例下降，从而维持一种动态的平衡，以此达到“不停机”的目的;反之亦然。

通过上述逆变器运行响应设计，空调在最短时间内发挥出了最大的效率，节能效果相当显著。

3.7 辅助设计

为了在逆变器出现故障时，及时判定故障原因，添加了故障指示灯报警（表2）。

4 结论

正是由于我公司成功开发了车用电压缩机逆变控制系统，才使得电动空调产品成功推向市场。电动空调电器原理图（图6）。

参考文献

[1] 王运朋.实用汽车空调技术[M].广东科技出版社，1995.

[2] 陈国呈.PWM变频调速技术[M].机械工业出版社，1999.

[3] 李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M].科学出版社，2000.