十二空调系统的控制

幻灯片1第十二章现代车辆设备新技术讲座之一

ﻫ空调系统的变频控制幻灯片2第一节车辆空调自动控制原理车辆空调自动控制系统主要采用闭环调节系统，其中温度传感器(测温元件）装于车体回风道口内，用以测量客室空气温度，并通过温度调节器自动控制制冷或加热装置的工作模式，从而保证客室温度满足要求。幻灯片３车辆空调闭环调节系统的原理方框图干扰设置温度空调客车空调客车制冷设备

加热设备制冷设备

加热设备控制器控制器测温元件测温元件反馈温度反馈环节反馈环节幻灯片4一、车内加热工况的调节对加热系统制热量的调节方法调节制热装置调节加热器工作的数量和工作时间调节通风系统调节通风机转速调节风道系统风门幻灯片5车内加热设备工作原理示意图温度计调压器电子

开关电子

开关ｕ加热电阻丝～电源原理图幻灯片6客室温度的双位调节过程图（加热工况）ﻭ加热器工作加热器工作加热器停止加热器停止幻灯片7室温双位调节的过程分析接通电源之后，由于调节对象在τ秒中这段时间,室温仍维持初始温度不变,然后开始按调节对象的上升曲线上升。当室温上升至整定温度Q+ε（动差值）时，调节器将加热器切除。停止加热.但温度的上升有滞后现象,因而继续升温τ秒后才开始下降。当室温降至下限值Q-ε时，调节器动作，接通加热器进行加热.幻灯片８因滞后的原因，延迟τ秒后方按上升曲线升温。继而重复前述过程.形成周而复始的振荡。由此可见，室温双位调节的特点是：调节机构构只能有两个极端位置(加热或切除）。调节系统向调节对象输出的能量只有最大值和最小值两个状态.室温在整定值上下波动,不能保持稳定的数值，属于等幅振荡过程。幻灯片9二、制冷工况的调节对制冷系统制冷量的调节方法调节制冷系统蒸发温度和冷凝温度的调节压缩机的工作和转速调节通风系统调节通风机转速调节风道系统风门幻灯片10现代车辆空调装置常采用控制制冷系统的压缩机和通风系统的通风机的工作状态或改变转速的方法来调节制冷量。幻灯片11第一节完幻灯片12第二节空调变频控制原理幻灯片13一、为什么要采用变频变压(ＶVＶF）技术①通过调节电源电压和频率可以实现交流电机转速的改变，达到调节空调机组制热、制热工况的要求;②可以实现空调装置中电机的软启动。幻灯片141、电机的调速方法交流电源输入中间传动机构终端机械直流输出直流调速装置直流电机皮带轮、齿轮箱等风机、压缩机交流输出交流调速装置交流电机执行机构幻灯片1５交流电机的调速方法种类与特点调速方式名称控制对象特点变极调速交流异步电动机有级调速,系统简单，最多４段速调压调速无级调速，调速范围窄电机最大功率下降，效率低系统简单,性能较差转子串电阻调速变频调速交流异步电动机交流同步电动机真正无级调速，调速范围宽电机最大功率不变,效率高系统复杂，性能好可以和直流调速系统相媲美幻灯片16变频调速的发展历程7０年代80年代60年代9０年代00年代Ｖ/F控制无速度矢量控制电流矢量V/F电机控制算法算法优化矢量控制ＩGＢT大容量化功率半导体技术更大容量更高开关频率IＧBTSＣRGTR更高速率和容量高速ＤＳP专用芯片单片机DSP计算机技术PWM优化新一代开关技术空间电压矢量调制技术ＳPWM技术ＰＷＭ技术ＰWM技术大功率传动使用变频器，体积大，价格高未来发展方向完美无谐波超静音变频器开始流行解决了GTR噪声问题变频器性能大幅提升大批量使用，取代直流变频器体积缩小，开始在中小功率电机上使用如:矩阵式变频器幻灯片1７变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）序号优点1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量,确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度３无级调速,调速精度大大提高4电机正反向无需通过接触器切换5非常方便接入通讯网络控制,实现生产自动化控制幻灯片１８2、电机的软启动电动机在启动时,存在7倍左右的电流冲击，如果不采取软启动方式，车辆电源必须至少有7倍以上的额定容量,同时车辆电源也要承受较大启动电流的冲击。幻灯片１9电动机特性电动机有两个基本公式:U=ＣeΦfﻩ （１)M=CｍΦiﻩﻩﻩ(2）可以看出：电压U降低而频率保持不变,则磁通Φ减小，磁通Φ减小，必然要增大电流才能保证启动转矩。幻灯片２0如果能做到启动电流较小或基本与额定电流一样，则比较经济而且可靠性高。采用输出电压（Ｖ）和输出频率(f）同时变化并保证V／f=C(常数)即可实现软启动。幻灯片21几种启动方式之间的比较

可见：变频变压是实现电机软启动比较理想的方法幻灯片22二、变频装置的基础知识1、PＷＭ(PuｌseWidｔhModerａtiｏn)调制利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频率可变的电压脉冲列。中间部分较宽,越向两侧越窄。等效波形等效波形Ut幻灯片２３脉宽调制（PWＭ)示意图正常输出调压(通断周期不变，调整通断时间的比例）调频(通断时间的比例不变,改变通断周期)幻灯片２42、SPWM调制:采用三角波和正弦波相交获得的PＷM波形直接控制各个开关，可以得到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的、呈正弦变化的输出脉冲电压,能获得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同。幻灯片25SPWＭ调制原理图载波载波ＳPWＭ调制幻灯片２６３、脉宽调制关键技术①电子开关元件（IＧBＴ、ＩPM)②开关频率③变频控制方法（V/F控制、矢量控制）幻灯片27①电子开关元件IGBT、IPMＩGＢT是MOSFＴＥT和ＧTＲ复合的产物,具有GTＲ的导通特性和MＯＳＦET的驱动特性,驱动简单、功率小，开关频率高通态压降低、损耗功率小.IPM是一种智能型模块，是把IGＢT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。幻灯片２8IGＢT功率模块图IGＢＴ或IPM内部都集成了续流二极管ﻭ幻灯片2９IPM智能功率模块

IGBTIGBT驱动电路过流保护过热保护欠压保护内部结构示意图外形图幻灯片30IＧBT和IPM分为单单元和双单元两种：单单元:指一个模块包含上下桥臂的一个ＩGBT(或IＰM)双单元：指一个模块包含上下桥臂的两个IGBＴ（或IPＭ)6只单单元器件或3只双单元模块可构成三相逆变器的主电路。幻灯片３1②开关频率在脉宽调制情况下,单位时间内(1S）基波的周波数叫做工作频率，在单位时间内（１S)一个功率电子元件的开关次数叫“开关频率"。幻灯片３２③变频控制方法一：V／F控制简单实用，性能一般,使用最为广泛只要保证输出电压和输出频率恒定就能近似保持磁通保持恒定。例：对于380V５０Ｈz电机,当运行频率为４０HＺ时,要保持Ｖ/F恒定，则4０HZ时电机的供电电压：３８0×(40/５０)=30４V低频时,定子阻抗压降会导致磁通下降，需将输出电压适当提高。幻灯片３3④变频控制方法二：矢量控制性能优良，可以与直流调速媲美，技术成熟较晚模仿直流电机的控制方法,采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制,保持电机磁通的恒定，进而达到良好的转矩控制性能,实现高性能控制。性能优良，控制相同复杂，直到9０代计算机技术迅速发展才真正大范围使用.幻灯片３４三、变频装置变频装置是交流电气传动系统的一种，是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称ＶVVF(ＶａriａbleVoltａｇｅＶariａｂleFｒeｑuency）.幻灯片３5变频装置的工作原理MM整流部分整流部分储能环节储能环节～～逆变部分逆变部分交流直流直流交流控制系统控制系统整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦幻灯片３６变频器的电路结构框图中间直流储能部分中间直流储能部分制动部分制动部分缓冲回路缓冲回路逆变部分逆变部分４32561８控制信号输入设备７整流部分整流部分控制电路控制电路输入设备输入设备幻灯片3７变频器主要构成环节和作用类别作用主要构成器件主回路整流部分1将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分2将直流转换为频率电压均可变的交流电，输出无相序要求ＩGBT制动部分３／４消耗过多的回馈能量,保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT和制动电阻，大功率制动单元外置上电缓冲6降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合,而后变频器允许运行限流电阻和接触器储能部分５保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路输入设备７对变频器参数进行调试和修改,并实时监控变频器状态MCU（单片机)控制电路8交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护ＤＳP(或两个MCU）幻灯片3８变频器辅助环节构成与作用类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度,确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走,有直流风扇（2４Ｖ)和交流风扇两种幻灯片３９小型变频器的构成（包括用户接口）控制回路接口开关量输入开关量输出编码器接口控制回路接口模拟量输入模拟量输出通讯接口主回路接口幻灯片４0第二节完幻灯片41第三节空调变频装置实例介绍幻灯片42CRＨ2动车组空调装置控制采用变频控制。变频装置内置于空调装置内，通过将显示设定器的温度设定值与温度传感器的检测值进行比较,可对压缩机及室内、室外风扇的运行进行控制。幻灯片4３一、变频装置的组成单元和功能ﻫ１、变频装置的组成：变频器电容器交流电抗器直流电抗器限流电阻器(CHR1、2）接触器(ＩVＫ、ＣHＫ）构成。幻灯片４4变频器的主要部件表单元名称部件名称数量变频器单元IPM二极管模块控制板电源板（含门电路）ＡVR（控制电源)5３1２1电容器单元铝电解电容器浪涌吸收器同上用熔断器621接触器盘电磁接触器(IVK、ＣHK）限流阻抗器继电器２22交流电抗器(AＣL）交流电抗器1直流电抗器（DCL）直流电抗器1幻灯片４5２、主要组成单元的基本功能幻灯片46㈠变频器单元变频器单元具有用于空调机的一个斩波电路和两个倒相电路。其中：将驱动压缩机的倒相电路称为VVＶF；将驱动室内外风扇的倒相电路称为CVCＦ。幻灯片47变频器单元功能①进行AC/DC转换及DC／AC转换。②由斩波器电路对不稳定的电源进行恒压控制,获得稳定电压。③通过空调显示设定器的温度设定值与温度传感器的检测值,进行变频器的输出电压控制和输出频率控制。④向空调显示设定器输出运行状态、故障信号。幻灯片4８（2)电容器①抑制外来浪涌电流。②限制冲击电流.③使整流后的直流电压及斩波器输出电压平稳.幻灯片49(３)交流电抗器（ＡCＬ）①提高功率因素，提高供电变压器的利用率,抑制供电电源的高次谐波电流。②抑制合闸等浪涌电压，保护变频器的输入电路。③抑制变频器上电时的尖峰电流及发生事故时的电流、浪涌电流.幻灯片50（4）直流电抗器(ＤCL)抑制斩波器输出电流及事故发生时的电流。（5）11５线断路时的动作变频装置停止工作(变频装置的所有功能停止)幻灯片５1二、空调装置的控制原理变频器是内置在空调机内的,通过比较显示设定器的设定温度值与温度传感器的检测值，对压缩机及室内外风扇进行运行控制.幻灯片5２1、空调装置的控制原理框图接

触

器

盘

1接

触

器

盘

1接

触

器

盘

2接

触

器

盘

2变

频

器变

频

器EFEF配电盘配电盘AC400V

50HZAC400V

50HZCFICFI车内温度

传感器车内温度

传感器CF2CF2CP1CP1DC110VDC110VCP2CP2AC100AC100PMPM1号空调装置列车

信息

控制

装置

（终端）列车

信息

控制

装置

（终端）空调

设定器空调

设定器幻灯片53来自主变压器辅助(3次)绕组的电力先供给设在各个车辆上的辅助电路配电盘,经由用于配线的断路器(UN1、UN２)分别连接到No．１空调装置、No．2空调装置的接触器１盘内的电磁接触器IVＫ(用于逆变器）HK１～ＨK３(用于供暖气).幻灯片54２、变频器的主要参数主电路电源输入电压：单相AＣ４０0V+24%、—3７％频率：５0Hz电流：８0．0A（40０Ｖ时)容量:32.０KVＡ幻灯片55斩波器电路参数输出电压:30０Ｖ±５％25５V±5%（斩波器输入电压３１0Ｖ以下）输出电压瞬间波动±１5%以内输出电流80。0Ａ(３00V时)幻灯片５6变频器电路【VＶVF】输出电压输出电压ＡC２0０V±10％（7０Hz时）瞬间波动±15％以内输出电流5４．0A容量18。７ＫＶA3相数3相电压波形正弦波ＰWＭ波形运行频率40Hｚ~70Hｚ负载压缩机幻灯片５7【CVＣF】输出电压输出电压ＡC2０0Ｖ±1０%（60Hz时)瞬间波动±15％以内输出电流24．０A容量8．３ＫVA相数3相电压波形正弦波ＰＷＭ波形运行频率６0Hz、6５Ｈz负载室内／室外风扇幻灯片５８变频装置内部设置的保护电路及参数斩波器输入低电压258V±5%斩波器输入过电压75６V±5%斩波器输出低电压225V±5％斩波器输出过电压36８V±5%斩波器输出过电流243Ａ±5％VＶVF输出过电流205A±5％CＶCF输出过电流102A±5%翅片温度异常１0０℃~120℃幻灯片５93、空调装置接线图ﻫﻭ幻灯片60空调显示设定器由空调显示设定器传送空调控制信号至各个空调装置,空调装置传送空调的状态信号、故障信号至空调显示设定器。ﻭ幻灯片614、空调设备的电源压缩机(ＣP１,ＣP2）：接受单相AC400Ｖ经逆变器变成3相电源４0Ｈz/12０V-—７0Hｚ/2００Ｖ电源供电后运行.室内风扇（EF），室外风扇(ＣF1,CＦ2）采用经逆变器改成3相电源，6０Hz/2００V-６５Hｚ/2１５Ｖ进行运行。电热器（H1,H2，H３)不经逆变器采用单相AC400V进行加热.幻灯片62电器配线从4芯配线用连结器(CN1）供给主电路单相ＡC400V，从27芯配线用连结器（CＮ２)供给控制电路电源。电热器电热器接触器接触器变频器变频器单相AC400V单相AC400V压缩机压缩机室内风扇

室外风扇室内风扇

室外风扇

控制电路电源

DCIOOV

控制电路电源

DCIOOV幻灯片63三、空调装置运行控制运行模式；制冷运行控制采暖运行控制通风运行控制幻灯片64１、制冷运行控制车外新风车外新风在空调装置

车内换热器内

进行

降温除湿处理在空调装置

车内换热器内

进行

降温除湿处理在车内抵消

冷负荷

保证车内

的空气状态在车内抵消

冷负荷

保证车内

的空气状态换气

装置

换气

装置

混合

风道

混合

风道

车内送风道车内送风道车内回风车内回风车内回风道车内回风道废风排出废风排出制冷工况流程示意图幻灯片６5变频器内部工作情况当制冷运行指令从空调显示设定器发出后，逆变器电磁接触器IVK关闭,通过交流电抗器（ACL)、充電电阻（CHR）、开始对逆变器单元内的二极管整流器输出端的电容器进行充电.通过电容器的充电确认，充电电阻的短路用接触器（ＣHK)被关闭，来自主变压器辅助(３次）绕组的单相交流电将直接加压在逆变器装置。幻灯片６６比较空调显示设定器的温度设定值和从温度传感器得到的车内温度,根据设计的6模式制冷运行模式，按照车内温度与6模式制冷运行的关系图.幻灯片６7制冷运行方式表ﻭ幻灯片68控制要点：对压缩机（CＰ1、ＣP2）的控制：OＮ/OFＦ（