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      全直流變頻電動客車空調器的研制

      2017-12-07 11:03:53方金湘
      中國設備工程 2017年23期
      關鍵詞:四通制冷劑變頻

      方金湘

      (湖南岳陽職業(yè)技術學院機電工程系,湖南 岳陽 414000)

      全直流變頻電動客車空調器的研制

      方金湘

      (湖南岳陽職業(yè)技術學院機電工程系,湖南 岳陽 414000)

      本文針對電動客車空調機能效比低、交流電機電磁噪音大的情況,提出直接采用客車上高壓直流電源的永磁直流高效電動機(壓縮機、冷凝風機、蒸發(fā)風機)的方式,對系統(tǒng)設計和產(chǎn)品加工工藝進行了優(yōu)化,實現(xiàn)了電機的高效無級調速,從而達到節(jié)能、噪音低的目的,開發(fā)出滿足客車要求的空調系統(tǒng)。

      能效比;永磁直流高效電動機;無級調速;高效節(jié)能;噪音

      在日益注重環(huán)保的今天,電動車因其在能源安全、環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢,受到了全世界的廣泛關注。尤其是對新一代的純電動環(huán)保型汽車作為未來主要的潛在車型,擁有一套節(jié)能高效的空調系統(tǒng)對開拓市場至關重要。

      目前電動客車空調機普遍采用交流變頻系統(tǒng),電動全封閉臥式渦旋壓縮機、冷凝風機、蒸發(fā)風機都采用交流電機,也有壓縮機采用直流變頻電動全封閉臥式渦旋壓縮,風機采用交流電機的,或風機采用DC24V低壓直流無刷電機,都具有調頻、壽命長等優(yōu)點,但由于以上方案都要使用變頻器,低壓直流無刷電機也要使用逆變器,需要消耗一定的電能,且交流電機的效率比較低,因而導致能效比很難提高。具體表現(xiàn)在:(1)電動壓縮機及風機都要采用變頻器或逆變器,需要一次電源轉換,需要消耗一定的電能,一般轉換效率在92%左右。在電動客車上應用,能耗問題尤為突出。(2)交流電機的效率比較低,最高只能達80%左右,能效不能充分發(fā)揮,同時產(chǎn)生一定的電磁噪音。針對此種情況,對于電動客車研制一款高效節(jié)能、噪音低的全直流變頻空調器非常必要。

      1 直流變頻電動客車空調器組成以及工作原理

      1.1 空調器組成

      針對上述存在的缺點和問題加以改進和創(chuàng)新,提供一種結構簡單、可靠、節(jié)能的空調機組,即直流變頻電動客車空調機組,見圖1,包括壓縮機、四通閥、冷凝器芯、高壓直流冷凝風機、電子膨脹閥、蒸發(fā)器芯、高壓直流蒸發(fā)風機、汽液分離器、微電腦控制系統(tǒng)和制冷劑(R407c)。所述的壓縮機、四通閥、冷凝器芯、電子膨脹閥和蒸發(fā)器芯、四通閥以及汽液分離器通過管道依次首尾相連,組成制冷劑通道,所述的制冷劑通道內填充制冷劑(R407c),微電腦控制系統(tǒng)連接并控制壓縮機、四通閥和電子膨脹閥的運行,其中,壓縮機為直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式壓縮機,工作電源為DC600V,高壓直流冷凝風機、高壓直流蒸發(fā)風機的工作電源均為DC600V,所述的壓縮機采用V型永磁轉子,無磁損、不需磁化,為數(shù)字電機,所述的微電腦控制系統(tǒng)為數(shù)字轉換電路。電子膨脹閥包括脈沖電機開關閥芯,制冷劑為R407c。

      圖1 空調器組成及工作原理

      1.2 工作原理

      制冷循環(huán):高壓直流變頻壓縮機吸入低溫低壓R407c制冷劑,通過客車高壓電源驅動的動靜渦旋盤壓縮為高溫高壓氣體排出,而進入四通閥,通過四通閥后、高溫高壓氣體進入室外換熱器中進行冷卻,成為中溫高壓氣液混合制冷劑,液態(tài)制冷劑通過電子膨脹閥節(jié)流,節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進入室內換熱器汽化,而形成低溫低壓的制冷劑,釋放出的熱量通過室內換熱器和風機傳到室內,從而達到降低室內溫度的目的;低溫低壓R407c制冷劑被吸入到高壓直流變頻壓縮機1中,周而復始,形成制冷循環(huán)。

      制熱循環(huán):高壓直流變頻壓縮機吸入低溫低壓R407c制冷劑,通過客車高壓電源驅動的動靜渦旋盤壓縮為高溫高壓氣體排出,進入四通閥,通過四通閥后、高溫高壓氣體進入室內換熱器中進行冷卻,成為中溫高壓氣液混合制冷劑,而釋放出的熱量通過室內換熱器和風機傳到室內,從而達到提高室內溫度的目的;液態(tài)制冷劑通過膨脹閥節(jié)流,節(jié)流后的液態(tài)制冷劑進入室外換熱器汽化而形成低溫低壓的制冷劑,釋放出的熱量通過室外換熱器和風機傳到室外;低溫低壓R407c制冷劑被吸入到高壓直流變頻壓縮機中,周而復始,形成制熱循環(huán)。

      2 壓縮機的選擇

      壓縮機的性能直接影響系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。壓縮機采用直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式結構,具有振動小、效率高、高可靠性、噪音低、外形尺寸小等特點,降低了運行成本。壓縮機直接采用客車上的DC600V電源,并送至功率模塊,模塊受控制器送來的控制信號控制,把模塊輸出受控的直流電源(無逆變環(huán)節(jié))送至壓縮機的直流電機,控制壓縮機的排量,從而實現(xiàn)無級變排量;壓縮機的直流電機采用了V型永磁轉子,無磁損,不需磁化,使磁力線集中,大大減少了轉換過程中的能量耗損,使壓縮機運行更平穩(wěn)、更安靜、效率更高,比普通空調省電。變頻空調的壓縮機由變頻電機拖動,電源變頻器輸出頻率變化的交流電給電動機,使電動機的轉速可以根據(jù)室內制冷量的需要而連續(xù)變化,最終壓縮機的制冷量達到連續(xù)變化的自動控制,即精確滿足負荷變化。

      為了配合制冷量的連續(xù)變化,制冷系統(tǒng)中采用了電子膨脹閥,由脈沖電機開關閥芯,快速控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量。

      3 制冷劑選擇

      相對R134a,R407c具有較高的容積制冷量,可以減少機組尺寸和重量。下面分別采用R134a和R407c對同一臺渦旋結構壓縮機進行性能測試,見圖2。

      圖2 采用R134a和R407c對同一臺渦旋結構壓縮機的性能曲線

      冷凝溫度為55℃,蒸發(fā)溫度為-10~10℃范圍內,環(huán)境溫度35℃,可以看出同一蒸發(fā)溫度時,R407c的制冷能力大于R134a。同時,它屬于安全環(huán)保制冷劑,由R32、R125、R134a組成的非共氟混合工質,低毒不可燃,屬于安全性制冷劑。

      4 電控系統(tǒng)

      使用直流永磁電動機驅動的渦漩式全封閉臥式壓縮機,屬于高效數(shù)字直流變頻壓縮機,這種壓縮機采用數(shù)字信號控制,實現(xiàn)了壓縮機的低噪音高效運轉,具體表現(xiàn)為:(1) 它摒棄了原有的“直流電壓→交流電壓→變轉速方式交流電機”的循環(huán)工作方式,采用先進的“直流電壓→變轉速方式數(shù)字電機”控制技術,減少電流在工作中轉變次數(shù),使電能轉化效率大大提高。(2)采用數(shù)字電機,數(shù)字電機是指采用數(shù)字脈沖信息控制且轉速非常精確的電機,在電機轉動和改變轉速期間,能夠實現(xiàn)減速加速的完全控制,可以保證風機以最佳方式進行平穩(wěn)安靜地運轉。同時避免了交流電機引起的交流噪音,大大降低了運轉噪音。

      微電腦控制系統(tǒng)以數(shù)字轉換電路代替原來的交流轉換電路,并能根據(jù)環(huán)境溫度變化,精確控制轉速,使壓縮機始終處于最佳運行狀態(tài)。微電腦系統(tǒng)控制變頻壓縮機的同時,控制電子膨脹閥的開啟度,保持適當?shù)闹评鋭┝髁?,從而直接改變蒸發(fā)器中制冷劑的流量,使其狀態(tài)發(fā)生改變,壓縮機的轉速與膨脹閥的開啟度相對應,壓縮機的排氣量與膨脹閥的供液量相對應,使熱度不至于太高,蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮,從而使制冷系統(tǒng)實現(xiàn)最高效率。同時系統(tǒng)設置了有效的接地保護,一旦意外接地,系統(tǒng)會自動切斷高壓電源。

      5 結語

      全直流變頻空調,即空調的三大核心電機(變頻壓縮機電機、室內風扇電機、室外風扇電機)均采用功能強大的直流電機,通過全直流控制模塊整合三大直流電機靈活的調節(jié)優(yōu)勢,再優(yōu)化匹配空調系統(tǒng),將全直流變頻空調卓越的性能發(fā)揮得淋漓盡致。研制的空調機組的優(yōu)點如下。(1)節(jié)能效果明顯提高;(2)運行噪音明顯降低;(3)空調運行更可靠;(4)運行調節(jié)更加精準。成功設計制作出了樣機,為公司開發(fā)了一款新的全直流變頻電動客車頂置空調。經(jīng)過裝車驗證,性能良好。我們將繼續(xù)完善,為電動客車空調的進一步完善開發(fā)打下堅實的基礎。

      [1]金鵬.電動汽車熱泵空調系統(tǒng)試驗研究[J]. 華南理工大學,2015,(5).

      U463

      A

      1671-0711(2017)12(上)-0173-02

      湖南省教育廳課題,在研(2016.6-2018.12),本項目已申報實用新型專利,授權專利號為ZL 2016 2 0401995.7,證書號:第5549444號。

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