变频技术的车载制冷系统设计与应用 本文关键词：变频，制冷系统，设计，技术
变频技术的车载制冷系统设计与应用 本文简介：摘要:针对车载制冷需求，为节能降耗，降低定频空调的用电冲击影响，满足特种车温度控制要求，设计了基于变频技术车载制冷系统，并在某车载平台中应用。变频制冷系统的应用，有效降低了启动瞬间对车载供电系统的冲击影响，提高了目标区域的制冷效率，温度控制精准且波动范围小，对车载环境的温度控制与调节设计具有重要意义
变频技术的车载制冷系统设计与应用 本文内容：
摘要:针对车载制冷需求，为节能降耗，降低定频空调的用电冲击影响，满足特种车温度控制要求，设计了基于变频技术车载制冷系统，并在某车载平台中应用。变频制冷系统的应用，有效降低了启动瞬间对车载供电系统的冲击影响，提高了目标区域的制冷效率，温度控制精准且波动范围小，对车载环境的温度控制与调节设计具有重要意义。
关键词:车载;变频;调速;温度;制冷
车载环境为设备和人员提供移动的活动空间，需要适应复杂甚至苛刻的自然环境，车载设备尤其是高精尖仪器设备对环境温湿度要求较高，这样才能保证其良好的工作状态。同时，随着人性化工作环境要求的不断提升，对车载系统制冷能力也提出了更高的标准和要求。目前，车载制冷系统多采用定频压缩机来进行制冷，对温度变化大的外部环境适应能力差［1］。通过控制压缩机启停数量、时间间隔来实现制冷能力的调节，导致制冷目标区域温度波动较大，空调机组制冷能力浪费。压缩机频繁启动对车载供电系统冲击较大，能耗损失严重，同时也降低空调压缩机的使用寿命［2］。基于变频技术的特装车制冷系统，通过控制转速，实现空调制冷量微调节，减少了温度控制超调，实现了车载目标区域温度恒定，满足了车载仪器设备温湿度环境及人员舒适性要求［3－4］。
1制冷系统的组成及控制策略
1．1主要组成部分及原理
制冷系统主要由制冷控制柜、变频控制器、变频电机、空调压缩机、冷凝风机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、传感器和电缆网等组成。控制单元通过传感器感知外部温度变化，按照制冷控制策略，通过变频控制器控制变频电机运行，变频电机带动空调压缩机实现制冷系统的正常运行。在制冷运转时，低温、低压的制冷剂蒸汽，由压缩机压缩成高温高压的蒸汽，通过风冷式冷凝器放出热量，冷凝为高压饱和液体，然后经过膨胀阀节流降压进入蒸发器中，并在其内部进行沸腾，通过汽化吸热与回来的热空气进行热交换。被冷却降温的空气由离心风扇吸入，再通过风道送入，完成内通风冷却循环，使温度降低。同时，湿度也因冷凝水的排出而降低。
1．2系统控制策略
制冷系统设计具备手动控制和自动控制两种控制模式。手动控制模式即通过操作人员监测制冷控制柜面板温湿度显示装置，判断是否启动制冷系统，并设置变频电机的运行速度。自动控制模式以控制单元为核心，通过预先布置的传感器识别环境温度，与目标温度进行对比，当环境温度超标时，启动制冷系统，控制单元还根据环境温度与目标温度的差值合理设置变频电机的转速，确保空调压缩机高效运行。
2制冷系统电控设计与实现
2．1系统组成及工作原理
系统主要由控制单元、变频电机、制冷控制柜(主要由显示屏、开关、指示灯、接触器、断路器等组成)、温湿度传感器以及压缩机、冷凝风机、循环风机等部件组成，其系统电控设计原理如图1所示。图1中，控制单元接收制冷控制柜的温湿度和报警信号，按照制冷控制策略，通过0～5V电压信号控制变频器输出，实现自动模式变频制冷。另外，在制冷控制柜面板上可手动操作变频控制器的数字操控面板，通过ＲS232通信控制变频器输出，完成变频制冷的控制过程。自动模式下变频电机可以实现0～3000r/min的无级自动调速，手动控制模式根据实际使用需求，设置了7档变频器输出可调节范围，实现了手动操作模式下的500～3000r/min的变频调速控制。
2．2系统软硬件设计及实现
2．2．1变频控制器选型及应用设计变频控制器基本组成如图2所示，主要由整流电路、滤波电路、驱动电路、保护电路、控制电路以及操作面板和指示灯等组成。变频控制器可以把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，从而实现对电机变速运行的控制。变频控制器选用时光科技公司的IMS－GL系列变频控制器，额定输出功率为7．5kW，其由微处理器控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。应用脉冲频率可选专用脉宽调制技术，使电动机低噪声运行，具有很高的运行可靠性和功能多样性。32位微控制器对电机进行全数字化控制，采用IMS伺服控制器专用的QMCL语言，支持用户自行编写控制程序，丰富的数字量、模拟量输入和输出功能，可以实现对电机转速、输出转矩的高性能控制。它具有12路数字量输入、8路数字量输出、2路模拟量输入、2路模拟量输出、支持脉冲列输入、支持ＲS232C和ＲS422/ＲS485通信协议，可以满足系统使用要求。2．2．2变频电机选型及应用设计变频电机为变频制冷系统的关键设备，按照制冷量需求，变频电机功率应不小于5．5kW。为保证执行任务的可靠性，本文选用额定功率6kW的变频电机，通过联轴器直连压缩机，为空调压缩机提供动力。变频电机主要参数如表1所示。2．2．3制冷控制柜制冷控制柜具备手动控制功能:通过手动按钮、旋钮实现执行机构的操作，来完成制冷控制流程;采集空调机组各执行机构的保护信号，实现故障报警;完成对各类温湿度数据的采集和显示，同时将数据信息与控制单元实时交互。制冷控制柜内部包括温湿度数据采集控制板、断路器、电源远程控制器、接触器、继电器、熔断器以及按钮、指示灯等。2．2．4控制单元采用英飞凌16位单片机作为核心处理器，具有指令响应速度快、采样精度高和性能稳定等优点。控制单元设有12路电压、12路电流信号模拟量采集功能，具有16路开关量输入监测和16路开关量输出控制功能，具备双路CAN2．0B总线、双路ＲS232通信及串口程序下载功能，8路0～5V模拟量信号输出功能，具备远程实时数据采集、状态监控和故障预警等监测保护功能。
2．3系统控制策略设计及实现
2．3．1变频制冷控制策略设计按照车载设备使用要求，环境温度范围为15～25℃，由于温度变化惯性较大，为确保满足温度控制不超标，变频制冷控制策略设计如下:(1)当压缩机处于停机状态、自动控制模式时，如果自动控制程序检测到温度实际值超出目标范围，需启动制冷流程，将平稳启动压缩机至500r/min。(2)这里定义ΔT导向为回风实际温度值减去目标温度值，目标值设定为20℃。图3温差与转速关系曲线当ΔT≥6℃时，压缩机运行在允许的转速3000r/min;当1℃≤ΔT＜6℃时，压缩机的运行转速与温差的关系曲线如图3所示;当0．5℃≤ΔT＜1℃时，压缩机在最小转速500r/min运转;当ΔT＜0．5℃时，压缩机停机。压缩机工作过程中，转速的降低/升高按5400r/min的速度变化。2．3．2系统软件设计控制单元选用变频控制软件运行于控制单元，处理器选用高可靠16位英飞凌XC164芯片，采用C语言模块化编程方式设计，主要包括温度数据采集、变频控制、故障报警监测、保护控制、CAN总线通信和工作模式管理等。其中，变频控制通过采集环境温度信息、变频电机转速信息，与目标温度进行对比，设定变频电机转速信号，计算并不断调整变频电机转速，实现变频调速控制。软件设计流程如图4所示。
3系统功能及应用
3．1系统功能
基于变频技术的制冷系统，具备了车载空调的手动/自动双冗余控制模式:手动控制模式，通过操作人员识别制冷需求，手动操控制冷系统完成温度保障要求;自动控制模式，通过实时监测目标区域环境温度变化，与目标温度进行对比，通过变频控制器对变频电机进行调频控制，制冷压缩机变转速运行，实现制冷过程的微调节，以最小能源消耗维持温度平衡。变频控制器的应用，改变了电源的输出功率，控制了压缩机电机的转速，可根据环境温度变化和实际制冷需求来调整压缩机转速。通过精确控制制冷量，减少温度控制滞后或超调，实现特装车目标区域温度恒定，满足车载仪器设备温、湿度及人员舒适性要求。变频技术的应用还可有效减少压缩机的启停次数，降低对车载供电系统瞬态启动冲击，节省能耗［5］。
3．2应用优势
通过在某型特装车实际应用，基于变频技术的制冷系统，实现了车载空调的无级调速，提高了制冷效率，同时又避开了启动时对车载供电设备的大电流冲击，使供电系统压降不致过大，保障了同一供电线路上其他设备的正常运行。车载变频制冷系统的应用特点如下:(1)变频制冷正常使用频率将低于50Hz，节约能源，提高效率。(2)变频控制通过连续运行方式，有效降低压缩机启动次数，减少启动过程能源消耗，延长设备使用寿命。(3)变频控制根据温度变化调整输出功率，以最小的功率改变压缩机转速，维持温度恒定，提高了空调制冷运行效率，节约了能源。(4)由于转速降低，制冷剂流量减慢，管阻减小，压缩机机械磨损降低，改善了润滑系统使用工况。(5)变频电机是软启动和慢减速，启动和减速非常平稳，提高了设备运行的安全性和可靠性。
4结束语
基于变频技术的特装车制冷系统，能够实时采集环境温度变化，调整空调压缩机转速，减少了压缩机启动次数，有效降低了对供电系统的冲击。采用控制算法微调节制冷量，维持目标环境的温度稳定，提升了能源利用效率。同时，由于减轻了启停冲击，提高了设备运行的安全性和可靠性，延长了设备使用寿命。系统操作简单，控制稳定，性能良好，在车载环境保障需求领域具有广泛的应用前景。
参考文献:
［1］张少军，杜金城．交流调速原理及应用［M］．北京:中国电力出版社，2003．
［2］马智民．一种新型稳车变频调速集控系统的设计［J］．工矿自动化，2009，37(8):116－118．
［3］额尔巴登图，张开阳，江俊杰．变频空调技术的应用与发展研究［J］．建筑与预算，2017，40(1):24－27．
［4］肖滋洪，匡美娟，郑永腾．车辆变频空调节能技术探索与实践［J］．电力机车与城轨车辆，2017，40(6):64－66．
［5］常道扬．防止机车空调运行过载的方法探讨［J］．铁道机车车辆，2017，37(4):103－106.
作者：许宝立 李瑞夫 朱小波 杨琰 单位：北京航天发射技术研究所
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