變頻器在汽車空調實訓臺架的應用

一、空調制冷系統的運行工況和特性

工況是指確定制冷機運行情況的溫度條件。空調壓縮機的運行工況包括制冷機的轉速、冷凝溫度、蒸發溫度、節流前的溫度以及壓縮機的吸氣壓力、吸氣溫度等。運行工況不同時，將會影響到其制冷量、功耗和制冷系數等技術指標。

空調制冷系統的運行特性是指壓縮機在允許使用條件下運行時，其制冷量和消耗功率與各種運行工況的變化關系。這種關系曲線叫運行特性曲線。從運行特性曲線可知，當冷凝溫度一定時，制冷機的制冷量隨著蒸發溫度上升而增大；當蒸發溫度一定時，制冷量隨著冷凝溫度的上升而減小，壓縮機消耗的功率隨著冷凝溫度的上升而增大。

二、非獨立式汽車空調運行工況與特性

汽車空調分為獨立式和非獨立式兩種。獨立式汽車空調由專用空調壓縮機來驅動制冷壓縮機，多用于制冷量較大的大、中型客車上，非獨立式汽車空調由汽車發動機直接驅動制冷壓縮機，小型客車和轎車都采用此方式。

非獨立式汽車空調機的壓縮機轉速隨著發動機的工況變化而變化，車速是非穩態變化，因此，運行工況是一個非穩定工況。由于冷凝溫度、蒸發溫度、轉速、制冷劑的過冷度以及吸氣壓力都在不斷變化。因此，汽車空調制冷機的性能也是隨之變化的。

圖1所示是汽車空調制冷系統的蒸發器溫度特性。從圖中可知，當冷凝溫度和其他工況不變時，蒸發溫度越低，空調制冷量越小，功耗越大、制冷系數越小。所以為了節能，蒸發溫度不希望調得太低，一般滿足舒適范圍的上限為好。

圖2所示是汽車空調制冷系統冷凝器溫度特性。從圖中可以看出，當蒸發溫度和其他工況不變時，冷凝溫度越高，汽車空調制冷量越小，功耗越大，制冷系數越小。所以，冷凝器安裝位置很重要，距離散熱器不能太近，應留有足夠的間隙。

非獨立式空調壓縮機的制冷特性與發動機的轉速密切相關，而后者又取決于汽車的運行狀況。當汽車高速行駛時，發動機的轉速較高，壓縮機也作高速運轉，壓縮機排量增加，其制冷量和功率消耗都將增加。此時，冷凝器的散熱條件大為改善，冷凝效果好，制冷劑過冷度增大，使汽車空調制冷量增大。相反，當汽車低速行駛，發動機處于低速運轉，壓縮機的轉速亦很低，冷凝條件惡化，制冷量大為減小。汽車停止行駛時，冷凝器的冷凝條件惡化，制冷系數下降，壓縮機吸氣壓力增大，壓縮機功耗增加，發動機怠速負荷加重，會導致發動機和空調制冷系統的過熱，加速了發動機和壓縮機的磨損，縮短了它們的使用壽命。因此，在汽車空調系統中常裝入有怠速繼電器，用以在汽車低速或停止行駛時切斷汽車空調，保護壓縮機。

綜上所述，如果希望汽車空調實訓臺架中的制冷機能夠反映出汽車在高、中、低速和怠速等狀態下的工作狀況，關鍵是空調壓縮機的轉速必須是可以調整的，此時壓縮機在不同轉速下的工作狀態就可反映出汽車在不同車速下，汽車空調的工作狀況。

三、汽車空調實訓臺架的功能與作用

汽車空調的日常維護、保養以及專業維修工作，要求從業人員必須掌握好汽車空調的工作原理和專業維修技能。學校教師在20世紀90年代末期已開始研制出汽車空調實訓臺架，近年來亦購置了一些汽車空調實訓臺架。在汽車空調專業教學中，汽車空調實訓臺架是學生學習專業知識和訓練專業技能所需的重要設備，起到以下作用：一是讓學生認識汽車空調系統中的各元器件性能，掌握系統組成結構、工作原理和工作流程。二是學生可通過在臺架上的專業訓練，學會對空調系統和元器件的維護保養知識，掌握空調系統（元器件）故障的檢測、排除專業

技能。

汽車空調實訓臺架的優缺點：其中一款空調實訓臺架是采用了汽車發動機作動力的形式，帶動空調壓縮機運轉，可反映出汽車在各種轉速下，壓縮機的運行工作和特性，真實反映出汽車空調制冷效果。但該機存在教學成本不斷增大（汽油價格不斷上升），污染環境和噪聲大的缺點，不符合當前的環保、低碳、節能型社會發展要求。其他的空調實訓臺架（普遍類型）是采用三相交流異步電動機作動力，帶動壓縮機運轉。具有安靜、平穩、經濟、性價比好的優勢，但由于電動機的轉速是不變的，故空調壓縮機的轉速亦是固定不變，空調機的制冷只有單一效果，所以不能很好地反映出汽車在各種運行狀態下，空調機的運行工況和制冷效果。

針對汽車空調實訓臺架的不足之處，我們需要對汽車空調實訓臺架進行技術改造，以適應形勢的發展和教學的需要。

四、變頻器在汽車空調實訓臺架的應用

1.變頻調速工作原理

調速是工業電氣自動化技術的重要組成部份。而機械調速都是通過電動機來實現的。電動機有直流電動機和交流電動機兩種，直流電動機的調速容易實現，但結構復雜，維護保養繁瑣。交流電動機的調速經歷了定子調速、變極調速、滑差調速等方式和滑差電動機、繞線式電動機、同步電動機等，但都存在缺陷或不足。直至20世紀80年代，隨著微電子技術、信息技術和電力電子技術的發展，研制推出了交流電動機最好的變頻調速技術，它以優異的性能取代了其他交流電動機調速方式，成為電氣傳動的中樞。

變頻調速技術是一種以改變電動機頻率和改變電壓來達到電動機調速目的的技術，根據交流異步電動機的轉速表達式：

n=60f／p（l-S）=no(l-S)

式中：n—異步電動機的轉速 f—異步電動機的電源頻率

S—電動機轉差率 p—電動機極數

從上式看，交流異步電動機的轉速n取決于電機的極數和頻率，而電動機的工作原理決定電動機的極數是固定不變。由于該數值不是一個連續的數值（為2的倍數，例如2、4、6），所以一般不適合和通過改變設值來調整電動機的轉速。在極數p不變時均勻地改變電動機定子的供電電源頻率f，可以連續改變交流異步電動機的同步轉速n。（n。=60f／p）。由于穩態時轉差率S很小（S=0.03～0.05），即可連續改變電動機轉速n，從而達到平滑調節電動機轉速的目的。另外，頻率能夠在電動機的外面調節后再供給電動機，這樣電動機的旋轉速度就可以自由控制。因此變頻調速具有很好的調速性能，是一種理想的高效率、高性能的調速技術。

2.變頻器及其工作特點

為實現異步電動機的變頻調速，關鍵在于要有頻率可調的變頻電源，提供給為調速的電動機。現行的供電系統輸送的是恒頻交流電源，因此，要實現電動機的變頻調速，需要能同時改變電壓和頻率的變頻裝置，該裝置稱為變頻器。

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電動機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電能控制裝置。它由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成，是變頻技術的核心。變頻器通過改變電源的頻率達到改變電源電壓的目的，根據電動機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，從而達到調速、節能的目的。變頻器的應用具有啟動電流小，啟動轉矩大的工作特點，能實現對交流異步電動機的軟啟動和變頻調速，以及改變功率因數，提高運轉精度。

3.變頻器在汽車空調實訓臺架的應用

變頻器能實現對交流異步電動機的軟啟動，變頻調速、改變功率因數。具有過流、過壓、過載保護等功能，將其應用于以三相異步電動機作動力源的汽車空調實訓臺架，如圖3所示，實行變頻調速控制，可使空調壓縮機工作在不同速率下真實地反映出汽車空調的工作工況。

圖3

如圖3所示，可通過設定和調整變頻器的頻率來改變三相交流異步電動機的電源頻率，達到改變電動機轉速的目的，使汽車空調壓縮機的速率發生變化。當提升頻率時，電動機轉速提高，汽車空調壓縮機高速運轉，輸出功率增大，制冷量增大（相當于汽車高速狀態下的空調工作狀況）；反之，降低頻率時，電動機轉速降低，壓縮機低速運轉，抑制了壓縮機輸出功率，制冷量減小（即汽車低速下的空調狀況），從而解決了空調實訓臺架的壓縮機只有單一轉速，不能全面地反映汽車空調工作的問題。

變頻器作為一種高新技術產品，應用于汽車空調實訓臺架上實現對空調壓縮機運轉速度的控制，既滿足了教學的要求，達到教學目的，又具有經濟、降噪、降耗的效果（節約汽油產品的損耗，在電動機運行中節能省電，延長壓縮機使用壽命），適合當前社會倡導的節能、環保、經濟發展的需求。

（作者單位：廣東省肇慶汽車技工學校）