AT524810A2 - Verfahren zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Effizienz von Kälteanlagen, wie z.B. Klimaanlagen, Kühlschränke, Gefrierschränke, Tiefkühlkost-Inseln, usw., basierend auf der Verwendung elektronisch gesteuerter hermetischer Kompressoren (51, 59) mit variabler Drehzahl. Die elektronische Steuerschaltung (46, 56) des Kompressors (51, 59) führt einen Algorithmus (49) zur Optimierung des Stromverbrauchs durch, welcher autonom, adaptiv und ohne Temperatursensor arbeitet. Dabei wird jedoch die vom Benutzer eingestellte Temperatur beibehalten und eine schnelle Wirkung beim Auftreten von Störungen erzielt, die den Betriebspunkt auf dauerhaftem Zustand verändern. Die vorliegende Erfindung impliziert einen Wettbewerbsvorteil, indem die Umwandlung einer Klimaanlage der Art Ein-Aus in eine Klimaanlage der Art Inverter ermöglicht wird, indem einfach der Kompressor (43) mit fester Drehzahl durch einen Kompressor (51, 59) mit variabler Drehzahl ersetzt wird, wobei eine elektronische Steuerschaltung (46, 56) hinzugefügt wird, die den Algorithmus (49) zur Optimierung der Energieeffizienz durchführt.

Description

[001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Klimaanlagensystemen der Art Inverter, d.h., Anlagen, die hermetische rotierende Kompressoren mit variabler Kapazität sowohl bei Min-Spiit-Anwendungen verwenden, wenn die Verdampfer- und die Kondensatoreinheiten getrennt sind, als auch bei FensterKlimaanlagen, bei denen Kondensator und Verdampfer im selben Unterschrank integriert sind.

[002] Das Ziel dieser Systeme besteht darın, sobald die zu kühlende Umgebung die gewünschte Temperatur erreicht hat, die Drehzahl des Kompressors zu verringem, damit die vom Kompressor erzeugte Kühlleistung verringert wird. Da die Drehzahl des Kompressormotors in direktem Zusammenhang mit der Kühlleistung steht, d.h, je höher die Drehzahl, desto größer ist die Leistung und umgekehrt; die Strategie, lange Zeit mit niedrigen Geschwindigkeiten zu arbeiten, führt zu einem geringeren Stromverbrauch und damit zu einer höheren Energieeffizienz.

[003] Eine wichtige Frage ist, wie das System in den Zustand niedriger Geschwindigkeit konvergiert.

[004] Gegenwärtige Techniken zur Steuerung von Klimaanlagen der Art Inverter benutzen komplexe elektronische Schaltkreise in der Kondensatoreinheit, die den Kompressor mit mehreren Temperatursensoren steuert, um die beste Betriebsgeschwindigkeit zu bestimmen.

[CO5] Die vorliegende Erfindung benutzt eine Softwaretechnik ohne Temperatursensoren, um die beste Motordrehzahl zu bestimmen und somit den Kompressor im besten Betriebspunkt zu steuer. Die Steuerung der Klimaanlage mit dieser Technik reduziert die Komplexität und Kosten der Klimaanlage und ermöglicht einen

geringeren Energieverbrauch für einen bestimmten Betriebszustand.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

[006] Wie es im Stand der Technik bekannt ist, weist eine Klimaanlage eine Vielzahl von elektromechanischen und/oder elektronischen Vorrichtungen auf, um den Betrieb des hermetischen Kompressors zu steuer, der für das Pumpen des Kältemittels in solchen Anlagen verantwortlich ist. Unter diesen Klimaanlagen werden in einer

speziellen Kategorie hermetische Kompressoren mit variabler Leistung, sogenannte

Belastung für jeden Zeitpunkt des Betriebs variiert werden kann. Die Möglichkeit, die Wärmekapazität zu vanıeren, ist besonders interessant, wenn der Stromverbrauch gesenkt werden soll, denn sobald die von einer Klimaanlage geregelte Umgebungstemperatur den vom Benutzer fesigelegten Referenzwert erreicht hat, kann die vom Kompressor erzeugte Kühlleistung reduziert werden, die in einem stationären Zustand erfolgt, um nur die Wärmeverluste der Umgebung zu ersetzen.

[0071] In einem hermetischen Kompressor kann die Kühlleistung variiert werden, indem die Drehzahl des Elektromotors variiert wird. Aus der gegenwärtigen Technik ist bekannt, dass die von einem hermetischen Kompressor entwickelte Kühlleistung direkt proportional zur Drehzahl des Elektromotors ist; je höher die Drehzahl, desto größer ist die Kühlleistung und umgekehrt.

[008] Der hermetische Kompressor für Anwendungen mit variabler Drehzahl besteht aus elektrischer Sicht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: einem Elektromotor, typischerweise mit Permanentmagneten im Rotor, die als "Permanentmagnet-Synchronmeoetoren” bezeichnet werden, Oder auf Englisch, Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), ein elektronischer Wandler, der für die Umwandlung von Wechselspannung In Gleichspannung und Gleichspannung in Wechselspannung mit variabler Amplitude und Frequenz verantwortlich ist, Filter und ein digitales Signalverarbeitungssystem, Ab diesen Komponenten wird die Drehzahl des Elektromotors mittels eines elektronischen Wandiers gesteuert, der als Wechselrichter bezeichnet wird, typischerweise dreiphasig ist und eine geeignete Softwarelogik verwendet, die in seinem digitalen Signalprozessor implementiert ist, mit dem Ziel, elektrische Spannungen mit geregelter Amplitude, Frequenz und Phase zu erzeugen, die an den Kiemmen des Elektromotors angelegt werden sollen.

[CO9] In dieser Hinsicht bestehen die elektronischen Systeme, die eine Kondensatoreinheit einer Klimaanlage der Art Inverter steuern, aus einer Wechselrichterschaltung, mehreren Eingängen für Temperatursensoren, Ausgängen für die Lüfteraktivierung und Ventilen, Ein zweiter Aspekt der elektronischen Systeme, die eine Kondensatoreinheit einer Klimaanlage der Art Inverter steuer, ist das Vorhandensein eines seriellen Kanals zur Kommunikation mit der Verdampfereinheit, die in Mini-Spft Anwendungen fernmontiert sind, wobei die Verdampfereinheit an der Innenseite des Zu klimatisierenden Raumes und die Kondensatoreinheit im Außenbereich montiert wird. Ein

dritter Aspekt der elektronischen Systeme, die eine Kondensatoreinheit einer Klimaanlage

Verdampfereinheit, zur Verwaltung der Sensoren und zur Berechnung der Kompressorrotation auf der Grundlage der von der Verdampfereinheit gesendeten Informationen und der genannten Temperatursensoren und schließlich die Umrichterstufe aktivieren, die wiederum den PMSM-Elektromotor des Kompressors mit variabler Spannung und Frequenz versorgt und die Drehzahivariation innerhalb eines vordefinierten Drehzahlbereichs ermöglicht, typischerweise, aber nicht beschränkt auf 1800 U/min bis 6000 U/min.

[010] Auf diese Weise, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, sind Klimaanlagen der Art Inverter komplexer und teurer als solche, die als Ein/Aus bezeichnet werden oder herkömmliche hermetische Kompressoren der Art fester Drehzahl verwenden, die typischerweise Elektromotoren der Art "Einphaseninduktion" verwenden, oder in englischer Sprache Single Phase Induction Motor (SPIM), für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, die den Wohn- und Gewerbemarkt bedienen.

[011] Klimaanlagen der Art Ein/Aus sind dagegen einfachere und billigere Systeme, jedoch mit geringerer Energieeffizienz als die genannten /nverter, Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der SPIM bei Klimaanlagen der Art Ein/Aus nur In zwei Zuständen arbeitet: Ein oder Aus; im Ein-Zustand arbeitet der SPIM unterhalb, aber nahe seiner Synchrondrehzahl, was bei elektrischen Systemen mit 50 Hz eine Drehzahl von 3000 Ulmin und bei Systemen mit 60 Hz eine Drehzahl von 3600 Ulmin bedeutet. Der Betrieb zwischen dem Aus-Zustand und der Nenndrehzahl ermöglicht keine Effizienzoptimierung, da die einzige zu steuernde Variable die Zeit ist, während der der Kompressor eingeschaltet bleibt, welche durch den in die Verdampfereinheilt enthaltenen Thermostat (Temperaturregler) ermittelt wird.

[012] In dieser Hinsicht sendet die Verdampfereinheit der Klimaanlage der Art Ein/Aus einen Befehl zum Ein- oder Ausschalten des Kompressors und des Lüfters, die in die Kondensatoreinheit enthalten sind und eingeschaltet bleiben, solange die Temperatur der geregelten Umgebung über dem Wert hegt, der vom Benutzer eingestellt wurde.

[013] Jüngste Vorschläge zur Steuerung von Klimaanlagen berücksichtigen die Verwendung von Änderungen der Kompressordrehzahl, wie sie z.B. im Patent US20190047353 beschrieben sind, das eine Komplexität des Systems auferlegt, nur um unerwünschte Rotationen zu vermeiden, aber nicht das volle Potenzial der Technik erkundet. Das Patent US20190049136 erkundet nur die Möglichkeit, die Lüfterdrehzahl der

Verdampfereinheit zu variieren, Ohne die Vorteile einer Drehungsänderung des

Verbesserung gegenüber dem vorherigen, da neben der Untersuchung der Variation des Lüfters der Verdampfereinheit auch die Kompressordrehzahl variiert, ohne jedoch eine ausgereiftere Steuerlogik zu untersuchen, was zu einer nicht optimalen Lösung führt. Das Patent EP3431902 erkundet die Verwendung des Kompressors mit variabler Drehzahl, der in Verbindung mit einem elektronischen Expansionsventi! (EEV) arbeitet, das thermodynamische Vorteile ermöglicht, aber auch durch die Verwendung des EEV die Kosten des Systems erhöht. Das kürzlich veröffentlichte Patent US9976766B2 erkundet die Kombination des Kompressors mit variabler Drehzahl, der in Verbindung mit einem EEV arbeitet, was ihn als eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Prinzips im Vergleich zu EP3431902 charakterisiert, jedoch ohne die komplexeren Steuerungslogiken für die Kompressorsteuerung mit variabler Drehzahl zu untersuchen. Das Patent WO2016167111 untersucht Aspekte der Hardware zum Betrieb von Klimaanlagen der Art Inverter, wobei die Komplexität des zu steuermden Systems klar beobachtet wird. Schließlich beansprucht das Patent KR20170084303 Rechte an konstruktiven Aspekten für eine Klimaanlage der Art Inverter zur Fenstermontage, ohne wiederum die Steuerlogik für den Kompressor mit variabler Drehzahl zu beanspruchen oder zu untersuchen.

[014] Trotz der zahlreichen Patente, die die Technik von Kompressoren der Art Inverter für Mini-Spät-Klimaanlagen anwenden, ohne darauf beschränkt zu sein, wird beobachtet, dass der Stand der Technik hochkomplexe Lösungen auferlegt, folglich auch Kosten, die die Minimierung des Systems nicht ausnutzen mit einer konsequenten Reduzierung der Komplexität von Montage und Außendienst, Reduzierung der Kosten und Steigerung der Energieeffizienz des Systems durch den Einsatz von Softwarestrategien,

[015] Selbst unter Berücksichtigung der großen Vielfalt von Lösungen, die die Verwendung von Kompressoren mit hermetischer Drehzahl oder variabler Kapazität beinhalten, zeigen aktuelle Techniken Einschränkungen oder Besonderheiten, die die vorliegende Erfindung lösen möchte, hauptsächlich diese, die die Vereinfachung des

Systems und die Steigerung der Effizienz durch Softwarestrategien betreffen,

ZIELE DER ERFINDUNG

[016] Daher besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Steuerstrategie für hermetische Kompressoren mit variabler Drehzahl bereitzustellen, die in Klimaanlagen der Art Inverter mittels einer Softwaretechnik angewendet werden, die den

Betrieb im gesamten Drehzahibereich des Kompressors bei hoher Drehzahl optimiert,

unmittelbar nach systematischer Reduzierung der Drehzahl, damit der Kompressor mit der niedrigstmöglichen Drehzahl arbeitet, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

[0171] In Einklang mit dem ersten Ziel besteht ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Strategie vorzuschlagen, die auf Klimaanlagen anzuwenden ist, die für den Betrieb mit einer festen Drehzahl ausgelegt sind, bei dem der Kompressor mit fester Drehzahl durch einen Kompressor mit variabler Drehzahl ersetzt wird, was typischerweise als "Drop-In” bekannt ist, um eine Klimaanlage der Art Inverter aus einer Klimaanlage mit fester Drehzahl zu schaffen.

[018] In Einklang mit dem ersten und zweiten Ziel besteht ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Sofwarestrategie vorzuschlagen, die die beste Betriebsarehzahl für den Motor des Kompressars bestimmt und steuert, basierend nur auf dem Ein-/Ausschaltzyklus des Thermostats.

[019] In Einklang mit den vorherigen Zielen besteht ein viertes Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Lösung für Klimaanlagen mit variabler Kapazität von geringerer Komplexität und ohne Verwendung von Temperatursensoren im Kondensator der Klimaanlage, z.B. der Art Inverter, sowohl vom Mini-Spit-Typ als auch vom Fensteriyp, aber nicht beschränkt auf diese, Diese Erfindung kann bei anderen Klimaanlagen

angewendet werden, wie diese, die in mobilen Anwendungen verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[020] Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden mittels einer elektronischen Platine zum Steuer des Elektromotors vom Typ PMSM erreicht, aus der der hermetische Kompressor besteht, die im Folgenden als "Wechselrichter" bezeichnet und in einer Klimaanlage der Art Inverter oder der Art fester Drehzahl geliefert wird.

[021] Der Wechselrichter wird von mehreren elektronischen Wandler implementiert, die mit mindestens einer Energieverarbeitungsstufe ausgestattet sind, die als Leistungsstufe und mindestens eine digitale Signalverarbeitungssiufe bezeichnet wird; diese Siufe hat mindestens eine programmierbare Vorrichtung, die von mehreren Prozessoren implementiert werden kann, wie z.B. Mikrocontroller (MCU), digitale Signalprozessoren (DSP), unter anderen. Dieses genannte programmierbare Gerät führt einen Algorithmus zur Steuerung des PMSM-Motors aus, der mit einem adaptiven Algorithmus zur Maximierung der Energieeffizienz gekoppelt ist, um die niedrigste

Geschwindigkeit zu finden, die erforderlich ist, um die Umgebung bei der vom Benutzer

thermische Belastung der Klimaanlage zu erreichen.

[022] Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Implementierung einer Klimaanlage der Art Inverter einfacher ist.

[023] Sobald die niedrigste Drehzahl gefunden wurde, die dem Motor vorgegeben werden soll, regelt die vorgenannte Energieverarbeitungsstufe, die aus mindestens einer Wechselstromfilterstufe, einer Gleichrichterstufe, einer Zwischenstufe mit CC-Filter, und einer Umrichterstufe besteht, ohne darauf beschränkt zu sein, diese Drehzahl zum hermetischen Kompressor variabler Drehzahl mit Permanentmagneten am Rotor, Der Befehl der niedrigsten Geschwindigkeit, die zur Erzeugung der von der thermischen Last benötigten Kühlleistung erforderlich ist, hat das Ziel, die Verluste des Systems zu verringern; damit wird das Endziel dieser Erfindung erreicht, indem die Energieeffizienz der

Klimaanlage maximiert wird.

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

[024] Fig. 1: Vereinfachtes Blockdiagramm des Stromkreises für den Stand der Technik der Steuerung von Klimaanlagen der Art Mini-Spät Inverter.

[025] Fig. 2: Vereinfachtes Blockdiagramm des Stromkreises für den Stand der Technik der Steuerung von Klimaanlagen der Art Mini-Spit Ein-Aus.

[026] Fig. 3: Vereinfachtes Blockdiagramm des Stromkreises für den Stand der Technik zur Vereinfachung der Steuerung von Klimaanlagen der Art Mini-Spit Inverter.

[0271 Fig. 4: WVereinfachtes Blockdiagramm der von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen elektrischen Schaltung zur Umwandlung einer Klimaanlage der Art MiniSpät Ein-Aus in einer Klimaanlage der Art Mini-Spiit Inverter mit geringen Kosten und geringer Komplexität,

[028] Fig. 5: Vereinfachtes Blockdiagramm der Logik der Geschwindigkeitsoptimierung und des Stromverbrauchs.

[0291 Fig. 6: Typisches zeitliches Verhalten des Systems der

Geschwindigkeitsoptimlierung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG [030] Die vorliegende Erfindung wird detailliert durch die Figuren 1 bis 6 beschrieben; diese veranschaulichen bevorzugte, aber nicht verbindliche und / oder

eingeschränkte Konzepte zur Implementierung der vorliegenden Erfindung.

herkömmlichen Klimaanlagen-System der Art Mini-Spät Inverter, wie es nach dem Stand der Technik beschrieben ist und In der vorliegenden Erfindung als Hilfe zum Verständnis des hier vorgeschlagenen Prinzips angesehen wird. Ein solches System besteht aus einer Verdampfereinheit (1), die In der zu kühlenden Umgebung installiert und mit der Kondensatoreinheit (2) verbunden ist und in der externen Umgebung fernmontiert ist. [032] Die Verdampfereinheit (1} hat eine elektronische Steuerplatine (3), die Mindestens ein programmierbares Gerät vom Typ des digitalen Signalprozessors (4) aufweist, und die elektronische Steuerplatine (3) ist mit allen Sensoren verbunden und steuert alle Aktuatoren dieser Einheit. Die Steuerplatine (3) ist mit dem Stromnetz (5) verbunden, so dass In einer konstruktiven Variante die Kondensatoreinheit (2) elektrische Energie über die Verdampfereinheit (1) erhält. Typischerweise hat eine Verdampfereinheit zwei Temperatursensoren der Art NTC, ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei ein erster Temperatursensor (6) für die Messung der Temperatur des zu kühlenden Raums verantwortlich ist! und ein zweiter Temperatursensor (7) misst die Temperatur am Luftausgang des Verdampfers, der in Figur 1 nicht dargestellt ist. Ein Lüfter (8) ist für den Umlauf der gekühlten Luft verantwortlich und zwingt die Luft durch den Verdampfer zu strömen. Ein Motor (9) bewegt die Flügel des Luftdiffusors, der in Figur 1 nicht dargestellt ist, um die Homogenisierung der gekühlten Luft zu erleichtern. Als zusätzliches Merkmal haben solche Klimaanlagen typischerweise eine Heizfunktion, die mittels eines Heizwiderstands (10) erhalten werden kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Als zusätzliches Merkmal verfügen solche Klimaanlagen über eine Fernbedienung (11), mit der der Benutzer unter anderem die Referenztemperatur einstellen kann. Als Referenztemperatur wird ein Algorithmus zur Temperaturregelung verwendet, der als elektronischer Thermostat (12) bezeichnet wird und In der Software des digitalen Signalprozessors (4) der Steuerplafine (3) enthalten ist; dieser ist für die Festlegung der Drehzahl verantwortlich, mit der der Kompressor mit variabler Drehzahl arbeiten soll. Die Referenz der Geschwindigkeit wird an eine serielle Schnittstelle (13) gesendet, die über die Kommunikationsleitung (14), welche die beiden Einheiten verbindet, ein codieries Signal an die Kondensatoreinheit (2) sendet. Ein Stramkabel (15) liefert elektrische Energie von der Verdampfereinheit (1} zur Kondensatoreinheit (2), in der typischerweise ein Reaktor oder ein Induktor (16) installiert ist, der Teil des Leistungsfaktorkorrektors der Steuerplatine (17) der Kondensatoreinheit ist. Die elektronische Steuerplatine (17), die

mindestens eine programmierbare Vorrichtung vom Typ des digitalen Signalprozessars

die serielle Schnittstelle (19) und sendet Ihn an die Wechselrichterschaltung (25). Die elektronische Steuerplatine (18) ist über den digitalen Signalprozessor (19) mit allen Sensoren verbunden und steuert alle Aktuatoren der Kondensatoreinheit, Typischerweise weist eine Kondensatoreinheit drei Temperatursensoren der Art NTC auf, ohne darauf beschränkt zu sein, wobei ein erster Temperatursensor (20) für die Temperaturmessung der äußeren Umgebung verantwortlich ist, ein zweiter Temperatursensor (21) misst die Temperatur des Kondensators und ein dritter Temperatursensor (22) misst die Temperatur des Auslassrohrs des Kompressaors (24). Ein Lüfter (23) ist für die Luftzirkulation durch den Kondensator verantwortlich, damit der Wärmeaustausch zwischen ihm und der äußeren Umgebung optimiert wird. Ein hermetischer Kompressor vom Typ mit variabler Drehzahl (24) wird mittels einer Wechselrichterschaltung (25) aktiviert, die in der Steuerplatine (17) enthalten ist; und in einer konstruktiven Variante, aber nicht darauf beschränkt, implementiert der digitale Signalprozessor (18) die Steuer- und Ansteuerlogik des PMSMMotors, der in diesem Kompressor (24) enthalten ist. Extern mit dem Kompressor (24) verbunden, überwacht ein Wärmeschutz (26), typischerweise der Bimetallart, aber nicht darauf beschränkt, die Temperatur des Kompressorgehäuses (24), wenn die Temperatur des Kompressors einen bestimmten Grenzwert überschreitet; in diesem Fall wird aus Sicherheitsgründen ein Logiksignal an den digitalen Signalprozessor (18) gesendet oder die Versorgung des Kompressors (24) unterbrochen. In einer konstruktiven Variante kann die Kondensatoreinheit (2) abhängig von der Version der Klimaanlage ein elektronisches Expansionsventil (27) und ein Umkehrventi (28) enthalten, um die Kalt- und Heißzyklen zu steuern,

[033] In der in Figur 1 dargestellten Konzeption sind die Komponenten, die Teil des Kühlsystems der Klimaanlage sind, nicht dargestellt, wie z.B.: Verdampfer, Kondensator, Filter usw., da sie für die Ziele der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend sind.

[034] In Figur 1 ist jedoch ein wichtiges Element des Kühlsystems hervorgehoben, nämlich der Thermostat (12), der in dieser Konzeption vom elektronischen Typ ist, der in Software implementiert ist, Im Gegensatz zu den elektromechanischen Thermostaten, nämlich der betreffende Thermostat (12) verantwortlich für die Temperaturregelung der klimatisierten Umgebung anhand einer vom Benutzer angegebenen Referenztemperatur über die Fernbedienung (11). Bei Anwendungen, die hermetische Kompressoren mit variabler Drehzahl enthalten, muss eine Referenzdrehzahl für den Betrieb des

Kompressars festgelegt werden, um die Temperatur der klimatisierten Umgebung gemäß

definiert ist, wird sie dem Steueralgorithmus (29), der mit dem Wechselrichter (25) verbunden ist, für den Betrieb des Kompressormoitors (24) zur Verfügung gestellt. Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die Bestimmung der besten Betriebsreferenzdrehzahl des Kompressors zu betrachten, die in Figur 5 detailliert beschrieben wird.

[035] In einer zweiten Konzeption zeigt Figur 2 das vereinfachte Blockdiagramm der elektrischen Schaltung der herkömmlichen Klimaanlage der Art Mini-Sphit EIn-Aus, wie sie durch den Stand der Technik beschrieben ist, das in dieser Erfindung auch als Hilfe dient, das hier vorgeschlagene erfinderische Prinzip zu verstehen. Ähnlich wie in Figur 1 beschrieben, besteht ein solches System aus einer Verdampfereinheit (30), die in der zu kühlenden Umgebung installiert und mit einer Kondensatoreinheit (31) verbunden ist und in der externen Umgebung fernmontiert ist.

[036] Die Verdampfereinheit (30) hat eine elektronische Steuerplatine (32), die typischerweise mindestens ein programmierbares Gerät vom Typ des digitalen Signalprozessors (33) aufweist, und die elektronische Steuerplatine (32) ist mit allen Sensoren verbunden und steuert alle Aktuatoren dieser Einheit. Die Steuerplatine (32) ist mit dem Stromnetz (34) verbunden, so dass in einer konstruktiven Variante die Kondensatoreinheit (31) elektrische Energie über die Verdampfereinheit (30) erhält. Typischerweise hat eine Verdampfereinheit zwei Temperatursensoren der Art NTC, aber nicht auf diesen beschränkt, ein erster Temperatursensor (35) ist für die Messung der Temperatur der zu kühlenden Umgebung verantwortlich und ein zweiter Temperatursensor (36) misst die Temperatur am Luftausgang des Verdampfers. Ein Lüfter (37) ist für den Umlauf der gekühlten Luft verantwortlich und zwingt die Luft durch den Verdampfer zu strömen. Ein Motor (38) bewegt die Flügel des Luftdifusors, um die Homogenisierung der in der Umgebung gekühlten Luft zu erleichtern. Als zusätzliches Merkmal haben solche Klimaanlagen typischerweise eine Heizfunktion, die mittels eines Heizwiderstands (39) erhalten werden kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Als zusätzliches Merkmal verfügen solche Klimaanlagen über eine Fernbedienung (40), mit der der Benutzer unter anderen Parameter die Referenztemperatur anpassen kann. Die Referenztemperatur wird von einem Algorithmus zur Temperaturregelung verwendet, der als elektronischer Thermostat (41) bezeichnet wird und dessen Ausgang ein elektromechanisches Relais ist; dieser ist für den Antrieb des Kompressors (43) und des Lüfters (44) der Kondensatoreinheit (31) verantwortlich. In dieser konstruktiven Variante wird die Referenzdrehzahl für den

Kompressor (43) nicht erzeugt, da dieser der Art mit fester Drehzahi ist und nur In zwei

Geschwindigkeitsanpassungen, Ein Stromkabel (42) sendet elektrische Energie von der Verdampfereinheit (30) über das Ausgangsreilais des Thermostats (41) zur Kondensatoreinheit (31). Wenn der Thermostat (33) über den Temperatursensor (35) erfasst, dass die klimatisierte Umgebung über dem vom Benutzer gewünschten Wert liegt, wird das Ausgangsrelais aktiviert und steuert gleichzeitig den Kompressor (43) und den Lüfter (44) bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Als zusätzliches Merkmal schützt ein Wärmeschutz (45) der Bimetallart den Kompressor (43) bei unzulässiger Erwärmung.

[037] In einem innovativen Design zeigt Figur 3 auf ähnliche Weise das vereinfachte Blockdiagramm des in Figur 1 beschriebenen Stromkreises der Verdampfereinheit (1) für das herkömmliche Klimaanlagesystem der Art Mini-Spiit Inverter, das in der vorliegenden Erfindung als bevorzugtes Design verwendet wird, jedoch nicht obligatorisch; dieses Konzept sollte im Rahmen der vorliegenden Erfindung In keiner Weise als einschränkend verstanden werden. Gemäß den Lehren von Figur 1 hat Figur 3 auch eine Kondensatoreinheit (2), die fern in der externen Umgebung installiert ist, und auch eine elektronische Platine (46), aber sie ist wesentlich einfacher als die, die in Figur 1 beschrieben wird. Die elektronische Platine (46) hat einen digitalen Signalprozessor (47), der über einen seriellen Kanal mit der Verdampfereinheit (1) über die serielle Schnittstelle (48) kommuniziert, doch nicht darauf beschränkt, die eine Betriebsreferenz für den Algorithmus zur Effizienzoptimierung (49) liefert, der in Figur 5 beschrieben wird. Dieser Algorithmus erzeugt die beste Referenzdrehzahl für den Betrieb des PMSM-Motors, der im Kompressor mit variabler Drehzahl (51) enthalten ist; dies erfolgt über die Antriebsliogik und eine Wechselrichterschaltung (50). Wie aus den Lehren in Figur 5 abzuleiten ist, ist diese Strategie erheblich einfacher als die in Figur 1 verwendete, da die in der Verdampfereinheit von Figur 1 verwendeten Temperatursensoren nicht erforderlich sind. Ebenfalls als Teil der Steuerplatine (46), überwacht ein Wärmeschutz (52), typischerweise der Bimetallart, aber nicht darauf beschränkt, die Temperatur des Kompressorgehäuses (51), wenn die Temperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet; in diesem Fall wird aus Sicherheitsgründen ein Logiksignal an den digitalen Signalprozessor (47) gesendet oder die Versorgung des Kompressors (24) unterbrochen. In ähnlicher Weise wie In den vorherigen Lehren ist ein Lüfter (53) für die Luftzirkulation durch den Kondensator verantwortlich, damit der Wärmeaustausch zwischen ihm und der äußeren Umgebung optimiert wird.

[038] In einem zweiten innovativen Design zeigt Figur 4 das gleiche vereinfachte

das herkömmliche Klimaanlagesystem der Art Mini-Spit Ein-Aus, das In der vorliegenden Erfindung als bevorzugtes Design verwendet wird, jedoch nicht obligatorisch; dieses Design sollte nicht als in irgendeiner Weise im Rahmen der vorliegenden Erfindung einschränkend verstanden werden. Gemäß den Lehren von Figur 2 verwendet eine Klimaanlage der Art Mini-Spit Ein-Aus einen hermetischen Kompressor mit fester Drehzahl, der durch einen hermetischen Kompressor mit variabler Drehzahi (59) ersetzt wird. Gemäß dem Entwurf dieser Erfindung zeigt Figur 4 auch eine Kondensatoreinheit (31), die fern in der Außenumgebung installiert ist und mit der Verdampfereinheit (30) über ein Stromkabel (54) verbunden ist, welches für die Versorgung der Kondensatoreinheit verantwortlich ist (31), diese empfängt das Befehlssignal von dem in der Steuerplatine (32) enthaltenen Thermostatreiais (41), das über das Kabel (55) mit der Elektronikplatine (56) verbunden ist. Gemäß dem Entwurf dieser Erfindung ist die elektronische Platine (56) wesentlich einfacher als die, die in Figur 1 beschrieben wird. Die elektronische Platine (56)

hat einen digitalen Signalprozessor (57), der ein Ein/Aus-Signal (Ein-Aus)} vom

Thermostatrelais (41) empfängt, dach nicht darauf beschränkt, das eine Betriebsreferenz für den im Prozessor enthaltenen Algorithmus zur Effizienzoptimierung (57) liefert (dies wird ausführlich in Figur 5 beschrieben wird), der letztendlich die beste Referenzdrehzahl für den Betrieb des PMSM-Moitors erzeugt, der im Kompressor mit variabler Drehzahl (59) enthalten ist, über eine Antriebsiogik und eine Wechselrichterschaltung (58). Wie aus den Lehren in Figur 5 abzuleiten ist, wird sich diese Strategie als wesentlich einfacher als die in Figur 1 verwendete erweisen und ermöglicht die Umwandlung einer Klimaanlage der Art Mini-Spit Eis-Aus in eine Klimaanlage der Art Mini-Spit Inverter durch direkter Austausch eines Kompressors mit fester Drehzahl durch einen Kompressor mit variabler Drehzahl mit Hinzufügung einer Steuerplatine (56) an der Kondensatoreinheit (31). Ebenfalls als Teil der Steuerplatine (56), überwacht ein Wärmeschutz (60), typischerweise der Bimetallart, aber nicht darauf beschränkt, die Temperatur des Kompressorgehäuses (59), wenn die Temperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet; in diesem Fall wird aus Sicherheitsgründen ein Logiksignal an den digitalen Signalprozessor (57) gesendet oder die Versorgung des Kompressors (59) unterbrochen. Ähnlich wie in den vorherigen Lehren ist ein Lüfter (61) für die Luftzirkulation durch den Kondensator verantwortlich, damit der Wärmeaustausch zwischen ihm und der äußeren Umgebung optimiert wird; dieser Lüfter muss jedoch nicht von der Steuerplatine (56) gesteuert werden, er kann direkt an das

Ausgangsrelais des Thermostats (41) angeschlossen werden, und dieses Konzept sollte

werden.

[039] Es ist hervorzuheben, dass die vorhegende Erfindung auf eine Vielzahl von Klimaanlagensystemen angewendet werden kann, wie z.B., aber nicht auf diese beschränkt, die schon genannte der Art Mini-Spiit Inverter, Mini-Spiit Ein-Aus, Klimaanlagen der Art "Fenster" (Verdampfer und Kondensator befinden sich in derselben Einheit), sowohl der Art /nverter als auch der Art Zin-Aus, sowohl für den privaten als auch für den gewerblichen Gebrauch. In einem bevorzugten, aber nicht obligatorischen Design beziehen sich die konstruktiven Varianten, die durch die Figuren 3 und 4 dargestellt werden und Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, auf Mini-Spiit-Systeme, ohne ihre Verwendung In Fensterklimaanlagen einzuschränken.

[0401 In einem dritten innovativen Design zeigt Figur 5 das vereinfachte Blockdiagramm des Algorithmus der Effizienzoptimierung (49), der auf Kälteanlagen unter Verwendung von Kompressoren mit variabler Drehzahl angewendet wird, wie in der vorliegenden Erfindung beispielhaft dargestellt, aber nicht auf Anwendungen In Klimaanlagen beschränkt ist; dies kann auch bei Geräten für die Haushalts-, Gewerbeoder industriekühlung angewendet werden, so dass das hier vorgestellte konstruktive Design im Rahmen der vorliegenden Erfindung In keiner Weise als einschränkend verstanden werden sollte.

[041] Gemäß den Lehren in Figur 5, die die Optimierungsmethode des Stromverbrauchs darstellt (49), im Folgenden "TAL" genannt - Tecumseh Adaptive Logic -, eine Methode, die Techniken des maschinellen Lernens verwendet, damit ist es möglich, Daten automatisch durch eine Entscheidungsstrategie mit adaptiven Eigenschaften Zu analysieren, d.h., sie sind unabhängig von der Art des Kühlsystems, in dem sie angewendet werden. Das Endziel des TAL-Algorithmus ist Folgendes: die Bestimmung der Betriebsdrehzahl für den hermetischen Kompressor mit variabler Drehzahl, der den Stromverbrauch minimiert, für einen bestimmten Betriebspunkt des thermischen Systems entsprechend den Schwankungen der thermischen Belastung und der Umgebung zu bestimmen Temperatur, die gemäß den bereits in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Lehren ohne zusätzliche Änderung, wie die Hinzufügung von Temperatursensoren oder anderen, auf eine Kälteanlage angewendet werden kann. Die TAL-Methode ermöglicht auch den schnellen und direkten Austausch von Kompressoren mit fester Drehzahl durch einen Kompressor mit variabler Drehzahl. Die Verwendung

dieses Verfahrens bietet die folgenden Wettbewerbsvorteile: schnelles Absenken der

Wiederherstellung der Temperatur nach Stromausfällen, Aufrechterhaltung der Stabilität der Temperatur in der thermischen Last im dauerhaften Zustand, Toleranz gegenüber Temperaturstörungen und Lasttransienten.

[042] In einem bevorzugten, aber nicht obligatorischen Design, das den Lehren in Figur 5 entspricht, empfängt die TAL-Optimierungsmethode über den Eingang (62) die Daten vom Systemtemperaturregler und dem verwendeten Wechselrichter, wie z.B.: die CC-Spannung der Sammelschiene des Wechselrichters, des Magnetflusses des Permanentmagneimotors, der angelegten elektrischen Spannung und des Kompressorstroms, sowie Informationen zum Thermostatzyklus, wie z.5. die Zeit, in der der Kompressor eingeschaltet und ausgeschaltet bleiben muss. Sobald der Algorithmus diese Informationen empfangen hat, kann er in vier Zuständen arbeiten, wobel der erste der Zustand (63} ist, der die vom thermischen System und vom Wechselrichter empfangenen Daten verarbeitet, so dass es bei der Analyse des Verhaltens des Kühlsystems anhand dieser Daten möglich ist, das momentan in Betrieb befindliche Kühlsystem zu cCharakterisieren. In einer weiteren Konstruktion hält der Zustand (63) den Kompressor für eine nachfolgende Anzahl von Ein-Aus-Zyklen des Thermostats auf voller Drehzahl. Dann wechselt die Steuerung in einen zweiten Zustand (64), der als Temperaturerhaltung bezeichnet wird, in dem sie die Eigenschaften des Systems aus den Eingabedaten speichert, die Steuerparameter aktualisiert und die Winkeldrehzahl des Kompressors (67) auf maximal einstellt.

[043] Sobald die Temperatur durch den Zustand (63) gesenkt wurde, ändert sich der Betriebszustand des Algorithmus in den dritten Zustand (65), der als Absenken der Rotation bezeichnet wird. Dies ist die Ressource, in der der Algorithmus die Rotation des Kompressars systematisch reduziert, wodurch seine Kühlleistung verringert wird. Hierbei sind die elektrischen Größen des Kompressors und der Betriebszyklus des Thermostats zu beachten. In diesem Zustand wird die niedrigste Drehzahi für eine gegebene thermische Last erreicht und folglich der niedrigste Verbrauch an Strom. Nach Erreichen der niedrigsten Drehzahl ändert der Algorithmus den Zustand, um die Temperatur (64) aufrechtzuerhalten, bei der das Kühlsystem normal arbeitet; so wird die thermische Belastung auf der vom Benutzer eingestellten Temperatur gehalten. Erkennt der Algorithmus keine Temperaturstörungen, bleibt er im Zustand (64) und behält die Betriebsdrehzahl des Kompressors bei.

[0441 Wird eine Störung festgestellt, indem beispielsweise die elektrischen

beschränkt, kehrt der Algorithmus In den Zustand (63) zurück und wechselt in den vierten Zustand (66), der je nach Art der Anwendung auf Störungen reagiert, wie z.B., Türöffnungen, Schwankungen der ihermischen Belastung oder das Auftreten eines Abtauvorgangs des thermischen Systems, Die Identifizierung einer Störung bewirkt, dass der Algorithmus erneut die maximale Geschwindigkeit befiehlt, und daher wechselt die Steuerung wieder in den Zustand (64), wobei die maximale Geschwindigkeit beibehalten wird, bis der Zustand (65) wieder skaliert werden kann und die Geschwindigkeit auf den kleinsten Verbrauchspunkt reduziert wird.

[045] Das Konzept des TAL-Algorithmus ist besser durch Figur 6 zu verstehen, die in einem bevorzugten Design, aber nicht darauf beschränkt, ein Diagramm der Kompressordrehzahl als Zeitfunktion (68) zeigt, was als zeitliche Antwort des hermetischen Kompressors bezeichnet wird; es zeigt zyklisch einen ersten Moment (69), der dem Betrieb mit maximaler Geschwindigkeit entspricht, der durch den Zustand [63] der Abbildung 5 auferlegt wird. Ein zweiter Moment (70) zeigt die Absenkung der Drehung, die durch den Zustand (65) von Abbildung 5 auferlegt wird. Ein dritter Zustand (71) zeigt die Aufrechterhaltung der Mindestgeschwindigkeit, die durch den Zustand (64) von Abbildung 5 auferlegt wird. Durch diese Figur wird ein realer Betrieb des Algorithmus (49) dargestellt.

[046] Die In dieser Erfindung erwähnten Beispiele und Beschreibungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sind in keiner Weise als einschränkend im Rahmen

der Erfindung und gemäß den folgenden Ansprüchen auszulegen.

Claims (11)

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen, gekennzeichnet durch eine elektronische Schaltung (47), die mindestens einen Steueralgorithmus (50) ausführt, um einen hermetischen Kompressor mit variabler Drehzahl (51) geeignet anzutreiben, wobei der Kompressor ein wesentlicher Bestandteil einer Vielzahl von Kühlsystemen ist, wie z.B., Kühl- und GefMerschränke für den Privathaushalt oder gewerbliche Zwecke,

Fenster- Klimaanlagen oder der Art „Spt“

2. Meihode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine elektronische Schaltung (47), diese besteht aus mindestens einem digitalen Signalprozessor, der einen Algorithmus zur Effizienzoptimierung (49) von hermetischen Kompressoren mit variabler Drehzahl ausführt; genannt "TAL - Tecumseh Adaptive Logic”, das bei einer Vielzahl von Kühlgeräten wie Kühlschränken, Gefrierschränke, Inseln von Tiefkühlkost, usw., sowie bei Klimaanlagen

angewendet werden kann, ohne darauf beschränkt zu sein.

3. Meihode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der die Drehzahl des hermetischen Kompressors definlert, ohne dass eine reale Referenztemperatur der gekühlten Umgebung oder die Messung der Temperatur der thermischen Last erforderlich

ist, wodurch der Betrieb des Algorithmus ohne Temperatursensor ermöglicht wird.

4. Verfahren zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), dessen Logik an den von einer Eingangsschnittstelle (63) empfangenen Signalen ausgeführt wird, deren Signale sowohl analog als auch digital sein können, und als Eingang wird eine Referenz zum Ein-/Ausschalten des Thermostats, zur Betriebsspannung und Betriebsstrom des

Kompressors empfangen.

S. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der die

Betriebsdrehzahl des hermetischen Kompressors mit variabler Drehzahl bestimmt, der

zwischen der dem Kompressor mit variabler Drehzahl zugeführten Leistung und der

Betriebszeit optimal ist

6. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), dessen Logik an den von einer Eingangsschnittstelle (63) empfangenen Signalen mittels eines selbstadaptiven Steueralgorithmus ausgeführt wird, bei dem die internen Parameter automatisch so angepasst werden, dass die Rotationsänderung vom Algorithmus selbst unabhängig vom Kühlsystem ohne menschliche Eingriffe und/oder zusätzliche

Konfiguration bestimmt wird.

7. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der, sobald die anfängliche Temperaturabsenkung (63) durchgeführt ist, eine Funktion zum Verringern der Kompressordrehzahl (65) ausführt, die das Merkmal ist, bei dem der Algorithmus systematisch die Kompressordrehzahl verringert, wodurch die Kühlleistung verringert wird; hierbei werden stets die elektrischen Größen des Kompressors und der Betriebszyklus des

Thermostats beachtet.

8. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der, sobald die Drehung abgesenkt ist (65), eine Funktion zur Erhaltung der Temperatur (64) ausführt, bei der das Kühlsystem in einem dauerhaften Zustand normal arbeitet und die Umgebung

gekühlt oder die thermische Belastung auf der vom Benutzer eingestellten Temperatur hält.

9. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der auf äußere Störungen (66) reagiert, unabhängig davon, ob diese Schwankungen von thermischer Belastung oder der Umgebungstemperatur abhängen, und eine neue

Temperatureinstellung für die Funktion zur Erhaltung der Temperatur (64) ermöglicht.

10. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 9,

gekennzeichnet durch den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (49), der einen

einem vom Kompressor gelieferten Strom basiert, unabhängig davon, ob diese vorab vorliegen, konfiguriert oder generiert, während das Gerät in Betrieb ist und die geeignete Geschwindigkeit für die Anwendung unter Bedingungen eines schnellen Absenkens der Temperatur (69), der Suche nach der niedrigsten Geschwindigkeit (70) oder der

Aufrechterhaltung der niedrigsten Geschwindigkeit (71) berechnet.

11. Methode zur Optimierung der Effizienz von Klimaanlagen nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Umwandeln einer Klimaanlage der Art Ein-Aus in eine Klimaanlage der Art /nverter, durch direktes Ersetzen des Kompressors mit fester Drehzahl durch einen Kompressor mit variabler Drehzahl, wobei eine Steuerplatine (56) hinzugefügt

wird, die den Algorithmus zur Effizienzoptimierung TAL (57) ausgeführt, identisch mit (49).