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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines einen Motor aufweisenden Verdichters einer Kälteanlage sowie eine Kälteanlage.
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Bei einer mit einem Frequenzumrichter am Verdichter ausgestatteten Kälteanlage ist neben dem Verdichter und einem Regler zur Ermittlung des aktuellen Kältebedarfs einer Kühlstelle auch ein Frequenzumrichter vorgesehen, der die Drehzahl des Verdichtermotors zwischen einer unteren und einer oberen Drehzahl verändern kann. Stellt der Regler einen erhöhten Kühlbedarf fest, wird der Verdichter vom Regler im Sinne einer Leistungserhöhung angesteuert indem seine Drehzahl und damit der geförderte Kältemittelstrom angepasst wird. Weiterhin ist es bekannt, die Kälteanlage mit einer Motorschutzschaltung auszustatten, um wenigstens einen den Betrieb des Verdichters charakterisierenden Parameters, beispielsweise die Wicklungstemperatur des Motors, zu überwachen, wobei ein Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle zum Abschalten des Verdichters führt.
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Eine solche Motorschutzschaltung ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 052 042 A1 bekannt. Die Auslösung des Motorschutzes bedeutet aber eine zwangsläufige Unterbrechung des Kältekreises und kann daher erhebliche Folgen haben. Darüber hinaus ist ein Neustart (automatisch oder manuell) mit der Verunsicherung über die Ursache der Auslösung verbunden. Manche Hersteller von Verdichtern lassen einen weiteren Betrieb des Verdichters in einem derartigen Fall erst dann zu, wenn die Ursache geklärt bzw. behoben ist. Eine solche Abschaltung ist dann besonders ärgerlich, wenn kein tatsächlicher Komponentendefekt bzw. keine Funktionsstörung im System vorliegt und die Abschaltung nur durch einen erhöhten Bedarf der Kühlstelle erfolgt ist.
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In der
DE 10 2005 052 042 A1 wurde daher vorgeschlagen, dass bei einer Leistungssteuerung des Verdichters der aktuelle Betriebszustand des Verdichters berücksichtigt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass eine weitere Leistungssteigerung eingeleitet wird, obwohl der Verdichter kurz vor der Abschaltschwelle betrieben wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Regelung des Verdichters einer Kälteanlage bzw. eine Kälteanlage mit einem Verdichter dahingehend zu verbessern, dass das Ansprechen der Motorschutzschaltung weiter hinausgezögert oder verhindert wird.
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Erfindungsgemäße wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines einen Motor aufweisenden Verdichters einer Kälteanlage wird der Kältemittelstrom eines Kältemittels durch den Verdichter über eine Veränderung der Drehzahl des Motors durch einen Frequenzumrichter gesteuert, indem der Frequenzumrichter eine dem Kältebedarf einer Kühlstelle entsprechende Frequenz und Spannung für den Motor des Verdichters umsetzt. Außerdem wird mindestens eine Temperatur im Verdichter gemessen und ausgewertet, wobei die Regelung der Temperatur der Kühlstelle durch Ein- und Ausschalten des Motors, vorzugsweise bei der Nennfrequenz des Motors (typischerweise die Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz), erreicht wird, wenn die Temperatur im Verdichter eine obere Temperaturschwelle überschreitet und eine genauere Regelung der Kühlstellentemperatur bei kontinuierlich eingeschaltetem Motor durch Verändern der Drehzahl des Motors durch Regelung von Frequenz und Spannung über den Frequenzsumrichter erreicht wird, sobald sich der Motor bis auf eine untere Temperaturschwelle abgekühlt hat.
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Die erfindungsgemäße Kälteanlage besteht im Wesentlichen aus
- a. einem von einem Motor angetriebenen Verdichter zum Verdichten des Kältemittels,
- b. einem Frequenzumrichter zur Regulierung der Drehzahl des Motors zur Regulierung des Kältemittelstroms durch den Verdichter,
- c. einem Regler zur Erzeugung einer Stellgröße in Abhängigkeit des Kältebedarfs einer Kühlstelle,
- d. Weiterhin ist eine im oder am Motor vorgesehene und mit dem Frequenzumrichter in Verbindung stehende Temperaturmesseinrichtung zur Ermittlung mindestens einer Temperatur im Verdichter vorgesehen und der Frequenzumrichter ist derart ausgebildet, dass der Motor im Ein- und Ausschaltbetrieb, vorzugsweise bei der Nennfrequenz des Motors, betrieben wird, wenn die ermittelte Temperatur im Verdichter eine obere Temperaturschwelle überschreitet und der Motor wieder kontinuierlich mit geregelter Frequenz betrieben wird, sobald sich der Motor im Ein- und Ausschaltbetrieb bis auf eine untere Temperaturschwelle abgekühlt hat.
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Erfindungsgemäß wird die Frequenz des Motorstroms (und damit die Motordrehzahl) nicht nur in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle angepasst, sondern es wird auch mindestens eine Temperatur im Verdichter berücksichtigt, um einem vorzeitigen Abschalten des Verdichters durch Anspringen der Motorschutzschaltung vorzubeugen. In der
DE 10 2005 052 042 A1 wurde ebenfalls eine Temperatur im Verdichter gemessen, wobei der übliche Regelalgorithmus ab einer gewissen Temperaturschwelle außer Kraft gesetzt wurde. Weiterhin wurde vorgeschlagen, dass die Leistung des Verdichters unabhängig vom Bedarf zurückgefahren werden kann, wenn sich der Verdichter in dem vorgegebenen kritischen Betriebszustand befindet, um das vorzeitige Ansprechen des Verdichterschutzgerätes zu verhindern.
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In Bouchareb, M. et al: Drehzahlregulierung von Kälteverdichtern mit intelligenten Frequenzumrichtern; KI Luft- und Klimatechnik 1/2003; S. 25–30, ist beschrieben, dass beim Einsatz eines Frequenzumrichters zur Ansteuerung eines Motors die Wicklungstemperatur einen annähernd parabelförmigen Verlauf über der Frequenz hat. Es ergibt sich ein Minimum der Wicklungstemperatur bei Nennfrequenz des Motors (typischerweise die Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz) und ein deutlicher Anstieg der Wicklungstemperatur, wenn die Frequenz des Motorstroms niedriger (z.B. 20 Hz oder 30 Hz) oder höher (z.B. 70 Hz) geregelt wird. Die Verbesserung der Erfindung besteht nun darin, dass bei Erreichen einer oberen Temperaturschwelle ein gezielter Ein-Ausschaltbetrieb des Motors des Verdichters, vorzugsweise in der Nähe der Nennfrequenz des Motors eingesetzt wird, bis eine untere Temperaturschwelle erreicht wird. Die Ein- bzw. Ausschaltdauer ist abhängig von der Sollwertvorgabe und den zulässigen Betriebesparametern (Mindestlaufzeit, Zulässige Anzahl der Starts pro Stunde etc.) des Kältemittelverdichters. Durch diese Maßnahme kann während der Einschaltphase weiterhin ein gewisser Kältemittelstrom aufrechterhalten werden. Eine durch einen erhöhten Kältebedarf der Kühlstelle bedingte Abschaltung des Verdichters durch eine Motorschutzschaltung kann dadurch in den meisten Fällen zuverlässig vermieden werden. Sobald sich der Verdichter bis auf eine untere Temperaturschwelle abgekühlt hat, kann dann wieder der kontinuierliche Betrieb mit einem kontinuierlich eingeschalteten Motor und Verändern der Frequenz des Motorstroms erfolgen.
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Durch die obigen Maßnahmen kann das Ansprechen der Motorschutzschaltung bei den meisten Anwendungsfällen, die durch einen erhöhten Kältebedarf bedingt sind, zuverlässig vermieden werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Temperatur im Verdichter kann insbesondere durch eine Messung der Wicklungstemperatur des Motors oder durch Messung der Temperatur eines im Verdichter verdichteten Heißgases ermittelt werden. Dabei kann insbesondere eine Sensorschaltung mit wenigstens einem, vorzugsweise mehreren PTC-Sensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen Ansprechtemperaturen oder aber ein linearer Temperatursensor, dessen Ausgangssignal in mehrere Abschnitte unterteilt wird, zur Anwendung kommen.
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Der Motor wird darüber hinaus vorzugsweise mit einer Motorschutzschaltung betrieben, die den Motor abschaltet, wenn eine obere Grenztemperatur des Motors erreicht wird, wobei die obere Temperaturschwelle, bei welcher der Motor in den Ein-Ausschaltbetrieb wechselt, unterhalb der oberen Grenztemperatur liegt.
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Die Steuerung kann ferner einen Filter aufweisen, der sich abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit der Stellgröße automatisch verändert, um Schwingneigungen zu unterdrücken.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung einer Kälteanlage mit einem Frequenzumrichter zur Regelung der Frequenz und der Spannung des Motors,
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2 ein schematisches Blockschaltbild der Kälteanlage mit Frequenzumrichter und Regler,
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3 verschiedene Kennlinien während des kontinuierlichen Betriebs und des Ein-Ausschaltbetrieb des Motors,
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Die in 1 schematisch dargestellte Kälteanlage besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter 1, einem Verflüssiger 2, einem Sammler 3, einem Expansionsventil 4 und einem Verdampfer 5. Im Verdichter 1, der beispielsweise als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, wird dampfförmiges Kältemittel angesaugt und verdichtet. Im nachfolgenden Verflüssiger wird das Kältemittel kondensiert und gelangt über den Sammler 3 zum Expansionsventil 4, wo es entspannt wird. Bei der Expansion nimmt der Kältemitteldruck ab, sodass das Kältemittel abkühlt und teilweise verdampft. Im Verdampfer 5, der im Bereich einer Kühlstelle 6 angeordnet ist, nimmt das Kältemittel durch Verdampfen die Wärme von der Kühlstelle auf. Der Verdichter 1 saugt das verdampfte Kältemittel wieder an, sodass der Kältemittelkreislauf geschlossen ist. Der Kältemittelstrom wird mit Hilfe eines am oder im Verdichter angeordneten Frequenzumrichters 7 in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 gesteuert.
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Bei der Darstellung der 1 handelt es sich um eine Prinzipdarstellung. Die Steuerung des Kältemittelstroms durch den Verdichter in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 wird im Folgenden anhand des Blockschaltbilds der 2 näher erläutert. Hierzu ist ein Regler 8 zur Erzeugung einer Stellgröße 9 in Abhängigkeit des Kältebedarfs der Kühlstelle 6 vorgesehen. Über eine nicht näher dargestellte Messeinrichtung wird beispielsweise die Ist-Temperatur der Kühlstelle 6 mit einer Soll-Temperatur verglichen. Eine etwaige Abweichung 10 wird dem Regler 8 zugeführt, der nach einem vorgegebenen Algorithmus eine Stellgröße 9 erzeugt, die an den Frequenzumrichter 7 weiterleitet wird, wo die dem Kältebedarf der Kühlstelle 6 entsprechende Stellgröße 9 in Frequenz und Spannung für den Verdichter 1 umgesetzt wird.
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Der Verdichter
1, der beispielsweise als Hubkolbenverdichter ausgebildet ist, weist wenigstens einen Motor
1a auf, der sich entsprechend der zu verrichtenden Arbeit erwärmt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichter
1 so konstruiert, dass das durch den Verdichter strömende Kältemittel gleichzeitig auch zur Kühlung des Motors genutzt wird. Dennoch kann die Temperatur im Verdichter Werte erreichen, die eine weitere Erhöhung der Leistung nicht mehr ermöglichen und bei einem weiteren Ansteigen der Temperatur eine Motorschutzschaltung auslösen, die ein Abstellen des Motors bewirkt. Es ist daher erforderlich, dass eine Temperatur im Verdichter über eine geeignete Sensorschaltung
13 ermittelt und ein entsprechendes Temperatursignal
14 zum Frequenzumrichter
7 geleitet wird. Bei der Sensorschaltung
13 kann es sich beispielsweise um einen Sensor zur Messung der Wicklungstemperatur des Motors
1 handeln. Die Sensorschaltung kann hierfür beispielsweise durch wenigstens einen, vorzugsweise mehrere PTC-Sensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen Ansprechtemperaturen oder aber durch einen linearen Temperatursensor, dessen Ausgangssignal in mehrere Abschnitte unterteilt wird, gebildet werden. Eine hierfür geeignete Sensorschaltung ist beispielsweise der
EP 2 187 494 A1 zu entnehmen.
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Anstelle der Sensorschaltung
13 oder zusätzlich zu dieser kann eine Sensorschaltung
15 vorgesehen werden, mit der die Temperatur des im Verdichter verdichteten Heißgases ermittelt wird. Ein entsprechendes Temperatursignal
16 wird ebenfalls dem Frequenzumrichter
7 zugeleitet. Der Frequenzumrichter kann eine Motorschutzschaltung
1c enthalten, die den Motor
1a abschaltet, wenn eine obere Grenztemperatur T3, gemessen durch wenigstens eine der Sensorschaltungen
13,
15, erreicht wird. Nähere Ausführungen zu einer derartigen Motorschutzschaltung sind ebenfalls der
EP 2 187 494 A1 zu entnehmen. Das Erreichen der Grenztemperatur T3 und das damit bedingte Abschalten des Verdichters führt dazu, dass die Kühlstelle
6 nicht weiter gekühlt wird, bis die Ursache für das Abschalten gefunden und der Verdichter erneut gestartet wird.
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Um diese Situation zumindest in den meisten Fällen zu vermeiden, wird der Verdichter nicht ausschließlich im Betrieb mit geregelter Spannung und Frequenz betrieben, bei dem der Motor kontinuierlich eingeschaltet ist. Es ist vielmehr vorgesehen, dass bei Erreichen einer oberen Temperaturschwelle T1, die noch unterhalb der Grenztemperatur T2 liegt, ein Ein-Ausschaltbetrieb des Motors bei Nennfrequenz des Motors (z.B. 50 Hz oder 60 Hz) vorgesehen wird. Im Ein-Ausschaltbetrieb wird der Motor periodisch für eine vorgegebene Zeitspanne von beispielsweise 10 min abgeschaltet und dann für eine vorgegebene zweite Dauer wieder eingeschaltet. Dieser Ein-Ausschaltbetrieb des Motors wird solange durchgeführt, bis sich der Motor auf eine untere Temperaturschwelle T0 abgekühlt hat. Ab dann kann wieder der kontinuierliche Betrieb mit kontinuierlich eingeschaltetem Motor und geregelter Spannung und Frequenz erfolgen.
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In 3 sind vier für das Verfahren zur Regelung des Motors 1a des Verdichters 1 charakteristische Kennlinien über die Zeit aufgetragen. Von oben nach unten sind die Stellgröße 9, die Betriebsweise des Motors, die Frequenz, mit der der Frequenzumrichter den Motor 1a betreibt sowie das Temperatursignal T14 oder T16. Die Stellgröße 9 der obersten Kennlinie zeigt im Abschnitt A nach dem Anschalten der Kühlung im Bereich der Kühlstelle 6 eine maximale Stellgröße (100%), die eine maximale Leistung des Verdichters erfordert. Der Motor gemäß der zweiten Kennlinie ist daher eingeschaltet und mit einer Frequenz größer der Nennfrequenz betrieben. Die in der untersten Kennlinie dargestellte Temperatur im Verdichter steigt daher zunächst an. Im weiteren Verlauf des Abschnitts A sinkt der weitere Kältebedarf im Bereich der Kühlstelle 6, sodass sich die Stellgröße 9 entsprechend verringert. Der Motor des Verdichters bleibt jedoch über den gesamten Zeitraum kontinuierlich eingeschaltet, wird aber mit geringerer Frequenz als der Nennfrequenz betrieben.
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Die Temperatur des Verdichters verringert sich zunächst entsprechend. Aufgrund des verringerten Kältemittelstroms kann jedoch die Situation eintreten, dass sich, wie hier dargestellt, die Temperatur im Verdichter erhöht. Am Ende des Abschnitts A wird die obere Temperaturschwelle T1 erreicht. Dies hat zur Folge, dass der Motor des Verdichters im Abschnitt B nunmehr im Ein- und Ausschaltbetrieb betrieben wird. Während der Motor ausgeschaltet ist, erhöht sich somit die Temperatur im Bereich der Kühlstelle, was sich durch eine entsprechend höhere Stellgröße bemerkbar macht. Im Einsschaltbetrieb des Motors wird der Motor bei seiner Nennfrequenz (z.B. 50 Hz oder 60 Hz) betrieben. Es folgen dann weitere Aus- bzw. Einschaltphasen. Während des Ein-Ausschaltbetriebes wird sich der Motor von der oberen Temperaturschwelle T1 bis zu einer unteren Temperaturschwelle T0 abkühlen, weil im Einschaltbetrieb entweder mehr Kältemittel durch den Motor fließt als bei niedrigeren Frequenzen als der Nennfrequenz oder aber im Ausschaltbetrieb der Motorstrom gleich Null Ampere ist. Sobald die untere Temperaturschwelle T0 erreicht ist, wird der Motor wieder kontinuierlich betrieben und die genauere Regelung der Temperatur durch Regelung der Motorfrequenz wird wieder durchgeführt (Abschnitt C). Auf diese Weise kann in den meisten Fällen verhindert werden, dass die Temperatur im Verdichter die obere Grenztemperatur T3 erreicht, bei der die Motorschutzschaltung eingreift. Der Ein-Ausschaltbetrieb im Abschnitt B ist durch ein periodisches Ein- und Ausschalten des Motors gekennzeichnet, wobei die jeweilige Ein- bzw. Ausschaltdauer auf die äußeren Umstände (Konstruktive Merkmale des Verdichters, Kühllast etc.) abgestimmt werden muss.
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Die Frequenz des Motorsstroms zeigt in der Kennlinie einen sprunghaften Übergang zwischen den unterschiedlichen Zuständen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, dass der Wechsel mit einem kontinuierlichen Übergang erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005052042 A1 [0003, 0004, 0009]
- EP 2187494 A1 [0023, 0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bouchareb, M. et al: Drehzahlregulierung von Kälteverdichtern mit intelligenten Frequenzumrichtern; KI Luft- und Klimatechnik 1/2003; S. 25–30 [0010]
