DE2415070A1 - Verfahren zur kaelteleistungsregelung bei klimaanlagen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Kälteleistungsregelung bei Klimaanlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteleistungsregelung bei Klimaanlagen mit einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor.
• Bei einem bekannten Verfahren zur Leistungsregelung derartiger Klimaanlagen wird der Kompressor mit e einem Gleichspannungsmotor angetrieben. Die Leistungsregelung erfolgt in 2 Drehzahlstufen mit Hilfe eines Thermostaten der einen Widerstand in den Ankerkreis des Motors einschaltet. Diese Art der Regelung ist verlustbehaftet, da die Anpassung an der Bedarf nicht stufenlos erfolgt.
• Außerdem ist der Einsatz eines Gleichspannungsmotors mit einem gewissen Verschleiß verbunden (Kohlen und Kollektor), der wieder-Um einen gewissen Wartungsaufwand bedingt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kälteleistungsregelung bei Klimaanlagen mit Kältemittelkompressoren zu entwickeln, bei dem die Regelung stufenlos erfolgt und mDglichst wenig Verschleiß auftritt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kompressor durch einen Asynchron- oder Stromrichtermotor angetrieben wird, dessen Eingangs frequenz und/oder Eingangsspannung mit einem statischen Frequenzumformer stufenlos geregelt werden.
• Die für den Gleichspannungsmotor typischen Verschleißerscheinungen treten bei einem Asynchron- oder Stromrichtermotor nicht auf. Die durch den Frequenzumformer erfolgende stufenlose Drehzahlregelung des As;ynchron- bzw. SÜ-romrichtermotor und damit des Kompressors ermöglicht eine stetige Anpassung der Kälteerzeugung an den Bedarfs Um das érfindungsgemäße Verfahren bezüglich der Frequenz der verfügbaren Betriebsspannung möglichst anpassungsfähig zu gestalten, ist e zweckmäßig, wenn de zur Verfügung stehende Wechselspannung gleichgerichtet, geglEgtet und dann dem Eingang des Frequenzumformers als dessen Spannungsversorgung zugeführt wird.
• Das Verfahren soll überall dort eingesetzt werden wo es darauf ankommt, die Temperatur eines Innenraumes in Abhängigkeit von der Temperatur des umgebenden Außenraumes zu regeln. Um dies zu erreichen, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Frequenzumformer ein Signal zugeführt, das durch den Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert entsteht, wobei der Istwert der gerade von der Klimaanlage erzeugten, der Sollwert einer von einer Außentemperatur abhängigen Temperatur entspricht.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil zur Klimatisierung von bewohnbaren Innenräumen, besonders in Personenwagen bei Schienenfahrzeugen, herangezogen. Die Anwendung des oben geschilderten Verfahrens zur Spannungsversorgung des Frequenzumformers ist besonders im Hinblick auf den grenzUberschrettenden Verkehr von Eisenbahnen gUnstig, da die dabei auftretenden wechselnden Netzfrequenzen ohne weiteres mit Hilfe des Verfahrens verarbeitet werden können.
• In bewohnbaren Innenräumen soll die Temperatur einerseits auf einem optimalen Wert gehalten werden, andererseits sollen aber wenigstens oberhalb dieses Wertes zur Vermeidung zu großer Kälteverluste nach Möglichkeit keine allzu großen Temperaturdifferenzen zwischen Außen- und Innentemperatur auftreten.
• Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil so ausgebildet, daß die Sollwerttemperatur eine lineare Funktion der Außentemperatur ist, und daß diese lineare Funktion zwei durch einen bestimmten Wert der Außentemperatur getrennte Temperaturbere Iche aufweist, wobei der oberhalb des genannten Wertes liegende Bereich durch eine positive, der darunter liegende Bereich durch eine negative Steigung der der linearen Funktion entsprechenden Geraden gekennzeichnet ist. Sinkt die Außentemperatur unter den genannten Wert, 80 steigt der Sollwert der von der Klimaanlage erzeugten Temperatur, steigt dagegen die Außentemperatur über den genannten Wert, so steigt die Sollwerttemperatur ebenfalls, damit die Temperaturdifferenzen nach außen hin und damit die unvermeidlichen Kälteverluste nicht zu groß werden.
• Sinne zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Anordnung besteht vorteilhaft aus einem Temperaturfühler zur Messung der von der Klimaanlage erzeugten Istwerttemperatur, einem zweiten Temperaturfühler zur Messung der Außentemperatur, einer Brückenschaltung zur Einstellung der Sollwerttemperatur in Abhänglgkedt von der Außentemperatur, einem Außenthermostaten, der in Abhängigkeit von der Außentemperatur und mit Hilfe eines Umsohalterelais einen der beiden Temperaturbereiche auswkhit, sowie einem Vergleichspunkt zur Bildung eines positiven oder negativen Differenzsignales aus Ist- und Sollwerttemperatur. Weiterhin besteht die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafterweise aus einem Meßverstärker, dem das von der Vergleichsstelle gebildete Differenzaignal zugeführt wird, Je einem Kippverstäker zur Aufnahme deg entweder positiven oder negativen Ausgangssignals des Meßverstärkers, sowie einer Einheit zur Ansteuerung des statischen Frequenzumformers mit Hilfe der von den Kippverstärkern abgegebenen Impulse. Dabei besteht die Möglichkeit, daß die zur Ansteuerung des statischen Frequenzumformer$ vorgesehene Einheit ein Potentiometer-Stellantrieb oder eine elektronische Einheit mit Digital-Eingang und Analog-Ausgang bzw. mit stetigem Strom- oder Spannungs-Ausgang ist, Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist durch eine von den Kippstufen her angesteuerte Rückführungseinheit zur Kompensation des Differenzsignales ausgezeichnet, wobei der zeitliche Verlauf des Kompensationssignales mit Hilfe eines Kondensators und zweier einstellbarer Widerstände variierbar ist.
• Anhand der Figuren X und 2 sollen Vorteile und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der geschilderten Anordnung zu seiner DurchfUhru:zg erläutert werden. Hierbei zeit Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, während Fig. 2 einen Schaltplan zu seiner Durchführung als Bespiel zeigt.
• In Fig. 1 mißt der Temperaturfühler 5 die von der Klimaanlage erzeugte Istwerttemperatur, der Temperaturfühler 6 die Außentemperatur. Beide Fühler sind als temperaturabhängige Widerstände in einer Brückenschaltung angeordnet, durch deren Widerstünde jedem Wert der Außentemperatur eine Sollwerttemperatur zugeordnet wird. Sobald die vom Fühler 5 gemessene Istwerttemperatur mit der Sollwerttemperatur übereinstimmt, ist die Brücke abgeglichen. Bei einer Abweichung vom Sollzustand entsteht am Vergleichspunkt 9 ein Differenzsignal, das dem Meßverstärker 10 zugeführt wird. Der Thermostat 7 schaltet beim Überschreiben einer bestimmten Außentemperatur mit Hilfe des Relais 8 von einem der beiden Temperaturbereiche, durch die der lineare Zusammenhang zwischen Außen- und Sollwerttemperatur gekennzeichnet iat, auf den anderen um. Das Ausgangssignal des Meßverstärkers 10 gelangt je nach seinem Vorzeichen zu einer der beiden Kippstufe 11 oder 12, durch die der Potentiometer-Stellantrieb 14 eingeschaltet wird, der wiederum den statischen Frequenzumformer 4 ansteuert.
• Zur Spannungsversorgung des Frequenzumformers wird die verfügbare Wechselspannung über einen Transformator 1 einem Gleichrichter 2 zugeführt und anschließend bei 3 geglättet.
• Durch den laufenden Potentiometer-Stellantrieb 14 wird die Ausgangsspannung undXoder -frequenz des Frequenzumformers 4 und damit die Drehzahl des Asynchron- bzw. Stromrichtermotors 15 stetig geändert. Bei sinkender (steigender) Temperatur am Fühler 5 wird der Potentiometer-Stellantrieb vom Kippverstärker 11 (bzw. 12) eingeschaltet. Er läuft dann in einer Richtung, die eine Absenkung (Erhöhung) der Drehzahl des Asynchron- bzw. Stromrichtermotors und damit enne Verminderung'(Steigerung) der erzeugten Kälteleistung zur Folge hat. Der Kältemittel-Kompressor läuft also im Sollzustand bereits mit einer bestimmten Drehzahl, so daß Abweichungen nach oben und unten aufgenommen werden könnten.
• Die bei einer Temperaturabweichung in Gang gesetzte Wiederannäherung an den Sollwert geschieht dabei schrittweise. Durch das Ausgangssignal der Kippverstärker wird nicht nur der Potentiometer-Stellantrieb in Gang gesetzt, sondern auch ein Relais erregt, durch das Spannung an die als Kompensationsschaltung ausgebildete Rückführungseinheit 13 gelegt wird. Die hier erzeugte Kompensationsspannung steigt mit einer gewissen, einstellbaren Zeitkonstanten bia auf den negativen Wert der Differenzspannung an, so daß diese vbllig kompensiert wird. Die Kippstufen schalten nun den Potentiometer-Stellantrieb aus und trennen über du abfallende Relais die Kompensationsschaltung von der Spannungsversorgung, so daß die Kompensationsspannung mit einer bestimmten, einstellbaren Zeitkonstanten abfällt. Die Differenzspannung, deren Betrag inzwischen abgenommen hat, gelangt wieder voll an den Meßverstärker und der Zyklus beginnt von neuem. Dies setzt sich so lange fort, bis die T@mperaturabweichung nicht mehr vorhanden ist. Die zeitliche Charakteristik des Kompensationasignales hat zur Folge, daß der Regler bei kleinen Istwertänderungen mit kurzen Ein@chaltimpulsen und langen Pausen, bei groberen Istwertänderungen mit langen Einschaltimpulsen und kurzen Pausen arbeitet. Bei sehr großen Abweichungen erfolgt Dauerimpuls, da die Kompensationsschaltung von einem bestimmten Wert der Differenzspannung an diese nicht mehr kompensieren kann.
• In Fig. 2 bilden die zwischen den Punkten 16 und 17 bzw. 18 und 19 liegenden Spannungsteilerzweige eine Meßbrücke, deren BrUckenspannung zwischen den Punkten 20 und 21 abgenommen wird. Bei Abgleich der Brücke haben die Potentiale der Punkte 20 und 21 sowie des Vergleichspunktes 9 und des Bezugspunktes 22 den selben Wert, so daß die Eingangsspannung des Meßverstärkers 10 Null iat. Das Potential des Bezugspunktes 22 ist mit Hilfe der beiden Zener-Dioden 23, 24 stabilisiert. Der Temperaturfühler 6, z.B. ein NTC-Widerstand, mißt die Außentemperatur und legt zusammen mit den übrigen Widerständen in den beiden Spannungsteilerzweigen der Brücke den Widerstandswert für den Temperaturfühler 5 bei Abgleich, d.h. den Sollwertwiderstand, fest. Weicht die am Fühler 5 herrschende Istwerttemperatur von der Sollwerttemperatur ab, so ist die Brücke nicht abgeglichen, zwischen den Punkten 9 und 22 tritt eine Differenzspannung auf, die dem Meßverstärker 10 als Eingangsspannung zugeführt wird. Seine Ausgangsspannung gelangt je nach Vorzeichen zum Eingang eines der Kippverstärker 25 oder 26. Von dort aus werden über die Schalttransistoren 27 und 29 bzw. 28 die Relais 30 bzw. 31 erregt, die einerseits den Potentiometer-Stellantrieb und andererseits die RUckrAhrung an Spannung legen. Der Schalter 32 wird von dem Außenthermostaten 7 beim Ubersehreiten einer bestimmten Temperatur geschlossen, und die Relais 33, 34, 35, deren Ausgangskontakte mit den Schaltern 36, 37, 38 identisch sind, werden damit erregte Dadurch werden die im Spannungsteilerzweig zwischen den Punkten 16 und 17 liegenden Meß- und Eichwiderstände bzw. die beiden linearen Temperaturbereiche mit Steigungen entgegengesetzten Vorzeichens im Funktionszusammenhang von Außen- und Sollwerttemperatur miteinander vertauscht. An die Punkte 39 und 40 wird der Potentiometer-Stellantrieb angeschlossen. Die Rückführungsschaltung 13 wird durch die Ausgangskontakte 41 bzw. 42 der Relais 30 bzw. 31 an Spannung gelegt. Der Kondensator 43 lädt sich mit einer durch seine Kapazität und den Wert des Widerstandes 44 bestimmten Zeitkonstanten auf. Dies geschieht so lange, bis die Differenzspannung zwischen den Punkten 9 und 22 kompensiert ist und die Rückführung durch das Abfallen des Relais 30 bzw. 31 von der Spannungsversorgung getrennt wird. Der Kondensator 43 entlädt sich nun Uber den Widerstand 45 mit der entsprechenden Zeitkonstanten. Nach der Entladung zieht das Relais 30 bzw. 31 wieder an, und dieser Zyklus wiederholt sich so lange, bis die Istwerttemperatur gleich der Sollwerttemperatur geworden ist.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   @. Verfahren zur Kälteleistungsregelung bei Klimaanlagen mit einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor durch einen Asynchron-oder Stromrichtermotor angetrieben wird, dessen Eingangsfrequenz und/oder Eingangsspannung mit einem statischen Frequenzumformer stufenlos geregelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verfügung stehende Wechselspannung gleichgerichtet, geglättet und dann dem Eingang des Frequenzumformers als dessen Spannungsversorgung zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzumformer ein Signal zugeführt wird, du durch den Vergleich eines Istwertes mit einem Sollwert entsteht, wobei der Istwert der gerade von der Klimaanlage ererzeugten, der Sollwert einer von einer Außentemperatur abhängigen Temperatur entspricht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerttemperatur eine lineare Funktion der Außentemperatur ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Funktion zwei durch einen bestimmten Wert der Außentemperatur getrennte Temperaturbereiche aufweist, wobei der oberhalb des genannten Wertes liegende Bereich durch eine positive, der darunterliegende Bereich durch eine negative Steigung der der linearen Funktion entsprechenden Geraden gekennzeichnet ist.
6. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler zur Messung der von der Klimaanlage erzeugten Istwerttemperatur, einen zweiten Temperaturfühler zur Messung der Außentemperatur, eine Brückenschaltung zur Einstellung der Sollwerttemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur, einen Außenthermoßtaten, der in Abhängigkeit von der Außentemperatur und mit Hilfe eines Umsohaltrelais einen der beiden Temperaturbereiche auwKhlt, sowie einen Vergleiohbpunkt zur Bildung eines positiven oder negativen Differenzaignales aus Istwert- und 9011-werttemperatur.
7. 7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Meßverstärker, dem das von der Vergleichsstelle gebildete Dirferenzsignal zugeführt wird, je einem Kippverstärker zur Aufnahme des entweder positiven oder negativen Ausgangssignals des Meßverstärkers sowie eine Einheit zur Ansteuerung des statischen Frequenzumformers mit Hilfe der von den Kippverstärkern abgegebenen Impulse.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ansteuerung des statischen Frequenzumformers vorgesehene Einheit ein Potentiometer-Stellantrieb ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ansteuerung des statischen Frequenzumformers vorgesehene Einheit eine elektronische Einheit mit Digital-Eingang und Analog-Ausgang oder mit stetigem Strom- oder Spannungsausgang ist.
10. 10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch eine von den Kippstufen her angesteuerte RUokfUhrungJeinheit zur Kompensation des Differenzsignales, wobei der zeitliche Verlauf des Kompensation@signals mit Hilf@ eines Kondensators und zweier einstellbarer Widerstände variierbar ist.

    L e e r s e i t e