DE3702658A1 - Steuergeraet fuer einen wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Klimagerät, insbeson­ dere auf ein Steuergerät für einen Wechselrichter zur Steue­ rung der Leistung des Kompressors eines Klimageräts ent­ sprechend der Betriebsweise des Klimageräts als Kühl- oder Heizgerät.

Aus der US-PS 42 57 238 ist es bekannt, die Leistung ei­ nes Kompressors allmählich und stufenlos entsprechend der Klimatisierungsbelastung eines Raumes durch Steuerung ei­ nes den Kompressormotor speisenden Wechselrichters zu än­ dern. Dabei erfolgt die Regelung so, daß der im Wechselrich­ ter fließende Strom erfasst und die Drehzahl des Kompres­ sormotors vermindert wird, wenn der erfasste Strom einen als Grenzstrom bezeichneten vorbestimmten Wert überschrei­ tet. In einem derartigen Wechselrichter werden Halbleiter- Bauelemente verwendet, deren Nennleistung allgemein ver­ ringert werden soll, wobei die Leistungsabnahme von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Bei dem bekannten Wech­ selrichter-Steuergerät wurde jedoch keine Rücksicht auf eine effektive Ausnutzung des Wechselrichters in Abhängig­ keit von der Temperatur genommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Wechselrich­ ter-Steuergerät für eine Klimaanlage zu schaffen, bei dem der Wechselrichter in Abhängigkeit von seiner Umgebungs­ temperatur wirksam ausgenutzt wird; insbesondere soll die Heizleistung erhöht werden.

Die maximal zulässige Übergangstemperatur eines Halblei­ ter-Bauelements aus Silicium, beispielsweise einer Diode, eines Leistungstransistors oder dergleichen, wie sie bei Wechselrichtern verwendet werden liegt bei etwa 150°C. Bei der Auslegung des Wärmegleichgewichts eines Leistungs­ transistors oder dergleichen wird daher die Leistungsab­ nahme so gewählt, daß die Umgebungstemperatur des Tran­ sistors den höheren Grenzwert auch dann nicht überschrei­ tet, wenn das den Transistor enthaltende Gerät bei der höchstmöglichen Temperatur in einer Umgebung verwendet wird, in der das Gerät üblicherweise benutzt wird. Das Halblei­ ter-Bauelement liegt daher im allgemeinen bei einer Tem­ peratur, die wesentlich niedriger ist als die maximal zulässige Temperatur bei Verwendung in normaler Umgebungs­ temperatur.

Die japanische lndustrienorm (JIS) begrenzt für Klimage­ räte und -anlagen den Maximalwert der Umgebungstempera­ tur auf 43°C im Kühlmodus. Wird daher ein Wechselrich­ ter auf der Basis des erwähnten Maximalwertes der Umge­ bungstemperatur ausgelegt, so besteht die Schwierigkeit, daß der Wechselrichter beispielsweise im Heizbetrieb bei niedriger Temperatur nicht bei voller Leistung gefahren werden kann. Wird der Arbeitsstrom des Wechselrichters auf einen Wert festgesetzt, bei dem der Wechselrichter im Heizbetrieb mit voller Leistung arbeiten kann, besteht auf der anderen Seite die Schwierigkeit, daß der Wechsel­ richter im Kühlbetrieb über seine volle Leistung arbeiten kann.

Erfindungsgemäß wurde berücksichtigt, daß im Winter, wenn das Klimagerät im allgemeinen im Heizbetrieb arbeitet, die Temperatur der Außenluft und daher die Umgebungstem­ peratur des Leistungstransistors gering ist, so daß im Betrieb des Transistors ein höherer Temperaturanstieg zulässig ist. Es ist daher möglich, den Wechselrichter bei seiner vollen Leistung zu betreiben, wenn sich der Grenzstrom in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Wech­ selrichters ändert, d.h., in Abhängigkeit davon, ob der Wechselrichter im Kühl- oder Heizbetrieb läuft, auch wenn im Wechselrichter Halbleiter-Bauelemente mit verhältnis­ mäßig geringer Leistung verwendet werden.

Erfindungsgemäß enthält ein einen Wechselrichter aufwei­ sendes Klimagerät einen Stromrichter zur Umwandlung ei­ ner Wechselspannung in Gleichspannung, einen Wechselrich­ ter zur Umwandlung der Gleichspannung vom Stromrichter in eine frequenzgesteuerte Wechselspannung zur Speisung eines Kompressormotors, eine Stromerfassungsschaltung zur Erfassung des in den den Wechselrichter bildenden Halb­ leiter-Bauelementen fließenden Stromes und ein Steuerge­ rät mit einer Wechselrichter-Steuereinheit zur Steuerung der Frequenz der vom Wechselrichter erzeugten Wechsel­ spannung und eine Klimatisierungs-Steuereinheit zur Er­ zeugung eines Frequenzbefehls entsprechend der Klimati­ sierungslast, Einrichtungen zur Verminderung der Frequenz der Wechselstrom-Ausgangsleistung des Wechselrichters, wenn der Wechselrichterstrom einen gegebenen Grenzwert übersteigt und Einrichtungen zur selektiven Änderung des Grenzwertes des Wechselrichterstromes in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Klimageräts, so daß der Grenzstrom im Kühlmodus erniedrigt und im Heizmodus erhöht wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Steuergeräts für einen Wechselrichter in einem Klimagerät,

Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild des Steuergeräts der Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild für den Fall der Erfassung eines Überstromsignals vom Gleichstromkreis und

Fig. 4 ein Fließbild bei der Einstellung der Leistungs­ abnahme des erfindungsgemäßen Wechselrichters.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel ei­ ner Schaltung zu Steuerung eines Wechselrichters in ei­ nem Klimagerät beschrieben. Fig. 1 ist ein Blockschalt­ bild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuergeräts, Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild des Steuergeräts der Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist eine Wechselspannungsquelle 1 mit einem Stromrichter 2 zur Umwandlung von Wechselstromleistung in Gleichstromleistung verbunden, der seinerseits einen Wechselrichter 3 speist. Als den Wechselrichter 3 bilden­ de Halbleiter-Bauelemente werden im allgemeinen Leistungs­ transistoren verwendet. Die Leistungstransistoren werden mit einer Frequenz und Zeitdauer ein- und ausgeschaltet, die von einem Wechselrichter-Steuergerät 5 vorgegeben wird; hierdurch wird die Drehzahl eines Kompressormotors 7 gesteuert. Statt Leistungstransistoren können als Schaltelemente auch gate-gesteuerte Thyristoren oder der­ gleichen verwendet werden, die ein- und ausschaltbar sind. Im Betrieb wird der Strom einer Phase des Kompressormo­ tors 7 durch einen Stromwandler 6 erfasst und dem Steuer­ gerät 5 zugeführt. Ein Steuergerät 4 für die Klimaanla­ ge sendet verschiedene Befehlssignale aus, durch die der Kompressor in Lauf oder stillgesetzt wird, die Drehzahl des Kompressormotors 7, der Kühl- oder Heizbetrieb und dergleichen für das Steuergerät 5 des Wechselrichters auf der Basis der Klimadaten wie Temperatur, Druck usw. vorgegeben wird.

Der Aufbau des Steuergeräts der Fig. 1 wird anhand Fig. 2 im einzelnen beschrieben. Der Stromrichter 2 enthält Dioden 21, 22 und 23, die in die Phasen R, S bzw. T der Spannungsquelle 1 geschaltet sind und einen Glättungs­ kondensator 24, die zusammen eine Schaltung zur Umwand­ lung von Wechsel- in Gleichstrom bilden. Der Wechselrich­ ter 3 enthält Leistungstransistoren 31, 32 und 33 und Dioden 34, 35 und 36, die an die parallel zu den Leistungs­ transistoren 31, 32 bzw. 33 geschaltet sind, und einen Shunt-Widerstand 37 zur Erfassung des Gleichstromes. Das Steuergerät 4 für das Klimagerät enthält einen Steuer- Mikrocomputer 41, eine Speiseschaltung 42 für ein Expan­ sionsventil, eine Speiseschaltung 43 für ein Relais, die an verschiedene, einen Kühlzyklus bildende Geräte ange­ schlossen sind, beispielsweise ein Expansionsventil, ein elektromagnetisches Ventil, ein 4-Wege-Ventil und einen Außenventilator, einen elektromagnetischen Kontakt, ei­ nen Außentemperaturfühler, einen Kompressor-Auslaßgas- Temperaturfühler, einen Kondensator-Auslaß-Temperatur­ fühler, ein Alarmgerät, einen Verdampfer-Auslaß-Tempera­ turfühler usw.

Das Wechselrichtersteuergerät 5 ist mit einem Mikrocom­ puter 51 zur Steuerung des Wechselrichters verbunden, der mit einem Speicher (ROM) 52 zur Speicherung von Grenz­ strömen zweier verschiedener Werte verbunden ist. Ein Pulsbreitenmodulator (oder Spannungsverlaufs-Syntheti­ sierer) 53 ist mit der Signalausgangsseite des Mikrocom­ puters 51 über einen Zeitgeber 54 und Signalleitungen 55 und über eine Signalleitung 56 mit einer anderen Sig­ nalausgangsseite des Mikrocomputers 51 verbunden. Die Eingangsseite einer Steueranschluß-Speiseschaltung 57 ist an den Ausgang des Pulsbreitenmodulierers 53, ihr Ausgang ist mit dem Wechselrichter 3 verbunden, so daß Signale den jeweiligen Basen der Leistungstransistoren 31, 32 und 33 zugeführt werden. Das vom Stromwandler 6 erzeugte Signal wird einer Überlast-Erfassungsschaltung 58 zugeführt, deren Überlastsignal bei der Erfassung ei­ ner Überlast den Mikrocomputer 51 der Wechselrichtersteue­ rung über eine Signalleitung 581 zugeführt wird. Eine Überstrom-Erfassungsschaltung 59 empfängt das vom Shunt- Widerstand 37 erzeugte Stromsignal, so daß bei Erfas­ sung eines Überstromes im Gleichstromkreis dem Wechsel­ richter-Steuer-Mikrocomputer 51 über eine Halteschaltung 591 und eine Signalleitung 592 ein Überstromsignal zuge­ führt wird.

Es sei angenommen, daß I ₂<I ₁, worin I ₁ und I ₂ den Strom- Grenzwert für Kühl- bzw. Heizbetrieb bedeuten. Im Betrieb steigt der Strom des Kompressormotors 7 mit steigender Last an. Dieser Anstieg wird mit Hilfe des Stromwertes I _S überwacht, der vom Stromwandler 6 gemessen wird. Wenn der so gemessene Strom I _S gleich oder größer wird als der Grenzstrom I ₂ (oder I ₁), so wird die Frequenz der vom Wechselrichter 3 erzeugten Wechselspannung verringert. Wird daher das Klimagerät im Kühlbetrieb bei einer Umge­ bungstemperatur betrieben, die im allgemeinen höher ist, so verringert sich die Leistung des Wechselrichters durch Begrenzung seines maximal zulässigen Ausgangsstromes auf einen geringeren Wert. Der Wechselrichter wird auf höherer Leistung durch Begrenzung seines maximal zulässigen Aus­ gangsstromes auf einem höheren Wert betrieben, wenn er im Heizmodus bei einer wesentlich niedrigeren Umgebungs­ temperatur gefahren wird. Diese Steuerung kann unter Ver­ wendung einer gebräuchlichen elektronischen Steuerschal­ tung oder durch ein geeignetes, im Mikrocomputer 51 ge­ speichertes Programm erfolgen. Fig. 4 zeigt den Ablauf eines Steuerprogramms. Der Mikrocomputer 51 ist so pro­ grammiert, daß periodisch durch Unterbrechung eine Strom­ überwachungsroutine durchgeführt wird. Beim Start dieser Routine wird zunächst der Strom I _S ausgelesen und dann festgestellt, ob das Klimagerät im Kühlbetrieb arbeitet oder nicht. Arbeitet es im Kühlbetrieb, so wird der ma­ ximal zulässige Strom des Wechselrichters 3 auf I ₁ ge­ setzt. Arbeitet das Klimagerät nicht im Kühl-, sondern im Heizbetrieb, so wird der maximal zulässige Strom auf I ₂ gesetzt, der höher ist als I ₁. Dann wird festgestellt, ob der Strom I _S größer als I ist. Ist I _S größer als I, so wird die Frequenz des Wechselrichters um einen vorbe­ stimmten Wert vermindert, so daß auch der Strom I _S ver­ ringert wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis I _S gleich oder kleiner ist als I.

Statt den Grenzstrom auf der Basis eines Steuersignals umzuschalten, das den Kühl- oderHeizbetrieb signalisiert, kann mit höherer Genauigkeit gesteuert werden, wenn die Außenluft-Temperatur herangezogen wird. Statt den im Kompressormotor 7 fließenden Strom durch den Stromwand­ ler 6 zu erfassen, kann in den Gleichstromkreis zwischen Stromrichter 2 und Wechselrichter 3 gemäß Fig. 3 ein Shunt-Widerstand 37 eingefügt und über eine Signalleitung 371 der Überlast-Erfassungsschaltung 58 ein Überstromsig­ nal zugeführt werden.

Wenn der (nicht gezeigte) Hauptschalter des Klimageräts eingeschaltet wird, wird von dessen Steuergerät 4 dem Wechselrichter-Steuergerät 5 ein Frequenz-Befehlssignal zugeführt. Der Mikrocomputer 51 des Wechselrichter-Steuer­ geräts 5 sendet ein der vorgegebenen Frequenz entspre­ chendes Wellenform-Signal zum Zeitgeber 54 und zum Puls­ breitenmodulator 53, der seinerseits der Gate-Speise­ schaltung 57 ein Signal zuführt, das dem Befehl ent­ spricht, so daß die Leistungstransistoren 31, 32 und 33 des Wechselrichters 3 gespeist werden.

Als Ergebnis wird infolge der Ein- und Ausschaltung der Leistungstransistoren 31, 32 und 33 dem an den Wechsel­ richter 3 angeschlossenen Kompressormotor 7 eine drei­ phasige, sinusförmige Spannung zugeführt, so daß der Kom­ pressormotor 7 umläuft.

Der Strom des Kompressormotors 7 wird durch die Strom­ wandler 6 erfasst und über den Überlast-Detektor 58 dem Mikrocomputer 51 des Wechselrichters zugeführt, so daß der Steuerstrom gesteuert wird.

Der Shunt-Widerstand 37 im Gleichstromkreis erfasst einen Gleichstrom und schützt die Bausteine der Schaltung vor Beschädigung, wenn der Augenblickswert des Gleichstromes einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die dem Stromrichter 2 zugeführte Wechselspannung wird durch den Diodenmodul des Stromrichters 2 in Gleichspannung umgewandelt und vom Glättungskondensator 24 geglättet. Die Gleichspannung wird dann durch den Wechselrichter 3 in eine dreiphasige Wechselspannung umgewandelt, die ihrerseits dem Kompres­ sormotor 7 zugeführt wird.

Das Steuergerät 4 des Klimageräts sendet zum Steuergerät 5 des Wechselrichters 6 Befehlssignale, durch die der Kompressormotor 7 ein- oder ausgeschaltet und, zusätzlich zum Frequenz-Steuersignal, der Kühl- oder Heizbetrieb eingeschaltet wird. Das Steuergerät 5 des Wechselrichters 6 sendet zum Steuergerät 4 des Klimageräts ein Alarmsig­ nal, Steuerstromsignal usw. Kurz gesagt wird in diesem Ausführungsbeispiel der Grenzstrom I ₂ im Heizbetrieb auf einen größeren Wert eingestellt als der Grenzstrom I ₁ im Kühlbetrieb, so daß der Grenzstrom groß ist, wenn vom Kühl- in den Heizbetrieb umgeschaltet wird. Hierdurch wird ein Dauerbetrieb des Klimageräts möglich.

Wie oben beschrieben kann erfindungsgemäß der Steuerstrom selektiv zwischen Kühl- und Heizbetrieb umgeschaltet wer­ den, so daß die Steuerung insofern vorteilhaft ist, als die Kompressorleistung im Heizbetrieb ohne Erhöhung der Nennleistung der Ausgangseinrichtungen erhöht werden kann. Diese geben selbst dann eine ausreichende Leistung, wenn die der Ausgangseinrichtungen verhältnismäßig gering ist.

Claims (5)

1. Steuergerät für einen Wechselrichter für Klimageräte mit einer Leistungssteuerung, mit einem Stromrichter (2) zur Umwandlung von von einer Spannungsquelle (1) zugeführter Wechselspannung in Gleichspannung, einem Wechselrichter (3) zur Umwandlung vom Stromrichter (2) zugeführter Gleichspannung in eine frequenzgesteu­ erte Wechselspannung zur Speisung eines Kompressormo­ tors (7), einem zwischen Spannungsquelle (1) und Kom­ pressormotor (7) geschalteten Stromwandler (58) zur Erfassung des fließenden Stromes, gekenn­ zeichnet durch eine Steuereinheit (4, 5) mit Einrichtungen zur Steuerung der Frequenz der vom Wech­ selrichter (3) erzeugten Wechselspannung auf der Grund­ lage der Klimatisierungs-Belastung, Einrichtungen zur Verminderung der Frequenz der vom Wechselrichter (3) erzeugten Wechselspannung, wenn der vom Stromwandler (58) erfasste Strom einen vorbestimmten Wert übersteigt, und Einrichtungen zur Änderung des Strompegels in Ab­ hängigkeit von den Betriebsbedingungen des Klimage­ räts.

2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit einen Spei­ cher (52) zur Speicherung erster und zweiter Werte des Strompegels und einen Mikrocomputer (51) zur Wahl des ersten oder zweiten Grenzstromes in Abhängigkeit davon enthält, ob das Klimagerät im Heiz- oder Kühl­ betrieb arbeitet.

3. Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Wert kleiner ist als der zweite Wert, der gewählt wird, wenn das Klimage­ rät im Kühlbetrieb arbeitet und daß der erste und zwei­ te Wert gewählt werden, wenn das Klimagerät im Kühl­ bzw. im Heizbetrieb arbeitet.

4. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stromwandler (58) zwischen den Ausgang des Wechselrichters (3) und den Kompres­ sormotor (7) geschaltet ist.

5. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stromdetektor einen Shunt (37) zwischen Stromrichter (2) und Wechselrichter (3) umfasst.