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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein System der Steuerung/Regelung eines
Freikolben-Linearkompressors, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eines
Kühlmaschinenkompressors.
Das Steuer/Regelsystem erlaubt einen Hochleistungsbetriebsmodus,
in welchem der Kolbenhub maximiert ist und vorsätzlich Kollisionen auftreten.
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STAND DER TECHNIK
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Linearkompressoren
arbeiten auf einer Freikolbenbasis und erfordern eine genaue Steuerung/Regelung
der Hubamplitude, da anders als bei herkömmlichen Rotationskompressoren,
die eine Kurbelwelle verwenden, die Hubamplitude nicht festgelegt
ist. Die Anwendung einer übermäßigen Motorleistung
auf die Bedingungen des komprimierten Fluids kann dazu führen, dass
der Kolben mit dem Kopfantrieb des Zylinders, in dem er pendelt,
kollidiert.
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US 6.890.434 offenbart ein
Steuer/Regelsystem für
einen Freikolbenkompressor, das die Motorleistung als Funktion einer
Eigenschaft des in den Kompressor eintretenden Kühlmittels begrenzt. In Linearkompressoren
ist es jedoch nützlich,
wenn es möglich
ist, eine wirkliche Kolbenkollision zu erfassen, und anschließend die
Motorleistung in Reaktion hierauf zu reduzieren. Eine solche Strategie
kann allein verwendet werden, um eine Kompressorbeschädigung zu
verhindern, wenn aus irgendeinem Grund eine übermäßige Motorleistung auftritt,
oder kann als Verfahren zur Sicherstellung eines hohen Liefergrades
verwendet werden, indem die Leistung allmählich erhöht wird, bis eine Kollision
stattfindet, und anschließend
die Leistung dekrementiert wird, bevor die Leistung wieder allmählich erhöht wird.
Die periodischen leichten Kolbenkollisionen, die diesem Betriebsmodus
eigen sind, verursachen eine vernachlässigbare Beschädigung und
können
leicht toleriert werden.
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US 6.536.326 offenbart ein
System zum Erfassen von Kolbenkollisionen in einem Linearkompressor, das
einen Schwingungsdetektor, wie z. B. ein Mikrophon, verwendet.
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US 6.812.597 offenbart ein
Verfahren und ein System zum Erfassen von Kolbenkollisionen auf
der Grundlage der linearen Motor-Gegen-EMK, und somit ohne die Notwendigkeit
irgendwelcher Sensoren und ihrer zusätzlichen Kosten. Dies nutzt
die plötzliche Änderung
der Periode, die bei einer Kolbenkollision auftritt, wie festgestellt
worden ist. Die Pendelperiode und/oder Halbperioden können durch
Messen der Zeitspanne zwischen den Nulldurchgängen der in den Motorstatorwicklungen
induzierten Gegen-EMK erhalten werden. Die Gegen-EMK ist eine Funktion
der Motorankergeschwindigkeit und somit der Kolbengeschwindigkeit,
wobei Nulldurchgänge
die Punkte markieren, an denen der Kolben während seiner Pendelzyklen die
Richtung wechselt.
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Wenn
gewünscht
ist, den Kompressor mit maximaler Leistung und hohem Liefergrad
zu betreiben, ist es sehr wichtig sicherzustellen, dass das Kollisionserfassungssystem
den Beginn von Kollisionen nicht verpasst, da sie in diesem Betriebsmodus
regelmäßig und
erwartet auftreten, und da nachfolgende Kollisionen mit zunehmender
Leistung eine Beschädigung
hervorrufen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuer/Regelsystem
für einen
Freikolben-Linearkompressor zu schaffen, der einen Hochleistungsbetrieb
erlaubt, während
eine Kolbenkollisionsbeschädigung ausgeschlossen
wird.
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Gemäß einem
Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern/Regeln
eines Freikolben-Linearkompressors, gekennzeichnet durch:
- (a) allmähliches
Erhöhen
der Eingangsleistung des Kompressors;
- (b) Stören
der Leistungsfunktion des Schritts (a) durch Überlagern vorübergehender
Erhöhungen
der Leistung (Rb);
- (c) Beobachten auf Kolbenkollisionen;
- (d) wenn eine Kolbenkollision erfasst wird, Dekrementieren der
Eingangsleistung; und
- (e) kontinuierliches Wiederholen der Schritte (a) bis (d).
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In
einer Ausführungsform
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung enthält der Linearkompressor (1)
einen Freikolben (22), der in einem Zylinder (12)
pendelt und durch einen Elektromotor angetrieben wird, der einen
Stator (5) mit einer oder mehreren Erregungswicklungen
(33) und einen mit dem Kolben verbundenen Anker (17)
aufweist, wobei das Verfahren ferner den Schritt enthält:
Zuführen eines
Wechselstroms zur Statorwicklung, um den Anker und den Kolben zum
Pendeln zu veranlassen,
wobei der Schritt des allmählichen
Erhöhens
der Eingangsleistung das allmähliche
Erhöhen
des in die Statorwicklungen eingegebenen Stroms über viele Pendelperioden umfasst,
und
wobei der Schritt des Beobachtens auf Kolbenkollisionen
das Erlangen einer Anzeigegröße der Pendelperiode des
Kolbens, sowie das Erfassen irgendeiner plötzlichen Reduktion der Anzeigegröße umfasst,
wobei die plötzliche
Reduktion eine Kolbenkollision mit dem Zylinderkopf anzeigt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung enthält der Linearkompressor (1)
einen Freikolben (22), der in einem Zylinder (12)
pendelt und durch einen Elektromotor angetrieben wird, der einen
Stator (5) mit einer oder mehreren Erregungswicklungen
(33) und einen mit dem Kolben verbundenen Anker (17)
aufweist, und enthält
ferner den Schritt:
Zuführen
eines Wechselstroms zur Statorwicklung, um den Anker und den Kolben
zum Pendeln zu veranlassen,
wobei der Schritt des allmählichen
Erhöhens
der Eingangsleistung das allmähliche
Erhöhen
des in die Statorwicklungen eingegebenen Stroms über viele Pendelperioden umfasst,
und
wobei der Schritt des Beobachtens auf Kolbenkollisionen
das Beobachten der Motor-Gegen-EMK, das Erfassen von Nulldurchgängen der
Motor-Gegen-EMK, das Beobachten der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in
der Umgebung der Nulldurchgänge,
und das Erfassen von Unstetigkeiten in der Wellenformsteigung umfasst,
wobei die Unstetigkeiten eine Kolbenkollision mit dem Zylinderkopf
anzeigen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen Freikolben-Linearkompressor,
gekennzeichnet durch:
Mittel zum allmählichen Erhöhen der Eingangsleistung des
Kompressors;
Mittel zum Stören
der zunehmenden Eingangsleistung durch Überlagern vorübergehender
Erhöhungen
der Leistung (Rb);
Mittel zum Beobachten
auf Kolbenkollisionen; und
Mittel zum Dekrementieren der Eingangsleistung,
wenn eine Kolbenkollision erfasst wird.
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Eine
Ausführungsform
eines Linearkompressors der vorliegenden Erfindung enthält:
einen
Zylinder (12),
einen Kolben (17), wobei der
Kolben (17) innerhalb des Zylinders (12) pendeln
kann,
einen pendelnden linearen Elektromotor, der mit dem Kolben
gekoppelt ist und wenigstens eine Erregungswicklung (33)
aufweist, und
Mittel zum Erlangen einer Anzeigegröße der Pendelperiode
des Kolbens (109), wobei
die Mittel zum Beobachten
auf Kolbenkollisionen Mittel (117) zum Erfassen irgendeiner
plötzlichen
Reduktion der Anzeigegröße der Pendelperiode
umfassen, wobei die Reduktion eine Kolbenkollision mit dem Zylinderkopf
aufgrund des Störungssignals
anzeigt, und
die Mittel zum Dekrementieren der Eingangsleistung,
wenn eine Kolbenkollision erfasst wird, Mittel (116) zum Reduzieren
der Eingangsleistung der Erregungswicklung in Reaktion auf irgendeine
plötzliche Änderung
der erfassten Pendelperiode umfasst.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines Linearkompressors der vorliegenden Erfindung enthält:
einen
Zylinder (12),
einen Kolben (17), wobei der
Kolben (17) innerhalb des Zylinders (12) pendeln
kann,
einen pendelnden linearen Elektromotor, der mit dem Kolben
gekoppelt ist und wenigstens eine Erregungswicklung (33)
aufweist,
Mittel zum Beobachten der Motor-Gegen-EMK (98),
Mittel
zum Erfassen der Nulldurchgänge
der Motor-Gegen-EMK (99),
Mittel (118) zum
Beobachten der Steigung der Gegen-EMK-Wellenform in der Umgebung
der Nulldurchgänge,
Mittel
(118) zum Erfassen von Unstetigkeiten in der Wellenformsteigung,
wobei die Unstetigkeiten eine Kolbenkollision mit dem Zylinderkopf
anzeigen, und
Mittel (119) zum Stören der allmählich zunehmenden
Leistungseingabe mit vorübergehenden
Erhöhungen
der Leistung, wobei:
die Mittel zum Überwachen auf Kolbenkollisionen
Mittel zum Erfassen der Unstetigkeiten, die eine Kolbenkollision
mit dem Zylinderkopf anzeigen, aufgrund des Störungssignals umfassen, und
die
Mittel zum Dekrementieren der Eingangsleistung, wenn eine Kolbenkollision
erfasst wird, Mittel (116) zum Reduzieren der Leistungseingabe
in die Erregungswicklung in Reaktion auf irgendeine Unstetigkeit
der erfassten Gegen-EMK-Steigung umfassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 eine
Längsachsenschnittansicht
eines Linearkompressors ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung
gesteuert/geregelt wird;
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2 ein
Kühlmaschinen-Steuer/Regelsystem
in Blockdiagrammform zeigt;
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3 ein
Basis-Linearkompressor-Steuer/Regelsystem zeigt, das eine elektronische
Kommutation mit anhand der Kompressormotor-Gegen-EMK gesteuerter
Umschaltung verwendet;
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4 das
Steuer/Regelsystem der 3 mit Kolbenkollisionsvermeidungsmaßnahmen
zeigt;
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5 das
Steuer/Regelsystem der 3 mit Kollisionssteuerung für einen
Hochleistungsbetrieb des Kompressors zeigt;
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6 das
Steuer/Regelsystem der 5 zeigt, das eine Perturbation
der Kompressoreingangsleistung gemäß der vorliegenden Erfindung
enthält;
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7 einen
Schaltkreis zum Kommutieren des Stroms zu den Kompressorwicklungen
zeigt;
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8 einen Graphen zeigt, der eine Kompressoreingangsleitung
aufweist, die den Perturbationsrampenfunktions-Hochleistungsmodus
(und entsprechende Kolbenkollisionen) zusammen mit entsprechenden Kolbenexpansions-
und Kompressions-Halbzyklusperioden darstellt; und
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9 ein
Linearkompressor-Steuer/Regelsystem zeigt, das alle Steuerungs/Regelungsmerkmale
der 3 bis 6 enthält.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung/Regelung eines
Freikolben-Pendelkompressors, der mittels eines linearen Elektromotors
angetrieben wird. Eine typische, jedoch nicht ausschließliche, Anwendung
ist eine Kühlmaschine.
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Lediglich
beispielhaft und zur Bereitstellung eines Zusammenhangs ist in 1 ein
Freikolben-Linearkompressor gezeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung
gesteuert/geregelt werden kann.
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Ein
Kompressor für
ein Dampfkompressions-Kühlsystem
enthält
einen Linearkompressor 1, der innerhalb einer Hülle 2 unterstützt ist.
Typischerweise ist das Gehäuse 2 hermetisch
abgeschlossen und enthält
einen Gasein lassanschluss 3 und einen Kompressionsgasauslassanschluss 4.
Unkomprimierte Gase strömen im
inneren des Gehäuses
um den Kompressor 1. Diese unkomprimierten Gase werden
während
des Einlasshubes in den Kompressor gezogen und zwischen einer Kolbenkrone 14 und
einer Ventilplatte 15 beim Kompressionshub komprimiert
und durch ein Auslassventil 6 in einen Kompressionsgassammler 7 ausgestoßen. Komprimierte
Gase treten aus dem Sammler 7 in den Auslassanschluss 4 in
der Hülle
durch eine flexible Rohrleitung 8 aus. Um den Steifheitseffekt
der Auslassrohrleitung 8 zu reduzieren, ist die Rohrleitung
vorzugsweise als Schleife oder Spirale quer zur Pendelachse des
Kompressors angeordnet. Der Einlass in den Kompressionsraum kann
durch den Kopf, den Ansaugsammler 13 und ein Ansaugventil 29 bewerkstelligt
werden.
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Der
dargestellte Linearkompressor 1 weist allgemein ausgedrückt einen
Zylinderabschnitt und einen Kolbenabschnitt auf, die mittels einer
Hauptfeder verbunden sind. Der Zylinderabschnitt enthält das Zylindergehäuse 10,
den Zylinderkopf 11, eine Ventilplatte 5 und einen
Zylinder 12. Ein Endabschnitt 18 des Zylinderteils,
entfernt vom Kopf 11, hält
die Hauptfeder relativ zum Zylinderteil. Die Hauptfeder kann als
Kombination einer Schraubenfeder 19 und einer Flachfeder 20 ausgebildet
sein, wie in 1 gezeigt ist. Der Kolbenteil
enthält
einen Hohlkolben 22 mit einer Seitenwand 24 und
einer Krone 14.
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Der
Kompressor-Elektromotor ist integral mit der Kompressorstruktur
ausgebildet. Der Zylinderteil enthält einen Motorstator 15.
Ein zusammenwirkender Linearmotoranker 17 verbindet den
Kolben über
eine Stange 26 mit einem Unterstützungskörper 30. Der Linearmotoranker 17 umfasst
einen Körper
aus einem Permanentmagnetmaterial (wie z. B. Ferrit oder Neodym),
das magnetisiert ist, um einen oder mehrere Pole bereitzustellen,
die quer zur Pendelachse des Kolbens innerhalb des Zylindermantels
ausgerichtet sind. Ein Endabschnitt 32 der Ankerunterstützung 30,
entfernt vom Kolben 22, ist mit der Hauptfeder verbunden.
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Der
Linearkompressor 1 ist innerhalb der Hülle 2 auf mehreren
Aufhängungsfedern
montiert, um ihn von der Hülle
zu isolieren. Im Gebrauch schwingt der Linearkompressor-Zylinderteil,
jedoch ist die Schwingung des Zylinderteils im Vergleich zu dem
relativen Pendeln zwischen dem Kolbenteil und dem Zylinderteil klein, da
der Kolbenteil im Vergleich zum Zylinderteil sehr leicht ist.
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Ein
Wechselstrom in den Statorwicklungen 33, nicht unbedingt
sinusförmig,
erzeugt eine Schwingungskraft an den Ankermagneten 17,
um dem Anker und dem Stator im Wesentlichen eine relative Bewegung zu
verleihen, vorausgesetzt, die Oszillationsfrequenz ist nahe der
Eigenfrequenz des mechanischen Systems. Diese Eigenfrequenz wird
durch die Härte
der Feder 19 und die Masse des Zylinders 10 und
des Stators 15 bestimmt.
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Neben
der Feder
19 ist jedoch eine inhärente Gasfeder vorhanden, deren
effektive Federkonstante im Fall eines Kühlmaschinenkompressors variiert,
wenn entweder der Verdampfer- oder der Kondensatordruck (und die
Temperatur) variieren. Ein Steuer/Regelsystem, das den Statorwicklungsstrom
und somit die Kolbenkraft festlegt, um dies zu berücksichtigen,
wurde in
US 6.809.434 offenbart,
deren Inhalte hiermit durch Literaturhinweis eingefügt sind.
US 6.809.434 beschreibt
ferner ein System zum Begrenzen der maximalen Motorleistung auf
der Grundlage der Frequenz und der Verdampfertemperatur, um Kolben-Zylinderkopf-Kollisionen zu
minimieren.
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Vorzugsweise,
jedoch nicht unbedingt, arbeitet das Steuer/Regelsystem der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit dem Steuer/Regelsystem, das in
US 6.809.434 offenbart ist.
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Um
einen Zusammenhang für
das Linearkompressor-Steuer/Regelsystem in der vorliegenden Erfindung
zur Verfügung
zu stellen, ist in 2 ein Basissteuersystem für eine Kühlmaschine
gezeigt. Eine Kühlmaschine 101,
die einen Verdampfer 102 und einen Kompressor 103 enthält, wird
von einem Benutzer über eine
Steuervorrichtung, die ein Signal 104 erzeugt, so eingestellt,
dass sie bei einer gewünschten
Kühlfachtemperatur
betrieben wird. Dies veranlasst den Kompressor 103, zu
arbeiten, bis die Kühlmaschinenfachtemperatur,
die vom Temperatursensor 105 überwacht wird, die gewünschte Temperatur
aufweist und das Fehlersignal 106, das vom Steuerungsverstärker 107 ausgegeben
wird, unter einen Schwellenwert fällt. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Kompressor 103 abgeschaltet. Wenn die Fachtemperatur
eine vorgegebene Schwelle überschreitet, überschreitet
die Amplitude des Fehlersignals 106 den vorgegebenen Wert
und der Kompressor wird wieder eingeschaltet. Dies ist das herkömmliche
nichtlineare Rückkopplungssystem,
das in Kühlmaschinen verwendet
wird.
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Das
Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung befindet sich innerhalb
der herkömmlichen Schleife,
die mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist. Es
empfängt
eine Eingabe des Ausgangssignals vom Verstärker 107 und steuert/regelt
den Kompressor 103, der in der vorliegenden Erfindung ein
Freikolben-Linearkompressor ist.
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Das
Steuer/Regelsystem der vorliegenden Erfindung arbeitet in Verbindung
mit dem Basis-Motorsteuersystem der 3 und vorzugsweise,
obwohl nicht notwendig, mit dem System der 4. Wie in 3 gezeigt
ist, weist der Linearkompressor 103A, der dem bereits mit
Bezug auf 1 beschriebenen Typ entsprechen
kann, Statorwicklungen auf, die durch eine Wechselspannung erregt
werden, die von einem Leistungsschaltkreis 107 zugeführt wird,
welche die Form der in 7 gezeigten Brückenschaltung
annehmen kann, die die Schaltvorrichtungen 411 und 412 nutzt,
um den Strom mit wechselnder Polarität durch die Kompressorstatorwicklung 33 zu
kommutieren. Das andere Ende der Statorwicklung ist mit dem Knotenpunkt
von zwei in Serie verbundenen Kondensatoren verbunden, die ebenfalls
an der Gleichstromversorgung angeschlossen sind. Die in 7 gezeigte "halbe" Brücke kann
durch eine Vollbrücke
ersetzt werden, die vier Schaltvorrichtungen verwendet. Das Steuer/Regelsystem
ist vorzugsweise als programmierter Mikroprozessor implementiert,
der die Operation des Leistungschaltkreises 107 steuert.
Der Schaltkreis 107 wird somit durch einen Schaltalgorithmus 108 gesteuert,
der vom Steuer/Regelsystem-Mikroprozessor ausgeführt wird. Der Mikroprozessor
ist so programmiert, dass er verschiedene Funktionen ausführt oder
Tabellen benutzt, die zu beschreiben sind und die zum Zweck der
Erläuterung
in den Blockdiagrammen der 3 bis 5 als
Blöcke
dargestellt sind.
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Pendelbewegungen
des Kompressorkolbens und die Frequenz oder die Periode desselben
werden vom Bewegungsdetektor 109 erfasst, der in der bevorzugten
Ausführungsform
den Prozess des Überwachens der
Gegen-EMK umfasst,
die in den Kompressorstatorwicklungen durch den pendelnden Kompressoranker
induziert wird, sowie das Erfassen der Nulldurchgänge dieses
Gegen-EMK-Signals. Der Schaltalgorithmus 108, der die Mikroprozessorausgangssignale
zum Steuern des Leistungsschalters 107 bereitstellt, weist
Schaltzeitpunkte auf, die von Logikübergängen im Gegen-EMK-Nulldurchgangssignal
angestoßen
werden. Dies stellt die Pendelprozessor-Maximalleistungsspitzeneffizienz sicher.
Die Kompressoreingangsleistung kann bestimmt werden, indem entweder
die Stromamplitude oder die Stromdauer gesteuert werden, mit denen
die Statorwicklungen mittels des Leistungsschalters 107 beaufschlagt
werden. Eine Impulsbreitenmodulation des Leistungsschalters kann
ebenfalls verwendet werden.
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4 zeigt
das Basis-Kompressorsteuersystem der
3, verbessert
durch die Steuertechnik, die in
US
6.809.343 offenbart ist, welche Kolben/Zylinder-Kollisionen im Normalbetrieb
minimiert, indem eine maximale Leistung auf der Grundlage der Kolbenfrequenz
und der Verdampfertemperatur festgelegt wird. Der Ausgang
111 eines
Verdampfertemperatursensors wird an einen der Mikroprozessoreingänge angelegt,
wobei die Kolbenfrequenz mittels einer Frequenzroutine
112 bestimmt
wird, die die Zeit zwischen den Nulldurchgängen im Gegen-EMK-Signal
110 misst.
Sowohl die bestimmte Frequenz als auch die gemessenen Verdampfertemperatur
werden verwendet, um eine maximale Leistung aus einer Maximalleistungs-Nachschlagtabelle
113 auszuwählen, die
eine maximal zulässige
Leistung P
t für eine Komparatorroutine
114 festlegt.
Die Komparatorroutine
114 empfängt als zweite Eingabe den
Wert
106, der die Leistungsanforderung (P
r)
darstellt, die von der gesamten Kühlmaschinensteuerung benötigt wird.
Die Komparatorroutine
114 wird vom Schaltalgorithmus
118 verwendet,
um die Schaltstromamplitude oder -dauer zu steuern. Die Komparatorroutine
114 liefert
einen Ausgangswert
115, der das Minimum der von der Kühlmaschine
benötigten
Leistung P
r und der anhand der Maximalleistungstabelle
113 zulässigen Leistung
P
t ist.
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Die
Verwendung der mit Bezug auf
4 erläuterten
Steuer/Regelkonzepte führt
dazu, dass der Linearkompressor
103a (falls aktiv) ohne
oder mit minimalen Kolbenkollisionen im Normalbetrieb arbeitet.
Wie jedoch in
US 6.812.597 offenbart
ist, kann der Linearkompressor
103a in einem "Maximalleistungsmodus" laufen, wo eine
höhere
Leistung erzielt werden kann als mit dem Steuer/Regelsystem der
4,
jedoch mit der Unvermeidbarkeit einiger Kolbenkollisionen. Das Steuer/Regelsystem
der vorliegenden Erfindung erleichtert diesen Modus, wie im Folgenden
beschrieben wird.
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Wie
in
5 gezeigt ist, wird ein Leistungsalgorithmus
116 verwendet,
der Werte für
einen weiteren Eingang der Vergleichsroutine
114 bereitstellt.
Der Leistungsalgorithmus
116 fährt die Kompressoreingangsleistung
langsam hoch, indem schrittweise ansteigende Werte der Komparatorroutine
114 bereitgestellt
werden, was den Schaltalgorithmus
108 veranlasst, die Stromamplitude
des Leistungsschalters
107 oder vorzugsweise die Einschaltdauer
hochzufahren. Die Leistung wird alle n Zyklen oder Kolbenpendelbewegungen
auf P
a + R erhöht, wobei P
a die
vom Kollisionsanalysator (siehe unten) zugelassene Leistung ist
und R ein Leistungsinkrement ist, das die Rampenrate definiert.
In der Praxis ist gewöhnlich
n = 1. Diese Rampe wird fortgesetzt, bis eine Kolbenkollision erfasst
wird. Der Kollisionserfassungsprozess
117 wird vorzugsweise
anhand einer Analyse der Gegen-EMK bestimmt, die in den Kompressorwicklungen
induziert wird, wobei die verwendete Technik entweder diejenige
sein kann, die in
US 6.812.597 offenbart
ist und die auf plötzliche
Absenkungen der Kolbenperiode achtet (
8(a) und
8(b) zeigten Graphen von Kolbenhalbperioden über der
Zeit, wie im Folgenden erwähnt
wird), oder diejenige, die in
US
10/880.389 offenbart ist und die auf Unstetigkeiten der Steigung
des analogen Gegen-EMK-Signals achtet.
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Bei
Erfassung einer Kollision veranlasst der Leistungsalgorithmus 116,
dass ein dekrementierter Wert in die Komparatorroutine 114 eingegeben
wird, um eine Senkung der Leistung zu erreichen. Der Leistungsalgorithmus 116 fährt anschließend die
Kompressoreingangsleistung langsam wieder hoch, bis eine weitere
Kollision erfasst wird und der Prozess wiederholt wird.
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Um
die Wahrscheinlichkeit der Erfassung der ersten Kollision aufgrund
einer Erhöhung
von Spitzenkolbenauslenkungen zu erhöhen (da fortgesetzte Kollisionen
mit zunehmender Leistung einen Schaden hervorrufen können), wird
das effektive Leistungssteigerungssignal, das vom Leistungsalgorithmus 116 bereitgestellt
wird, alle m Zyklen mittels eines Perturbationsalgorithmus 119 (siehe 6)
mit einer Erhöhung
(Rb) der Leistung für eine sehr kurze Zeitspanne
periodisch gepulst. Ein typischer Wert von m kann 100 sein. In einer Ausführungsform
wird dies erreicht durch Erhöhen
der Einschaltdauer des Leistungsschalters 107 um 100 μs alle 1
s (siehe 8(c)). Kürze Erhöhungen der Einschaltzeiten
von z. B. 50 μs
können
verwendet werden, in Abhängigkeit
vom verwendeten Kollisionserfassungssystem. Dies läuft auf
eine periodische Anwendung einer Impulsfunktionsperturbation R(b)
des Rampensignals hinaus, wie in 8(c) gezeigt
ist, obwohl davon auszugehen ist, dass dies ein Graph der Einschaltzeit
des Leistungsschalters 107 und nicht der Leistung selbst
ist. Alle m Zyklen wird die Leistung für einen Zyklus auf Pa + Rp erhöht, d. h.
für eine
Pendelbewegung, um eine Kollision hervorzurufen, wenn die Kompressorleistung
so beschaffen ist, dass sie nahezu Spitzenkolbenverschiebungen hervorruft,
die zu Kollisionen mit dem Zylinderventiltrieb führen. Diese Niedrigenergiekollision wird
erfasst und die Kompressoreingangsleistung sofort um s·Rp reduziert, wobei s typischerweise gleich
20 sein kann, wodurch das bewährte
Dekrement 20 mal der Perturbationsimpulsleistung gemacht wird. Die
Rampenfunktion wird fortgesetzt, um die Kompressorleistung wieder
allmählich
zu erhöhen.
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Unter
Verwendung der beschriebenen Perturbationstechnik kann der Linearkompressor
mit maximaler Leistung und maximalem Liefergrad betrieben werden,
falls erforderlich, mit nicht-schädigenden Niedrigenergie-Kolbenkollisionen
in der Gewissheit, dass fortgesetzte Kollisionen bei zunehmender
Leistung vermieden werden.
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Wünschenswert,
jedoch nicht notwendig, wird das beschriebene Hochleistungssteuerverfahren
in Verbindung mit der Steuerung für eine normale Operation verwendet,
wo eine Kollisionsvermeidung eingesetzt wird, wie mit Bezug auf 4 beschrieben
worden ist. Ein Steuer/Regelsystem, das beide Techniken verwendet,
ist in 9 gezeigt. Hierbei empfängt die Vergleichsroutine 114 drei
Eingaben, Pr, Pt und
Pa. Im System der 9 kann die
Eingabe Pa vom Leistungsalgorithmus 116 von
einem oder von beiden von zwei Kollisionserfassungsprozessen 117 und 118 dekrementiert
werden. Der Prozess 117 achtet auf eine Periodenänderung, während der
Prozess 118 auf eine Steigungsänderung der Gegen-EMK achtet,
wie vorher erwähnt
worden ist.
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Mit
einem solchen umfangreichen Steuer/Regelsystem kann der Betrieb
mittels der im Folgenden gezeigten Tabellen I und II zusammengefasst
werden.
| Fall | Situation | Beschreibung | Ausgabe |
| A | normaler
Lauf | Ausgangsleistung
ist Minimum von:
1 – die
von der Kühlmaschine
benötigte
Leistung Pr,
2 – die
von der Kollisionstabelle zugelassene Leistung Pt oder
3 – die vom
Kollisionsdetektor zugelassene Leistung Pa | Pr |
| B | Kollisionsvermeidung | wenn
Pr > Pt, dann wird
Leistung Pt gehalten, wobei Pt eine Funktion der Betriebsfrequenz und
des Verdampfungsdrucks (oder der Temperatur, wenn die Verdampfungstemperatur
eng mit dem Druck korreliert) ist | Pt |
| C1 | Kollisionsreaktion | wenn
eine Kollision erfasst wird, wird die Leistung um etwa Rp verringert | Pt – Rp oder
Pr – Rp |
| C2 | häufige Kollisionen | wenn
mehr als eine Kollision in den vergangenen p Zyklen aufgetreten
ist, dann wird Leistung um n·Rp
gesenkt | Pt – nRp
oder
Pr – nRp |
| C3 | keine
Kollisionen in letzter Zeit | wenn
in den letzten q Zyklen keine Kollisionen auftraten, wird Leistung
um ΔP erhöht (dies kann
fortgesetzt werden, bis die Leistung ihren ursprünglichen Wert Pt erreicht) | Pt – nRp + ΔP
oder
Pr – nRp + ΔP |
| D | Sicherheitsnetz
(tritt nur für eine
schwerwiegende Kollision auf, die vom "Kollisionserfassungs"-Algorithmus
nicht erfasst wird) | wenn
zu irgendeinem Zeitpunkt die Steigung S der Gegen-EMK den Referenzwert
Sr überschreitet,
wird die Leistung auf einen Minimalwert Pmin reduziert | Pmin |
Definitionen
| Pr,
Pa, Pt | Leistungspegel,
die durch Änderung
der Kommutationszeit festgelegt werden |
| Rp | Leistungsschritt,
der den Leistungspegel reduziert |
| N | Anzahl
der Vielfachen der Leistungsänderung,
normalerweise n = 1 |
| Q | Anzahl
der Zyklen, die kollisionsfrei sein müssen, bevor die Leistung erhöht wird,
normalerweise p = 1 Million |
| Pmin | eine
voreinestellte Minimalleistung, normalerweise etwa 20 W |
Tabelle
I – Logik
für normalen
Lauf des Kompressors, wenn Kollisionsvermeidung das Ziel ist
| Fall | Situation | Beschreibung | Ausgabe |
| A | normaler
Lauf | Ausgangsleistung
ist das Minimum von: der von der Kühlmaschine benötigten Leistung
Pr, und der vom Kollisionsanalysator zugelassenen Leistung Pa | Pr |
| B | hohe
Leistung | wenn
Pr > Pa, dann wird
Leistung auf Pa + R alle n Zyklen erhöht. Nach m Zyklen wird die Leistung
auf Pa + Rp für
einen Zyklus erhöht, um
eine schwache Kollision zu erzeugen, wenn eine Kollision bevorsteht | Pa
+ R oder
Pa + Rp |
| B1 | Kollisionsreaktion | wenn
eine Kollision erfasst wird, wird die Leistung um etwa s·Rp gesenkt | Pa – s·Rp |
| B2 | häufige Kollisionen | wenn
mehr als eine Kollision in den letzten p Zyklen aufgetreten ist,
dann wird R um δR
gesenkt (dies kann fortgesetzt werden, bis R eine große negative
Zahl wird) | Pa
+ R – δR |
| B3 | keine
Kollisionen in letzter Zeit | wenn
in den letzten q Zyklen keine Kollisionen aufgetreten sind, wird
R um ΔR
erhöht
(dies kann fortgesetzt werden, bis R seinen ursprünglichen
Wert erreicht) | Pa
+ R + ΔR |
| C | Sicherheitsnetz
(tritt nur für eine
schwerwiegende Kollision auf, die vom "Kollisionserfassungs"-Algorithmus
nicht erfasst wird) | wenn
zu irgendeinem Zeitpunkt die Steigung S der Gegen-EMK den Referenzwert
Sr überschreitet,
wird die Leistung auf einen Minimalwert Pmin reduziert | Pmin |
Definitionen
| Pr,
Pa | Leistungspegel,
die durch Ändern
der Kommutationszeit festgelegt werden |
| R | Leistungsinkrement,
das die "Rampenrate" definiert |
| Rp | Leistungsschritt,
der den Leistungspegel stört,
um eine schwache Kollision zu erzwingen, wenn die Pumpe nahe ihrem
maximalen Hub läuft |
| M | Anzahl
der Zyklen zwischen den jeweiligen Perturbationen, normalerweise
m = 100 |
| s | Vielfaches,
das das Leistungsdekrement nach einer Kollision bestimmt, normalerweise
s = 20 |
| p | Anzahl
der Zyklen, die kollisionsfrei sein müssen, bevor R erhöht wird,
normalerweise p = 1 Million |
| q | Anzahl
der Zyklen während
der Kollisionszählung,
normalerweise q = 10000 |
| Pmin | Eine
voreingestellte minimale Leistung, normalerweise etwa 20 w |
Tabelle
II – Logik
für Hochleistungsbetrieb,
wenn Niedrigenergiekollisionen inhärent sind
-
Der
Kollisionserfassungsalgorithmus ist vorzugsweise aus der Feststellung
einer plötzlichen
Senkung der Kolbenperiode abgeleitet, wie in
US 6.812.597 offenbart ist. Eine verbesserte
Technik, die von diesen Verfahren abgeleitet ist, wird im Folgenden
beschrieben.
-
Die
Periode des schwingenden Kolbens 22 besteht aus zwei Halbperioden
zwischen dem unteren Totpunkt bzw. dem oberen Totpunkt, wobei doch
weder aufeinanderfolgende noch gerade alternierende Halbperioden
symmetrisch sind. Der Halbperiodenexpansionshub, wenn sich der Kolben
vom Kopf (Ventilplatte 5) wegbewegt, ist länger als
der Halbperiodenkompressionshub, wenn sich der Kolben in Richtung
zum Kopf bewegt. Da ferner ein Linearkompressor häufig mit
unterschiedlichen Perioden in aufeinanderfolgenden Zyklen läuft (dies
wird sehr deutlich, wenn das Ausstoßventil beginnt, undicht zu
werden), ist es nützlich,
die Periodenzeiten in ungerade und gerade Zyklen zu trennen. Somit
werden im bevorzugten Verfahren der Kolbenkollisionserfassung vier
Perioden gespeichert und überwacht:
Kompression und Expansion für
die geraden Zyklen, plus Kompression und Expansion für die ungeraden
Zyklen. Vorzugsweise wird in diesem Verfahren angenommen, dass eine
plötzliche Änderung
irgendeines der zwei kürzeren
Halbzyklen (Kompressionshübe) eine
Kolbenkollision anzeigt. In 8(b) sind
typische gerade kurze Zyklenperioden gezeigt, während 8(a) typische
gerade Expansionshub-Halbperioden zeigt.
-
Der
Prozess, der im bevorzugten Kollisionserfassungsalgorithmus 117 verwendet
wird, besteht darin, die Gegen-EMK-Nulldurchgang-Zeitintervalle
vom Detektor 109 für
die obenerwähnten
vier Halbperioden als exponentiell gewichteten laufenden Mittelwert
(ewma) zu speichern, um einen geglätteten oder gefilterten Wert für jede der
ersten und zweiten Halbperioden der ungeraden und der geraden Zyklen
zu erhalten. Ein Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter)
wird mit solchen Gewichtungen verwendet, dass die ausgegebene letzte Schätzung der
Halbperiodenzeit gleich 1/8 des letzten Wertes plus 7/8 der vorangehenden
Schätzwerte
ist. Diese Schätzwerte
werden laufend mit der erfassten Periode des letzten entsprechenden
Halbzyklus verglichen, wobei der Vergleich auf eine abrupte Reduktion überwacht
wird. Wenn die Differenz eine Größe "A" überschreitet,
setzt der Algorithmus 117 eine Kollision voraus. Ein Wert
für die
Schwellendifferenz "A" kann zwanzig Mikrosekunden
sein. Andere Schwellenwerte können
verwendet werden, insbesondere dann, wenn die Perturbationsimpulsenergie
verschieden ist von derjenigen, die aus einer Einschaltzeit von
100 μs resultiert.
-
Wenn
eine Kollision erfasst wird, wird die Einschaltzeit des Leistungsschalters 107 reduziert
(siehe z. B. Übergang
D in 8(c)), um weitere Kollisionen
zu stoppen. In einer Ausführungsform
wird die Einschaltperiode um 51,2 μs reduziert, um das vorher erwähnte Dekrement
s·Rp zu erzeugen. Sobald die Kollisionen aufhören, wird
der Einschaltzeit des Leistungsschalters 107 erlaubt, langsam
auf seinen vorherigen Wert über eine
Zeitperiode anzusteigen (siehe Rampenfunktion R in 8(c)).
Ein Wert für
die Zeitperiode für
eine zufriedenstellende Operation kann etwa eine Stunde sein. Selbstverständlich kann
eine Leistungssteuerung/regelung erreicht werden, indem die Stromamplitude
gesteuert/geregelt wird, oder indem eine Impulsbreitenmodulation
verwendet wird, um dieselbe Wirkung zu erzielen wie die beschriebene.
-
Dies
ist der Hochleistungsmodus der Tabelle II. Alternativ bleibt die
Einschaltzeit reduziert, bis sich die Systemvariablen deutlich ändern. In
einer Ausführungsform,
in der das System
US 6.809.434 als
Hauptstromsteuer/regelalgorithmus verwendet wird, kann eine solche
Systemänderung
anhand einer Änderung
des befohlenen Maximalstroms überwacht
werden. In diesem Fall würde
dies in Reaktion auf eine Änderung
der Frequenz oder der Verdampfertemperatur geschehen. In der bevorzugten
Ausführungsform
ergibt die Kombination dieses Algorithmus mit dem Kollisionserfassungsalgorithmus,
der eine Überwachungsrolle
spielt, einen verbesserten Liefergrad gegenüber dem Stand der Technik.
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Die
Merkmale, die in der vorangehenden Beschreibung, in den folgenden
Ansprüchen
und/oder in den beigefügten
Zeichnungen offenbart sind, können
sowohl separat als auch in irgendeiner Kombination die Grundlage
für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Formen sein.