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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung
einer Freikolbenmaschiene, insbesondere der eines
Kühlschrankkompressors.
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Wie allgemein bekannt ist, muß eine Freikolbenmaschine eines
Kompressors mit (sinusförmigem) Wechselstrom variabler
Amplitude und Frequenz gespeist werden.
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Es ist auch bekannt, daß die Leistung, die durch die Maschine
als Funktion von Parametern, wie der Temperatur und
Feuchtigkeit der Umgebung, in der der Kühlschrank steht, erzeugt
wird, sich mit diesen Parametern ändern muß.
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Ein Steuersystemm mit einer H-Brücken-Konfiguration ist in
der EP-A-196543 beschrieben. Dieses System wird dazu
verwendet, eine induktive Last, beispielsweise einen Elektromotor,
zu steuern.
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Im allgemeinen ist die Amplitude des Speisestroms für
gewisse, besondere Werte der genannten Parameter festgelegt,
während die Frequenz dieses Stroms in diskreten Werten bis zu
derjenigen Frequenz geändert wird, bei der die von der
Maschine aufgenommene Netzleistung und deshalb die durch die
Maschine erzeugte Leistung ein Maximum erreichen.
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Verschiedene Schaltungsanordnungen sind bereits zur
Überwachung und Steuerung der Speisung einer Maschine der genannten
Art vorgeschlagen worden, bei denen insbesondere die Frequenz
dieser Speisung in Übereinstimmung mit der Änderung der
Umgebungsparameter des Platzes, auf dem der Kühlschrank
steht, geändert werden kann.
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Eine bekannte Steuerschaltung der vorgenannten Art ist in der
EP 0266835 beschrieben und weist einen H-förmigen
Schaltungsteil (oder H-Brücke) auf, mit dem die Freikolbenmaschine
verbunden ist und von dem ein Strom mit einem solchen Wert
abgenommen wird, der proportional zu dem von der Maschine
aufgenommenen Strom ist. Gleichzeitig wird ein
Spannungssignal, das an einem parallel angeschlossenen Transformator
abgenommen wird, einem Vervielfacher zugeführt, der
beispielsweise ein Vier-Quadranten-Typ sein kann und dem das
genannte Spannungssignal ebenfalls zugeführt wird. Ein
analoges Stromsignal wird einem Differenzverstärker zugeführt.
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Der Vervielfacher erzeugt an seinem Ausgang ein Signal, das
das Produkt aus dem Stromsignal und dem Spannungssignal und
damit die von der Maschine erzeugte Leistung darstellt.
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Dieses Leistungssignal wird nach geeigneter Filterung einem
Mikroprozessor zugeführt, der unter Verwendung eines
vorinstallierten Programms auswertet, ob die festgestellte
Leistung einen Optimalwert aufweist oder nicht.
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Aufgrund dieser Feststellung erzeugt der Mikroprozessor ein
Stromsignal, das als Bezugssignal für den Differenzverstärker
dient. Der Differenzverstärker erzeugt dann an seinem Ausgang
ein Signal, das zum Steuern der Öffnung und Schließung von
elektronischen Schaltern verwendet wird, die in den
Seitenzweigen der H-Brücke liegen und die den Durchgang des
Maschinenspeisestroms durch die Diagonalen dieser
Seitenzweige erlauben.
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Die bekannten Schaltungsanordnungen haben verschiedene
Nachteile.
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Vervielfacher verwendende Schaltungsanordnungen haben
insbesondere keine hohe Betriebszuverlässigkeit und sind oft
Fehlern unterworfen, deren Beseitigung hohe Kosten
verursacht. Ferner sind derartige Schaltungsanordnungen im Aufbau
teuer, was die Kosten der verwendeten Komponenten
widerspiegelt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb
darin, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung einer
Freikolbenmaschine
zu schaffen, die eine hohe
Betriebszuverlässigkeit und niedrige Aufbaukosten hat und die Komponenten
verwendet, welche einfacher als diejenigen sind, die in
bekannten, analog arbeitenden Schaltungsanordnungen verwendet
werden.
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Diese und weitere Aufgaben, die dem Fachmann einleuchten
werden, werden mit einer solchen Schaltungsanordnung zur
Steuerung einer Freikolbenmaschine, insbesondere der eines
Kühlschrankkompressors, gelöst, die die Merkmale aufweist,
die im beigefügten Anspruch 1 genannt sind.
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Die vorliegende Erfindung geht aus der beigefügten Zeichnung
klarer hervor, die ein nicht begrenzendes Ausführungsbeispiel
wiedergibt. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß
der Erfindung und
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Fig. 2 einen schematischen, elektrische Teil der
Schaltungsanordnung der Fig. 1.
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In Fig. 1 weist die Steuerschaltungsanordnung gemäß der
Erfindung einen Schaltungsteil 1 mit einer H-Konfiguration auf,
der ans Netz über eine Speiseleitung 2 und eine
Rückflußleitung 3 angeschlossen ist. In den Seitenzweigen des
Schaltungsteils 1 sind Leistungs-MOS-Transistoren 8 angeordnet,
die von üblichen Steuerschaltungen 9 gesteuert werden. Die
Steuerschaltungen 9 stellen statische Schalter dar, die
abwechselnd arbeiten. Im einzelnen sind die MOS-Transistoren
8 in den Seitenzweigen 5 und 6 mit invertierenden
Pufferschaltungen 9 verbunden, während die MOS-Transistoren in den
Seitenzweigen 4 und 7 mit nichtinvertierenden
Pufferschaltungen 9 verbunden sind.
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Eine Freikolbenmaschine 10 ist mit dem Schaltungsteil 1
verbunden. Diese Maschine ist von bekannter Art und deshalb
nur schematisch gezeigt und ist im horizontalen Diagonalzweig
11 des Schaltungsteils 1 angeordnet. Die Schaltungen 9 sind
an einen Pulsbreitenmodulator 12 angeschlossen, der von
bekannter Art ist und ein pulsbreitenmoduliertes Signal
erzeugt, dessen Frequenz beträchtlich größer als die
gewünschte Frequenz des Maschinenspeisestroms ist.
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Der Modulator 12 ist mit einer Steuerschaltung 13 von
bekannter Art verbunden, beispielsweise mit einer üblichen
Korrekturverstärkerschaltung. Die Steuerschaltung 13 ist mit
einem Differenzverstärker 14 verbunden, der Signale von einem
Mikroprozessor 17 über eine Leitung 15 und von einem weiteren
Differenzverstärker 18 über eine Leitung 16 erhält. Der
Mikroprozessor 17 hat eine bekannte Arbeitsweise und ist
auch an ein übliches Tiefpaßfilter 19 angeschlossen.
Schließlich ist der Verstärker 18 über Leitungen 20 und 21 an zwei
Sensoren zur Feststellung desjenigen Stroms angeschlossen,
der abwechselnd durch die zwei Diagonalstromzweige des
Schaltungsteils 1 fließt, wobei diese Diagonalstromzweige aus den
Stromzweigen 4, 11, 7 und den Stromzweigen 5, 11, 6 gebildet
sind.
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Gemäß der Erfindung sind Zusatzmittel 25 an die Leitungen 20,
21 angeschlossen. Diese Zusatzmittel sind im einzelnen in
Fig. 2 gezeigt.
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In Fig. 2 sind Teile, die denen der Fig. 1 entsprechen, mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den Figuren 1 und 2 sind die Stromsensoren 23
Shuntwiderstände 26 und 27, wobei die Zusatzfunktion der Zusatzmittel
25 und die Filterfunktion des Filters 19 der Fig. 1 von
Widerständen 28 und 29 ausgeübt werden, die mit dem
Seitenzweig 6 bzw. mit dem Seitenzweig 7 des Schaltungsteils 1
verbunden sind. Diese Widerstände sind auch mit einer Leitung
30 verbunden, die an einem Anschluß eines Kondensators 31
endet, dessen anderer Anschluß an die Rückflußleitung 3
angeschlossen ist.
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Der nichtinvertierende Eingang eines Verstärkers 32 ist mit
der Leitung 30 verbunden, und der invertierende Eingang
dieses Verstärkers ist an den Abgriff eines Trimmers 33
angeschlossen, der zwischen dem Ausgang dieses Verstärkers
und der Rückflußleitung 3 angeordnet ist.
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Es sei nun angenommen, daß die Maschine 10 betrieben werden
soll. Zu diesem Zweck wird die Schaltungsanordnung (in
bekannter Weise) an eine Leitung mit konstanter Spannung
angeschaltet.
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Aufgrund der in bekannter Weise ausgeführten Steuerung der
Leistungs-MOS-Transistoren 8 durch den Modulator 12 über die
Schaltungen 9 werden diese Transistoren 8 gemäß einer
bekannten Sequenz abwechselnd geschlossen, und zwar derart,
daß der Leitungsstrom der Leitung 2 abwechselnd über die
Diagonalen des Schaltungsteils 1 fließt.
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Die Sensoren 23 stellen den in den Seitenzweigen 6 und 7 des
Schaltungsteils 1 vorhandenen Strom fest. Signale erreichen
deshalb die Zusatzmittel 25 und den Verstärker 18 über die
Leitungen 20 und 21, die von diesen Sensoren ausgehen.
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Im einzelnen veranlassen die den Differenzverstärker 18
erreichenden Signale diesen Verstärker, ein sinusförmiges
Signal zu erzeugen, das dem von der Maschine 10 aufgenommenen
Strom proportional ist. Das sinusförmige Signal wird durch
die (algebraische) Differenz zwischen dem in der einen
Diagonalen fließenden Stromsignal und demjenigen Signal (mit
entgegengesetztem Vorzeichen zum ersten Signal) erzeugt, das
während der Öffnung der in dieser Diagonalen angeordneten
MOS-Transistoren erzeugt wird, und zwar mittels üblicher
(nicht gezeigter) Brückendioden, die jeweils parallel zu den
MOS-Transistoren liegen.
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Die von den Shuntwiderständen 26, 27 abgeleiteten Signale
werden in dem die Zusatzmittel 25 enthaltenden Schaltungsteil
den Widerständen 28, 29 und dem Kondensator 31 zugeführt, um
diese Signale zu filtern, bevor sie dem nichtinvertierenden
Eingang des Verstärkers 32 zugeleitet werden.
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Der Verstärker 32 erzeugt ein Ausgangssignal, das dem vom
Schaltungsteil 1 aufgenommenen Netzstrom proportional ist,
wobei die Verstärkung am invertierenden Eingang mittels des
Trimmers 33 festgelegt ist. Dieser Strom ist proportional zur
Leistung, die der Maschine durch das Netz zur Verfügung
gestellt wird.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird dann dem
Mikroprozessor 17 zugeleitet, der in bekannter Weise mit einem
vorinstallierten Programm auf der Basis des aufgenommenen
Stroms die Leistung berechnet, die der Maschine vom Netz zur
Verfügung gestellt wurde.
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Der Mikroprozessor vergleicht dann in bekannter Weise das
erhaltene Signal mit demjenigen Signal, das in einer
vorhergehenden Betriebsfolge gespeichert worden ist. Bei diesem
Vergleich legt der Mikroprozessor fest, ob die
Maschinenleistung einen Optimalwert erreicht hat, d.h. ob die mit ihm
verbundene Resonanzschaltung bei der Resonanzfrequenz
arbeitet. Wenn dies der Fall ist, erzeugt der Mikroprozessor ein
analoges Frequenzsignal, das dem Differenzverstärker 14
zugeleitet wird. Dieses Signal dient als Eingangsbezugssignal für
den Differenzverstärker 14.
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Der Verstärker 14 vergleicht das vom Verstärker 18 kommende
Signal mit diesem Bezugssignal.
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Dieser Vergleich, d.h. die Doppelüberwachungsschleife (das
ist die Überwachungsschleife für die von der Maschine
aufgenommene Leistung und die Überwachungsschleife für den durch
die Maschine fließenden Strom) wird deshalb vorgenommen, um,
wie an sich bekannt ist, zu verhindern, daß die Maschine
unter Resonanzbedingungen arbeitet, die verschieden von
denjenigen Resonanzbedingungen sind, die vom Mikroprozessor auf
der Basis desjenigen Signals berechnet worden sind, die der
Mikroprozessor vom Schaltungsteil 25 erhält.
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Schließlich erzeugt der Differenzverstärker 14 ein Signal,
das in bekannter Weise dazu benutzt wird, die
MOS-Transistoren 8 so zu steuern, daß die Maschine 10 aus dem Netz eine
Leistung aufnehmen kann, die der Optimalleistung auf der
Basis der Werte der Paramater der Außenumgebung des
Kühlschranks entspricht.