DE102006016493A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kolbenkompressors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kolbenkompressors Download PDF

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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kolbenkompressors bereitgestellt, dessen Wirkungsgrad erhöht werden kann durch differentielles Steuern einer Antriebsfrequenz und einer Hubspannung gemäß einer Lastgröße, wodurch der Leistungsverbrauch gesenkt werden kann. Die Vorrichtung weist eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem erfassten Strom und einem Hub mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und zum Ausgeben eines Frequenzsteuerungssignals und eines Hubsteuerungssignals gemäß der bestimmten Lastgröße auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressor und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Antriebs eines Kolbenkompressors oder -verdichters.
  • Ein Kolbenkompressor weist im Allgemeinen keine Kurbelwelle zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung auf, so dass sein Reibungsverlust geringer ist. Daher weist ein Kolbenkompressor einen höheren Verdichtungswirkungsgrad auf als ein allgemeiner Kompressor.
  • Wenn der Kolbenkompressor für einen Kühlschrank oder eine Klimaanlage verwendet wird, wird seine Kälteleistung durch Ändern eines Verdichtungsverhältnisses durch Ändern einer ihm zugeführten Hubspannung gesteuert. Hierin bezeichnet der Hub einen Abstand zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt eines Kolbens.
  • Nachstehend wird der herkömmliche Kolbenkompressor unter Bezug auf 1 beschrieben.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Konstruktion einer herkömmlichen Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors.
  • Wie dargestellt ist, weist die herkömmliche Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors auf: einen Stromdetektor 4 zum Erfassen eines einem (nicht dargestellten) Motor eines Kolbenkompressors 6 zugeführten Stroms, einen Spannungsdetektor 3 zum Erfassen einer dem Motor zugeführten Spannung, eine Hubberechnungseinrichtung 5 zum Berechnen eines Hub-Schätzwertes des Kompressors gemäß dem erfassten Strom und der erfassten Spannung und einem Parameter des Motors, einen Vergleicher 1 zum Vergleichen des berechneten Hub-Schätzwertes mit einem vorgegebenen Hub- Sollwert und zum Ausgeben eines Differenzwertes dazwischen, und eine Hubsteuerung 2 zum Steuern eines Hubs des Kompressors 6 durch Ändern einer dem Motor zugeführten Spannung durch Steuern eines Einschaltzyklus eines mit dem Motor in Serie geschalteten (nicht dargestellten) Triac gemäß dem Differenzwert.
  • Nachstehend wird eine Arbeitsweise der Vorrichtung zum Steuern des Antriebs des Kolbenkompressors unter Bezug auf 1 erläutert.
  • Der Stromdetektor 4 erfasst einen dem (nicht dargestellten) Motor des Kompressors 6 zugeführten Strom und gibt den erfassten Stromwert an die Hubberechnungseinrichtung 5 aus. Der Spannungsdetektor 3 erfasst eine dem Motor zugeführte Spannung und gibt den erfassten Spannungswert an die Hubberechnungseinrichtung 5 aus.
  • Die Hubberechnungseinrichtung 5 berechnet einen Hub-Schätzwert (X) des Kompressors durch Einsetzen des erfassten Stromwertes, des erfassten Spannungswertes und eines Parameters des Motors in die folgende Gleichung 1, und führt dann den berechneten Hub-Schätzwert (X) dem Vergleicher 1 zu.
  • Figure 00020001
  • Hierbei bezeichnen R einen Widerstandswert, L einen Motorinduktivitätswert, α eine Motorkonstante, Vm eine dem Motor zugeführte Spannung, i einen dem Motor zugeführten Strom und i ein zeitliches Änderungsverhältnis eines dem Motor zugeführten Stroms. D.h., i bezeichnet einen Differentialwert von i (di/dt).
  • Dann vergleicht der Vergleicher 1 den Hub-Schätzwert mit dem Hub-Sollwert und führt einen Differenzwert dazwischen der Hubsteuerung 2 zu.
  • Die Hubsteuerung 2 ändert die dem Motor des Kompressors 6 zugeführte Spannung gemäß dem Differenzwert, um den Hub des Kompressors 6 zu steuern.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines herkömmlichen Verfahrens zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors.
  • Wenn ein durch die Hubberechnungseinrichtung 5 erhaltener Hub-Schätzwert dem Vergleicher 1 zugeführt wird (S1), vergleicht der Vergleicher 1 den Hub-Schätzwert mit einem vorgegebenen Hub-Sollwert, um einen Differenzwert dazwischen zu erhalten (S2). Dann gibt der Vergleicher 1 den Differenzwert an die Hubsteuerung 2 aus.
  • Wenn der Hub-Schätzwert kleiner ist als der Hub-Sollwert, erhöht die Hubsteuerung 2 eine dem Motor zuzuführende Spannung, um einen Hub des Kompressors zu steuern (S3). Wenn der Hub-Schätzwert größer ist als der Hub-Sollwert, vermindert die Hubsteuerung 2 die dem Motor zuzuführende Spannung (S4). Hierbei erhöht oder vermindert die Hubsteuerung die dem Motor zuzuführende Spannung durch Steuern eines Einschaltzyklus eines mit dem Motor elektrisch verbundenen (nicht dargestellten) Triac.
  • Der Hub-Sollwert wird gemäß einer Lastgröße des Kolbenkompressors verändert. D.h., wenn die Last des Kolbenkompressors groß ist, wird der Hub-Sollwert erhöht, um den Hubweg eines Kolbens nicht zu vermindern, und um zu verhindern, dass eine Kälteleistung abnimmt. Wenn die Last des Kolbenkompressors dagegen klein ist, wird der Hub-Sollwert vermindert, um den Hubweg des Kolbens nicht zu vergrößern, und um zu verhindern, dass eine Kälteleistung zunimmt, und um eine Kollision zwischen dem Kolben und einem Zylinder aufgrund eines Überhubs zu verhindern.
  • Ein herkömmlicher Linearkompressor, in dem eine Hubspannung verwendet wird, hat einen verminderten Wirkungsgrad, wenn der Hubweg eines Kolbens auf einen bestimmten Wert abnimmt, so dass der Implementierung einer Kapazitätsänderung Grenzen gesetzt sind.
  • Durch einen herkömmlichen Rotationskompressor, in dem ein Drehmotor verwendet wird, wird durch eine Frequenzänderung eine Kapazitätsänderung über einen weiten Bereich implementiert. Wenn die Frequenz innerhalb eines kleinen Kapa zitätsänderungsbereichs verändert wird, nimmt der Wirkungsgrad des Drehkompressors nicht drastisch ab. Wenn der Hubweg eines Kolbens klein ist, nimmt der Wirkungsgrad des Kolbenkompressors jedoch ab.
    •
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors bereitzustellen, durch die/das ein Wirkungsgrad eines Antriebsmotors erhöht wird durch Bestimmen einer Last gemäß einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Kolbenkompressors und anschließendes Steuern einer Antriebsfrequenz und eines Hubs gemäß der bestimmten Last.
  • Um diese Aufgabe zu lösen und die sich daraus ergebenden Vorteile und weitere Vorteile zu erzielen, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors bereitgestellt, mit: einer Steuereinheit zum Bestimmen einer Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ausgeben eines Frequenzsteuerungssignals und eines Hubsteuerungssignals gemäß dem Bestimmungsergebnis; einer Antriebsfrequenz-Sollwertbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Antriebsfrequenz-Sollwertes gemäß dem Frequenzsteuerungssignal; einer Hub-Sollwertbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Hub-Sollwertes gemäß dem Hubsteuerungssignal; einer ersten Vergleichseinheit zum Vergleichen des Antriebsfrequenz-Sollwertes mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und zum Ausgeben eines Frequenzkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; einer zweiten Vergleichseinheit zum Vergleichen des Hub-Sollwertes mit einem Hub-Istwert und zum Ausgeben eines Hubkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; einer PWM-Steuereinheit zum Ausgeben eines PWM-Steuersignals zum Ändern einer Antriebsfrequenz und eines Hubs gemäß dem Frequenzkorrektursignal und dem Hubkorrektursignal; und einem Invertierer zum Ändern einer Spannung und einer Antriebsfrequenz eines Motors gemäß dem PWM-Steuersignal.
  • Um die vorstehende Aufgabe zu lösen und die sich daraus ergebenden Vorteile und weitere Vorteile zu erzielen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors bereitgestellt, mit den Schritten: Antreiben eines Kolbenkompressors mit einer einem vorgegebenen Hub-Sollwert entsprechenden Kapazität; Erfassen eines Stroms und einer Spannung eines Motors des Kolbenkompressors und Berechnen eines Hubs basierend auf dem erfassten Strom und der erfassten Spannung; Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem berechneten Hub und dem Strom; Vergleichen der erfassten Phasendifferenz mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes gemäß dem Vergleichsergebnis; Vergleichen des geänderten Antriebsfrequenz-Sollwertes mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und Erzeugen eines Frequenzkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; Vergleichen des geänderten Hub-Sollwertes mit einem Hub-Istwert und Erzeugen eines Hubkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; Erzeugen eines PWM-Steuersignals zum Ändern einer Hubspannung und einer Antriebsfrequenz gemäß dem Frequenzkorrektursignal und dem Hubkorrektursignal; und Ändern einer Hubspannung und einer Antriebsfrequenz eines Motors des Kolbenkompressors gemäß dem PWM-Steuersignal.
  • Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
    •
  • Die beigefügten Zeichnungen, durch die die Erfindung verdeutlicht werden soll, und die Teil der vorliegenden Beschreibung sind, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung; es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Konstruktion einer herkömmlichen Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors;
  • 2 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines herkömmlichen Verfahrens zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors;
  • 3 ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors; und
  • 4 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors.
  • Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf die 3 und 4 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors beschrieben, die/das in der Lage ist, einen Kolbenkompressor mit einer hohen Last durch einen Linearkompressor anzutreiben, der die gleiche Kapazität hat und in der Lage ist, den Leistungsverbrauch in einem Hauptantriebszustand zu vermindern, indem eine Lastgröße gemäß einer Phasendifferenz zwischen einem dem Kolbenkompressor zugeführten Strom und einem Hub des Kolbenkompressors bestimmt wird und ein Antriebsfrequenz-Istwert und ein Hub gemäß dem Bestimmungsergebnis gesteuert werden.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors.
  • Wie in 3 dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors eine Spannungserfassungseinheit 100, eine Stromerfassungseinheit 110, eine Huberfassungseinheit 120, eine Steuereinheit 130, eine erste und eine zweite Vergleichseinheit 140 und 170, eine Hub-Sollwertbestimmungseinheit 150, eine Antriebsfrequenzbestimmungseinheit 160, eine PWM-Steuereinheit 180, einen Invertierer 190 und eine Leistungseinheit 200 auf.
  • Die Stromerfassungseinheit 110 erfasst einen Strom eines Motors eines Linearkompressors, und die Spannungserfas sungseinheit 100 erfasst eine Spannung eines Motors eines Linearkompressors.
  • Die Huberfassungseinheit 120 berechnet einen Hub gemäß dem erfassten Strom und der erfassten Spannung.
  • Die Steuereinheit 130 vergleicht eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub mit einem Phasendifferenz-Referenzwert, um zu bestimmen, ob der erhaltene Wert einer hohen Last entspricht. Dann gibt die Steuereinheit 130 gemäß dem Entscheidungsergebnis ein Frequenzsteuerungssignal und ein Hubsteuerungssignal aus.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz aus, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub aus.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz aus, die größer ist als eine Resonanzfrequenz, und ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als ein Phasendifferenz- Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als normale Last (oder niedrige oder mittlere Last) und gibt daher Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität aus (einer Kapazität innerhalb eines Bereichs von 30 bis 90% der maximalen Kapazität).
  • Gemäß einer fünften Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als normale Last (oder niedrige oder mittlere Last) und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz aus.
  • Gemäß einer sechsten Ausführungsform der Steuereinheit 130 bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als normale Last (oder niedrige oder mittlere Last) und gibt daher ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität und ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz aus.
  • Zum Ändern der Resonanzfrequenz ändert die Steuereinheit 130 eine Frequenz und einen Hub derart, dass eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub 90° beträgt, oder ändert eine Frequenz und einen Hub derart, dass eine Phasendifferenz zwischen einer Geschwindigkeit und einem Strom des Kolbenkompressors 0° beträgt, oder berechnet direkt eine Gasfederkonstante.
  • Die Steuereinheit 130 kann eine Last durch einen vorgespeicherten experimentell ermittelten Wert durch Erfassen einer durch einen Benutzer gesetzten Temperatur oder einer Außentemperatur erzeugen.
  • Die Antriebsfrequenz-Sollwertbestimmungseinheit 160 bestimmt einen Antriebsfrequenz-Sollwert zum Ändern einer Antriebsfrequenz gemäß dem Frequenzsteuerungssignal.
  • Die Hub-Sollwertbestimmungseinheit 150 bestimmt einen Hub-Sollwert zum Ändern eines Hubs gemäß dem Hubsteuerungssignal.
  • Die erste Vergleichseinheit 170 vergleicht den Antriebsfrequenz-Sollwert mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und gibt gemäß dem Vergleichsergebnis ein Frequenzkorrektursignal aus.
  • Die zweite Vergleichseinheit 140 vergleicht den Hub-Sollwert mit einem Hub-Istwert und gibt gemäß dem Vergleichsergebnis ein Hubkorrektursignal aus.
  • Die PWM-Steuereinheit 180 gibt ein PWM-Steuerungssignal zum Ändern einer Antriebsfrequenz und eines Hubs gemäß dem Frequenzkorrektursignal und dem Hubkorrektursignal aus.
  • Das PWM-Steuersignal weist ein PWM-Tastverhältnisänderungssignal zum Ändern einer dem Motor des Kolbenkompressors zugeführten Hubspannung und ein PWM-Periodenänderungssignal zum Ändern einer Frequenz einer dem Kolbenkompressor zugeführten Spannung auf.
  • Der Invertierer 190 ändert die Spannung und die Antriebsfrequenz des Motors des Kolbenkompressors gemäß dem PWM-Steuersignal.
  • Der Invertierer 190 wird zum Erzeugen einer Wechselspannung (AC) mit einer optionalen Frequenz verwendet, um die Geschwindigkeit des Motors unter Verwendung einer Versorgungsspannung (50 Hz oder 60 Hz AC) zu ändern. Die Verwendung des Invertierers 190 bietet folgende Vorteile. Es werden eine Geschwindigkeitsänderung des Motors des Kolbenkompressors ermöglicht und eine Energieeinsparung erreicht, und der Wirkungsgrad des Kolbenkompressors wird durch Verwenden einer niedrigen Frequenz anstatt einer hohen Frequenz erhöht.
  • D.h., der Invertierer 190 steuert die Ein-/Aus-Zeit einer internen Schaltvorrichtung durch das PWM-Steuersignal und ändert eine Frequenz einer DC-Spannung und einen Spannungspegel, die von der Leistungseinheit 200 ausgegeben werden, und führt sie dem Motor des Kolbenkompressors zu.
  • Die Leistungseinheit 200 richtet eine AC-Spannung gleich, um eine vorgegebene DC-Spannung zu erzeugen.
  • Nachstehend wird eine Arbeitsweise der Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors unter Bezug auf 4 ausführlicher beschrieben.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors.
  • Zunächst wird ein Motor eines Kolbenkompressors mit einem bestimmten Hub-Sollwert angetrieben (SP11).
  • Dann erfasst die Stromerfassungseinheit 110 einen Strom des Motors des Kolbenkompressors, und die Spannungserfassungseinheit 100 erfasst eine Spannung des Motors des Kolbenkompressors (SP12).
  • Dann berechnet die Huberfassungseinheit 120 einen Hub unter Verwendung des erfassten Stroms und der erfassten Spannung (SP13).
  • Dann erfasst die Steuereinheit 130 eine Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub (SP14) und vergleicht die Phasendifferenz mit einem Phasendifferenz-Referenzwert (SP15).
  • Der Phasendifferenz-Referenzwert wird durch Experimente auf einen optimalen Wert gesetzt.
  • Wenn eine Last des Kolbenkompressors zunimmt, nimmt eine Gasfederkonstante zu, wodurch eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub abnimmt.
  • D.h., wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub 90° beträgt, wird eine einer mittleren Last entsprechende Resonanzfrequenz erzeugt. Wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub 60° beträgt, wird eine einer hohen Last entsprechende Resonanzfrequenz erzeugt, was durch Experimente bestätigt wird.
  • Daher wird der Phasendifferenz-Referenzwert auf einen Wert gesetzt, der größer ist als 60°.
  • Der Phasendifferenz-Referenzwert wird bei einem Punkt gesetzt, der kleiner ist als der obere Totpunkt OT = 0.
  • OT bezeichnet einen oberen Totpunkt eines Kolbens eines Kolbenkompressors und kennzeichnet eine Position eines Kolbens, dessen Hubprozess abgeschlossen ist.
  • Wenn der obere Totpunkt sich bei '0' befindet, ist der Wirkungsgrad des Kolbenkompressors maximal. Daher wird der Kolbenkompressor derart gesteuert, dass der Kolben an einem Punkt OT = 0 angeordnet werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz aus, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub aus.
  • Gemäß einer noch anderen Ausführungsform bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub kleiner ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als hohe Last und gibt daher ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz, die größer ist als eine Resonanzfrequenz, und ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub (SP22) aus.
  • Die Hub-Sollwertbestimmungseinheit 150 bestimmt einen Hub-Sollwert zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub gemäß einem von der Steuereinheit 130 ausgegebenen Hubsteuerungssignal und führt ihn der zweiten Vergleichseinheit 140 zu (SP17).
  • Die Antriebsfrequenz-Sollwertbestimmungseinheit 160 bestimmt eine Antriebsfrequenz, die größer ist als eine Resonanzfrequenz, als einen Antriebsfrequenz-Sollwert gemäß einem von der Steuereinheit 130 ausgegebenen Frequenzsteuerungssignal und führt ihn der ersten Vergleichseinheit 170 zu (SP18).
  • Der Antriebsfrequenz-Sollwert wird gemäß einer experimentell bestimmten Lastgröße gesetzt.
  • Die erste Vergleichseinheit 170 vergleicht den Antriebsfrequenz-Sollwert mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und führt der PWM-Steuerschaltung 180 gemäß dem Vergleichsergebnis ein Frequenzkorrektursignal zu (SP19).
  • Die zweite Vergleichsschaltung 140 vergleicht den Hub-Sollwert mit dem Hub-Istwert und führt der PWM-Steuerschaltung 180 gemäß dem Vergleichsergebnis ein Hubkorrektursignal zu (SP19).
  • Dann führt die PWM-Steuerschaltung 180 ein PWM-Steuersignal, das dem von der ersten Vergleichseinheit 170 ausgegebenen Frequenzkorrektursignal und dem von der zweiten Vergleichseinheit 140 ausgegebenen Hubkorrektursignal entspricht, dem Invertierer 190 zu (SP20). Der Invertierer 190 ändert eine Hubspannung und eine Antriebsfrequenz des Motors des Kolbenkompressors gemäß dem PWM-Steuersignal (SP21).
  • Gemäß einer Ausführungsform bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Motors des Kolbenkompressors größer ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als normale Last (oder mittlere oder niedrige Last) und gibt daher ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Antriebskapazität des Kolbenkompressors aus.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform gibt die Steuereinheit 130, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Motors des Kolbenkompressors größer ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern einer Antriebsfrequenz in eine Resonanzfrequenz aus.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt, wenn eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Motors des Kolbenkompressors größer ist als ein Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit 130 eine Last des Kolbenkompressors als normale Last (oder mittlere oder niedrige Last), gibt ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz und ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Antriebskapazität des Kolbenkompressors aus (SP16).
  • Die Hub-Sollwertbestimmungseinheit 150 bestimmt einen Hub-Sollwert zum Ändern einer Antriebskapazität des Kolbenkompressors in eine einer aktuellen Last entsprechenden Antriebskapazität gemäß einem von der Steuereinheit 130 ausgegebenen Hubsteuerungssignal und führt ihn der zweiten Vergleichseinheit 140 zu (SP17).
  • Die Antriebsfrequenz-Sollwertbestimmungseinheit 160 bestimmt eine Resonanzfrequenz als Antriebsfrequenz-Sollwert gemäß einem von der Steuereinheit 130 ausgegebenen Frequenzsteuerungssignal und führt ihn der ersten Vergleichseinheit 170 zu (SP18).
  • Die erste Vergleichseinheit 170 vergleicht den Antriebsfrequenz-Sollwert mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und führt der PWM-Steuereinheit 180 ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes Frequenzkorrektursignal zu (SP19).
  • Die zweite Vergleichseinheit 140 vergleicht den Hub-Sollwert mit einem Hub-Istwert und führt der PWM-Steuereinheit 180 ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes Hubkorrektursignal zu (SP19).
  • Dann führt die PWM-Steuereinheit 180 ein PWM-Steuersignal, das dem von der ersten Vergleichseinheit 170 ausgegebenen Frequenzkorrektursignal und dem von der zweiten Vergleichseinheit 140 ausgegebenen Hubkorrektursignal entspricht, dem Invertierer 190 zu (SP20). Der Invertierer 190 ändert eine Hubspannung und eine Antriebsfrequenz des Motors des Kolbenkompressors gemäß dem PWM-Steuersignal (SP21).
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine aktuelle Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Kolbenkompressors mit einem Phasendifferenz-Referenzwert bestimmt. Wenn die aktuelle Last als hohe Last bestimmt wird, wird ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz geändert, die größer ist als eine Resonanzfrequenz, und ein Hub-Istwert wird in einen vollen Hub geändert. Dadurch kann unter Verwendung eines Kolbenkom pressors mit der gleichen Kapazität unterschiedliche Lasten von niedrigen zu hohen Lasten, geeignet gehandhabt werden.
  • Eine aktuelle Lastgröße wird durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Kolbenkompressors mit einem Phasendifferenz-Referenzwert bestimmt. Wenn die aktuelle Last als mittlere oder niedrige Last bestimmt wird, wird ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität ausgegeben, und ein Antriebsfrequenz-Istwert wird in eine Antriebsfrequenz geändert. Dadurch kann der Leistungsverbrauch in einem Hauptantriebszustand eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage gesenkt werden.
  • D.h., im erfindungsgemäßen Kolbenkompressor wird nicht immer eine maximale Kälteleistung erzeugt, sondern durch Steuern eines Hubs wird eine erforderliche Kälteleistung erzeugt. Dadurch kann der Leistungsverbrauch gesenkt werden.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und im erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenkompressors eine aktuelle Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Kolbenkompressors mit einem Phasendifferenz-Referenzwert bestimmt. Wenn die aktuelle Last als hohe Last bestimmt wird, wird ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz geändert, die größer ist als eine Resonanzfrequenz, und ein Hub-Istwert wird in einen vollen Hub geändert. Dadurch können unter Verwendung eines Kolbenkompressors mit der gleichen Kapazität Lasten von einer niedrigen bis zu einer hohen Last, geeignet gehandhabt werden, wodurch der Wirkungsgrad des Kolbenkompressors erhöht werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird eine aktuelle Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub des Kolbenkompressors mit einem Phasendifferenz-Referenzwert bestimmt. Wenn die aktuelle Last als mittlere oder niedrige Last bestimmt wird, wird ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität ausgegeben, und ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz geändert. Dadurch kann der Leistungsverbrauch in einem Hauptantriebs zustand eines Kühlschranks oder einer Klimaanlage gesenkt werden.
  • Die vorliegende Erfindung soll durch die Details der vorstehenden Beschreibung nicht eingeschränkt werden, sondern innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung und der in den Patentansprüchen angegebenen Maße und Grenzwerte können viele andere Ausführungsformen implementiert und Änderungen und Modifikationen vorgenommen oder äquivalente Ausführungsformen und Maße und Grenzwerte realisiert werden.

Claims (25)

  1. Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenverdichters mit einer Steuereinheit zum Bestimmen einer Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem erfassten Strom und einem Hub mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ausgeben eines Frequenzsteuerungssignals und eines Hubsteuerungssignals gemäß der bestimmten Lastgröße.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub ausgibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz ausgibt, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität ausgibt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz ausgibt.
  6. Vorrichtung zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenverdichters, mit: einer Steuereinheit zum Bestimmen einer Lastgröße durch Vergleichen einer Phasendifferenz zwischen einem Strom und einem Hub mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ausgeben eines Frequenzsteuerungssignals und eines Hubsteuerungssignals gemäß dem Bestimmungsergebnis; einer Antriebsfrequenz-Sollwertbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Antriebsfrequenz-Sollwertes gemäß dem Frequenzsteuerungssignal; einer Hub-Sollwertbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Hub-Sollwertes gemäß dem Hubsteuerungssignal; einer ersten Vergleichseinheit zum Vergleichen des Antriebsfrequenz-Sollwertes mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und zum Ausgeben eines Frequenzkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; einer zweiten Vergleichseinheit zum Vergleichen des Hub-Sollwertes mit einem Hub-Istwert und zum Ausgeben eines Hubkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; einer PWM-Steuereinheit zum Ausgeben eines PWM-Steuersignals zum Ändern einer Antriebsfrequenz und eines Hubs gemäß dem Frequenzkorrektursignal und dem Hubkorrektursignal; und einem Invertierer zum Ändern einer Spannung und einer Antriebsfrequenz eines Motors gemäß dem PWM-Steuersignal.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub ausgibt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz ausgibt, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub und ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Antriebsfrequenz ausgibt, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität ausgibt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz ausgibt.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei, wenn die Phasendifferenz zwischen dem erfassten Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, die Steuereinheit ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität und ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwertes in eine Resonanzfrequenz ausgibt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das PWM-Steuersignal ein PWM-Tastgradänderungssignal zum Ändern einer Hubspannung aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei das PWM-Steuersignal ein PWM-Periodenänderungssignal zum Ändern einer Frequenz einer dem Kolbenkompressor zugeführten Hubspannung aufweist.
  15. Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenverdichters mit den Schritten: Antreiben eines Kolbenkompressors mit einer einem vorgegebenen Hub-Sollwert entsprechenden Kapazität; Erfassen eines Stroms und einer Spannung eines Motors eines Kolbenkompressors und Berechnen eines Hubs basierend auf dem erfassten Strom und der erfassten Spannung; Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem berechneten Hub und dem erfassten Strom; und Vergleichen der erfassten Phasendifferenz mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes gemäß dem Vergleichsergebnis.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz geändert wird, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub kleiner ist als der Pha sendifferenz-Referenzwert, ein Hub-Istwert in einen vollen Hub geändert wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, der Hub geändert wird, um die Antriebskapazität des Kolbenkompressors zu ändern.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Resonanzfrequenz geändert wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz geändert wird, die größer ist als die Resonanzfrequenz, und ein Hub-Istwert in einen vollen Hub geändert wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, der Hub geändert wird, um eine Antriebskapazität des Kolbenkompressors zu ändern, und ein Antriebsfrequenz-Istwert in eine Resonanzfrequenz geändert wird.
  22. Verfahren zum Steuern eines Antriebs eines Kolbenverdichters mit den Schritten: Antreiben eines Kolbenkompressors mit einer einem vorgegebenen Hub-Sollwert entsprechenden Kapazität; Erfassen eines Stroms und einer Spannung eines Motors eines Kolbenkompressors und Berechnen eines Hubs basierend auf dem erfassten Strom und der erfassten Spannung; Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem berechneten Hub und dem Strom; Vergleichen der erfassten Phasendifferenz mit einem Phasendifferenz-Referenzwert und Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes gemäß dem Vergleichsergebnis; Vergleichen des geänderten Antriebsfrequenz-Sollwertes mit einem Antriebsfrequenz-Istwert und Erzeugen eines Frequenzkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; Vergleichen des geänderten Hub-Sollwertes mit einem Hub-Istwert und Erzeugen eines Hubkorrektursignals gemäß dem Vergleichsergebnis; Erzeugen eines PWM-Steuersignals zum Ändern einer Hubspannung und einer Antriebsfrequenz gemäß dem Frequenzkorrektursignal und dem Hubkorrektursignal; und Ändern einer Hubspannung und einer Antriebsfrequenz eines Motors des Kolbenkompressors gemäß dem PWM-Steuersignal.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub größer ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, ein Hubsteuerungssignal zum Ändern einer Kapazität und ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines Antriebsfrequenz-Istwert in eine Resonanzfrequenz ausgegeben wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei im Schritt zum Ändern eines Hub-Sollwertes und eines Antriebsfrequenz-Sollwertes, wenn die erfasste Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Hub kleiner ist als der Phasendifferenz-Referenzwert, ein Hubsteuerungssignal zum Ändern eines Hub-Istwertes in einen vollen Hub und ein Frequenzsteuerungssignal zum Ändern eines. Antriebsfrequenz-Istwert in eine Antriebsfrequenz ausgegeben wird, die größer ist als eine Resonanzfrequenz.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das PWM-Steuersignal ein PWM-Tastgradänderungssignal zum Ändern einer Hubspannung und ein PWM-Periodenänderungssignal zum Ändern einer Frequenz einer dem Kolbenkompressor zugeführten Hubspannung aufweist.
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