DE3702658C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für einen Wechselrichter für Klimageräte der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Aus der US-PS 42 57 238 ist es bekannt, die Leistung eine Kompressors allmählich und stufenlos entsprechend der Kli­ matisierungsbelastung eines Raumes durch Steuerung eines den Kompressormotor speisenden Wechselrichters zu ändern. Dabei erfolgt die Regelung so, daß der im Wechselrichter fließende Strom erfaßt und die Drehzahl des Kompressormo­ tors vermindert wird, wenn der erfaßte Strom einen als Grenzstrom bezeichneten vorbestimmten Wert überschreitet. In einem derartigen Wechselrichter werden Halbleiter-Bau­ elemente verwendet, deren Nennleistung allgemein verrin­ gert werden soll, wobei die Leistungsabnahme von der Um­ gebungstemperatur abhängig ist. Bei dem bekannten Wechsel­ richter-Steuergerät wurde jedoch keine Rücksicht auf eine effektive Ausnutzung des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Temperatur genommen.

Aus der GB-PS 5 78 031 ist es bekannt, den Überstromschutz auf der Grundlage verbesserter Kühlbedingungen des Motors einzustellen. Wenn die Anordnung jedoch bei geringer Last arbeitet, ist das Kühlvermögen gering, so daß die Motor­ wicklung nicht in befriedigendem Maße gekühlt werden kann und die Temperatur über ihren zulässigen Wert ansteigt. Der Motor wird deshalb bei einem Strom betrieben, der ge­ ringer als der Nennwert für geringe Last ist.

Aus der US-PS 36 91 785 sind Strom- und Wechselrichter-An­ ordnungen als solche bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsge­ mäße, aus der US-PS 42 57 238 bekannte Steuergerät derart zu verbessern, daß der Wechselrichter besser ausgenutzt und die Heizleistung erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Steuer­ geräts sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

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.

Wenn für Klimage­ räte und -anlagen der Maximalwert der Umgebungstempera­ tur beispielsweise auf 43°C im Kühlmodus begrenzt ist, wird ein Wechselrich­ ter auf der Basis dieses Maximalwertes der Umge­ bungstemperatur ausgelegt. Es besteht dann 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.

Ein einen Wechselrichter aufwei­ sendes Klimagerät enthält 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.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Steuergeräts werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

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 Flußdiagramm eines Steuerprogramms zur Einstellung der Leistungs­ abgabe des Wechselrichters.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel ei­ ner Schaltung zur Steuerung eines Wechselrichters in ei­ nem Klimagerät beschrieben. Fig. 1 ist ein Blockschalt­ bild eines Ausführungsbeispiels des 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 Wechelrich­ 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 Treiberschaltung 42 für ein Expan­ sionsventil, eine Treiberschaltung 43 für ein Relais, die an verschiedene, einen Kühlzyklus bildende Geräte ange­ schlossen sind. Beispielsweise ist die Treiberschaltung 42 an ein Expansionsventil, die Treiberschaltung 43 an einen Außenventilator, ein elektromagnetisches Ventil, ein 4-Wege- Ventil und einen elektromagnetischen Kontakt und der Mikro­ computer 41 an Alarmgeräte sowie Temperaturfühler für die Außen-, die Verdampferauslaß-, die Kompressorauslaß- und die Kompressorabgastemperatur und dergleichen angeordnet.

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 53 ist mit der Signalausgangsseite des Mikrocom­ puters 51 über einen Zeitgeber 54 und Signalleitungen 55 und über eine Signalleitung 56 mit einer anderen Si­ gnalausgangsseite des Mikrocomputers 51 verbunden. Die Eingangsseite der Transistor-Steuerung 57 ist mit dem Ausgang des Pulsbreitenmodulators 53, ihr Ausgang 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 einem Überlast-Detektor 58 zugeführt, dessen Überlastsignal bei der Erfassung ei­ ner Überlast den Mikrocomputer 51 der Wechselrichtersteue­ rung über eine Signalleitung 581 zugeführt wird. Ein Überstrom-Detektor 59 empfängt das vom Shunt- Widerstand 37 erzeugte Stromsignal, so daß bei Erfas­ sung eines Überstromes im Gleichstromkreis dem 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- oder Heizbetrieb 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 dem Überlast-Detektor 58 ein Überstromsi­ gnal 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 Signal zum Zeitgeber 54 und zum Puls­ breitenmodulator 53, der seinerseits der Transistor- Steuerung 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 Spannung zugeführt, so daß der Kom­ pressormotor 7 umläuft.

Der Strom des Kompressormotors 7 wird durch den 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 Alarmsi­ gnal, Steuerstromsignal usw. Kurz gesagt wird in diesem Ausführungsbeispiel der Grenzstrom I ₂ im Heizbetrieb auf einen größeren Wert eingestellt als der Grenzwert 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 erhöht werden kann. Die erreichbare Leistung ist selbst dann ausreichend, wenn die installierte Leistung verhältnismäßig gering ist.

Claims (6)

1. Steuergerät für einen Wechselrichter für Klimageräte mit

• - einer Leistungssteuerung,
• - einem Wechselrichter (3) zur Umwandlung von diesem zuge­ führter Gleichspannung in eine frequenzgesteuerte Wechsel­ spannung zur Speisung eines Kompressormotors (7),
• - Einrichtungen (6, 58; 37, 59) zur Erfassung des fließenden Stromes,
• - einer Steuereinheit (4, 5) mit Einrichtungen zur Steuerung der Frequenz der vom Wechselrichter (3) erzeugten Wechsel­ spannung auf der Grundlage der Klimatisierungs-Belastung und
• - Einrichtungen (5) zur Verminderung der Frequenz der vom Wechselrichter (3) erzeugten Wechselspannung, wenn der er­ faßte Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß Einrichtungen (53) zur Änderung der Pulsbreite des vom Wechselrichter (3) abgegebenen Stromes vorgesehen sind, und
• - daß zur wirksamen Ausnützung des Wechselrichters in Abhän­ gigkeit von seiner Umgebungstemperatur die Einrichtungen (54, 53) zur Änderung der Frequenz und der Puls­ breite den Strom in Abhängigkeit vom Betriebszustand (Heiz- oder Kühlbetrieb) ändern.

2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit (4, 5) einen Spei­ cher (52) zur Speicherung erster und zweiter Werte des Stromes 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 ein Stromwandler (6) zwischen den Ausgang des Wechselrichters (3) und den Kompres­ sormotor (7) geschaltet ist.

5. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Shunt (37) im Eingang des Wechselrichters (3) liegt.