DE60129231T2

DE60129231T2 - Verfahren zur Regelung eines Kompressors mit variabler Kühlleistung und nach diesem Verfahren geregelter Kühl- oder Gefrierschrank

Info

Publication number: DE60129231T2
Application number: DE2001629231
Authority: DE
Inventors: Alessandro V.le G. Borghi 27 Boer; Raffaele V.le G. Borghi 27 Paganini; Paolo V.le G. Borghi 27 Contin; Alberto V.le G. Borghi 27 Bonaglia; Rocco V.le G. Borghi 27 Petrigliano
Original assignee: Whirlpool Corp
Current assignee: Whirlpool Corp
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: EP1318365A1; ES2290083T3; DE60129231D1; EP1318365B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Leistungsabgabe eines Kompressors variabler Kühlkapazität eines Kühlschranks/Gefrierschranks mit einer elektronischen Steuerung, die ein Temperatur-Rückkopplungssignal vom Kühlschrank/Gefrierschrank empfängt. Mit dem Ausdruck "variable Kühlkapazität" meinen wir alle Arten von Kompressoren, die entweder die Motorgeschwindigkeit (variable Geschwindigkeitskompressoren) oder die Verdrängung des Kompressors (lineare Kompressoren) variieren können. Im ersten Fall ist die Leistungsabgabe des Kompressors proportional zur Motorgeschwindigkeit, welche das tatsächlich gesteuerte Merkmal ist. Im zweiten Fall ist die Leistungsabgabe proportional zum Hub des Kolbens des Kompressors, welcher das tatsächlich gesteuerte Merkmal ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein neues Verfahren zum Steuern der Temperatur einer Kühlschrank/Gefrierschrank-Zelle, in welcher das auf Temperatur-Hysterese (Fehlerproportionalteil) basierende traditionelle Verfahren durch ein neues und effizienteres ersetzt ist.
Die Temperatursteuerung eines Gefrierschranks oder eines Kühlschranks wird üblicherweise im Falle eines Kompressors fixer oder variabler Kühlkapazität (VCC) durch Zyklisieren des Ein-/Aus-Kompressorzustands erhalten, mittels einer so genannten "Hysterese" oder Relaissteuerung, siehe beispielsweise Dokument US-A-5,428,965 . Ein Beispiel der erwähnten Steuerung wird durch den folgenden Steuerungsprozess ausgedrückt: Falls die zu steuernde Temperatur niedriger als x°C ist, wird der Kompressor AUS geschaltet (weil die Temperatur innerhalb der Zelle des Kühlschranks oder Gefrierschranks zu niedrig ist); falls die Temperatur größer ist als y°C, wird der Kompressor EIN geschaltet (weil die Temperatur innerhalb der Zelle zu hoch ist). Die x- und y-Werte sind zwei vorgegebene Temperaturen, die mit der eingestellten Temperatur verknüpft sind, und die Differenz (y – x) definiert den Temperatur-Hysterese-Bereich.
Der Effekt der Hysterese oder Relais-Steuerung ist, dass die Gehäusetemperatur (Kühlschrank oder Gefrierschrank) gezwungen wird, von einem Minimum- zu einem Maximum-Temperaturwert zu oszillieren und so die Lebensmittel niemals bei einer konstanten Temperatur sind.
Falls der x-Wert sehr nahe am y-Wert liegt (niedriger Hysteresewert), werden häufige EIN/AUS-Zyklen erhalten. Die Folge ist Geräuschentwicklung und ein Ansteigen des Energieverbrauchs.
Die Oszillations-Amplitude der Zelltemperatur wird nicht gesteuert, weil sie von der Lastmenge und Art (thermische Trägheit) und auch von der externen Temperatur abhängt. Wenn beispielsweise der Kompressor auf EIN (AUS) gesetzt worden ist, fällt (steigt) die Temperatur durch Trägheit weiter. Die Hauptfolge davon ist eine begrenzte Steuerung der Nahrungskonservierung aufgrund der Abhängigkeit der thermischen Lastträgheit.
Die EIN/AUS-Temperatursteuertechnik, die üblicherweise in Geräten implementiert ist, in denen ein üblicher EIN/AUS-Kompressor installiert ist, wird auch in Fällen verwendet, in denen der Kompressor eine variable Kühlkapazität hat, wie etwa Kompressoren variabler Geschwindigkeit oder lineare Kompressoren. Es gibt verschiedene Gründe für das Verwenden dieser EIN/AUS-Temperatur-Hysterese-Steuerung und die Hauptgründe sind:

1) es ist vom Energiestandpunkt aus praktisch, den Kompressor AUS zu schalten, anstelle ihn mit einer minimalen Kühlkapazität (minimale Geschwindigkeit) laufen zu lassen,
2) durch Laufenlassen des Kompressors bei der minimalen Kühlkapazität kann die zu steuernde Temperatur niedriger als erforderlich sein, so dass der Kompressor-AUS-Zustand bevorzugt ist.

Es ist bekannt, dass eine kontinuierliche Steuerung besser arbeitet als EIN/AUS-Steuerung: Die Spitzen von Strom während der Motorkompressor-Startphase werden eliminiert und im Kühlfeld wird die zur Kompensation der Druckverluste verbrauchte Energie ebenfalls reduziert.
Einer der Zwecke der Erfindung ist somit, ein Steuerverfahren und eine Steueranordnung für einen VCC-Kompressor mit einem niedrigeren Energieverbrauch als die aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungen zu entwickeln.
Gemäß der Erfindung wird dies durch Einstellen des Kompressors mit dem Ausgabesignal der elektronischen Steuerung vorgenommen, das auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Band basiert, das sich vom üblichen EIN/AUS-Temperaturband unterscheidet. Falls ein Kompressor variabler Geschwindigkeit verwendet wird, basiert das Ausgabesignal der elektronischen Steuerung auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Geschwindigkeitsband. Falls ein Linearkompressor verwendet wird, basiert das Ausgabesignal der elektronischen Steuerung auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Verdrängungsbereich.
Der Anmelder hat entdeckt, dass bei Verwendung einer Referenzvariablen in der Temperatursteuerschleife, welche auch andere Teile des Temperaturfehlers berücksichtigt, als integrative und/oder derivative Fehlerteile, eine erstaunliche Minderung des Energieverbrauchs erhalten werden kann, das heißt bis zu 5% im Vergleich zu einer traditionellen Temperatur-Hysterese-Steuerung. Der Effekt ist, dass der AUS-Zustand nicht mehr abhängt von einem festen Temperaturwert, sondern auch von vergangenen (integrativen) und zukünftigen (abgeleiteten) Teilen des Fehlers abhängt.
Abgesehen vom Vorteil einer hohen Energieersparnis ist es mit dem Verfahren gemäß der Erfindung möglich, zusätzliche Vorteile hinsichtlich einer stabileren Temperatur und Lärmminderung aufgrund des Absinkens oder der Eliminierung von EIN/AUS-Zyklen zu bekommen.
Im Folgenden wird die Erfindung auf Basis der nachfolgenden Figuren beschrieben:
1 zeigt ein bekanntes Zeit-/Temperatur-Diagramm, das für eine typische Steuerungsstrategie von Kompressoren variabler Kühlkapazität verwendet wird;
2 ist eine schematische Ansicht einer Steuerschleife gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher der VCC (variable Kühlkapazität)-Kompressor durch einen Kompressor variabler Geschwindigkeit (ein Kompressor, der die Kühlkapazität gemäß einer Eingangsreferenzgeschwindigkeit ändert) repräsentiert wird und eine so genannte Hybrid-Steuerung aus einem Regulatorsystem (das heißt einer PID-Steuerung, deren Zweck es ist, die geeignete Kompressorgeschwindigkeit einzustellen) und von einem Kühlkapazitäts-Adapterblock gebildet ist;
3a und 3b sind schematische Blockdiagramme, die das Steuerverfahren gemäß der Erfindung zeigen;
4 zeigt ein Zeit-/Geschwindigkeitsdiagramm gemäß einer Steuertechnik von 2, basierend auf der Geschwindigkeitsteuervariable;
5 ist ein Diagramm, das das Steuerverhalten des bekannten Steuerverfahrens für einen Gefrierschrank gemäß der Steuerstrategie von 1 zeigt, in dem unterschiedliche Zieltemperaturen eingestellt sind; und
6 ist ein Diagramm ähnlich zu 4, welches das Steuerverhalten des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Im in 1 gezeigten Steuerverfahren des Standes der Technik etabliert das Temperatur-Niederband-T_LB den Temperaturwert zum Aus-Schalten des Kompressors. T_ON bestimmt den EIN-Zustand, während T_UB verwendet werden kann, um die maximale Kühlkapazität zu erzwingen, im Falle von sehr heißer Zell- oder Schranktemperatur-Bedingung.
Zwischen T_LB und T_UB kann ein Regulatorsystem (das heißt eine PID oder eine "Fuzzy Logic"-Steuerung, in der der Temperaturfehler und/oder die Ableitung des Fehlers als Eingangssignale verwendet werden) die korrekte Kühlanforderung in einem vorgegebenen Temperatursteuerband berechnen.
In 5 wird das Temperatursteuerverhalten gezeigt, wenn ein Verfahren gemäß 1 verwendet wird und wenn unterschiedliche Zieltemperaturen eingestellt werden. Der Temperatur-Hysteresewert dieses Beispiels ist 0,5°C. Im Diagramm wird die Kompressorgeschwindigkeit S(Upm) (oberer Teil) zusammen mit der eingestellten Temperatur T oder der tatsächlichen Zellentemperatur A (unterer Teil des Diagramms) aufgetragen. Aus dem Diagramm wird, jedes Mal, wenn die tatsächliche Temperatur um 0,5°C unter der Zieltemperatur ist, der Kompressor AUS geschaltet und die Kompressorgeschwindigkeit wird auf 0 (Null) Upm eingestellt.
In 2 ist eine Temperatursteuerschleife gezeigt, in welcher der EIN/AUS-Kompressor-Zustand nicht durch die Temperatur-Hysteresesteuerung bestimmt wird, aber gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Hybridsteuerung bestimmt wird, die auf einer Kühlkapazitätsanforderungs-Hysteresesteuerung basiert.
Um die Schranktemperatur zu steuern, wird ein Regulatorsystem C, PID-artig, verwendet. In 2 ist ein Kompressor variabler Kühlkapazität, der durch einen Kompressor variabler Geschwindigkeit VSC repräsentiert wird, zusammen mit einem Kühlschrank R und einer Temperatursonde P innerhalb der Zelle des Kühlschranks gezeigt.
Das Regulatorsystem C stellt die geeignete Kühlkapazität am Kompressor ein, um die Fehlertemperatur an 0°C zu halten, das heißt die tatsächliche Temperatur = Zieltemperatur.
Die Kompressorgeschwindigkeit "u" ist in dem Beispiel die Ausgabevariable des Regulatorsystemblocks C. Der Block K, der definierte Kühlkapazitätsadapter, empfängt die vom Regulatorsystem berechnete Kompressorgeschwindigkeit als Eingabe und in ihm wird die Geschwindigkeits-Hysteresesteuerung implementiert. Die Ausgabe des K-Blocks ist der Kompressorzustand (EIN- oder AUS-Zustand) und im Falle des EIN-Zustands, eine Kompressorgeschwindigkeit "u*" mit einem gewissen Bereichswert. Üblicherweise ist der Kompressorgeschwindigkeitsbereich beschränkt: das heißt 4000 Upm (Maximum) und 2000 Upm (Minimum). Die unteren und oberen Grenzen hängen von dem Motoraufbau ab (mechanische und elektrische Spezifikationen).
In 4 ist die Steuertechnik gemäß der Steuerschleife von 2 gezeigt. Das EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereich oder -band substituiert das EIN/AUS-Temperaturband. Der AUS-Geschwindigkeitswert S_{PID_OFF} ist gemäß der Temperatursteuerschleife vorzugsweise niedriger als die minimale Kompressorgeschwindigkeit = 2000 Upm. Der AUS-Zustand wird durch Vergleichen der Ausgabeparameter des Regulators, u = S_PID mit einem vorgegebenen Wert erhalten: falls S_PID ≤ Speed_OFF, schaltet der Adapter K den Kompressor AUS. Im Beispiel von 4 wird eine Hysterese von 400 Upm verwendet. Der Kompressor wird nur wieder eingeschaltet, wenn S_PID höher wird als ein vorgegebener Wert Speed_ON, das heißt 2000 Upm. Die obige Steuertechnik wird auch im Blockdiagramm der 3a und 3b gezeigt.
Bezugnehmend auf 3a ist der erste Schritt das Auslesen sowohl der Temperatur des Sensors P in der Zelle als auch der vom Anwender festgelegten Zieltemperatur. In Schritt 2 wird eine Bewertung des Fehlers zur aktuellen Zeit t₀ und zu vorherigen Zeiten t₁ und t₂ vorgenommen. In Schritt 3 wird eine inkrementelle Kühlkapazität, die an dem proportionalen Teil des Fehlers liegt, berechnet. In Schritt 4 wird die inkrementelle Kühlkapazität, die vom Ableitungsteil des Fehlers herrührt, berechnet. In Schritt 5 wird die inkrementelle Kühlkapazität, die am integralen Teil des Fehlers liegt, berechnet. In Schritt 6 wird die Summe der obigen drei Komponenten berechnet. In Schritt 7 wird die neue Anforderung der Kühlkapazität durch die Steuerung berechnet. In Schritt 8 wird der vorherige Zustand des Kompressors gespeichert: OFF_state = Kompressor ausgeschaltet, ON_state = Kompressor eingeschaltet. In Schritt 9 wird, falls die neue Anforderung an Kühlkapazität als zu niedrig angesehen wird (das heißt niedriger als ein vorgegebener Wert Speed_OFF), wird dann dem Prozessor ein AUS Zustand (OFF_state) erteilt. In Schritt 10 wird, falls die neue Anforderung an Kühlkapazität höher ist als die Wiedereinschaltschwelle speed_on, dem Prozessor der Zustand EIN (ON_state) gegeben. In Schritt 11 wird, falls der Kompressor von OFF_state zu ON_state übergeht, eine neue Anforderung der Kühlkapazität gegeben: Reset_Cooling_Capacity. Dies ist ein vorgegebener Wert, mit dem das Steuerungssystem die Steuerungsschleife wieder startet, wenn der Kompressor eingeschaltet wird. Eine bevorzugte Strategie zur weiteren Energieeinsparung ist es, einen Rücksetzwert als den Wert auszuwählen, der der minimalen Kühlkapazität (minimale Geschwindigkeit) entspricht.
Bezugnehmend auf 3b entspricht Schritt 12 der Beschränkung der Steuertätigkeit auf die maximal gestattete (maximale Geschwindigkeit). Schritt 13 entspricht der Beschränkung der Steueraktion auf das Minimum, das gestattet ist, ohne den Kompressor abzuschalten. In Schritt 14 wird die Kühlkapazitätsdifferenz zwischen der neuen, von der Steuerung festgelegten Anforderung und der derzeitigen, tatsächlich vom Kompressor ausgeführten Anforderung bewertet. In Schritt 15 wird der Variablen Actual_Cooling_Capacity die Anforderungsänderung gegeben. Schritt 16 entspricht einer unteren Beschränkung für die Kühlkapazität; dies liegt an gewissen technischen Beschränkungen von Kompressoren variabler Geschwindigkeit, die bei niedriger Geschwindigkeit eine korrekte Schmierung nicht garantieren. Schritt 17 entspricht einer oberen Beschränkung der Kühlkapazität und Schritt 18 ist eine finale Prüfung des Zustands des Kompressors, um zu entscheiden, ob er EIN- oder AUS-geschaltet ist. Selbstverständlich startet am Ende des Flussablaufplans ein neuer Kontrollzyklus mit demselben Ablaufmuster.
U = S_PID ist ein Wert, der für Steuerzwecke verwendet wird und er muss nicht der an dem Kompressor u* eingegebenen tatsächlichen Kühlkapazität entsprechen.
Wenn der Kompressor vom AUS- in den EIN_Zustand geht, wird der u-Steuerparameter des Regulatorsystems auf einen praktischen vorgegebenen Wert eingestellt: Reset_Cooling_Capacity. Zum Energiesparen und aus Gründen der Temperatursteuerstabilität wird der Reset_Cooling_Capacity-Wert auf die minimale Kühlkapazität des Kompressors eingestellt.
6 zeigt die Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung. Einer dieser Vorteile ist, dass die Temperaturoszillation stark vermindert ist, weil die Anzahl von Zyklen vermindert wird oder die besagten Zyklen sogar eliminiert werden. Dies ist möglich, da die Kompressorgeschwindigkeit, die vom Regulatorsystem C (das heißt PID) bestimmt wird, den Proportionalteil des Fehlers wie auch die abgeleiteten und integrativen Teile berücksichtigt. Alle diese Komponenten ermöglichen der Steuerung, den Temperaturfehler durch seinen gegenwärtigen, vergangenen und zukünftigen Fehlerzustand zu kompensieren. Der u-Steuerparameter enthält alle oder einige der oben erwähnten Informationen und nicht nur den Proportionalteil, wie dies die konventionelle Steuerung vornimmt, durch AUS-Schalten des Kompressors, wenn die Temperatur unter einem Schwellenwert ist. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Hybrid-Steuersystem, das in der Lage ist, die Kühlkapazitätsanforderung zu vermindern, um den maximalen zugelassenen Wert zu erreichen und diesen Wert am Kompressor einzustellen. In Fällen, in denen die Zellen- oder Schranktemperatur weiter absinkt, wird die AUS-Bedingung nur erhalten, wenn der u-Steuerparameter unter einem gewissen Schwellenwert liegt.
Aus einem Vergleich der 5 und 6 ist es evident, dass mit dem Steuerverfahren gemäß der Erfindung die AUS-Bedingungen nur auftreten, wenn dies unbedingt notwendig ist (hohe Zieltemperatur und/oder niedrige Raumtemperatur) während bei allen anderen Bedingungen das System "Zeit" hat, eine stabile Kühlkapazität (das heißt Geschwindigkeit) zu finden, die in der Lage ist, die Nahrungsmittel bei konstanter Temperatur zu halten.

Claims

Verfahren zum Steuern der Kühlkapazität eines Kompressors variabler Kühlkapazität (VCC), der ein Kompressor variabler Geschwindigkeit (VSC) oder ein Linearkompressor ist, eines Kühlschranks oder Gefrierschrank (R) mit einer elektronischen Steuerung (C), die ein Temperatur-Rückkopplungssignal empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabesignal der elektronischen Steuerung ein Geschwindigkeitssignal oder ein Kolbenhubsignal ist, basierend auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereich oder einem vorgegebenen EIN/AUS-Kolbenhubbereich.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereichs niedriger oder gleich der Minimalgeschwindigkeit des Kompressors (VSC) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass obere Ende des EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereiches größer oder gleich der Minimalgeschwindigkeit des Kompressors (VSC) ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatur-Rückkopplungssignal von einem Temperatursensor (P) gegeben wird, der in einer Kühlzelle des Kühlschranks oder Gefrierschranks (R) platziert ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung (C) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer proportional-integralen (PI) Steuerung, proportional- ableitenden (PD) Steuerung, proportional-integral-ableitenden (PID) Steuerung und jeglicher Fuzzy-Logic-Steuerung besteht, in der der Temperaturfehler und/oder die Ableitung des Fehlers als Eingangssignale verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die elektronische Steuerung den Kompressor einschaltet, er immer bei minimaler Geschwindigkeit eingeschaltet wird.
Kühlschrank oder Gefrierschrank mit einer Kühlzelle und einem Kompressor variabler Kühlkapazität (VCC), der ein Kompressor variabler Geschwindigkeit (VSC) oder ein Linearkompressor ist, mit einer elektronischen Steuerung (C), die ein Temperatur-Rückkopplungssignal von einem Temperatursensor (P), der in der Zelle platziert ist, empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung (C) in der Lage ist, dem Kompressor variabler Kühlkapazität (VCC) ein Geschwindigkeitssignal oder ein Kolbenhubsignal bereitzustellen, das auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereich bzw. auf einem vorgegebenen EIN/AUS-Kolbenhubbereich basiert.
Kühlschrank oder Gefrierschrank gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereiches kleiner oder gleich der Minimalgeschwindigkeit des Kompressors (VSC) ist.
Kühlschrank oder Gefrierschrank gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des EIN/AUS-Geschwindigkeitsbereiches größer oder gleich der Minimalgeschwindigkeit des Kompressors (VSC) ist.
Kühlschrank oder Gefrierschrank gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus einer proportional-integralen (PI) Steuerung, proportional-ableitenden (PD) Steuerung, proportional-integral-ableitenden (PID) Steuerung und jeglicher Fuzzy-Logic-Steuerung besteht.
Kühlschrank oder Gefrierschrank gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die elektronische Steuerung den Kompressor einschaltet, er immer bei minimaler Geschwindigkeit eingeschaltet wird.