SE523897C2 - Metod och apparat för att styra en motor och en strömförsörjningsapparat - Google Patents

Description

25 30 523 897 problem och resulterar i att bland annat service av bilen fördyras eftersom endast kvalificerade serviceverkstäder får hantera kylmedlet. Dessutom medför användningen av två kompressorer extra kostnader.

Den ovan beskrivna lösningen enligt teknikens ståndpunkt lider av problemet att effekten på kompressorn är relaterad till varvtalet på drivmotorn. När varvtalet på drivmotorn sjunker, sjunker också effekten för kompressorn. Kompressorn och kylsystemet måste alltså dimensioneras för att kunna leverera den kyla som krävs vid de varvtal på motorn som gäller vid tomgång, eller under något genomsnittligt varvtal som gäller under de trafikförhållanden som kylbilen kommer att befinna sig, t.ex stadstrafik. Detta resulterar i att kylsystemet kommer att dimensioneras att ha överkapacitet. Detta i sin tur medför att kompressor, slangar och övrigt material blir dyrt.

Enligt JP 2001050630, Tsuboi Tokushu Shatai KK, ”Drive mechanism for refrigirating machine mounted on refrigerator car” genereras ström medelst en generator kopplad till motorn via ett batteri. Apparaten löser problemet att tillhandahålla en konstant effekt oberoende av varvtalet på motorn.

Emellertid begränsas apparatens funktionsduglighet av batteriernas kapacitet och för att erhålla en större effektförsörjning eller effektförsörjning under en längre tid kommer antagligen relativt stora batterier att krävas.

Det vore följaktligen önskvärt att finna ett sätt att minska eller helt undvika de ovan nämnda problemen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN I en motor som driver en last, företrädesvis en kompressor kan det, något förenklat, antas att den pålagda spänningen och frekvensen anger varvtalet för motorn och den pålagda strömmen anger vridmomentet som motorn kan ge. lO 15 20 25 523 897 a n..

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är alltså att tillhandahålla en apparat och en metod för att reglera ström, spänning och frekvens till en last, företrädesvis en motor för att åstadkomma ett effektivt utnyttjande av tillgänglig effekt.

Ett speciellt syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en apparat och en metod vilka medger att ett mindre kylsystem kan utnyttjas för att erhålla en given kyleffekt i ett kylsystem i ett kylfordon.

Ovan nämnda syften tillhandhälles med en apparat och en metod i enlighet med de bifogade oberoende kraven.

Fördelaktiga alternativ och utföringsformer av föreliggande uppfinning tillhandahålles medelst apparater och metoder enligt de bifogade beroendekraven.

En fördel med föreliggande uppfinning är att ett kylsystem i ett kylfordon endast behöver en kompressor anordnad i anslutning till kylutrymmet på nämnda kylfordon.

En fördel med föreliggande uppfinning är att storleksförhållandet för en motsvarande kylanläggning vilken drivs med en kompressor anordnad att drivas direkt av en motor går att minska med en faktor 1.8 till 2.0. Dvs. en kylanläggning om 2.2 kW skulle kunna bytas mot en kylanläggning om ca. 1.1 kW under gynnsamma förhållanden.

Ytterliggare en fördel med föreliggande uppfinning är att ingen slangdragning för transport av kylmedel behövs från en kompressor anordnad vid motorn på ett kylfordon till en kylanläggning anordnad i samband med kylutrymmet i nämnda kylfordon. 10 15 20 25 523 897 Ytterliggare en fördel med föreliggande uppfinning är att inget batteri behöver anordnas i kylfordonet.

Ytterliggare en fördel är att en systemlösning erhålls där man byter två kompressorer mot en vilket spar vikt och i sin tur medger att nyttolasten kan ökas.

Ytterliggare egenskaper för uppfinningen och fördelar därav kommer att vara uppenbara i följande detaljerade beskrivning av utföringsformer enligt uppfinningen.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Föreliggande uppfinning kommer att förstås bättre från den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer enligt föreliggande uppfinning som ges härefter och de bifogade figurerna l till 3, vilka endast är avsedda att illustrera de föredragna utföringsformerna och inte vara begränsande med avseende på föreliggande uppfinning.

Fig. 1 visar ett schematiskt block diagram omfattande en regulator enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar regulatorn i fig. 1 i större detalj.

Fig. 3 visar hur ineffekten, utspänningen, utströmmen, utfrekvensen och ankarströmmen varierar med varvtalet för en förbränningsmotor.

FÖREDRAGNA uær-"örunssrommn I följande beskrivning detaljeras specifika tekniker och tillämpningar i syfte att tillhandahålla en grundlig förståelse av föreliggande uppfinning. Emellertid är det uppenbart för fackmannen att föreliggande uppfinning kan utövas i andra utföringsformer som skiljer sig från vad som i detalj angivits häri. I andra fall har detaljerade 10 15 20 25 30 523 897 5 beskrivningar av välkända metoder och apparater utelämnats för att inte skymma beskrivningen av föreliggande uppfinning med onödiga detaljer.

Fig. 1 visar en principskiss över en föredragen utföringsform enligt föreliggande uppfinning. En generator 101 drivs via en rem 102 av en drivmotor 103 på konventionellt vis. Generatorn 101 genererar en trefasig växelström som matas via ledningar 104 till en elektronikenhet 105, vilken kommer att beskrivas i större detalj nedan. Elektronikenhet 105 styr en magnetiseringsström, eller ankarström IA, och en magnetiseringsspänning, eller ankarspänning UA, som anförs generator 101 via ledningar 106 för att styra effektuttaget från generator 101 i beroende av varvtalet nn på motorn 103.

Elektronikenheten 105 tar alltså emot en effekt Pm via ledningar 104 vilken definieras av en viss ström Im, spänning Um och frekvens fm. Dessa storheter kommer att variera i beroende av varvtalet nu och ankarströmmen IA samt ankarspänningen U¿. Elektronikenheten 105 omvandlar Im, U och fm till en ström Im, en spänning UM och en frekvens fn vilka matas till en trefasig last 107, i detta utföringsexempel en motor 107, via en trefasledning 108.

Motorn 107 är en konventionell motor vilken är konstruerad att fungera optimalt för en viss nominell kombination av spänning och frekvens, t.ex. 230 Volt/50 Hertz. Det bör noteras här att en konventionell motor är optimalt konstruerad för en specifik kombination av spänning och frekvens vilken, för olika motorer, kan variera beroende på t.ex. ett lands specifika elnät. Emellertid kommer motorn att fungera optimalt om kvoten mellan spänningen och frekvensen hålls konstant. Dvs. i ett system med 230 Volt/50 Hertz är kvoten 4.6. Om spänningen sjunker till 200 Volt kan motorn fås att fungera på ett huvudsakligen optimalt sätt om frekvensen minskas till ungefär 10 15 20 25 30 n n ~ | .o 523 897 6 43.5 Hertz så att kvoten om 4.6 bibehålls. Detta kommer naturligtvis innebära att varvtalet nu för motorn kommer att minska. Motorn 107 har även en nominell ström Inm vilken är bruklig att anges vid maximalt axeleffektuttag. Vid denna ström kommer motorn att uppvisa maximalt vridmoment.

Enligt föreliggande utföringsform driver motorn 107 en kompressor (ej visad) i ett kylsystem för kylning av ett kylutrymme i ett kylfordon. Andra tillämpningar ligger emellertid inom omfånget för föreliggande uppfinning, t.ex. skulle motorn kunna driva en pump för syresättning av en vattentank med levande djur, andra former av pumpar, luftkompressorer, fläktar eller generellt sett allt som drivs av elektricitet inom angivet effektuttag.

Fig. 2 visar elektronikenheten 105 i större detalj. En likriktare 201 matas från generator 101 och omvandlar den inkommande strömmen In och spänningen Um till en likström vilken matas till en intelligent IGBT effektmodul 202, t.ex. en PM5ORSD060 från Mitsubishi Electric. En styrenhet 203 styr effektmodulen 202 att leverera en viss ström Im, spänning Um och frekvens fm via ledningar 108 till last 107. Styrenheten 203 anger utparametrarna i beroende av den inmatade effekten Pm och en relationsenhet 204 vilken anger det förhållande mellan spänning och frekvens för motorn som skall hållas konstant. Styrenhet 203 styr också ankarströmmen IA och ankarspänning UA som anförs på generatorn 101 via en försörjningsenhet 205. Funktionen för anordningen kommer nu att beskrivas i större detalj.

Ett antal olika tillstånd för anordningen tas i beroende av varvtalet nn på drivmotorn 103 som driver generatorn 101 och den effekt Pm som därmed genereras. 10 15 20 25 30 sz: 897 7 Om varvtalet nn är så stort att generatorn 101 skulle generera en effekt Pm som överskrider den maximala nominella effekten Pmm som motorn konstruerats för i sin tillämpning sänker styrenheten 203, via försörjningsenheten 205, ankarströmmen Ia och/eller ankarspänningen UA som läggs på generatorn så att Pm hålls väsentligen lika med Pmm. Därmed behövs ingen överkottseffekt tas om hand av elektronikenhet 105.

Alternativt kan elektronikenheten 105 anordnas med ytterliggare kontakter för anslutning av annan utrustning vilken skulle kunna användas då överskotteffekt finns tillgänglig.

Om varvtalet nu sjunker under ett värde vid vilket generatorn 101 kommer att leverera en effekt Pm som underskrider den efterfrågade effekten Pmm kommer i första hand ankarströmmen IA att höjas till sitt maximala värde för vilket generatorn 101 är konstruerad. Därefter måste uteffekten Pm sänkas eftersom naturligtvis inte effekten Pm som läggs på motor 107 kan överstiga den inkommande effekten Pm. Detta görs genom att sänka spänningen UM och frekvensen fm så att förhållandet dem emellan behålls lika under det att IM behålls konstant lika med Inm. Därmed kommer motorn att fungera inom sitt optimala arbetsområde, dock med ett lägre varvtal nu. Det lägre varvtalet nu resulterar i att egen kylningen av motorn minskar då motorfläkten roterar saktare, emellertid är ju motorns effekt också mindre varför kylbehovet också minskar i motsvarande grad.

På detta sätt erhålls ett effektivt utnyttjande av den tillgängliga effekten för att driva en motor.

För att erhålla konstant magnetisering av motorn vid fullt drivmoment rampas fm och Un med konstant kvot då motorn 107 startas. Detta medför att höga startströmmar undviks vilket annars är vanligt vid direktstart av kortslutna 10 15 20 25 30 523 897 asynkronmotorer. Rampfunktionen medför att start av tunga laster (motorlaster) är möjlig vilka annars kan medföra startproblem vid direktstart.

Enligt en föredragen utföringsform kan en undre gränsfrekvens anges vilken en motor inte får drivas under. Detta innebär att spänningen och frekvensen endast kan minskas till en viss specifik brytpunkt vilken anges med fmm och U Om varvtalet nu minskar så att spänningen skulle behöva minska under Umm, vilket ju inte är tillåtet, bibehålls utspänningen UM och utfrekvensen fn lika med Umm och fmfl under det att IW istället minskas. Därmed kommer vridmomentet för motorn att minska.

I fig. 3 visas ett nedvarvningsförlopp för en motor och hur varvtal nn, ineffekt Pm, utspänning UM, utström Im, utfrekvens fn och ankarström IA varierar under förloppet. I syfte att underlätta förståelsen visas en linjär nedvarvning där nn varierar linjärt mellan ett maxvärde och ett minvärde.

Emellertid är det uppenbart att en motor inte nödvändigtvis uppvisar en sådan linjär nedvarvningskurva beroende på den karakteristik som dess last uppvisar, vilket dock inte på något sätt förändrar följande principer för hur föreliggande uppfinning fungerar.

I början av förloppet är varvtalet nn högt och ankarströmmen IA är därmed låg i syfte att endast generera den nödvändiga effekten för att driva motorn. Styrenheten ställer därmed in Um, Im, och fw till deras respektive nominella värden och ökar ankarströmmen allteftersom varvtalet nn minskar, för att bibehålla samma ineffekt Pm vilket kan ses i fig. 3.

När varvtalet nu har sjunkit till nl har ankarströmmen IA nått sitt maximala värde och kan inte ökas mer. Därmed kommer från denna punkt ineffekten Pm att minska med varvtalet, vilket visas i fig. 3. Därmed minskar styrenheten 203 Um och fn, 10 15 20 25 30 5 2 3 s 9 7 šï* I§Éï - Ilf - .Åïï šf:= under bibehållet förhållande, för att anpassa uteffekten Pm till den tillgängliga ineffekten Pm under det att Im hålls konstant. Effekten Pm(n) behöver naturligtvis inte vara linjär eftersom Pm styrs av PM, dvs. vad motorlasten har för karakteristik. Ett linjärt samband visas i föreliggande exempel i syfte att underlätta förståelsen.

När fm har nått fmm får inte frekvensen minska mer varför styrenheten 203 istället för att minska spänningen Um minskar strömmen IM när varvtalet går under nr När varvtalet går under na är ineffekten Pm för liten för att överhuvudtaget driva motorn, varför motorn stängs av. Det inses alltså att n3 är det minsta varvtal en förbränningsmotor 103 kan ha för att driva motorn 107 och därmed kompressor och kylaggregat. Kyleffekten som krävs för en given applikation och vid vilket varvtal nm som tomgångsvarvtalet, alternativt ett varvtalsgenomsnitt för körning av en kylbil i en given trafikmiljö, ligger kommer naturligtvis att vara avgörande för dimensioneringen av generatoror och kylsystem.

Det har visat sig, genom teoretiska beräkningar och praktiska försök att det går att minska kylanläggningens effekt med en faktor 1.8 till 2.0 genom att använda en apparat och metod enligt föreliggande uppfinning istället för en konventionell kylanläggning där kompressorn sitter i anslutning till förbränningsmotorn och drivs via t.ex. en rem.

Det är uppenbart att föreliggande uppfinning kan varieras på många olika sätt. Sådana variationer skall ej uppfattas som ett avsteg från omfånget av föreliggande uppfinning. Alla sådana modifieringar som är uppenbara för fackmannen är avsedda att vara inkluderade inom omfånget för bifogade patentkrav.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 525 897 10 " KRAV .

2. Metod att styra en elektrisk motor genom att reglera åtminstone ström IM, spänning Uw och frekvens fm till en ingång på nämnda motor, där varvtalet för nämnda elektriska motor är proportionellt mot nämnda frekvens fm, omfattande stegen att: - om en tillgänglig effekt Pm från en energikälla tillhandahållen i syfte att driva nämnda elektriska motor är större än eller lika med den nominella önskade effekten Pmm för nämnda elektriska motor, sätta strömmen Im, spänningen Um och frekvensen fm till motsvarande nominella värden Imm, Umm respektive fmm, för att uppnå nämnda önskade effekt PMM och önskade frekvens fmm, - om nämnda tillgängliga effekt Pm är mindre än nämnda önskade effekt Pmm, minska Um och fm, så att förhållandet mellan UM och fm är väsentligen konstant under det att Im behålls lika med I nom ' Metod enligt krav l, vari nämnda energikälla är en generator kopplad till en förbränningsmotor med varierande varvtal, varvid nämnda generator avger en spänning Um, en ström Im, och därmed associerad effekt Pm, och en frekvens fm som varierar med varvtalet för nämnda motor samt där en magnetiseringsström.

3. IA läggs på generatorn för att erhålla magnetisering, omfattande det vidare steget att: - nämnda magnetiseringsström anpassas för att hålla den avgivna effekten Pm från generatorn väsentligen lika med den önskade nominella effekten Pmm. .

4. Metod enligt krav 2, vari nämnda förbränningsmotor är en motor i en farkost, t.ex. en lastbil. (E)Strömförsörjningsapparat anordnad att tillhandahålla ström In, spänning UM och frekvens fw på åtminstone en 10 15 20 25 30 523 897 ll första utgång där nämnda första utgång i första hand är anordnad att hålla en första nominell spänning U en nom f första nominell ström Inm, en första nominell effekt Pmm och en första nominell frekvens fmm i syfte att driva en elektrisk motor, nämnda reglerapparat omfattar en ingång anordnad att kopplas till en energikälla anordnad att avge en effekt Pm vilken kan variera, kännetecknad av att - nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att reglera Pm till nödvändig uteffekt Pm, - nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att hålla förhållandet mellan spänningen Um och frekvensen fm i huvudsak konstant, och - nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att minska spänningen Um i händelse att effekten Pm är i mindre än Pmm, under det att strömmen IM hålls väsentligen konstant. .

5. Strömförsörjningsapparat enligt krav 4, omfattande en styranordning för att åtminstone delvis styra den avgivna effekten Pm från nämnda energikälla, och - nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att styra nämnda energikälla för att hålla den avgivna effekten Pm från energikällan väsentligen lika med den önskade nominella effekten Pmm. .

6. Strömförsörjningsapparat enligt krav 4 eller 5, vari nämnda energikälla är en generator och nämnda styranordning är magnetiseringsströmmen till nämnda generator. .

7. Strömförsörjningsapparat enligt något av kraven 4-6, vari nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att öka magnetiseringsströmmen IA till en maximal i 523 397 12 . . . . n - - ; a- magnetiseringsström IM” och att därefter minska UM under det att Im behållas konstant om Pm är mindre än Pmm.

8.Strömförsörjningsapparat enligt något av kraven 4 till 7, vidare omfattande åtminstone en andra utgång anordnad att tillhandahålla en effekt P2 över en last L.

9.Strömförsörjningsapparat enligt krav 8, vari nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att styra nämnda energikälla att hålla den avgivna effekten Pm från energikällan väsentligen lika med summan av den önskade 10 nominella effekten Pmm och effekten Pr

10. Strömförsörjningsapparat enligt krav 8, vari nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att öka magnetiseringsströmmen IA till en maximal magnetiseringsström Imu för att hålla den avgivna 15 effekten Pm lika med summan av Pmm och P,

11. ll. Strömförsörjningsapparat enligt krav 8, vari nämnda strömförsörjningsapparat är anordnad att stänga av nämnda andra utgång om summan av Pmm och P2 är större än Pm.