SE525458C2 - Effektregulator - Google Patents

Description

och skåptemperaturen) är högst för en effekt lika med (som ligger runt) nominelleffekten. Temperaturprestandan blir sämre både om effekten sjunker eller ökar mycket. När effekten ökar, ökar kokarens temperatur och detta leder till förhöjd värmeinläckning genom skåpets backvägg (pga. högre temperaturskillnad mellan omgivning och skåp), dvs. till högre skåptemperatur. Å andra sidan kan själva kylapparatens verkningsgrad bli lägre pga. ändrade temperaturer för kylapparatens komponenter (kokare, vattenavskiljare, kondensator, osv.), med sama följd, dvs. högre skåptemperatur.

Förhöjda temperaturer i kokaren kan leda till nedbrytning av inhibitorämnet, vilket i sin tur kan leda till accelererad korrosion av kylapparaten.

Följaktligen kan det vara önskvärt att begränsa den tillförda effekten. Detta kan t.ex. ske genom en linjär spänningsstabilisering där den variabla inmatningsspänningen reduceras till en stabil utmatningsspänning. Emellertid är verkningsgraden relativt låg, eftersom effektförlusten är lika med "överskottsspänningen" (dvs. den levererade spänningen minus den nominella spänningen) gånger strömen. Dessutom minskar verkningsgraden när den levererade spänningen ökar, vilket är en nackdel.

Ett annat sätt att åstadkomma en stabil spänning är genom en SMPS-enhet (eng. Switch Mode Power Supply) där den variabla inmatningsspänningen hackas med hög frekvens och sedan rekonstrueras med rätt konstanta nivå på utmatningsspänningen.

Emellertid är sådana SMPS anordningar relativt dyra och stora.

Dessutom måste utmatningsspänningen filtreras och spänningskällan skyddas mot ingående transienter. 10 15 20 Ia nu 00 I O O I I O C I 0 o O I I O O I O O Ü I IC IIOO OO OIII IC US 5,502,365 "Driving Control Apparatus of Motor-Driven Compressor Utilized For Automobile" by Nanbu et al. visar en styrapparat för att tillhandahålla elektrisk effekt till en motordriven kompressor i en bil. Apparaten omfattar ett styrorgan anordnat att beräkna en elektrisk effekt som förbrukas av den motordrivna kompressorn och styra den motordrivna kompressorn att reducera den förbrukade elektriska effekten då den elektriska effekten är större än en övre gräns.

Det finns alltså ett behov inom tekniken för en metod och en anordning vilken reducerar den pålagda medeleffekten på en elektrisk apparat till en given nominell nivå.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGBH Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är alltså att tillhandahålla en metod och en apparat som åtgärdar eller åtminstone reducerar de ovan nämnda problemen.

Ett speciellt syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en metod och en apparat vilken reducerar den pålagda medeleffekten på en elektrisk apparat, t.ex. en kylapparat, till den för den elektriska apparaten dimensionerade nominella effekten.

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

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

En fördel med föreliggande uppfinning är att en elektrisk apparat kan tillföras en, för apparaten dimensionerad, 10 15 20 nominell effekt, trots att en spänningskälla, anordnad att leverera nämnda effekt uppvisar en varierande spänning.

Ytterliggare en fördel med föreliggande uppfinning är att nämnda apparat har en relativt hög verkningsgrad.

Ytterliggare en fördel med föreliggande uppfinning är att en apparat enligt uppfinning är enkel, omfattar ett relativt fåtal komponenter och är relativt billig till sin konstruktion.

Ytterliggare en fördel med en föredragen utföringsform enligt föreliggande uppfinning är att accelererad korrosion i kokaren i en kylapparat kan förhindras.

Ytterligare en fördel med en föredragen utföringsform av uppfinningen är att en konventionell, stor och kostsam A/D- omvandlare kan undvikas.

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

KORTFAITAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Föreliggande uppfinning komer att förstås bättre från den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer enligt föreliggande uppfinning som ges härefter och de bifogade figurerna 1 till 4, vilka endast är avsedda att illustrera de föredragna utföringsformerna och inte vara begränsande med avseende på föreliggande uppfinning.

Figur 1 är ett schematiskt flödesdiagram utföringsform av föreliggande uppfinning. enligt en- 10 15 20 own LH 0 0 0 I O O O O 00 0000 00 0; 00 00 00 00 I000 0 I z :I .I I O I .O Û I I O 0 0 I 00 6,00 @ Figur 2 är ett exemplifierande spänningsschema över tiden för spänningen som. läggs på en apparat under utnyttjande av' en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 3 är ett schematiskt funktionsschema enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figur 4 är ett spänningsschema över tiden för spänningen w över en filterkondensator under utnyttjande av en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fözu-:nnacnn uærönxnesrommn 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 fall beskrivningar av välkända metoder och apparater utelämnats för angivits häri. I andra har detaljerade att inte skymma beskrivningen av föreliggande uppfinning med onödiga detaljer.

Figur 1 visar, i ett flödesschema, principen för en metod enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. Figur 2 visar i ett diagram, den pålagda spänningen-v i kvadrat på en elektrisk apparat över tiden. Vid tiden to, dvs. vid början av en period TP, nollställs i ett steg 101 den uppmätta, tillförda energin Em. Den tillförda energin Em, direkt proportionell mot summan av ytorna betecknade 201 och 202 i figur 2, mäts sedan i ett steg 102. Vid tiden tm är den tillförda energin Em lika stor som en specificerad, nominell energi Emm. Denna energi, Emm, är direkt proportionell mot summan av ytorna 202 och 203 i figur 2, och är lika stor som den energi som tillförs den elektriska apparaten under perioden TP vid en pålagd spänning 10 15 20 . g ; oo oooo oo oooo o o : o o o o I o 0 0 o I .O o o o o o I o o o a c o o : . 6 ooo o o o 0 o o o o o o o o g . O . o o o o o I o o 0 0 0 .. o u o o o oooo oo o 00 Vmm. Vid tm är alltså villkoret 103, En 2 Emm, i figur l uppfyllt och eftersom tm är mindre än TP, villkor 104 i figur 1, slås spänningen V; av i ett steg 105 under återstoden av perioden T., och när nästa period TP börjar slås spänningen V, på igen. Följaktligen komer den totala energin som tillförs den elektriska apparaten över perioden TP att vara lika stor som den energi som skulle ha tillförts apparaten om den nominella spänningen Vmm hade lagts på den elektriska apparaten under hela perioden TP. Därmed kommer medeleffekten som läggs på den elektriska apparaten tagen över ett helt antal perioder TP att vara väsentligen konstant, oberoende om den pålagda spänningen varierar och är högre än den nominella spänningen. Om den pålagda spänningen är lika med den nominella spänningen under hela perioden TP, bryts ej spänningen under respektive period.

Ett annat sätt att uttrycka reglermekanismen är att när "överskottsenergin", som motsvarar ytan 201 i figur 2, är lika stor som den energi som fortfarande behövs för att under hela perioden tillföra lika mycket energi som skulle ha tillförts om den nominella spänningen lagts på under hela perioden, dvs. den energi som motsvarar ytan 203 i figur 2, så slås den pålagda spänningen av.

I figur 2 visas ytterliggare tre perioder betecknade 204, 205' respektive 206. Under period 206 kan det ses att spänningen är lika med den nominella spänningen Vmm under hela perioden TP varvid spänningen ej slås av under denna period.

Figur 3 visar ett schematiskt blockschema av en utföringsform enligt uppfinningen. En summator 301 genererar en spänningi genom addition av en del av spänningen som skall mätas (dvs. den spänning som läggs på den elektriska apparaten), spänning som levereras av spänningskällan 302, och en del av en fyrkantspänning med känd amplitud från en fyrkantgenerator 303a. Fyrkantgeneratorn 303a och mät och beslutssystemet 303b 10 15 20 ooo ooo o o oo oo oo oo oo oooo o o o o o o o o o o o o o o o o I 0 o I o o O o I O O I 0 7 ooo o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 I I I 0 U ' o o o o oooo oo o oo oo är delar av en mikrostyrenhet 303. Första och andra spänningsdelare 304 och 305 delningsfaktorer är därvid valda så att det i summationspunkten uppstår en fyrkantsignal som är symmetrisk kring referensspänningen från en referensspänningsgenerator 306, när den spänning som skall mätas ligger i mitten av önskat mätområde (+26 V).

Efter sumationspunkten filtreras dessutom spänningen med hjälp av en filterkondensator 307 så att fyrkantsignalens spänningsövergångar blir exponentiellt formade med en viss stig- och falltid. Denna spänning w över tiden visas i figur 4.

Spänningskomparatorn 308 jämför spänningen w med _ referensspänningen och förser mät och beslutssystemet 303b med en logisk signal som används för att mäta den tid det tar för spänningen w att nå referensspänningen. Tiden mäts för både positivt och negativt riktade spänningsövergångar för att kompensera för osäkerheter i filtreringsprocessens tidskonstant och i mikrostyrenhetens tidsreferens (oscillatorfrekvens). Spänningen som mäts beräknas sedan från dessa två uppmätta tider med hjälp av en beräkningsalgoritm i mikrostyrenheten.

Figur 4 visar i form av ett diagram spänningen w som jämförs av komparatorn med referensspänningen. Låt n e [O , 1] vara den relativa positionen för referensspänningens nivå från fyrkantsignalens bottenvärde till dess toppvärde i summationspunkten, T de exponentiellformade spänningsövergångarnas tidskonstant, tl tiden för att nå referensspänningens nivå vid positivt riktade övergångar och t,A tiden att nå referensspänningens nivå vid negativt riktade övergångar (tiderna mätta från respektive övergångs starttidpunkt). 10 15 20 w; O LT! Fu) CT! u blir då ett relativt mått på den uppmätta spänningen inom det teoretiska mätområdet, där u är noll vid mätområdets övre gräns och l vid dess undre gräns.

Följande samband gäller: u=1-e“VT och vilket ger: :1=-T><1n(1-u), tz = -Tx1n(u) .

Från vilka följande relation kan härledas: 1n(1 - u)-1n(u) mfi-uyflnßy x är här ett normerad tidsrelaterad värde i intervallet [- 0.5 I -I x=O5xJ-¿=O5x t1+r2 , 0.5] och är ett mått på hur mycket u skiljer sig från mittpunkten 0.5. x är lika med - 0.5 när den uppmätta spänningen är vid mätområdets övre gränsvärde, + 0.5 vid dess nedre gränsvärde och 0 (noll) vid dess mitt (26 V).

Av relationen framgår att sambandet mellan x och u inte beror, på tidskonstanten T. Likaså kompenseras ett systematiskt fel i mikrostyrenhetens tidsreferens automatiskt genom att x utgör en kvot mellan två mätetal med samma systematiska fel. g Sambandet mellan x och uppmätt spänning är teoretiskt korrekt inom hela intervallet [- 0.5, 0.5] för x. Relationen är symmetrisk och rimligt linjär kring mätområdets mitt.

I en tillämpning med begränsad beräkningskraft är det fördelaktigt att approximera ovan givna förhållande med en enkel funktion. I en utföringsform av föreliggande uppfinning har sambandet mellan x och u approximerats med 10 15 20 en linjär funktion av typen u=a+bx, på tre olika intervall för x, ett intervall centrerad på 0 (noll), och de andra till vänster och höger om detta intervall. Den relativa avvikelsen för mätspänningen motsvarande denna approximering ligger inom i 1% mellan 22 och 30 V, vilket täcker mätspänningens variationsområde. Med hjälp av numerisk simulering har verifierats att nämnda maximala avvikelse kan uppnås inom nämnda mätomrâde genom lämpligt val av delningsfaktorer och genom delning av mätområdet i tre intervall med olika värden på approximationskoefficienterna a och b i respektive intervall.

Utmatningsspänningsomkopplaren 309, som styrs av mikrostyrenheten 303, slår på och av spänningen som läggs på den elektriska apparaten 310 enligt uppfinningen.

Effektregulatorn fungerar enligt följande där de specifikt angivna siffrorna endast är exempel och lämpliga tidsintervall och spänningsnivåer väljs fackmannamässig för varje unik tillämpning.

Föreliggande exempel behandlar en kylapparat i ett motorfordon. Kylapparatens värmeelement är dimensionerat för 24VDC och 120W. Tidsperioden TP är 16.78 sekunder och varje period delas in i 256 mätintervall där alltså varje intervall är 16.78 /256 = 0.0655 sekunder. Efter varje intervall mäts den pålagda spänningen, mätvärdet kvadreras, multipliceras med intervallängden och läggs till ett register i mikrostyrenheten 303. Därefter jämförs värdet i registret med ett värde som motsvarar energin som skulle ha tillförts den elektriska apparaten om 24VDC tillförts under hela perioden TP, dvs. l20W gånger 16.78 sekunder = 2013.6 J. Om värdet i registret är I I O I 0 I 0 OO OOOI IC Öl IC OO O I I O I Û I 0 O 0 I O O OO OIOO 10 pšš större än eller lika med ett värde som motsvarar detta energivärde så slås spänningen till den elektriska apparaten av under återstoden av perioden TP.

Om den pålagda spänningen t.ex. är 27VDC blir energin under varje tidsintervall 27*27/4.8*0.0655 = 9.95J (Det interna motståndet i kokaren är 24*24/120 = 4.8 Ohm). Efter 203 intervall motsvarar värdet i registret 20l9.4 J, dvs. större än 20l3.6 J varför den pâlagda spänningen slås av under de återstående 53 intervallen, eller under knappt 3.5 sekunder.

Därefter nollställs registret och en ny period påbörjas.

Därmed blir effekten över perioden TP = 20l9.4/16.78 = 120.3 W, vilket alltså är praktiskt taget den effekt värmeelementet är dimensionerad för. Eftersom kylapparaten är termiskt trög I uppkomer inga eller mycket små temperaturvariationer i kokaren.

Det har visat sig att om perioden TP hålls under 30 sekunder kan temperaturen i kokaren hållas praktiskt taget konstant.

Längre periodtider går också att använda men med något försämrad funktion för kokaren.

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 (1)

1. 0 15 20 25 30 KRÄV l.Metod för att styra effekten som tillförs en elektrisk apparat omfattande en spänningsomkopplare anordnad att koppla in eller koppla ur en spänning som läggs på nämnda elektriska apparat, omfattande stegen att: - under en period, kontinuerligt eller med jämna intervall, mäta den pålagda spänningen pà nämnda elektriska apparat, - under nämnda period, kontinuerligt eller med jämna mellanrum, beräkna den dittills tillförda energin till nämnda elektriska apparat, och -.om den dittills tillförda energin till nämnda elektriska apparat är större än eller lika stor som en första specificerad energi, koppla ur nämnda pålagda spänning under återstoden av nämnda period så att den totala energin som tillförs nämnda apparat under nämnda period blir lika stor som nämnda första specificerade energi. .Metod enligt krav 1, vari nämnda första specificerade energi är den energi som skulle tillföras nämnda apparat under nämnda period om en nominell spänning las på under hela perioden. .Metod enligt krav l, vidare omfattande stegen att: - för varje period mäta den energi, eller ett värde direkt proportionellt därmed, som tillförs nämnda apparat under nämnda åtminstone första del av nämnda period, - när nämnda tillförda energi, eller värde direkt proportionellt därmed, är större än eller lika med nämnda specificerade energi, eller värde direkt proportionellt därmed, koppla ur nämnda pålagda spänning under återstoden av nämnda period. lO l5 20 25 30 .. oo .g oooo nl "°' , o o o o o 0 0 o : : o o I "'. . o. o g g Q z . g z . .f f ago: obo V99' o oo O' " 4.Metod enligt krav l, vidaie omfattande stegen att: - med regelbundna kända tidsintervall mäta nämnda pålagda spänning, É - beräkna, utgående från mämnda uppmätta pålagda spänning, den, under nämnda kända tidsintervall, tillförda energin, eller ått värde direkt proportionellt därmed, E - för varje period kontinderligt summera de beräknade energierna, eller värdenaädirekt proportionella därmed, som hittills tillförts nämnda apparat under nämnda period, i - koppla ur nämnda pålagda spänning när nämnda summa är större än nämnda specificérade energi. .Metod enligt krav 1, vidaie omfattande stegen att: - kontinuerligt mäta den dnder nämnda period tillförda energin, eller ett värde direkt proportionellt därmed, till nämnda apparat, É - koppla ur nämnda pålagdä spänning när nämnda uppmätta energi, eller värde direkfi proportionellt därmed, är större än eller lika med dämnda specificerade energi. .Metod enligt krav l, vidare omfattande stegen att: - addera åtminstone en del av en fyrkantssignal med känd amplitud till åtminstone dn del av nämnda pålagda spänning för att åstadkomma en fyrkantsspänning vars övre och undre nivåer ligger på konstant inbördes avstånd och på en medelnivá direkt relaterad till nämnda pålägda 1 spänning, É I - filtrera nämnda fyrkantäpänning med åtminstone en kondensator, i - mäta en första tid som det tar för spänningen över nämnda kondensator att vid fyrkantspänningens positivt riktade spänningsövergångïändras från nämnda undre nivå till en referensnivà, I ! a š i i 10 15 20 25 30 C71 P J (FI så. LI1 CO o coca 00 Û' zuruz: 95"? 5:a. '='= , a g o o o I 0 . . . . o c I .' :li :°.. . 'z o_-c 0650 “g' .Åsa anno n o I 0 lå - mäta en andra tid som det tar för spänningen över nämnda kondensator att vid fyrkantspänningens negativt riktade spänningsövergàng ändras från nämnda övre nivå till nämnda referensnivå, - beräkna värdet för nämnda pålagda spänning utgående från nämnda första och andra tid. 7.Metod enligt krav l, vari nämnda apparat är en apparat fràn en grupp med apparater omfattande kylanläggningar baserade på absorptionsteknik och andra värmedrivna apparater. 8.Metod enligt krav l, vari nämnda pålagda spänning härrör från en generator kopplad till en motor. 9.Metod enligt krav 1, vari ett batteri levererar nämnda pålagda spänning när nämnda motor är frånslagen. 10. Metod enligt krav l, vari nämnda period är mindre än eller lika med 30 sekunder, företrädesvis 16.7 sekunder och nämnda period delas in i 256 lika långa tidsintervall. ll. Effektstyrningsapparat anordnad att styra effekten som tillförs en elektrisk apparat omfattande en spänningsomkopplare anordnad att koppla in eller koppla ur en spänning som läggs på nämnda elektriska apparat, kännetecknad av: - en energimätare anordnad att kontinuerligt eller med jämna mellanrum mäta energin, eller ett värde direkt proportionellt därmed, som tillförs nämnda elektriska apparat under åtminstone en första del av en period, och - en styrenhet kopplad till nämnda energimätare och anordnad att styra nämnda spänningsomkopplare att koppla ur nämnda pålagda spänning pâ nämnda elektriska apparat under återstoden av nämnda period, om den tillförda 10 15 20 25 30 y in .g oo 0000 U zuruaß ß%": := - '='* . . . g n l 0 : . . . . 0 0 0 . n 0- i - o '_ e z.. 2 2 ö: .nog .co- no øvl *Ü" *" , n IH energin, eller värdet direkt proportionellt därmed, under nämnda första del av nämnda period är större än en första specificerad energi. Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari nämnda första specificerade energi, eller värde direkt proportionellt därmed, är den energi, eller värde direkt proportionellt därmed, som skulle tillföras nämnda elektriska apparat under nämnda period om en nominell spänning las på nämnda elektriska apparat under hela perioden. Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari: - nämnda energimätare är anordnad att med regelbundna kända tidsintervall mäta nämnda pålagda spänning på nämnda elektriska apparat, - nämnda energimätare är anordnad att beräkna, utgående från nämnda uppmätta pålagda spänning, den, under nämnda kända tidsintervall, tillförda energin, eller ett värde direkt proportionellt därmed, - nämnda styrenhet är anordnad att för varje period kontinuerligt summera de beräknade energierna, eller värdena direkt proportionella därmed, som hittills tillförts nämnda apparat under nämnda period, och - nämnda styrenhet är anordnad att koppla ur nämnda pålagda spänning när nämnda summa är större än nämnda specificerade energi, eller värde direkt proportionellt därmed. Effektstyrningsapparat enligt krav 11, vari: - nämnda energimätare är anordnad att kontinuerligt mäta den under nämnda period tillförda energin, eller värde direkt proportionellt därmed, till nämnda apparat, och - nämnda styrenhet är anordnad att koppla ur nämnda pålagda spänning när nämnda uppmätta energi, eller värde 10 15 20 25 30 IS direkt proportionellt därmed, är större än eller lika med nämnda specificerade energi, eller värde direkt proportionellt därmed. Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari: ~ nämnda energimätare omfattar första organ anordnad att addera åtminstone en del av en fyrkantssignal med känd amplitud till åtminstone en del av nämnda pàlagda spänning för att åstadkomma en fyrkantsspänning, - nämnda energimätare omfattar ett andra organ anordnad att filtrera nämnda fyrkantspänning med åtminstone en kondensator, - nämnda energimätare omfattar ett tredje organ anordnad att mäta en första tid som det tar för spänningen över nämnda kondensator att vid fyrkantspänningens positivt riktade spänningsövergàng ändras från nämnda undre nivå till en referensnivå, samt en andra tid som det tar för spänningen över nämnda kondensator att vid fyrkantspänningens negativt riktade spänningsövergáng ändras från nämnda övre nivå till nämnda referensnivà, - nämnda energimätare omfattar ett fjärde organ anordnad att beräkna värdet för nämnda pålägda spänning utgående från nämnda första och andra tid. Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari nämnda apparat är en apparat från en grupp med apparater omfattande kylanläggningar baserade på absorptionsteknik och andra värmedrivna apparater. Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari nämnda pàlagda spänning härrör från en generator kopplad till en IYlOtOI . Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari ett batteri levererar nämnda pàlagda spänning när nämnda motor är frånslagen. 5 2 5 4 5 8 H» Effektstyrningsapparat enligt krav ll, vari nämnda 19. period är mindre än eller lika med 30 sekunder, företrädesvis 16.78 sekunder och nämnda period delas in i 256 lika långa tidsintervall.