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Dokumentenidentifikation DE102004012635B4 09.03.2006
Titel Kältesystem und Verfahren zum Betreiben eines Kältesystems
Anmelder Danfoss Compressors GmbH, 24939 Flensburg, DE
Erfinder Weihrauch, Niels Christian, 24941 Flensburg, DE
Vertreter Patentanwälte Knoblauch und Knoblauch, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 16.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004012635
Offenlegungstag 13.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.03.2006
IPC-Hauptklasse F25B 49/02(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H02P 1/42(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Kältesystem mit einem Verdampfer und einem Kompressor, der von einem elektrischen Motor angetrieben ist, wobei der Motor einen Arbeitsstrang mit einer Hauptwicklung, einen Startstrang mit einer Hilfswicklung in einem ersten Abschnitt und eine in Reihe mit der Hilfswicklung geschaltete Kondensatoranordnung in einem zweiten Abschnitt des Startstrangs aufweist, und eine Umschalteinrichtung zur Veränderung des Betriebsverhaltens des Motors vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältesystems, das einen Verdampfer und einen Kompressor aufweist, der von einem elektrischen Motor angetrieben ist, der einen Arbeitsstrang mit einer Hauptwicklung und einen Startstrang mit einer in Reihe mit einer Hilfswicklung angeordnete Kondensatoranordnung aufweist, wobei die Hilfswicklung einen ersten Abschnitt und die Kondensatoranordnung einen zweiten Abschnitt des Startstranges bilden.

In einem derartigen Kältesystem verwendet man üblicherweise einen geschlossenen Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Eine übliche Vorgehensweise zum Betreiben des Kältesystems besteht darin, daß man gasförmiges Kältemittel mit Hilfe des Kompressors verdichtet. Das verdichtete Kältemittel wird in einem Kondensator verflüssigt. Das flüssige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil in einen Verdampfer geleitet, wo es verdampft. Die Verdampfungswärme wird aus der Umgebung aufgenommen und führt dort zu einer Abkühlung.

Zum Antrieb des Kompressors benutzt man üblicherweise einen elektrischen Motor. In den meisten Haushalten steht als Spannungsversorgung die übliche Ein-Phasen-Netzspannung in der Größenordnung 220 bis 240V zur Verfügung, so daß man auch den Motor als Ein-Phasen-Motor ausbildet. Eine relativ einfache Ausbildung eines Ein-Phasen-Motors ist ein Motor, der eine Arbeitswicklung (auch als Hauptwicklung bezeichnet) und eine Startwicklung (auch als Hilfswicklung bezeichnet) aufweist. Die Hilfswicklung ist mit einer Kondensatoranordnung in Reihe geschaltet. Die Kondensatoranordnung bewirkt eine Phasenverschiebung bei der Versorgung von Arbeitswicklung und Startwicklung, so daß der Motor anlaufen kann und im Betrieb bis zu einer Belastungsgrenze zuverlässig arbeiten kann. Ein derartiger Motor wird auch als "Kondensatormotor" bezeichnet.

Ein Kondensatormotor ist üblicherweise auf einen optimalen Betriebspunkt hin optimiert. Die Kombination aus Wicklungen und Kondensatoranordnung ist dabei so ausgelegt, daß der Motor bei einer bestimmten Belastung möglichst effektiv betrieben werden kann. Beispielsweise kann man den besten Wirkungsgrad in Richtung auf eine höhere Belastung verschieben, wenn die Kapazität der Kondensatoranordnung erhöht oder die Windungszahl der Wicklungen vermindert wird.

In Kältesystemen sind die Betriebsbedingungen für den elektrischen Motor allerdings nicht stabil. In Abhängigkeit von einer Reihe von Einflußfaktoren muß der Motor unter größeren Belastungen oder unter kleineren Belastungen arbeiten. Wenn die Außentemperatur absinkt, ist der Kältebedarf geringer, so daß sich die Motorbelastung verringert. Wenn die Außentemperatur hingegen ansteigt oder Lebensmittel, die frisch in einen Kühlschrank eingelagert werden, zunächst heruntergekühlt werden müssen, dann steigt die Belastung des Motors an. Dies führt dazu, daß der Motor vielfach mit vermindertem Wirkungsgrad betrieben wird.

Man hat daher in US 4 463 302 vorgeschlagen, das Betriebsverhalten des Motors zu verändern. Hierzu weist der Motor zwei Wicklungspaare und eine Reihe von Kondensatoren auf. In einem ersten Betriebszustand wird das erste Wicklungspaar parallel geschaltet und als Arbeitswicklung betrieben, während das zweite Wicklungspaar in Reihe geschaltet wird und in Reihenschaltung mit einem Kondensator als Startwicklung betrieben wird. In einem anderen Schaltzustand wird das erste Wicklungspaar als Startwicklung betrieben und mit einer Parallelschaltung aus zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet, während das zweite Wicklungspaar parallel geschaltet und als Arbeitswicklung betrieben wird. In beiden Schaltzuständen hat der Motorwirkungsgrad einen unterschiedlichen Verlauf.

Ein anderer Vorschlag, der in US 6 566 841 B2 dargestellt ist, zeigt eine zweigeteilte Arbeitswicklung mit einem Abgriff zwischen den beiden Teilen der Wicklung und eine herkömmliche Startwicklung. Im Normalbetrieb wird der Abgriff der Arbeitswicklungen von einem Schalter unterbrochen. In Situationen mit hoher Belastung wird der Schalter aktiviert, wobei parallel zur Startwicklung eine zusätzliche Startwicklung geschaltet wird. Der Abgriff der Arbeitswicklung wird geschlossen, so daß ein Teil der Arbeitswicklung inaktiviert wird. Der Schalter kommuniziert sowohl mit dem Motor als auch mit einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung auf eine Reihe von Eingangsgrößen reagiert, die den Betrieb und die Zeitgebung des Schalters kontrollieren. Diese Eingangsgrößen können z.B. Motorstrom, Motortemperatur oder Pumpentemperatur sein.

DE 94 21 434 U1 zeigt einen einphasigen Asynchronmotor, der beispielsweise zum Antrieb einer hermetisch gekapselten Kältemaschine dient. Dieser Motor weist eine Hauptwicklung und eine Hilfswicklung auf. Die Hilfswicklung weist einen ersten Teil und einen zweiten Teil auf, wobei beide Teile mit einem Betriebskondensator in Reihe geschaltet sind. Zwischen den beiden Teilen ist ein Abgriff vorgesehen, von dem ein Strompfad abgeht, in dem ein Anlaufkondensator angeordnet ist. Ein Schalter schaltet, wenn er geschlossen ist, den Anlaufkondensator parallel zu der Reihenschaltung aus zweitem Teil der Hilfswicklung und Betriebskondensator. Wenn der Schalter geöffnet wird, dann wird der Anlaufkondensator aus der Schaltung herausgenommen. Bei einer Betätigung des Schalters ändert sich auf jeden Fall die Induktivität des Motors, weil die Induktivität der Hilfswicklung verändert wird.

US 5 300 871 A beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Elektromotors mit einer Hauptwicklung und einer Hilfswicklung. Die Hilfswicklung liegt in Reihe mit einem kleinen Kondensator und einem großen Kondensator. Ein Schalter ist vorgesehen, um Äste mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Der Schalter wird dabei manuell betätigt. Seine Betätigung soll dazu führen, daß sich der Motor mit hoher Geschwindigkeit, mit mittlerer Geschwindigkeit oder niedriger Geschwindigkeit dreht.

EP 0 243 154 B1 zeigt einen Einphasenmotor mit einer Hauptwicklung und einer Startwicklung. Parallel zur Startwicklung ist ein Kondensator angeordnet. Die Startwicklung und der Kondensator sind nun so aufeinander angepaßt, daß sich ein Schwingkreis ergibt. Bei einer Ausgestaltung können auch unterschiedliche Hauptwicklungen verwendet werden, indem ein Umschalter betätigt wird.

WO 00/77920 A1 zeigt eine Motor-Anlaufschaltung, bei der ein Motor eine Hauptwicklung und parallel dazu eine Reihenschaltung aus einer Hilfswicklung und einem Kondensator aufweist. In Reihe hierzu ist noch ein Schalter geschaltet, der bei Erreichen bestimmter Werte von Strom, Spannung, Spannungsänderung oder Stromänderung den Schalter öffnet. Der Schalter ist als Halbleiterschalter ausgebildet.

DE 100 13 668 A1 zeigt eine Ansteuervorrichtung für einen Wechselstromkreis, bei dem ein Schalter vorgesehen ist, der entweder zwei Kondensatoren parallel schaltet oder einen der beiden Kondensatoren überbrückt.

DE 100 29 549 A1 beschreibt ein Verfahren zum Anlassen eines elektrischen Motors und einen elektrischen Motor mit einer Anlaßvorrichtung. Hier sind eine Hauptwicklung und zwei Hilfswicklungen vorgesehen. Die beiden Hilfswicklungen sind jeweils mit entgegengesetzt gepolten Dioden in Reihe geschaltet, so daß nach Schließen eines die Hilfswicklungen in Betrieb nehmenden Schalters die eine Hilfswicklung von einer Halbwelle und die andere Hilfswicklung von einer anderen Halbwelle eines Wechselstroms durchflossen wird. Die jeweils gegenüber der Spannungsquelle gesperrte Hilfswicklung wird von der anderen Hilfswicklung mit dem dort gespeicherten Strom versorgt.

JP 2001-231 277 A beschreibt eine Startschaltung für einen Kondensatormotor. Der Kondensatormotor weist eine Hauptwicklung und eine Hilfswicklung auf. Die Hilfswicklung ist in Reihe mit einem Betriebskondensator geschaltet. Diese Reihenschaltung liegt parallel zur Hauptwicklung. Ein Schalter ist vorgesehen, der entweder einen Widerstand, der zwischen einer Spannungsquelle und dem Verbindungspunkt zwischen Haupt- und Hilfswicklung liegt, überbrückt oder einen Startkondensator ohne den Widerstand in Reihe mit der Hilfswicklung schaltet.

DE 43 22 223 A1 beschreibt eine Regelungseinrichtung für einen Verdichtermotor eines Kühl- und/oder Gefriergerätes, bei dem der Motor entweder direkt mit einem Versorgungsnetz verbunden wird oder über einen Umrichter mit dem Versorgungsnetz verbunden wird. Die Umschaltung erfolgt in Abhängigkeit von dem Kälteleistungsbedarf, weil man vermeiden möchte, daß der Umrichter auf die volle Kapazität des Motors ausgelegt sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor in einem Kältesystem unter Verbesserung des Wirkungsgrades optimal zu betreiben.

Diese Aufgabe wird bei einem Kältesystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umschalteinrichtung ohne Änderung der Induktivität des Motors auf die Kondensatoranordnung einwirkt und deren wirksame Kapazität in Abhängigkeit von einer Spannung in einem Abschnitt des Startstranges oder einer damit korrelierenden Größe, die einer Motorbelastung entsprechen, ändert, wobei parallel zur Reihenschaltung aus Umschalteinrichtung und Kondensatoranordnung eine elektrische Zusatzeinrichtung angeordnet ist.

Bei einem derartigen Kältesystem gibt es einen relativ guten linearen Zusammenhang zwischen der Motorbelastung und der Spannung über der Hilfswicklung oder über der Kondensatoranordnung. Der Wirkungsgrad als Funktion der Spannung in einem der beiden Abschnitte hat daher einen Verlauf, der dem Wirkungsgrad als Funktion der Motorbelastung entspricht. Die Kurve des Wirkungsgrades steigt in beiden Fällen bis zu einem Maximalwert an und fällt dann ab. Wenn man nun aufgrund der unterschiedlichen Kapazitäten unterschiedliche Kurven für den Wirkungsgrad hat, dann kann man sich immer die Kurve heraussuchen, die für die jeweilige Belastung optimal ist. Der Wirkungsgradverlauf wird einfach dadurch geändert, daß die Umschalteinrichtung die Kapazität der Kondensatoranordnung ändert. Eine Änderung der Induktivität des Motors, d.h. ein Eingriff in die Wicklungen, ist hingegen nicht erforderlich. Dadurch, daß man nur in die Kondensatoranordnung eingreift, erreicht man, daß die einzelnen Wirkungsgradkurven eine relativ große Ähnlichkeit zueinander aufweisen und nur seitlich zueinander versetzt sind, ohne daß zwischen den einzelnen Kurven größere "Löcher" entstehen, in denen der Wirkungsgrad zu stark absinkt. Durch den Übergang zwischen zwei (oder mehr) Kapazitäten läßt sich also erreichen, daß man den Motor immer in der Nähe seines maximalen Wirkungsgrades betreiben kann.

Vorzugsweise weist die Kondensatoranordnung mindestens zwei Kondensatoren auf und die Umschalteinrichtung schaltet mindestens einen dieser Kondensatoren in Reihe mit der Startwicklung. Dies ist eine relativ einfache Ausgestaltung, um die Kapazität der Kondensatoranordnung zu verändern. Die Umschalteinrichtung kann im Prinzip als einfacher Umschalter ausgebildet sein.

Hierbei ist bevorzugt, daß mindestens zwei Kondensatoren mit einem gemeinsamen Leiter verbunden sind. Man kann von den Kondensatoren auf einfache Weise wahlweise einen verwenden, indem man einen Wechselschalter betätigt. Dies erleichtert es, die Schaltung zu konzipieren.

Auch ist von Vorteil, wenn die Kondensatoranordnung mehr als zwei Kondensatoren aufweist und die Umschalteinrichtung die Kondensatoren einzeln oder gruppenweise in Reihe mit der Hilfswicklung schaltet. In diesem Fall läßt sich die Kapazität der Kondensatoranordnung auf mehrere unterschiedliche Werte einstellen, insbesondere auf mehr Werte als einzelne Kondensatoren vorhanden sind. Wenn die Kondensatoranordnung beispielsweise drei Kondensatoren aufweist, dann kann man jeden Kondensator einzeln in Reihe mit der Hilfswicklung schalten. Damit ergeben sich bei unterschiedlichen Kapazitätswerten der drei Kondensatoren bereits drei unterschiedliche Kapazitäten für die Kondensatoranordnung. Man kann auch jeweils zwei dieser Kondensatoren parallel betreiben und die Parallelschaltung in Reihe mit der Startwicklung schalten. Dies ergibt drei weitere Kapazitätswerte. Schließlich ist es auch möglich, alle drei Kondensatoren parallel zu schalten und diese Parallelschaltung in Reihe mit der Hilfswicklung zu schalten. Mit diesem zusätzlichen Kapazitätswert ergeben sich dann bereits sieben Kapazitätswerte für die Kondensatoranordnung. Je mehr unterschiedliche Kapazitäten in Reihe mit der Hilfswicklung geschaltet werden können, desto besser kann man die Wirkungsgradkurven so ausnutzen, daß der Motor im optimalen Betriebspunkt oder um den optimalen Betriebspunkt herum betrieben werden kann. In diesem Fall muß man beim Umschalten dafür sorgen, daß zwischen parallel geschalteten Kondensatoren keine Spannungsdifferenz auftritt, die Kurzschlußströme erzeugen könnte.

Dies läßt sich beispielsweise durch eine elektronische Schaltung überwachen und steuern.

Bevorzugterweise ist eine Spannungsmeßeinrichtung an der Kondensatoranordnung oder an der Hilfswicklung vorgesehen, die mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die eine Vergleichseinrichtung aufweist, die ein von der Spannungsmeßeinrichtung geliefertes Signal mit mindestens einem Vorgabewert vergleicht. Bei der Vergleichseinrichtung kann es sich im einfachsten Fall um einen Komparator handeln, der bei Über- oder Unterschreiten eines vorbestimmten Spannungswertes eine Umschaltung der Kondensatoranordnung vornimmt. Wenn die Kondensatoranordnung mehr als zwei Kapazitäten zur Verfügung stellen kann, muß die Vergleichseinrichtung natürlich entsprechend leistungsfähiger ausgestaltet werden. Diese läßt sich aber beispielsweise durch eine Nachschlag-Tabelle realisieren.

Mit besonderem Vorteil ist der Motor als "Line-Start"-Motor ausgebildet. Ein derartiger Line-Start-Motor verhält sich beim Anlaufen wie ein Asynchronmotor mit Käfigläufer. Er weist allerdings im Läufer eine Permanentmagnetanordnung auf, die dazu führt, daß sich der Motor im Dauerbetrieb wie ein Synchronmotor verhält. Insbesondere bei einem derartigen Line-Start-Motor ist die Umschaltung der Kondensatoranordnung zwischen unterschiedlichen Kapazitäten von Vorteil, weil man hier Wirkungsgradgewinne bei unterschiedlichen Verdampfertemperaturen erhalten kann.

Alternativ dazu kann der Motor auch als Asynchronmotor ausgebildet sein.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man die Kapazität der Kondensatoranordnung ohne Änderung der Induktivität des Motors in Abhängigkeit von einer Spannung in einem Abschnitt des Startstranges, die einer Motorbelastung entspricht, ändert, wobei man für die möglichen Kapazitäten der Kondensatoranordnung Wirkungsgradkurven über der Spannung oder einer damit korrelierenden Größe aufnimmt und eine Änderung der Kapazität vornimmt in einem Bereich, in dem sich zwei Wirkungsgradkurven schneiden.

Wie oben ausgeführt, ändert sich mit der Motorbelastung die Spannung über die Hilfswicklung oder die Kondensatoranordnung. Je geringer die Spannung über der Kondensatoranrodnung bzw. je größer die Spannung über der Hilfswicklung ist, desto größer ist die Motorbelastung. Mit der Spannung in einem der beiden Abschnitte des Startstranges hat man ein einfaches Kriterium an der Hand, mit dem man beurteilen kann, wann es zweckmäßig ist, die Kapazität der Kondensatoranordnung zu verändern. Eine Spannung läßt sich leicht feststellen. Ein in Abhängigkeit von der Spannung gewonnenes Signal läßt sich auf einfache Weise mit einem oder mehreren Vorgabewerten vergleichen. Die Wirkungsgradkurven kann man für die möglichen Kapazitäten der Kondensatoranordnung im voraus ermitteln, beispielsweise bei einer Qualitätsprüfung nach der Herstellung oder für eine Baureihe von Motoren insgesamt. Die Schnittpunkte der einzelnen Wirkungsgradkurven lassen sich ebenfalls relativ leicht bestimmen. Durch diese Schnittpunkte sind dann Schwellwerte oder Grenzen festgelegt, an denen zweckmäßigerweise eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Kapazitäten erfolgen sollte. Dabei wird man die Schnittpunkte sicherlich nicht exakt einhalten können. Eine Änderung der Kapazität in einem Bereich um einen Schnittpunkt zwischen zwei Wirkungsgradkurven herum reicht aber in den meisten Fällen aus.

Bevorzugterweise gibt man mindestens einen Spannungsgrenzwert für die Spannung in einem der beiden Abschnitte vor und wählt bei Über- oder Unterschreiten des Spannungsgrenzwerts eine andere Kapazität. Dies ist eine sehr einfache Vorgehensweise. Der oder die Spannungsgrenzwerte werden im voraus festgelegt. Die im überwachten Abschnitt des Startstranges herrschende Spannung liegt dann oberhalb oder unterhalb eines dieser Spannungsgrenzwerte. Die Spannungsgrenzwerte teilen den gesamten Spannungsbereich in mindestens zwei Spannungsintervalle. Jedem Spannungsintervall ist ein Kapazitätswert zugeordnet, der dann automatisch gewählt werden kann.

Alternativ oder zusätzlich kann man vorsehen, daß man eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit ermittelt und mit mindestens einem Vorgabewert vergleicht, wobei man eine Änderung der Kapazität vornimmt, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit den Vorgabewert passiert. Beim Betrieb eines Kältesystems wird die Temperatur am Anfang schnell abnehmen, was mit einer relativ hohen Belastung des Motors verbunden ist. Später nimmt die Temperatur langsamer ab, jedoch bei einer niedrigeren Belastung des Motors. Man kann dann die Umschaltung in einem Bereich vornehmen, wo das Kältesystem von schneller zu langsamer Abkühlung wechselt. Diesen Zustand kann man anhand der Spannungsänderung im überwachten Abschnitt des Startstranges ermitteln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Kältesystems mit einem elektrischen Motor,

2a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Beschaltung des Motors,

2b eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Beschaltung des Motors und

3 zwei Kurven zur Erläuterung des Verfahrens zum Betreiben des Kältesystems.

1 zeigt schematisch ein Kältesystem 1 mit einem geschlossenen Kreislauf 2, der einen Kompressor 3, einen Kondensator 4, ein Expansionsventil 5 und einen Verdampfer 6 aufweist. Der Kompressor 3 ist von einem elektrischen Motor 7 angetrieben. Dieser Motor ist beispielsweise als Line-Start-Motor ausgebildet, d.h. er weist einen permanentmagneterregten Rotor auf, der zusätzlich Kurzschlußstäbe aufweist. Dementsprechend verhält sich der Motor 7 beim Starten wie ein Asynchronmotor und im Betrieb wie ein Synchronmotor. Alternativ dazu läßt sich auch ein Einphasen-Asynchronmotor verwenden.

Am Motor 7 ist eine Spannungsmeßeinrichtung 8 angeordnet, die eine weiter unten näher erläuterte Spannung am Motor 7 bzw. dessen Beschaltung ermittelt. Der Spannungsmeßeinrichtung 8 ist mit einer Steuereinrichtung 9 verbunden, die den Motor 7 steuert.

Der Betrieb eines derartigen Kältesystems läßt sich kurz wie folgt beschreiben: Der Kompressor 3 verdichtet gasförmiges Kältemittel, das aus dem Verdampfer 6 zugeführt wird. Beim Verdichten des Kältemittels steigt der Druck und die Temperatur an. Durch Abkühlung wird das Kältemittel im Kondensator 4 in einen flüssigen Zustand überführt. Das flüssige Kältemittel wird durch das Expansionsventil 5 dem Verdampfer 6 zugeführt. Dort verdampft es. Die dabei notwendige Verdampfungswärme wird der Umgebung entzogen, die dadurch gekühlt wird. Das gasförmige Kältemittel aus dem Verdampfer wird wie der dem Kompressor 3 zugeführt. Diese Betriebsweise ist an sich bekannt.

2a zeigt schematisch eine Ausführungsform der Beschaltung des Motors 7. Der Motor 7 weist eine Hauptwicklung 10 auf, die in Reihe zwischen zwei Anschlüssen L1, L2 angeordnet ist. Die Hauptwicklung 10 bildet also einen Arbeitsstrang oder Arbeitszweig. Eine Spannungssteuerung zu den beiden Anschlüssen L1, L2, beispielsweise ein Schalter zum Ein- und Ausschalten des Motors 7, ist hier nicht näher dargestellt.

Der Motor weist weiterhin eine Hilfswicklung 11 auf, die in Reihe mit einer Kondensatoranordnung 12 geschaltet ist. Die Kondensatoranordnung 12 weist zwei Kondensatoren C1, C2 mit unterschiedlichen Kapazitäten auf, wobei beide Kondensatoren C1, C2 an einer Seite mit dem Anschluß L1 verbunden sind. Die Reihenschaltung aus Kondensatoranordnung 12 und Hilfswicklung 11 bildet also einen Startstrang oder Startzweig, wobei die Hilfswicklung 11 einen ersten Abschnitt und die Kondensatoranordnung 12 einen zweiten Abschnitt des Startstrangs bilden. Der Begriff "Abschnitt" ist hier funktional zu verstehen, d.h. die Reihenfolge der Abschnitte ist nicht von Bedeutung und die Abschnitte müssen auch nicht räumlich voneinander getrennt sein.

Der Kondensator C1 weist an der anderen Seite einen Anschluß P1 auf. Der Kondensator C2 weist an der anderen Seite einen Anschluß P2 auf. Ein Schalter K1 ist vorgesehen, um entweder den Anschluß P1 und damit den Kondensator C1 oder den Anschluß P2 und damit den Kondensator C2 in Reihe mit der Hilfswicklung 11 zu schalten.

Der Schalter K1 bildet also eine Umschalteinrichtung, mit der die wirksame Kapazität der Kondensatoranordnung 12, also die Kapazität, die die Hilfswicklung 11" sieht", verändert werden kann. Die Veränderung erfolgt dabei durch die Steuereinrichtung 9, die mit der Spannungsmeßeinrichtung 8 verbunden ist. Im einfachsten Fall weist die Steuereinrichtung 9 einen nur schematisch dargestellten Komparator 13 auf, dem ein Vorgabewert 14 zugeführt wird. Wenn die Spannung, die die Spannungsmeßeinrichtung 8 an der Kondensatoranordnung 12 ermittelt, den Vorgabewert übersteigt, dann schaltet der Schalter K1 den Kondensator C1 in Reihe mit der Hilfswicklung 11. Wenn die Spannung an der Kondensatoranordnung 12 den Vorgabewert unterschreitet, dann schaltet der Schalter K1 den Kondensator C2 in Reihe mit der Hilfswicklung 11.

Eine Zusatzeinrichtung 15 ist parallel zu der Reihenschaltung aus Kondensatoranordnung 12 und Schalter K1 geschaltet und damit in Reihe mit der Hilfswicklung 11. Diese Zusatzeinrichtung 15 kann beispielsweise für den Start des Motors 7 verwendet werden.

2b zeigt eine zweite Ausführungsform der Beschaltung des Motors 7 in einer schematischen Darstellung. Die Spannungsmeßeinrichtung 8 ermittelt nicht mehr die Spannung über der Kondensatoranordnung 12, sondern die Spannung über der Hilfswicklung 11.

Die Abhängigkeit der Spannung über der Kondensatoranordnung 12 bzw. über der Hilfswicklung 11 von der Motorbelastung ist bei der Auslegung der Steuereinrichtung 9 zu beachten, d.h. bei der Ausgestaltung nach der

2b wird man eine Umschaltung möglicherweise vornehmen, wenn die Spannung über der Hilfswicklung 11 einen anderen Vorgabewert 14 über- oder unterschreitet.

3 zeigt nun für die beiden unterschiedlichen Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 den Verlauf des Wirkungsgrads Eta (in %) als Funktion der Spannung an der Kondensatoranordnung 12. Eine Kurve 16 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrads für den Fall, daß der Kondensator C1 in Reihe mit der Hilfswicklung 11 geschaltet ist. Eine Kurve 17 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrads für den Fall, daß die Kondensatoranordnung 12 die wirksame Kapazität des Kondensators C2 zur Verfügung stellt, also in Reihe mit der Hilfswicklung 11 schaltet.

Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß man links von einer Schnittstelle 18, also unterhalb einer Spannung U3 unter Verwendung der Kapazität des Kondensators C1 einen besseren Wirkungsgrad erhält. Bei der Spannung U2 erhält man unter Verwendung der Kurve 16 beispielsweise 2 % mehr Wirkungsgrad als bei der Verwendung von C2.

Umgekehrt verwendet man bei einer Spannung über der Kondensatoranordnung 12 oberhalb der Schnittstelle 18 besser die Kurve 17, also den Kondensator C2.

Die Kurven 16 und 17 kann man relativ leicht ermitteln. Der Zusammenhang zwischen der Spannung in einem Abschnitt des Startstranges, also der Spannung über der Kondensatoranordnung 12 oder über der Hilfswicklung 11 und Leistung des Motors 7 ist praktisch linear. Der Wirkungsgrad kann in Abhängigkeit von der Leistung bestimmt werden. Über den oben erwähnten linearen Zusammenhang läßt sich dann die Funktion zwischen Spannung und Wirkungsgrad bestimmen. Man kann die Wirkungsgradkurven beispielsweise für jeweils einen Motor einer Baureihe ermitteln und davon ausgehen, daß die Wirkungsgradkurven für alle anderen Motoren dieser Baureihe im wesentlichen gleich sind. Man kann aber auch für jeden Motor einzeln die Wirkungsgradkurven ermitteln.

Aus den Wirkungsgradkurven, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt sind, läßt sich auf einfache Weise der Schnittpunkt 18 ermitteln und damit eine Spannung U3, bei der eine Umschaltung vorgenommen werden soll. Schraffiert eingezeichnet ist ein Bereich, in dem die Umschaltspannung liegen kann, ohne den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung nennenswert zu beeinträchtigen.

Es ist zu erkennen, daß die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 so gewählt sind, daß die Kurven 16, 17 mit dem jeweils größeren Wirkungsgrad relativ flach verlaufen, d.h. wenn man sich links des Schnittpunkts 18 auf der Kurve 16 und rechts des Schnittpunkts 18 auf der Kurve 17 bewegt, dann befindet man sich immer in der Nähe des optimalen Wirkungsgrads.

In nicht näher dargestellter Weise kann die Kondensatoranordnung 12 natürlich mehr als die beiden dargestellten Kondensatoren C1, C2 aufweisen. Dementsprechend müßte der Schalter K1 auch mehr als die beiden dargestellten Schaltstellungen P1, P2 aufweisen. Es ist auch möglich, daß der Schalter K1 komplexer ausgebildet ist und nicht nur einzelne Kondensatoren, sondern auch mehrere Kondensatoren gleichzeitig in Reihe mit der Hilfswicklung 11 schalten kann. In diesem Fall würde man nicht nur die beiden dargestellten Kurven 16, 17 in 3 erhalten, sondern eine der Anzahl von wirksamen Kapazitäten der Kondensatoranordnung 12 entsprechende Anzahl von Kurven mit einer entsprechend großen Anzahl von Schnittpunkten. In diesem Fall würde man durch Spannungsgrenzwerte voneinander getrennte Spannungsintervalle für die Spannungen an der Kondensatoranordnung 12 oder der Hilfswicklung 11 wählen und jedem Spannungsintervall einen Kapazitätswert der Kondensatoranordnung 12 zuordnen. Wenn eine Grenze zwischen zwei Intervallen überschritten wird, dann wird die Kapazität der Kondensatoranordnung 12 entsprechend geändert. Bei Verwendung von mehr als zwei Kondensatoren muß man gegebenenfalls dafür Sorge tragen, daß keine Kurzschlußströme fließen können, wenn Kondensatoren mit unterschiedlichen Spannungen zusammengeschaltet werden. Dies läßt sich durch eine entsprechende elektronische Beschaltung einer Umschalteinrichtung, die die Aufgabe des Schalters K1 übernimmt, realisieren.

Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Vorgehensweise könnte man auch die Tatsache als Ausgangspunkt wählen, daß sich im Betrieb, z.B. während des Absenkens der Temperatur die Spannungsänderungsgeschwindigkeit verändert. Zu Beginn der Abkühlung wird die Temperatur für kurze Zeit schnell abnehmen, was mit einer hohen Belastung des Motors 7 verbunden ist. Später nimmt die Temperatur langsamer ab, jedoch bei einer niedrigeren Belastung des Motors 7. Man kann dann die kritische Spannung U3 in dem Bereich wählen, wo das System von schneller zu langsamer Temperaturabsenkung, also von schneller zu langsamer Belastungsänderung und damit von schneller zu langsamer Spannungsänderung wechselt.


Anspruch[de]
  1. Kältesystem mit einem Verdampfer und einem Kompressor, der von einem elektrischen Motor angetrieben ist, wobei der Motor einen Arbeitsstrang mit einer Hauptwicklung, einen Startstrang mit einer Hilfswicklung in einem ersten Abschnitt und eine in Reihe mit der Hilfswicklung geschaltete Kondensatoranordnung in einem zweiten Abschnitt des Startstrangs aufweist, und eine Umschalteinrichtung zur Veränderung des Betriebsverhaltens des Motors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (9, K1) ohne Änderung der Induktivität des Motors auf die Kondensatoranordnung (12) einwirkt und deren wirksame Kapazität in Abhängigkeit von einer Spannung in einem Abschnitt des Startstranges oder einer damit korrelierenden Größe, die einer Motorbelastung entsprechen, ändert, wobei parallel zur Reihenschaltung aus Umschalteinrichtung (K1, 9) und Kondensatoranordnung (12) eine elektrische Zusatzeinrichtung (15) angeordnet ist.
  2. Kältesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung (12) mindestens zwei Kondensatoren (C1, C2) aufweist und die Umschalteinrichtung (K1, 9) mindestens einen dieser Kondensatoren (C1, C2) in Reihe mit der Hilfswicklung (11) schaltet.
  3. Kältesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Kondensatoren (C1, C2) mit einem gemeinsamen Leiter (L1) verbunden sind.
  4. Kältesystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnung (12) mehr als zwei Kondensatoren aufweist und die Umschalteinrichtung (K1, 9) die Kondensatoren einzeln oder gruppenweise in Reihe mit der Startwicklung (11) schaltet.
  5. Kältesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsmeßeinrichtung an der Kondensatoranordnung (12) oder an der Hilfswicklung (11) vorgesehen ist, die mit einer Steuereinrichtung (9) verbunden ist, die eine Vergleichseinrichtung (13) aufweist, die ein von der Spannungsmeßeinrichtung (8) geliefertes Signal mit mindestens einem Vorgabewert (14) vergleicht.
  6. Kältesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (7) als "Line-Start"-Motor ausgebildet ist.
  7. Kältesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (7) als Einphasen-Asynchronmotor ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Kältesystems, das einen Verdampfer und einen Kompressor aufweist, der von einem elektrischen Motor angetrieben ist, der einen Arbeitsstrang mit einer Hauptwicklung und einen Startstrang mit einer in Reihe mit einer Hilfswicklung angeordnete Kondensatoranordnung aufweist, wobei die Hilfswicklung einen ersten Abschnitt und die Kondensatoranordnung einen zweiten Abschnitt des Startstranges bilden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kapazität der Kondensatoranordnung ohne Änderung der Induktivität des Motors in Abhängigkeit von einer Spannung in einem Abschnitt des Startstranges, die einer Motorbelastung entspricht, ändert, wobei man für die möglichen Kapazitäten der Kondensatoranordnung Wirkungsgradkurven über der Spannung oder einer damit korrelierenden Größe aufnimmt und eine Änderung der Kapazität vornimmt in einem Bereich, in dem sich zwei Wirkungsgradkurven schneiden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Spannungsgrenzwert für die Spannung in einem der beiden Abschnitte vorgibt und bei Über- oder Unterschreiten des Spannungsgrenzwerts eine andere Kapazität wählt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Spannungsänderungsgeschwindigkeit ermittelt und mit mindestens einem Vorgabewert vergleicht, wobei man eine Änderung der Kapazität vornimmt, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit den Vorgabewert passiert.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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