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Dokumentenidentifikation DE60027775T2 10.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001244874
Titel VERFAHREN ZUR REGELUNG UND ÜBERWACHUNG DER KOLBENPOSITION IN EINEM VERDICHTER
Anmelder Whirlpool S.A., Sao Paulo, BR
Erfinder SCHWARZ, Guilherme, Marcos, Joinville, SC, BR;
DAINEZ, Sergio, Paulo, Joinville, SC, BR
Vertreter GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.b.R.), 80687 München
DE-Aktenzeichen 60027775
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.12.2000
EP-Aktenzeichen 009846577
WO-Anmeldetag 22.12.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/BR00/00145
WO-Veröffentlichungsnummer 2001048379
WO-Veröffentlichungsdatum 05.07.2001
EP-Offenlegungsdatum 02.10.2002
EP date of grant 03.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse F04B 35/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Kompressors, und insbesondere auf ein Verfahren, welches verhindert, daß der Kolben gegen das Ventilsystem anschlägt, das darin vorgesehen ist, und auch auf ein System zum Überwachen der Position eines Kompressorkolbens, und auf den Kompressor, der mit einem System zum Überwachen der Kolbenposition ausgestattet ist.

Kompressoren von der linearen Bauart sind aus dem Stand der Technik bekannt und bestehen aus einem Mechanismus, in dem der Kolben eine hin- und hergehende Bewegung ausführt, wobei in den meisten Fällen ein elastisches Mittel vorhanden ist, das den Zylinder und den Kolben miteinander verbindet, wodurch dieser Bewegung eine resonante Charakteristik mitgeteilt wird, und wobei die Energie mittels eines linearen Verlagerungsantriebs zugeführt wird.

Beschreibung des Stands der Technik

In einer bekannten Lösung gemäß der US-A-5,704,771 von Sawafuji Electric ist der Hub des Kolbens in erster Linie proportional zur Höhe der Spannung, die an den Linearmotor angelegt wird, bei dem es sich um den Typ mit feststehendem Magneten und bewegbarer Spule handelt. In dieser Lösung ist der Mechanismus auf eine solche Weise aufgebaut, daß das Verhältnis zwischen der Größe des Hubs und dem Durchmesser des Kolbens groß ist, so daß die Veränderung der Endposition, die von dem Kolben während seiner oszillierenden Bewegung erreicht wird, aufgrund der Veränderungen in der Versorgungsspannung und in der Belastung, nicht wesentlich mit den Merkmalen der Effizienz und der Fähigkeit des Kompressors zu kühlen in störendes Zusammenwirken tritt.

Bei dieser Lösung ist der Mechanismus mit einem Abgabeventil versehen, welches auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß dann, wenn der Kolben den maximalen Hub, der in seiner oszillierenden Bewegung vorgesehen ist, überschreitet, bspw. wenn die Spannung, die an den Motor angelegt wird, übermäßig groß ist, der Kolben mit dem Abgabeventil in Kontakt kommt, wobei dieses eine gewisse Vorwärtsbewegung des Kolbens zuläßt und auf diese Weise einen Stoß gegen die Ventilkopfplatte verhindert.

Bei einer anderen bekannten Lösung ist der Hub des Kolbens ebenfalls in erster Linie proportional zu der Spannung, die an den Linearmotor angelegt wird, wobei dieser von der Bauart mit bewegbarem Magneten und feststehender Spule ist, wobei auf US-B-4,602,174 von Sunpower, Inc. verwiesen sei.

Bei dieser Lösung weist die Konstruktion des Mechanismus keinen mechanischen Begrenzer für den Kolbenhub auf und ist nicht dafür bemessen, um den übermäßigen Stoß des Kolbens gegen die Ventilplatte auszuhalten. Aufgrund der Suche nach einer Konstruktion, die im Hinblick auf den Wirkungsgrad stärker optimiert ist, ist das Verhältnis zwischen dem Hub und dem Durchmesser des Kolbens nicht groß, welches die Leistungsfähigkeit des Kompressors stärker von Veränderungen im Kolbenhub abhängig macht. Als Beispiel findet der Vorgang der Abgabe des Gases in einem sehr kleinen Teil des Hubs statt, der etwa 5% des gesamten Hubs beträgt.

Ein weiterer Effekt, der bei diesem Typ von Kompressor auftritt, ist die Verlagerung des mittleren Punkts der oszillierenden Bewegung, welches die Wirkung hat, daß der Kolben weg von dem Abgabeventil verlagert wird. Dies liegt an der elastischen Verformung des resonanten mechanischen Systems, das durch den Kolben und eine Feder gebildet wird, wenn ein Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens vorhanden ist. Diese Verlagerung des mittleren Punkts der oszillierenden Bewegung ist proportional zu dem Druckunterschied zwischen Abgabe und Ansaugen.

Aus den vorstehend genannten Gründen besteht bei dieser Lösung die Notwendigkeit, eine Steuerung zu verwenden, um den Kolbenhub zu steuern. Die Steuerung steuert die Spannung, die an den Linearmotor angelegt wird, auf der Grundlage von zurückgeführter Information, die die Position des Kolbens betrifft, im wesentlichen geschätzt aufgrund der Information des Stroms, der dem Motor zugeführt wird, und der Spannung, die in den Anschlüssen des Motors induziert wird ((US-C-5,342,176, US 5,496,153, US 5,450,521 und US 5,592,073).

Ein weiteres Verfahren, das dazu verwendet wird, um ein Feedback an diese Spannungssteuerung zu liefern, besteht darin, zu beobachten, ob der Stoß des Kolbens gegen die Ventilplatte, der mit Hilfe eines einen Stoß erfassenden Mikrofons oder eines Beschleunigungsmessers (Lösung D) erfaßt wird, der einen Befehl zum Reduzieren der Spannung erzeugt, die an den Motor angelegt wird, und als Folge davon, des Kolbenhubs.

Nachteile des Stands der Technik

Bei Lösung (A) wird der Kolbenhub nicht gesteuert, und die Konstruktion kann Veränderungen in der Spannung und der Belastung zulassen, ohne daß irgendwelche Beschädigungen an dem Mechanismus auftreten, wobei dies allerdings eine Begrenzung des Wirkungsgrads des Produkts mit sich bringt. Außerdem haben bei dieser Lösung die möglichen Stöße des Kolbens gegen das Abgabeventil, selbst wenn sie die Zuverlässigkeit des Produkts nicht beeinträchtigen, einen Anstieg des Geräuschpegels zur Folge.

Bei Lösung C wird der Kolbenhub dadurch gesteuert, daß als Bezug die geschätzte Position des Kolbens genommen wird, die aufgrund der Spannung und des Stroms an den Anschlüssen des Motors berechnet wird, wobei allerdings Fehler aufgrund der konstruktiven Veränderungen des Motors und Veränderungen in der Temperatur und der Belastung auftreten, so daß auf diese Weise eine genauere Steuerung nicht möglich ist, wodurch der Wirkungsgrad und der Betrieb bei extremen Bedingungen des Kühlvermögens begrenzt wird.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß die Berechnung der Verlagerung des mittleren Punkts der oszillierenden Bewegung ungenau wird, die von der Grundlage her durch den durchschnittlichen Unterschied zwischen dem Saugdruck und dem Abgabedruck und durch die Federkonstante der Feder des resonanten Systems hervorgerufen wird.

Bei Lösung D wird der maximale Kolbenhub dadurch gesteuert, daß die Spannung, die an den Motor angelegt wird, auf einer Höhe gehalten wird, die knapp unterhalb davon liegt, was zu einer Kollision fuhrt, und was dadurch erreicht wird, daß Kollisionen erfaßt werden und auf der Basis der erhaltenen Informationen die angelegte Spannung geringfügig reduziert wird.

Die Nachteile dieser Lösung sind die Kollisionen als solche, die notwendig sind, um eine Information über die Nähe des Kolbens an der Ventilplatte zu liefern, da sie Geräusche und gewisse mechanische Beschädigungen verursachen, die die nutzbare Lebensdauer des Produkts verkürzen.

Ein weiterer Nachteil ist die relativ langsame Reaktion von dieser Art Steuerung, die im allgemeinen nicht in der Lage ist, Kollisionen zu verhindern, und auch Verminderungen in der Leistungsfähigkeit der Kühlung während solcher Zeiten, in denen kräftige Schwankungen in der Versorgungsspannung vorhanden sind, wie sie im öffentlichen Stromnetz üblich sind.

Diese Beschränkungen im Hinblick auf eine genauere Steuerung des Kolbenhubs stellen eine erhebliche Beschränkung der Leistungsfähigkeit für diese Bauart von Kompressoren dar. Die ideale Lösung würde es dem Kolben ermöglichen, so nah wie möglich an die Ventilplatte heranzukommen, ohne daß eine Kollision auftritt. Die Lösungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ermöglichen eine solche Annäherung nicht, da es keine Genauigkeit in der Einschätzung der Position des Kolbens gibt, und da es notwendig ist, einen größeren Sicherheitsabstand einzuhalten, der den Kompressor dazu veranlaßt, kein Gas zu pumpen, wenn der Abgabedruck hoch ist, und den maximal möglichen Wirkungsgrad aufgrund des Totvolumens reduziert.

Aufgaben und kurze Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind:

  • – den Hub des Kolbens eines linearen Kompressors zu steuern, wobei der Kolben die Möglichkeit hat, so weit wie möglich zum Ende seines mechanischen Hubs vorzurücken, auch bei extremen Lastbedingungen, ohne daß der Kolben die Möglichkeit hat, mit dem Ventilsystem zu kollidieren;
  • – den Hub des Kolbens eines linearen Kompressors zu steuern, wobei der Kolben die Möglichkeit hat, so weit wie möglich zum Ende seines mechanischen Hubs vorzurücken, auch bei extremen Lastbedingungen, ohne daß der Kolben die Möglichkeit hat, gegen das Ventilsystem anzustoßen, auch bei Vorhandensein von extremen Störungen aus dem Stromversorgungsnetz;
  • – eine Steuerung für den Hub des Kolbens eines linearen Kompressors bereitzustellen, ohne daß die Notwendigkeit nach Informationen bezüglich der Verlagerung des mittleren Punkts der Oszillation des Kolbens besteht;
  • – eine Steuerung über die Amplitude des Oszillationshubs eines linearen Kompressors bereitzustellen, mit der eine Steuerung über die Kühlkapazität möglich ist, die durch den Kompressor entwickelt wird.

Diese Aufgaben werden mittels eines Verfahren zum Steuern eines Kompressors gelöst, insbesondere eines linearen Kompressors, der einen Kolben und einen Linearmotor aufweist, wobei der Kolben sich entlang eines Hubs bewegt und durch den Motor angetrieben ist, wobei eine durchschnittliche Spannung an den Motor angelegt wird und die Bewegung des Kolbens steuert, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt: Messen einer Bewegungszeit des Kolbens; Vergleichen der gemessenen Bewegungszeit mit einer vorausgesehenen Bewegungszeit; und Verändern der Spannung, wenn die gemessene Bewegungszeit unterschiedlich gegenüber der vorausgesehenen Bewegungszeit ist, wobei die vorausgesehene Bewegungszeit so ist, daß die Bewegung des Kolbens einen maximalen Punkt erreichen wird, wobei der maximale Punkt sehr nahe an dem Ende des Hubs des Kolbens liegt.

Ein System zum Überwachen der Position des Kolbens eines Kompressors ist ebenfalls vorgesehen, insbesondere im Hinblick darauf, um zu verhindern, daß die Kolben gegen die Ventilplatte anstößt, die am Ende des Kolbenhubs angeordnet ist. Diese Aufgabe wird durch ein System zum Überwachen der Position eines Kolbens gelöst, insbesondere eines Kolbens eines linearen Kompressors, wobei sich der Kolben entlang eines Hubs bewegt und durch einen Motor angetrieben ist, wobei der Motor durch eine Spannung angetrieben ist, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine elektronische Schaltung umfaßt, die in der Lage ist, die Bewegung des Kolbens ausgehend von dem Durchgang an einem Bezugpunkt zu überwachen, wobei der Bezugspunkt an einer Position weiter entfernt von dem Ende des Hubs des Kolbens als ein maximaler Punkt angeordnet ist, wobei der maximale Punkt sehr nahe an dem Ende des Hubs des Kolbens angeordnet ist, wobei die elektronische Schaltung in der Lage ist, eine Permanenzzeit zu messen, die der Kolben jenseits des Bezugspunkts bleibt, und die Permanenzzeit mit einer gewünschten vorhergesehenen Zeit zu vergleichen, wobei die gewünschte vorhergesehene Zeit kürzer als oder gleich einer maximalen Hubzeit eines maximalen Hubs ist, wenn der Kolben den maximalen Punkt erreicht, wobei die elektronische Schaltung weiterhin in der Lage ist, die Spannung zu verringern, wenn die Permanenzzeit länger ist als die gewünschte vorhergesehene Zeit, und die Spannung zu vergrößern, wenn die Permanenzzeit kürzer ist als die gewünschte vorhergesehene Zeit.

Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kompressor zu schaffen, der mit einem Überwachungssystem versehen ist, das verhindert, daß sich der Kolben bis zum Ende eines mechanischen Hubs vorwärts bewegt, auch unter extremen Lastbedingungen, ohne daß der Kolben die Möglichkeit hat, gegen das Ventilsystem anzustoßen. Diese Aufgabe wird mittels eines Kompressors gelöst, insbesondere eines linearen Kompressors, der umfaßt: einen Kolben, eine Ventilplatte, und einen Linearmotor, wobei der Kolben sich entlang eines Hubs bewegt und durch den Motor angetrieben ist, wobei der Kompressor dadurch gekennzeichnet ist, daß er aufweist; eine elektronische Schaltung, die in der Lage ist, eine Permanenzzeit zu messen, die der Kolben jenseits eines Bezugspunkts bleibt, und die Permanenzzeit mit einer gewünschten vorhergesehenen Zeit zu vergleichen, wobei die gewünschte vorhergesehene Zeit kürzer als oder gleich einer maximalen Hubzeit eines maximalen Hubs ist, wenn der Kolben einen maximalen Punkt erreicht, wobei der maximale Punkt sehr nahe an der Ventilplatte und näher an der Ventilplatte als der Bezugspunkt liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt:

1 – eine schematische Ansicht eines linearen Kompressors, bei dem das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet wird;

2 – das Verhalten des Kolbens des Kompressors, der in 1 dargestellt ist, und das Verhalten der elektrischen Spannung, die an den Motor angelegt wird, der ihn steuert;

3 – ein Blockdiagramm des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;

4 – eine zeichnerische Darstellung, die die Korrelation zwischen der Verlagerung des Kolbens und der Spannung, die an den linearen Motor angelegt wird, erläutert;

5 – ein schematisches Diagramm des Inverters, der den Motor steuert; und

6 – ein Blockdiagramm, das zeigt, wie der Sensor mit Hilfe eines Mikrocomputers auf den Inverter einwirkt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

1 zeigt einen Kompressor 1 vom linearen Typ, der mit einem Kolben 5 versehen ist, welcher in einem Block 6 aufgenommen ist, in dem sein Hub und seine Bewegung festgelegt sind, und der durch einen Linearmotor 2 angetrieben ist. Der Kolben 5 führt eine oszillierende Bewegung der resonanten Art durch Wirkung einer Feder 4 aus, wobei die Steuerung seiner Bewegung mit Hilfe einer elektronischen Schaltung 40 vorgenommen wird, die einen Inverter 50 und einen Mikrocontroller 41 aufweist, wobei der Inverter 50 in der Lage ist, die Amplitude des Kolbenhubs zu verändern. Nahe am Ende des Kolbenhubs befindet sich eine Ventilplatte 8, 9, gegen die der Kolben 5 im Falle einer äußeren Störung anstoßen kann, die eine Veränderung in der Bewegung des genannten Kolbens 5 zur Folge hat.

Die Steuerung und Veränderung der Amplitude werde mit Hilfe einer Rückführung 31 ausgeführt, die an einem Bezugspunkt "R" gemessen wird, der physikalisch innerhalb des Blocks 6 entlang des Hubs des Kolbens 5 definiert ist, wie in 3 dargestellt ist. Insbesondere werden bei vorliegenden Erfindung gemäß deren Aufgabe Informationen in Bezug auf die Permanentszeit "to" (oder Zeit der Bewegung) des Kolbens 5 über den Bezugspunkt R hinaus nahe am Ende des maximal möglichen Hubs "M" (oder des maximalen Punkts M) für den Kolben 5, eine Zeitdauer eines kompletten Zyklus "tc" (oder Zykluszeit), und Informationen in Bezug auf die Zeit "tom" (oder maximale Hubzeit tom) entsprechend dem maximalen Punkt M für den Kolben 5 verwendet, wie mit Hilfe der Kurve Pm in 2 erläutert ist, wobei die durchschnittliche Spannung Vm, die an den Motor angelegt wird, erhöht wird, in dem Fall, daß die Permanentzeit „to" kürzer ist als eine gewünschte vorausgesehene Zeit "tod" und umgekehrt, wobei die gewünschte Verlagerung P aufrechterhalten wird, um eine bestimmte Kühlkapazität des Systems bereitzustellen, in dem der Kompressor 1 verwendet wird.

Die Permanenzzeit "to" des Kolbens 5 ist der Durchschnitt der letzten Messungen der Permanenzzeiten to(n), to(n – 1), ..., und die gewünschte vorausgesehene Zeit tod (oder die vorausgesehene Bewegungszeit) entspricht der verbleibenden Zeit des Kolbens 5 jenseits des Bezugspunkts R für den gewünschten Hub P, der kürzer ist als der maximale Punkt M. Dieser gewünschte Hub P wird durch die Anforderung nach Kühlung durch das System festgelegt.

Zusätzlich zu der Steuerung über die durchschnittliche Spannung Vm wird man durch die zeitliche Differenz zwischen der Zeit der Zykluszeit tc (oder der Bewegungszeit) des Durchgangs des Kolbens an dem Bezugspunkt R und dem Moment tc(geplant), oder vorausgesehene geplante Zeit, die für diesen Durchgang an dem Bezugspunkt R erwartet wird und als die durchschnittliche Zeitdauer der vorangegangenen Zyklen tc(n), tc(n – 1), ..., festgelegt ist, in die Lage versetzt, eine Korrektur dV an der Spannung V1, die an den Motor angelegt wird, vorzunehmen, die sich von der gewünschten Spannung V2 unterscheidet, während des aktuellen Zyklus, insbesondere während der Periode, in der der Kolben 5 an dem Bezugspunkt R vorbeigeht und dem erwarteten Moment des Durchgangs durch den Punkt der maximalen Amplitude P, so daß auf diese Weise versucht wird, den Weg in diesem Zyklus zu korrigieren, wobei der Hub P2 sehr nahe an dem gewünschten Wert P3 gehalten wird und der Kolben 5 daran gehindert wird, gegen die Ventilplatte 8, 9 anzustoßen, was auftreten würde, wenn sich der Weg des Kolbens 5 fortsetzen würde, wie in der Kurve P1 und P4 dargestellt ist, ausgehend von dem Beginn der Störung D in 2.

Der maximale Punkt M befindet sich sehr nahe an der Ventilplatte 8, 9 und liegt in typischer Weise in einem Abstand von einigen Dutzend Mikrometern.

Der Bezugspunkt R ist nahe an der Ventilplatte 8, 9 angeordnet, und befindet sich typischerweise in einem Abstand von 1 bis 2 Millimetern.

Im Wege eines Beispiels hat man, wenn ein Kompressor 1 mit einer Resonanzfrequenz von 50 Hz und einem Hub des Kolbens 5 in der Größenordnung von 16 mm betrachtet wird, und wenn der Bezugspunkt R in etwa 2 Millimeter Abstand von der Ventilplatte 8, 9 angeordnet wird, eine Permanenzzeit to, die von Null bis zu einer maximalen Hubzeit tom von etwa 3,9 Millisekunden variiert, in Abhängigkeit von der benötigten Kühlkapazität. Die vorausgesehene geplante Zeit tc(geplant) würde bei 20 Millisekunden (1/50 Hz) liegen, und die Zeit der Zykluszeit tc(n) würde in typischer Weise um 5% in Bezug auf die vorausgesehene geplante Zeit tc(geplant) variieren. Dieser Bereich von 5% ist eine Folge von Störungen in dem Versorgungsnetz 35.

Die Messung dieser Zeiten wird in typischer Weise durch einen Zeitgeber ausgeführt, bei dem es sich physikalisch um einen Timer oder Zeitgeber handeln kann, der in einem Mikrokontroller 41 vorhanden ist. Bei der Messung der Permanenzzeit to bspw., wenn das logische Level von dem Sensor 10, der an dem Bezugspunkt R eingebaut ist, von 0 auf 1 geht, was anzeigt, daß sich der Kolben 5 in dem Bereich jenseits des Bezugspunkts R befindet, beginnt man mit der Messung der Permanenzzeit to, die endet, wenn der Sensor 10 die Information abgibt, daß der Kolben 5 in eine Position auf dieser Seite des Bezugspunkts R zurückgekehrt ist, was durch den Übergang des logischen Levels von 1 auf 0 gekennzeichnet ist. Auf die gleiche Weise mißt ein zweiter Zeitgeber die Zeit, die zwischen dem Moment, in dem sich der Kolben 5 über den Bezugspunkt R im aktuellen Zyklus hinaus bewegt hat, und dem Moment, in dem der Kolben 5 in dem folgenden Zyklus erneut an diesem Punkt vorbeiläuft, was zu der Zykluszeit tc(n) führt.

Die gewünschte vorausgesehene Zeit tod sollte entsprechend der benötigten Kühlkapazität festgelegt werden, und es besteht ein maximal zulässiger Wert für die gewünschte vorausgesehene Zeit tod, der der maximalen Hubzeit tom entspricht, wenn sich der Kolben 5 an seinem maximalen Hub befindet. Je länger die gewünschte vorausgesehene Zeit tod ist, um so größer ist die Kühlkapazität, und eine entsprechende Tabelle zwischen der Kühlkapazität und dem Wert der gewünschten vorausgesehenen Zeit tod sollte für jedes Modell eines Kompressors festgelegt werden. Die gewünschte vorausgesehene Zeit tod kann auch als ein Teil k der maximalen Hubzeit tom ausgedrückt werden, als Beispiel tod = k·tom. Die gewünschte vorausgesehene Zeit tod verändert sich entsprechend der Notwendigkeit und bewegt sich zwischen Null und einem Wert, der gleich der maximalen Hubzeit tom ist, und auf diese Weise verändert sich der Teil k zwischen 0 und 1.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und auch das System zum Überwachen des Kolbens 5 versetzt einen in die Lage, bei jedem Zyklus die Amplitude der Oszillation des Kolbens 5 mit einer wesentlich höheren Genauigkeit zu schätzen, was eine Reaktion der elektronischen Steuerung ermöglicht, um Veränderungen in der Kühlkapazität zu kompensieren, bei denen es sich um langsame Veränderungen handelt, wobei die durchschnittliche Amplitude des Oszillationshubs des Kolbens 5 auf dem gewünschten Wert gehalten wird, der gleich P ist, und wobei auch schnelle Reaktionen der elektronischen Steuerung zum Ausgleichen von schnellen Veränderungen in den Betriebsbedingungen möglich sind, die durch Schwankungen in der Versorgungsspannung 35 hervorgerufen werden, wobei diese Korrekturen bei jedem Schwingungszyklus vorgenommen werden sollten, so daß die Amplitude des Hubs des Kolbens 5 an dem abschließenden Abschnitt seines Wegs korrigiert wird, nachdem er an dem physikalischen Bezugspunkt R vorbeigegangen ist.

In den Fällen eines plötzlichen Anstiegs der Spannung wird die Korrektur des Hubs dadurch ausgeführt, daß der Wert der Spannung V vergrößert oder verkleinert wird, und als Folge davon die Spannung Vm, die an den Motor angelegt wird, bei einem Wert dV, der proportional zu dem Unterschied der Zykluszeit tc(n) und der vorausgesehenen geplanten Zeit (tc)geplant ist.

Wenn sich die Anforderungen an den Kompressor 1 verändern oder wenn langsame Veränderungen in dem elektrischen Versorgungsnetz auftreten, wird die durchschnittliche Spannung Vm, die an den Motor angelegt ist, verändert, wenn die Permanenzzeit to des Aufenthalts des Kolbens 5 jenseits des Bezugspunkts R sich von einer gewünschten vorausgesehenen Zeit tod unterscheidet, wobei die durchschnittliche Spannung Vm vergrößert wird, wenn die Permanenzzeit to kürzer ist als die gewünschte vorausgesehene Zeit tod, und die durchschnittliche Spannung Vm, die angelegt ist, verkleinert wird, wenn die Permanenzzeit to länger ist als die gewünschte vorausgesehene Zeit tod.

Wie man anhand von 5 und 6 erkennt, erhält die elektronische Schaltung 40, die den Inverter 50 enthält, und den Motor 2 mittels des Werts Vm steuert, ein rückgeführtes Signal 31 von einem Sensor 10, der innerhalb des Kompressors 1 eingebaut ist, so daß auf diese Weise die Bewegung des Kolbens 5 gesteuert wird.

Eine bevorzugte Weise, um den Wert von Vm zu erhöhen und zu senken, besteht darin, daß eine Modulation vom PWM-Typ verwendet wird, bei der durch Steuerung der Schaltung Q1, Q2, Q3 und Q4 ein variabler und steuerbarer Wert der Spannung an die Anschlüsse des Linearmotors 2 angelegt wird, um den Arbeitszyklus dieser Modulierung zu verändern. In typischer Weise wird eine Frequenz von etwa 5 kHz für eine solche PWM-Modulation der Spannung an dem Motor 2 verwendet. Eine beispielhafte Ausführungsform von einem Schaltkreis dieses Typs ist in 5 dargestellt.

Um die Steuerung des Werts dV auszuführen, wird der PWM-Zyklus verändert, der über wenige Modulationszyklen abrupt von einem "Arbeitszyklus" von 80% auf bspw. 50% übergehen kann, während dieser Veränderung für einige wenige Millisekunden, nur um eine Korrektur des Kolbenhubs nach einer plötzlichen Störung, die von dem Versorgungsnetz kommt, zu gewährleisten.

Die Steuerung des Inverters 50 wird mit Hilfe des Sensors 10 ausgeführt, der durch Ansteuern von Zeitgebern, die die Permanenzzeiten to(n) und die Zykluszeit tc(n) messen, wirkt. Die Berechnungen des durchschnittlichen Werts der letzten Zyklen und die anderen Berechnungen von Vergleichen zwischen den gemessenen Zeiten mit den maximalen Hubzeiten tom und den vorhergesehenen geplanten Zeiten tc(geplant), die darin gespeichert sind, werden durch den Mikrokontroller 41 ausgeführt. Das Ergebnis dieser Berechnungen ist der Wert des Zyklus der Anwendung der Spannung Vm auf den Motor 2, um die erforderliche Kühlkapazität zu erhalten. Das Ergebnis dieser Berechnungen ist auch die plötzliche und zeitweilige Veränderung dieses Zyklus der Anwendung der PWM-Spannung, wodurch zeitweilig die Spannung dV korrigiert wird, um plötzliche Veränderungen in der Spannung zu kompensieren, wie z.B. Übergangsvorgänge, die auf das Abschalten eines Motors zurückgehen, der mit einem nahegelegenen Punkt des elektrischen Netzes 35 verbunden ist.

Das Verfahren und das System und als Folge davon der Kompressor 1 weisen als Vorteile eine schnelle Reaktion und Korrekturen bei jedem Zyklus auf, ohne daß die Notwendigkeit nach Schätzungen auf der Grundlage der Spannung und des Stroms, die an dem Motor 2 anliegen, besteht, und frei von Fehlern aufgrund von sekundären Veränderungen wie etwa der Temperatur, der Konstruktion des Motors 2 und der Verlagerung des mittleren Punkts der Oszillation des Kolbens 5 aufgrund des mittleren Druckunterschieds zwischen den Seiten des Kolbens 5. Man ist dadurch auch in der Lage, eine Steuerung zu implementieren, die in effektiver Weise die Steuerung über den Hub des Kolbens 5 aufrechterhält, unabhängig von der benötigten Kühlkapazität, und die in der Lage ist, eine mechanische Kollision des Kolbens 5 mit der Ventilplatte 8, 9 zu verhindern, auch bei Auftreten von schnellen Störungen, die durch die normale Schwankung der Spannung in dem kommerziellen Netz der elektrischen Energie 35 hervorgerufen werden.

Wie im Wege eines Beispiels in 4 dargestellt ist, ist eine Spannung V1, die geringer ist als eine Spannung V2, notwendig, um die gleiche Amplitude des Kolbens 5 zu erzielen, wenn eine Belastung C2 größer ist als C1.

Die Erfassung des Durchgangs des Kolbens 5 an dem physikalischen Bezugspunkt R kann mit Hilfe eines physikalischen Sensors 10 ausgeführt werden, der innerhalb des Kompressors 1 eingebaut ist, wobei dieser vom Kontakttyp, optischen Typ, induktiven Typ oder von einem äquivalenten Typ sein kann. Diese Erfassung kann auch dadurch ausgeführt werden, daß eine magnetische Störung hinzugefügt wird, die der Spannung hinzugefügt wird, die an den Anschlüssen des Motors 2 anliegt, wobei diese Störung bspw. durch ein konstruktives Detail des magnetischen Kreises des Motors erzeugt werden kann.

Nachdem eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, sollte verständlich sein, daß der Bereich der vorliegenden Erfindung andere mögliche Varianten umfaßt, und lediglich durch den Inhalt der beigefügten Ansprüche begrenzt ist, die die möglichen Äquivalente umfassen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern eines Kompressors (1), insbesondere eines linearen Kompressors, der einen Kolben (5) und einen Linearmotor (2) aufweist, wobei der Kolben (5) sich entlang eines Hubs bewegt und durch den Motor (2) angetrieben ist, wobei eine durchschnittliche Spannung (Vm) an den Motor (2) angelegt wird und die Bewegung des Kolbens (5) steuert, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

– Messen einer Bewegungszeit des Kolbens (5);

– Vergleichen der gemessenen Bewegungszeit mit einer vorausgesehenen Bewegungszeit; und

– Verändern der Spannung (Vm), wenn die gemessene Bewegungszeit unterschiedlich gegenüber der vorausgesehenen Bewegungszeit ist, wobei die vorausgesehene Bewegungszeit so ist, daß die Bewegung des Kolbens (5) einen maximalen Punkt (M) erreichen wird, wobei der maximale Punkt (M) sehr nahe an dem Ende des Hubs des Kolbens (5) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Bewegungszeit eine Permanenzzeit (to) ist, die der Kolben (5) jenseits eines Bezugspunkts (R) verbleibt, der an einer Position entlang des Hubs des Kolben (5) angeordnet ist, wobei der Bezugspunkt (R) an einer Position weiter entfernt von einem Ende des Hubs des Kolbens (5) als der maximale Punkt (M) angeordnet ist, wobei die vorgesehene Bewegungszeit eine gewünschte vorgesehene Zeit (tod) ist, und wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfaßt:

– Vermindern der Spannung (Vm), wenn die Permanenzzeit (to) länger ist als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod), wobei die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) kürzer als oder gleich einer maximalen Hubzeit (tom) ist, wobei die maximale Hubzeit (tom) eine Zeitdauer ist, wenn der Kolben (5) den maximalen Punkt (M) erreicht j und

– Vergrößern der Spannung (Vm), wenn die Permanenzzeit (to) kürzer als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Hubzeit (tom) kürzer als die Zeitdauer ist, die zwischen einem ersten und einem zweiten Durchgang des Kolbens (5) an dem Bezugspunkt (R) vorbei vergeht, wenn der Kolben (5) das Ende des Hubs erreicht. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchgang des Kolbens (5) an dem Bezugspunkt (R) vorbei dann auftritt, wenn sich der Kolben (5) in Richtung auf das Ende des Kolbenhubs bewegt, und daß der zweite Durchgang des Kolbens (5) dann auftritt, wenn der Kolben (5) sich in der entgegengesetzten Richtung weg von dem Ende des Kolbenhubs und in einer Bewegung anschließend an die, die im Moment des ersten Durchgangs erfolgte, bewegt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungszeit eine Zykluszeit (tc(n)) der Dauer der Bewegung eines gesamten Kolbenzyklus ist, wobei die vorhergesehene Bewegungszeit eine vorhergesehene geplante Zeit (tc(geplant)) ist, wobei die Zykluszeit (tc(n)) mit der vorhergesehenen geplanten Zeit (tc(geplant)) verglichen wird, wobei die vorhergesehene geplante Zeit (tc(geplant)) eine erwartete Zeitdauer des Durchgangs des Kolbens (5) an einem Bezugspunkt (R) vorbei ist und einen minimalen Wert aufweist, der eine Kollision des Kolbens (5) an dem Ende des Hubs verhindert, wobei der Bezugspunkt (R) an einem Punkt weiter entfernt von dem Ende des Kolbenhubs (5) als der maximale Punkt (M) angeordnet ist, wobei die Spannung (Vm) verringert wird, wenn die Zykluszeit (tc(n)) kürzer als die vorhergesehene geplante Zeit (tc(geplant)) ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (Vm) verringert wird, wenn sich der Kolben (5) jenseits des Bezugspunkts (R) befindet. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (Vm) dadurch vergrößert oder verkleinert wird, daß ein Wert (dV) auf eine Spannung (V) aufgebracht wird, wobei der Wert (dV) proportional zu dem Unterschied zwischen der Zykluszeit (tc(n)) und der vorhergesehenen geplanten Zeit (tc(geplant)) ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt des Messens der Position des Kolbens (5) an dem Bezugspunkt (R) umfaßt. System zum Überwachen der Position eines Kolbens (5), insbesondere eines Kolbens (5) eines linearen Kompressors (1), wobei sich der Kolben (5) entlang eines Hubs bewegt und durch einen Motor (2) angetrieben ist, wobei der Motor (2) durch eine Spannung (Vm) angetrieben ist, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine elektronische Schaltung (40) umfaßt, die in der Lage ist, die Bewegung des Kolbens (5) ausgehend von dem Durchgang an einem Bezugpunkt (R) zu überwachen, wobei der Bezugspunkt (R) an einer Position weiter entfernt von dem Ende des Hubs des Kolbens (5) als ein maximaler Punkt (M) angeordnet ist, wobei der maximale Punkt (M) sehr nahe an dem Ende des Hubs des Kolbens (5) angeordnet ist, wobei die elektronische Schaltung (40) in der Lage ist, eine Permanenzzeit (to) zu messen, die der Kolben (5) jenseits des Bezugspunkts (R) bleibt, und die Permanenzzeit (to) mit einer gewünschten vorhergesehenen Zeit (tod) zu vergleichen, wobei die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) kürzer als oder gleich einer maximalen Hubzeit (tom) eines maximalen Hubs ist, wenn der Kolben (5) den maximalen Punkt (M) erreicht, wobei die elektronische Schaltung (40) weiterhin in der Lage ist, die Spannung (Vm) zu verringern, wem die Permanenzzeit (to) länger ist als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod), und die Spannung (Vm) zu vergrößern, wenn die Permanenzzeit (to) kürzer ist als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod). System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (40) in der Lage ist, eine Zykluszeit (tc(n)) der Dauer der Bewegung eines kompletten Zyklus des Kolbens (5) zu messen, und die Zykluszeit (tc(n)) mit einer vorhergesehenen geplanten Zeit (tc(geplant)) zu vergleichen, wobei die vorhergesehene geplante Zeit (tc(geplant)) ein erwarteter Moment des Durchgangs des Kolbens (5) an dem Bezugspunkt (R) vorbei ist, wobei das System die Spannung (Vm) verringert, wenn die Zykluszeit (tc(n)) kürzer ist als die vorhergesehene geplante Zeit (tc(geplant)). System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugspunkt (R) an einer Position weiter entfernt von dem Ende des Hubs des Kolbens (5) als der maximale Punkt (M) angeordnet ist. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (40) einen Mikrocontroller (41) und einen Inverter (50) aufweist, wobei der Mikrocontroller (41) in der Lage ist, die Permanenzzeit (to) und die Zykluszeit (tc(n)) zu messen, und der Inverter (50) in der Lage ist, die Spannung (Vm) zu verändern. Kompressor (1), insbesondere ein linearer Kompressor, der umfaßt

einen Kolben (5),

eine Ventilplatte (8, 9), und

einen Linearmotor (2),

wobei der Kolben (5) sich entlang eines Hubs bewegt und durch den Motor (2) angetrieben ist,

wobei der Kompressor (1) dadurch gekennzeichnet ist, daß er aufweist

eine elektronische Schaltung (40), die in der Lage ist, eine Permanenzzeit (to) zu messen, die der Kolben (5) jenseits eines Bezugspunkts (R) bleibt, und

die Permanenzzeit (to) mit einer gewünschten vorhergesehenen Zeit (tod) zu vergleichen,

wobei die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) kürzer als oder gleich einer maximalen Hubzeit (tom) eines maximalen Hubs ist, wenn der Kolben (5) einen maximalen Punkt (M) erreicht, wobei der maximale Punkt (M) sehr nahe an der Ventilplatte (8, 9) und näher an der Ventilplatte (8, 9) als der Bezugspunkt (R) liegt.
Kompressor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (40) in der Lage ist, die Spannung (Vm) zu verringern, wenn die Permanenzzeit (to) länger als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) ist, und die Spannung (Vm) vergrößert, wenn die Permanenzzeit (to) kürzer als die gewünschte vorhergesehene Zeit (tod) ist. Kompressor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (40) in der Lage ist, eine Zykluszeit (tc(n)) einer Dauer der Bewegung eines vollständigen Zyklus des Kolbens (5) zu messen, und die Zykluszeit (tc(n)) mit einer vorhergesehenen geplanten Zeit (tc(geplant)) zu vergleichen, wobei die geplante Zeit (tc(geplant)) ein erwarteter Moment des Durchgangs des Kolbens (5) an dem Bezugspunkt (R) vorbei ist, wobei die elektronische Schaltung (40) in der Lage ist, die Spannung (Vm) zu verringern, wenn die Zykluszeit (tc(n)) kürzer ist als die geplante Zeit (tc(geplant)). Kompressor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (40) einen ersten Controller (41) und einen Inverter (50) aufweist, wobei der Mikrocontroller (41) in der Lage ist, die Permanenzzeit (to) und die Zykluszeit (tc(n)) zu messen, und wobei der Inverter (50) in der Lage ist, die Spannung (Vm) zu verändern. Kompressor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanenzzeit (to) und die Zykluszeit (tc(n)) ein Durchschnitt von mehreren Messungen ist.






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