DE4138113C2

DE4138113C2 - Verfahren zum Steuern des Stromes bei einer Klimaanlage

Info

Publication number: DE4138113C2
Application number: DE4138113A
Authority: DE
Inventors: Tae Duk Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: KR920010221A; FR2669433B1; JPH04288432A; US5209075A; DE4138113A1; JP2617256B2; KR920009180B1; FR2669433A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Stromes bei einer Klimaanlage, insbesondere ein Verfahren, mit dessen Hilfe der Gesamtstrom bei Kühlbetrieb und bei Heizbetrieb begrenzt und ein Wechselrichter durch Erfassen des Wechselrichterstromes gegen einen Überstrom geschützt wird.

Im allgemeinen ist die Kapazität bzw. Leistung einer im Freien angeordneten Klimaanlage durch die Leistung des Kompressors bestimmt, wobei die Betriebsleistung des Kompressors von der Drehzahl des Kompressormotors abhängig ist, die ihrerseits von der Speisefrequenz abhängig ist. Diese Speisefrequenz wird durch den Schaltvorgang des Wechselrichters gesteuert.

Wird ein Wechselrichter zur Steuerung eines Kompressors verwendet, so wird von der Klimaanlage der durch den Wechselrichter fließende Strom exakt erfaßt. Überschreitet dabei der erfaßte Stromwert einen vorbestimmten Stromgrenzwert, so wird der Kompressor außer Betrieb gesetzt, so daß der im Wechselrichter fließende Strom nicht größer als der vorbestimmte Grenzwert ist.

Die Schaltelemente eines Wechselrichters weisen Halbleiterbauelemente, wie z. B. Leistungstransistoren auf. Jedoch sind die physikalischen Kennwerte eines Halbleiters gegenüber Temperaturänderungen empfindlich. Insbesondere wenn ein großer Unterschied zwischen der Außentemperatur während des Kühlbetriebs im Sommer und des Heizbetriebs im Winter besteht, hat eine Klimaanlage, die mit einem Halbleiterbauelemente aufweisenden Wechselrichter ausgestattet ist, insoweit den Nachteil, daß die Klimaanlage auf einen Parameterwert eingestellt wird, der auf eine der beiden Jahreszeiten ausgelegt ist und während der anderen Jahreszeit eine Fehlfunktion aufzeigt, da die dem Kompressor zugeführte Strommenge in hohem Maß variiert.

D. h. wird der Parameter des Halbleiterbauelements für den Kühlbetrieb festgelegt, so ist während des Heizbetriebs die vom Wechselrichter dem Kompressor zugeführte Strommenge zu gering, so daß die Drehzahl des Kompressors niedriger als die für den Heizbetrieb erforderliche Drehzahl ist. Demzufolge weist die Klimaanlage eine Fehlfunktion auf. Wird andererseits der Parameter des Halbleiterbauelements für den Heizbetrieb festgelegt, so fließt im Gegensatz zum vorerwähnten Fall ein Überstrom im Wechselrichter, wodurch das Halbleiterbauelement leicht zerstört wird.

Ein Beispiel für die vorstehend beschriebene Klimaanlage ist in der JP 58-17 9197 A offenbart. Diese Anlage erfaßt einen Überstrom und unterbricht nicht nur periodisch den Betrieb des Kompressors, sondern legt auch die Drehzahl des Motors jedesmal fest, wenn ein Überstrom im Wechselrichter fließt. Wird die Drehung des vom Wechselrichter versorgten Motors durch eine externe Leistung umgekehrt, selbst wenn dieser in Betrieb ist, so wird seine Drehrichtung ohne Betriebsunterbrechung seitens des Wechselrichters zur normalen Drehrichtung hin korrigiert. Somit ist der Wechselrichter gegenüber einem Überstrom geschützt. Ferner tritt ein weiteres Problem auf. Wird ein Spitzenstrom im Wechselrichter erzeugt, so bewirkt dieser einen Durchbruch beim Halbleiterbauelement, wodurch der Normalbetrieb gestört wird. Demzufolge erfaßt eine konventionelle Anlage einen Spitzenstrom mittels eines Stromwandlers oder eines Nebenschlußwiderstandes und verhindert somit eine auf den Spitzenstrom beruhende Fehlfunktion. Eine Anlage, die einen Stromwandler verwendet, ist jedoch infolge der Charakteristik des Stromwandlers nicht in der Lage einen geringen Stromwert zu erfassen. Da ein von einem Widerstand nebengeschlossener Strom vom Nebenschlußwiderstand erfaßt wird, ist eine Anlage, die von einem Nebenschlußwiderstand Gebrauch macht, in gleicher Weise problematisch. Demzufolge bieten diese Anlagen keinen effektiven Schutz gegen einen Spitzenstrom.

Aus DE 37 02 658 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und eine Basistreiberstufe aufweist. Sie besitzt eine Spitzenstromerfassungseinrichtung zwischen dem Gleichrichter- und dem Wechselrichter. Es ist eine Temperaturerfassungseinrichtung vorhanden, welche die wesentlichen Parameter erfaßt. Diese Einrichtung weist schon wesentliche Elemente auf, die zur Durchführung der Erfindung notwendig sind, allerdings ohne sich mit der Aufgabe der Erfindung auseinanderzusetzen.

Aus der DE 39 17 479 A1 ist ein Stromwandler zur Leistungsmessung zwischen einer Wechselstromquelle und einem Gleichrichter grundsätzlich bekannt.

Aus der DE 35 41 547 A1 ist eine Stromüberwachungseinrichtung mittels einer Zenerdiode und eines Fotokopplers bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Stromes vorzuschlagen, mit dessen Hilfe der Wechselrichter gegen einen Überstrom infolge des Gesamtstroms und einen der Klimaanlage zugeführten Spitzenstrom geschätzt ist. Ferner soll der Stromgrenzwert auf einen dem jeweiligen Betriebszustand entsprechenden Wert oder auf eine Vielzahl von Werten entsprechend der Betriebssollfrequenz eingestellt werden, um einen anormalen Betrieb des Wechselrichters infolge eines Überstroms auszuschließen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Gemäß der Erfindung ist an der Wechselstromversorgung eine Gesamtstrom-Erfassung und zwischen einem Gleichrichterteil und dem Wechselrichter eine Spitzenstrom-Erfassung vorgesehen. Die Gesamtstrom-Erfassungseinrichtung erfaßt einen der Klimaanlage zugeführten Maximalstrom während die Spitzenwert- Erfassungseinrichtung einen im Wechselrichter erzeugten Spitzenstrom erfaßt. Die Begrenzung des erfaßten Gesamtstromwerts wird insbesondere für die Heiz- und Kühlbetriebsarten entsprechend vorgegeben. Übersteigen die erfaßten Werte den jeweils vorgegebenen Grenzwert, so wird der Motor angehalten.

Mit Hilfe der Erfindung kann somit ein Durchbruch bei den Halbleiterbauelementen infolge eines großen Unterschieds bezüglich des im Wechselrichter während des Heizbetriebs und des Kühlbetriebs fließenden Stromes verhindert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Stromsteuervorrichtung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltdiagramm der Stromsteuervorrichtung;

Fig. 3 ein schematisches Schaltdiagramm der Spitzenstrom- Erfassungseinrichtung und

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des Stromsteuerverfahrens.

Fig. 1 verdeutlicht das Steuerteil einer Klimaanlage anhand eines Blockschaltbildes, während Fig. 2 eine detaillierte Schaltung des Steuerteils der Fig. 1 zeigt. Ein Gleichrichter 2 steht mit einer Wechselstromquelle 1 in Verbindung und wandelt die Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung um. Ein Wechselrichter 3 wandelt den pulsierenden Gleichstrom des Gleichrichters 2 in einen Drehstrom um, der dem Motor des Kompressors 4 der Klimaanlage zugeführt wird. Eine Basistreiberstufe 5 liefert ein Steuersignal an die Basen von Transistoren von TR₁ bis TR₆ des Wechselrichters 3 (vergleiche Fig. 2). Ein Mikroprozessor 6 legt hierzu ein Steuersignal an die Basistreiberstufe 5 an, das durch verarbeiten von Außentemperaturdaten und Stromdaten gewonnen wird. Diese Daten werden von nachfolgend beschriebenen Erfassungseinrichtungen erhalten. Eine Gesamtstrom- Erfassungseinrichtung 7 erfaßt den Strom mit Hilfe eines Stromwandlers CT, der zwischen dem Wechselstromnetz 1 und dem Gleichrichter 2 angeordnet ist, und führt einen entsprechenden Wert für den erfaßten Gesamtstromwert dem Mikroprozessor 6 zu. Die Spitzenstrom-Erfassungseinrichtung 8 erfaßt den Spitzenstrom, der durch einen Nebenschlußwiderstand R₁ fließt. Dieser Nebenschlußwiderstand R₁ ist zwischen dem Gleichrichter 2 und dem Wechselrichter 3 angeordnet. Die Spitzenstrom- Erfassungseinrichtung 8 führt einen dem erfaßten Wert des Spitzenstromes entsprechenden Wert dem Mikroprozessor 6 zu. Eine Temperatur-Erfassungseinrichtung 9 ermittelt die Innen- und Außentemperatur, die Innen- und Außenrohrleitungstemperatur, die Kompressoraustrittsgastemperatur usw. und gibt die ermittelten Daten an den Mikroprozessor 6 weiter. Eine Schnittstelle 12 verbindet den Mikroprozessor 6 der Außeneinheit mit einem Mikroprozessor 13 der Inneneinheit.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Mikroprozessor 6 eine Wechselrichtersteuerung 10 zum Festlegen der Kompressorbetriebsfrequenz in Abhängigkeit von externen Daten auf. Diese Wechselrichtersteuerung 10 gibt Steuerdaten an eine PWM(Impulsbreitenmodulations-)-Wellen-Aufbereitungseinheit 11 ab, um die Impulsbreite des die Basistreiberstufe 5 ansteuernden Signals entsprechend der Betriebssollfrequenz der Wechselrichtersteuerung 10 zu variieren.

Die vorstehend erläuterte Stromsteuervorrichtung hat folgende Funktionsweise:

Ein von einem Wechselstromnetz 1 erhaltener Wechselstrom wird mit Hilfe des Gleichrichters 2 gleichgerichtet. Der gleichgerichtete Strom wird dann dem Wechselrichter 3 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichtersteuerung 10 ein Steuersignal an die PWM-Wellen- Aufbereitungseinheit 11 ab, so daß diese eine PWM-Welle erzeugt. Die PWM-Welle wird der Basistreiberstufe 5 zugeführt. Infolge dieser PWM-Welle werden die Transistoren TR₁ bis TR₆ des Wechselrichters 3 im einzelnen ein- bzw. ausgeschaltet, so daß die drei Ausgänge des Wechselrichters 3 einen Drehstrom liefern, mit dem der. Induktionsmotor des Kompressors 4 gespeist wird. Der Ausgangsstrom des Gleichrichters 2 wird dem Wechselrichter 3 zugeführt und kehrt über den Nebenschlußwiderstand R₁ unter Ausbildung einer Stromschleife zum Gleichrichter 2 zurück. Zu diesem Zeitpunkt wird der durch den Nebenschlußwiderstand R₁ fließende Strom mittels der Spitzenstrom-Erfassungseinrichtung 8 erfaßt. Der erfaßte Wert des Spitzenstroms wird dem Mikroprozessor 6 zugeführt.

Liegt der erfaßte Wert über dem vorbestimmten Wert, so überträgt der Mikroprozessor 6 ein Stoppsignal an die Basistreiberstufe 5, wodurch die Transistoren TR₁ bis TR₆ des Wechselrichters 3 ausgeschaltet und somit der Betrieb des Induktionsmotors des Kompressors 4 eingestellt wird. Liegt der erfaßte Wert unter dem vorbestimmten Wert, so wird untersucht, ob der von der Gesamtstrom-Erfassungseinrichtung 7 erfaßte Stromwert unter dem vorbestimmten Wert liegt. Liegt er unter dem vorbestimmten Wert, so wird der Induktionsmotor des Kompressors 4 mit Leistung versorgt. Liegt andererseits der Stromwert über dem vorbestimmten Wert, so wird der Betrieb des Motors nach einer vorbestimmten Zeitdauer unterbrochen. Die vorbestimmten Werte werden getrennt durch die Außenumgebungsdaten festgelegt, die mittels der Temperatur- Erfassungseinrichtung 9 im Heiz- bzw. Kühlbetrieb erfaßt werden.

Fig. 3 zeigt beispielhaft ein schematisches Schaltdiagramm der Spitzenstrom- Erfassungseinrichtung 8 für einen festen, unveränderbaren Spitzenstrom-Grenzwert. Wie aus dieser. Fig. 3 ersichtlich, weist die Spitzenstrom-Erfassungseinrichtung 8 eine Zenerdiode ZD und einen Widerstand R₂ auf, der mit dem Nebenschlußwiderstand R₁ verbunden ist. Mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Zenerdiode ZD und Widerstand R₂ und dem anderen Ende des Widerstands R₂ steht eine Reihenschaltung in Verbindung, die aus einem Widerstand R₃ und einer Parallelschaltung aus Kondensatoren C₂ und C₃ einer Diode D₁₁ sowie einem lichtemittierenden Element (Leuchtdiode PD) eines Fotokopplers 14 besteht. Das lichtempfangende Element (Fototransistor PT) des Fotokopplers 14 steht über einem Widerstand R₄ mit einer Spannungsversorgungsklemme V_oc in Verbindung, während das an dem nicht mit der Spannungsversorgungsklemme verbundene Ende des Widerstands R₄ anliegende Ausgangssignal dem Mikroprozessor 6 zugeführt wird.

Die Funktionsweise der Spitzenstrom-Erfassungseinrichtung 8 ist folgende:

Fließt ein Strom durch den Nebenschlußwiderstand R₁, so liegt eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Enden des Widerstands R₁ vor. Liegt die Spannung unter der Zenerspannung der Zenerdiode, so wird die Zenerdiode ZD gesperrt bzw. in den AUS-Zustand versetzt, so daß das lichtemittierende Element des Fotokopplers 14 nicht aktiviert wird. Das hochpegelige Signal wird dem Mikroprozessor 6 zugeführt, wodurch dieser erkennt, daß der durch die Anlage fließende Strom einen normalen Wert aufweist. Fließt allerdings ein Überstrom durch den Nebenschlußwiderstand R₁, so liegt die am Nebenschlußwiderstand R₁ anliegende Spannung über der Zenerspannung der Zenerdiode ZD, so daß die Zenerdiode ZD leitend wird. Infolge des leitenden Zustands der Zenerdiode ZD fließt über den Widerstand R₃ ein Strom durch das lichtemittierende Element PD des Fotokopplers 14, so daß das lichtemittierende Element PD aufleuchtet. Da das lichtempfangende Element PT des Fotokopplers 14 infolge des Lichts von dem lichtemittierenden Element in den leitenden Zustand versetzt wird, wird dem Mikroprozessor 6 ein niederpegeliges Signal zugeführt, so daß der Mikroprozessor einen anormalen Zustand infolge des Überstroms feststellt.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung des Stromsteuerverfahrens.

Nach der Stromzufuhr und der Initialisierung wird beim Schritt 101 abgefragt, ob der Benutzer den Heizbetrieb oder den Kühlbetrieb ausgewählt hat. Beim Kühlbetrieb werden beim Schritt 102 die Umgebungsdaten vom Mikroprozessor 13 der Inneneinheit und die der Temperatur-Erfassungseinrichtung 9 in den Mikroprozessor 6 eingegeben. Die eingegebenen Daten, die der Belastung der Klimaanlage entsprechen, umfassen die Innentemperatur und die Innenrohrleitungstemperatur, die von der Inneneinheit übertragen werden, sowie die Außentemperatur, die Außenrohrleitungstemperatur und die Kompressoraustrittsgastemperatur, die in der Außeneinheit erfaßt werden, usw. Beim Schritt 103 werden die Umgebungsdaten von den Erfassungseinrichtungen eingegeben. Daraufhin wird entsprechend der Umgebungsdaten eine geeignete Betriebsfrequenz aus einer ROM(Festwertspeicher)-Tabelle ausgelesen und die Betriebsfrequenz des Wechselrichters 3 bestimmt. Beim Schritt 104 wird der Gesamtstrom-Grenzwert I_A auf den für den Kühlbetrieb geeigneten Stromgrenzwert I₁ festgelegt. Beim Heizbetrieb werden dann beim Schritt 105 die Umgebungsdaten, die der Klimaanlagenbelastung entsprechen, eingegeben. Beim Schritt 106 wird die Betriebsfrequenz des Wechselrichters entsprechend den eingegebenen Daten bestimmt. Beim Schritt 107 wird der Grenzwert I_A für den Gesamtstrom auf den für den Heizbetrieb geeigneten Stromgrenzwert I₂ festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt werden mit Bezug auf die Temperaturkennwerte der Halbleiterbauelemente die Grenzwerte für den gesamten Strom so eingestellt, daß die Beziehung I₁ kleiner I₂ gilt.

Bei der obigen Beschreibung werden im einzelnen für den Heizbetrieb und den Kühlbetrieb zwei bestimmte Grenzwerte für den Gesamtstrom festgesetzt. Jedoch werden der Grenzwert für den Gesamtstrom und der Spitzenstromwert in eine Vielzahl von Pegeln für jedes Frequenzband unterteilt, wodurch der Grenzwert für den Gesamtstrom und der Spitzenstromwert auf jene Werte festgelegt werden, die dem entsprechenden Frequenzband angepaßt sind.

Beim Schritt 108 wird der erfaßte Spitzenstrom I_D von der Spitzenstrom-Erfassungseinrichtung 8 in den Mikroprozessor 6 eingegeben. Liegt beim Schritt 109 der erfaßte Spitzenstrom I_D über dem Grenzwert I_B des Spitzenstroms, so wird die Betriebsstopproutine durchgeführt, so daß der Motor des Kompressors 4 angehalten wird. Liegt andererseits der erfaßte Spitzenstrom I_D nicht über dem Spitzenstrom-Grenzwert I_B, so wird beim Schritt 110 der Pufferspeicher des Zeitgebers auf "0" zurückgesetzt. Beim Schritt 111 wird der erfaßte Gesamtstrom I_S mit dem Gesamtstrom-Grenzwert I_A verglichen. Liegt der erfaßte Gesamtstrom I_S nicht über dem Gesamtstrom-Grenzwert I_A, so wird die normale Betriebsroutine durchgeführt. Liegt der erfaßte Gesamtstrom I_S über dem Gesamtstrom-Grenzwert I_A, so wird der Pufferspeicher des Zeitgebers beim Schritt 112 um "1" erhöht.

Beim Schritt 113 wird abgefragt, ob der Wert im Pufferspeicher des Zeitgebers über dem vorbestimmten Wert (z. B. 2) liegt oder nicht. Liegt der Wert des Pufferspeichers unter dem vorbestimmten Wert, so wird dies als eine momentane Stromzunahme angesehen, so daß die Betriebsroutine ausgeführt wird und dieses Programm nach Ausführung der Betriebsroutine zu dem Schritt zurückkehrt, bei dem der Betriebsmodus bzw. die Betriebsart abgefragt wird, d. h. ob der Heizbetrieb oder der Kühlbetrieb ausgewählt ist. Liegt der Wert im Pufferspeicher des Zeitgebers über dem vorbestimmten Wert, so wird die Stopproutine durchgeführt, so daß der Motor des Kompressors 4 außer Betrieb gesetzt wird.

Wie vorstehend erläutert, kann mit Hilfe der Erfindung der der Klimaanlage zugeführte Gesamtstrom sowie der dem Wechselrichter angelegte Spitzenstrom exakt erfaßt werden, so daß der Wechselrichter vor einem Überstrom geschützt werden kann. Ein Gesamtstrom-Grenzwert wird sowohl für den Heizbetrieb als auch den Kühlbetrieb festgelegt. Sowohl der Gesamtstrom-Grenzwert als auch der Spitzenstrom-Grenzwert werden entsprechend dem Betriebsfrequenzband auf mehrstufige Werte festgelegt. Somit wird der Kompressor mit einer Vielzahl von Grenzwerten gesteuert, so daß nicht nur die Wechselrichterbauteile geschützt, sondern auch der Betrieb der Klimaanlage optimal gesteuert wird.

Claims

1. Verfahren zur Stromüberwachung in einem über einen Gleichrichter und einen Wechselrichter versorgten Kompressor einer Klimaanlage, mit folgenden Schritten:
Bestimmen, ob die Klimaanlage im Heizbetrieb oder im Kühlbetrieb arbeitet;
Bestimmen der geeigneten Betriebsfrequenz;
Festlegen eines Grenzwertes (I_A, I₁, I₂) für den vom Gleichrichter aufgenommenen Gesamtstrom (I_A), wobei sowohl für den Grenzwert (I₂) im Heizbetrieb als auch für den Grenzwert (I₁) im Kühlbetrieb stufenweise dem jeweiligen Betriebsfrequenzband angepaßte Werte vorgegeben sind;
Festlegen eines Grenzwertes (I_B) für den vom Wechselrichter aufgenommenen Spitzenstrom (I_D), wobei für den Grenzwert ebenfalls stufenweise dem jeweiligen Betriebsfrequenzband angepaßte Werte vorgegeben sind;
Erfassen von Gesamtstrom (I_S) und Spitzenstrom (I_D);
Anhalten des Kompressormotors, falls der Spitzenstrom (I_D) den Spitzenstrom-Grenzwert (I_B) überschreitet;
Anhalten des Kompressormotors, falls der Gesamtstrom (I_S) länger als eine vorgegebene Zeit den Gesamtstromgrenzwert (I_A, I₁, I₂) überschreitet.