DE1144461B

DE1144461B - Circuit arrangement for the gradual power control of air conditioning systems

Info

Publication number: DE1144461B
Application number: DES49763A
Authority: DE
Inventors: Henri Junod
Original assignee: SAUTER ELEKTR APP
Current assignee: SAUTER ELEKTR APP
Priority date: 1956-07-10
Filing date: 1956-07-28
Publication date: 1963-02-28

Description

Schaltungsanordnung zur stufenweisen Leistungsregelung von Klimaanlagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zur stufenweisen Leistungsregelung von Klimaanlagen.Circuit arrangement for gradual power regulation of air conditioning systems The invention relates to a switching arrangement for gradual power regulation of air conditioners.

Die Leistungsregelung von Kältemaschinen wird nach bekannten Anordnungen so durchgeführt, daß bei Systemen mit direkter Kühlung durch verdampfende Kältemittel die Kältemaschine bei über- oder Unterschreiten der verlangten Kühltemperatur durch einen im Kühlraum oder im Verdampfer angeordneten Thermostaten ab- oder zugeschaltet wird oder daß bei Luftkühlem mit direkter Verdampfung von Kältemitteln. die gesamte Leistung auf eine Anzahl kleinerer Kältemaschinen aufgeteilt wird, die dann einzeln oder gruppenweise in Abhängigkeit von der Umlufttemperatur bzw. vom Druck im Kompressorsaugstutzen geschaltet werden.The power control of refrigeration machines is based on known arrangements carried out so that in systems with direct cooling by evaporating refrigerants the refrigeration machine when the required cooling temperature is exceeded or not reached a thermostat located in the refrigerator or in the evaporator is switched on or off or that with air coolers with direct evaporation of refrigerants. the whole Power is divided between a number of smaller chillers, which are then individually or in groups depending on the circulating air temperature or the pressure in the compressor intake port be switched.

Es ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem das Gesamtfördervolumen auf mehrere Verdichter aufgeteilt wird, wobei diese Verdichter teilweise mit Motoren, die auf zwei verschiedene Drehzahlen schaltbar sind, angetrieben werden können. Bei steigendem Kältebedarf werden die Steuerstromkreise für das Anlaufen der Verdichter stufenweise geschlossen. Wenn nun infolge äußerer Umstände oder der geleisteten Kältearbeit der Kältebedarf sinkt, so kommen die Leistungsstufen gleich wieder stufenweise zum Abschalten.A method has become known in which the total delivery volume is divided between several compressors, these compressors partially with motors, which can be switched to two different speeds, can be driven. When the demand for cooling increases, the control circuits for starting up the compressors gradually closed. If now as a result of external circumstances or what has been done Cold work the cooling requirement falls, so the performance levels come back in stages to switch off.

Der Nachteil solcher bekannten Stufenregelungen besteht darin, daß ein Pendeln, d. h. ein periodisches Ein- und Ausschalten der die zu regelnde Größe, also die Temperatur, beeinflussenden Geräte eintreten kann, wenn die Leistung in einer unteren Stufe nicht mehr ausreicht, um den gewünschten Sollwert einzuhalten, während die Leistung der nächsthöheren Stufe schon so groß ist, daß .die zu regelnde Größe sehr bald die obere Grenze des Sollbereiches erreicht. Man hat zwar versucht, diese Schwierigkeiten durch eine zeitliche Verzögerung des Ein- und Ausschaltens der einzelnen Leistungsstufen zu beheben; dies macht die ganze Regelung jedoch sehr träge und stellt keine prinzipielle Lösung dieses Problems dar.The disadvantage of such known step regulations is that a pendulum, d. H. periodic switching on and off of the variable to be controlled, so the temperature, influencing devices can occur when the performance in a lower level is no longer sufficient to maintain the desired setpoint, while the output of the next higher level is so great that the one to be regulated Size very soon reaches the upper limit of the target range. One tried these difficulties due to a time delay in switching on and off to fix the individual performance levels; however, this makes the whole scheme great sluggish and does not represent a fundamental solution to this problem.

Andererseits hat ein Pendeln der Regelung um einen labilen Betriebszustand eine starke Abnutzung der Verdichter und Schaltschütze zur Folge. Auch wenn sowohl der Anlaß- als auch der Regelvorgang mit Hilfe vergrößerter Steuerschalter durchgeführt wird, erwärmen sich die Kältemaschinen durch das häufige Zu- und Abschalten stark, was sich mit der Zeit trotz sorgfältiger Wartung nachteilig auswirkt.On the other hand, the regulation oscillates around an unstable operating state severe wear and tear on the compressors and contactors. Even if both the starting as well as the control process is carried out with the aid of enlarged control switches the chillers heat up considerably due to the frequent switching on and off, which has a detrimental effect over time despite careful maintenance.

Der Zweck der Erfindung besteht also darin, eine Schaltanordnung zur stufenweisen Leistungsregelung von Klimaanlagen anzugeben, bei welcher ein Pendeln der Regelung um einen labilen Betriebszustand vermieden wird. Die Erfindung läßt sich ganz allgemein auf Klimaanlagen anwenden, da es prinzipiell keine Rolle spielt, ob die Regelgröße, nämlich die Temperatur, ohne Regelung oberhalb oder unterhalb des Sollwertes liegt, also ob beim Übergang vom Istwert auf den Sollwert eine Wärmemenge zugeführt oder entzogen werden muß. Die Schaltanordnung gemäß der Erfindung wird sich also mit gleichem Vorteil sowohl zur Schaltung eines Kälteaggregates als auch zur Schaltung einer Heizung bzw. Lüftungsanordnung einer Klimaanlage verwenden lassen. Heizungen und Ventilatoranordnungen mit stufenweise einstellbarer Leistung, die durch eine bekannte Stufenregelung geregelt werden, können natürlich bei labilen Betriebszuständen genauso pendeln wie Kälteaggregate.The purpose of the invention is therefore to provide a switching arrangement for indicate step-by-step power control of air conditioning systems, in which a swing the regulation to an unstable operating state is avoided. The invention leaves apply to air conditioning systems in general, as it does not matter in principle, whether the controlled variable, namely the temperature, without control above or below of the setpoint, i.e. whether there is an amount of heat in the transition from the actual value to the setpoint must be supplied or withdrawn. The switching arrangement according to the invention is So with the same advantage both for switching a refrigeration unit and can be used to switch a heating or ventilation arrangement of an air conditioning system. Heaters and fan arrangements with gradually adjustable output that can of course be regulated by a well-known step control, in the case of unstable Operating states commute just as much as refrigeration units.

Bei dem Erfindungsgegenstand erfolgt das wechselweise Ein- und Ausschalten nach einem besonderen Schaltprogramm derart, daß der vorstehend geschilderte Nachteil fortfällt.In the case of the subject matter of the invention, the switching on and off takes place alternately according to a special switching program such that the disadvantage described above no longer applies.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung besteht darin, daß die Schaltstufen eines mit Einschalt- und Haltestromsegmenten ausgerüsteten Walzenschalters dem kontinuierlichen Regelbereich eines Steuerorgans proportional angepaßt und zugeordnet sind, so daß sich die Wirkzeiten der einzelnen Leistungsstufen der Reihe nach vorerst einzeln, dann gruppenweise auf die Dauer einer ganzen Umdrehung des Walzenschalters aufteilen, derart, daß sich diese von den Schaltscheiben des Walzenschalters gesteuerten Wirkzeiten weitgehend überlappen und däk der von einer Einsdhalt-Schaltscheibe zu- und abgeschaltete Steuerstromkreis jeder Leistungsstufe derjenigen Schaltstufe des Walzenschalters zuggordnet ist, die zwischen der höchsten bzw. riiedfig@ Sthalte , der riädhstniecjrigereil bzw. nächsthöhere Leistungsstufe liegt.The switching arrangement according to the invention consists in that the switching stages a roller switch equipped with switch-on and holding current segments to the continuous Control range of a control member are proportionally adapted and assigned so that the times of action of the individual power levels are initially one after the other, then divide in groups over the duration of a full turn of the roller switch, in such a way that these operating times controlled by the switching disks of the roller switch largely overlap and cover that of a one-stop indexing disc switched on and off control circuit of each power level of that switching level of the roller switch is assigned, which is between the highest or riiedfig @ Sthalte , the riädhstniecjrigereil or the next higher performance level.

Die trhßdüng'"kann ganz allgemein für die Regehing von Klimaanlagen beliebiger Art Verwendung finden, ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist jedoch die Regelung von Kältekompressoren in Klimaanlagen. Die Erfindung soll daher im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung im Rahmen des bevorzugten Anwendungsgebietes, nämlich der Regelung von Kältekompressoren, beschrieben werden, ohne daß dies einschränkend auszulegen ist: Es zeigt Fig. l eine Kältemaschinenanläge mit einer Schaltanordnung gemäß; der Erfindung und Fig. 2 das Schaltprogramm der Schaltanordnung. Die in Fig. 1 dargestellte Xältemäschinenanlage enthält zwei Kompressoren 1, 2, die durch Motoren 3 bzw. 4 angetrieben werden. Der Antriebsmotor 3 des Kompressors 1 ist auf zwei verschiedene Drehzahlen schaltbar und dazu mit einem Polumschalter versehen. Die Antriebsmotoren werden übet Schütze 5, 6, 7 ein-bzw. ausgeschaltet: Mit 8 ist ein Handdrehschalter bezeichnet, mit dem die Anlage auf automatisch oder Handbetrieb eingestellt werden kann. Für die Stellung »automatisch« ist ein Druckregler 9 als Meß- bzw. Steuerorgan vorgesehen, der ein Differentialrelais 10 betätigt. Sobald in den beiden Spulen 11 und 12 dieses Differentialrelais durch die Änderung der Stromstärke ein Unterschied in der Amperewindungszahl auftritt, gibt die Schaltzunge 13 über die Leitungen 14 und 15 Kontakt und schaltet den Walzenschalter 16. Der Anschluß des Differentialrelais 10 an das Netz erfolgt mit den Klemmen 17 und 18. The trhßdüng '"can be used quite generally for the control of air conditioning systems of any type, but a preferred area of application is the control of refrigeration compressors in air conditioning systems are refrigeration compressors described, without this being intended to be limiting: It shows Fig l a Kältemaschinenanläge with a switching arrangement according to; the invention, and Figure 2 shows the shift program of the circuit arrangement the Xältemäschinenanlage shown in Figure 1 includes two compressors 1, 2,.... are driven by motors 3 or 4. The drive motor 3 of the compressor 1 can be switched to two different speeds and is provided with a pole-changing switch for this purpose with which the system can be set to automatic or manual operation en can. For the "automatic" position, a pressure regulator 9 is provided as a measuring or control element, which actuates a differential relay 10. As soon as there is a difference in the number of ampere turns in the two coils 11 and 12 of this differential relay due to the change in the current strength, the switching tongue 13 is via the lines 14 and 15 contact and switches the roller switch 16. The connection of the differential relay 10 to the network takes place with the Terminals 17 and 18.

Der Walzenschalter 16 besteht, wie bekannt, aus einem Wechselstrom-Reversiermotor 19, der im vorliegenden Beispiel sechs Schaltscheiben trägt, die durch die sechs Kontakte 20 bis 25 schematisch dargestellt sind. 26 und 27 sind Endkontakte; die den Motor 19 in den Endstellungen des Walzenschalters abschalten. Der Kontakt 28 dient als Startkontakt des Walzenschalters. Ein Verriegelungs.relais 29 sorgt für automatische Zurückstellüüg des Walzenschalters nach Ansprechen eines Sicherheits-Druckreglers 30, so daß die Wiefdereinschaltung erst nach Rückkehr des Apparates in Nullstellung möglich ist. Es ist noch im Walzenschalter 16 ein, Rückführpotentioineter 31 eingebaut; welches der Verstellung des Gebers 9 elektrisch entgegenwirkt und das Differentialrelais wieder in die neutrale Stellung bringt.As is known, the roller switch 16 consists of an alternating current reversing motor 19 which, in the present example, carries six switching disks, which are shown schematically by the six contacts 20 to 25. 26 and 27 are end contacts; which switch off the motor 19 in the end positions of the roller switch. The contact 28 serves as the start contact of the roller switch. A locking relay 29 ensures that the roller switch is automatically reset after a safety pressure regulator 30 has responded, so that it can only be switched on again after the apparatus has returned to its zero position. A feedback potentiometer 31 is also built into the roller switch 16; which electrically counteracts the adjustment of the encoder 9 and brings the differential relay back into the neutral position.

Im vorliegenden Fall weist der Walzenschalter siebzehn Stellungen auf; denen das stufenweise Zu- bzw. Abschalten der einzelnen Kompressoren obliegt. Diese Schaltstufen sind dem kontinuierlichen Regelbereich des Druckreglers 9 proportional angepaßt und zageordnet. Im Steuerdiagramm der Fig. 2 sind horizontal die siebzehn Schaltstufen des Walzenschalters 16 aufgetragen, In Pornvon Zeitdiagrammen ist unter der Horizontalathse die Dauer einer ganzen Umdrehung des Walzenschalters aufgeteilt, wobei vertikal von oben nach unten der Reihe nach die Einschaltzeiten der Kontakte 26 bis 28 und der Schaltscheiben 20 bis 25 aufgeführt sind; Wie dhtlidh# °ist also die Kompressorensteuerung eine Funktion des Druckes und nicht der Zeit: Die Laufzeit des Walzenschalters muß natürlich den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden und soll üblicherweise höchstens so groß sein, daß der Walzensehalter den schnellsten auftretenden Stellungsänderungen des Meßorgans praktisch noch ohne Verzögerung folgen kann. Die Zeit für den Übergang von einer Schaltstufe zur nächsten beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 7 Sekunden, so daß der Walzenschalter eine volle Umdrehung in etwa 2 Minuten ausführt.In the present case, the roller switch has seventeen positions; who are responsible for the step-by-step switching on and off of the individual compressors. These switching stages are proportionally adapted to the continuous control range of the pressure regulator 9 and are arranged in a zageordered manner. In the control diagram of FIG. 2, the seventeen switching stages of the roll switch 16 are plotted horizontally, In Pornvon time charts of the Horizontalathse the duration of a complete revolution of the roller switch is divided, said vertically from top to bottom in order, the turn-on of the contacts 26 to 28 and Switching disks 20 to 25 are listed; Like dhtlidh # °, the compressor control is a function of the pressure and not of the time: The running time of the roller switch must of course be adapted to the respective needs and should usually be at most so large that the roller holder follows the fastest changes in position of the measuring element with practically no delay can. The time for the transition from one switching stage to the next is about 7 seconds in the present embodiment, so that the roller switch performs a full rotation in about 2 minutes.

Mit 32, 33 und 34 sind Einschaltrelais bezeichnet, die die Steuerbefehle der Schaltscheiben 20 bis 25 an die Schütze 5, 6 und 7 der Kompressoren 1 und 2 weiterleiten. Bei entsprechend robusterer Ausführung des Walzenschalters 16 können diese Schütze 5, 6 und 7 aber auch direkt ohne Einschaltrelais geschaltet werden.With 32, 33 and 34 switch-on relays are designated, which forward the control commands of the switching disks 20 to 25 to the contactors 5, 6 and 7 of the compressors 1 and 2. With a correspondingly more robust design of the roller switch 16, however, these contactors 5, 6 and 7 can also be switched directly without a switch-on relay.

Die Anlage gemäß der erfindungsgemäßen Schaltanordnung arbeitet wie folgt: Bei Erreichung eines minimalen Druckes schaltet der Druckregler 9 das Differentialrelais 10 ein. Danach läuft der Motor 19 an. Nach dem Startkontakt 28, in dessen Stromkreis der Sicherheits-Druckregler 30 eingeschaltet ist, schließt bei der dritten Schaltstufe des Walzenschalters der Kontakt 20 der ersten Schaltscheibe. Das Schaltrelais 32 spricht an und hält sich über den Kontakt 21 der zweiten Schaltscheibe. Hierdurch wird das Schütz 5 unter Strom gesetzt, und der Kompressor 1 läuft in der Stufe I an.The system according to the switching arrangement according to the invention works as follows: When a minimum pressure is reached, the pressure regulator 9 switches the differential relay 10 on . The motor 19 then starts up. After the start contact 28, in whose circuit the safety pressure regulator 30 is switched on, the contact 20 of the first switching disk closes at the third switching stage of the roller switch. The switching relay 32 responds and is held via the contact 21 of the second switching disk. This energizes the contactor 5 and the compressor 1 starts up in stage I.

Ist der Kältebedarf wesentlich höher als diä Lei=-stung der Stufe I des Kompressors 1, so läuft der Walzenschalter weiter. Bei der siebenten Schaltstufe desselben schließt der Kontakt 22 der dritten Schaltscheibe. Der Stromkreis für das Relais 33 wird geschlossen, welches Haltestrom über den Kontakt 23 der vierten Schaltscheibe erhält. Gleichzeitig fällt das Relais 32 ab, so daß die Stufe II des Kompressors 1 eingeschaltet und der Motor 3 mit entsprechend erhöhter Drehzahl betrieben wird.If the cooling requirement is significantly higher than the output of stage I of compressor 1, the roller switch continues to run. At the seventh switching stage of the same, the contact 22 of the third switching disk closes. The circuit for relay 33 is closed, which receives holding current via contact 23 of the fourth switching disk. At the same time, the relay 32 drops out, so that stage II of the compressor 1 is switched on and the motor 3 is operated at a correspondingly increased speed.

Bei immer noch steigendem Kältebedarf erfolgt bei der elften Schaltstufe des Walzenschalters 16 die Zuschaltung des Kompressors 2 zur Stufe I des Kompressors 1. Das dem Kompressor 2 zugeordnete Relais 34 wird über den Kontakt 24 der fünften Schaltscheibe erregt und erhält Haltestrom über den Kontakt 25 der sechsten Schaltscheibe: Bei der fünfzehnten Schaltstufe des Walzenschalters 16 wird die letzte Kältestufe erreicht, dadurch, daß die Stufe II des Kompressors 1 zum Kompressor 2 zugeschaltet wird.If the demand for cold is still increasing, the eleventh switching stage of the roller switch 16 switches on the compressor 2 to stage I of the compressor 1. The relay 34 assigned to the compressor 2 is energized via the contact 24 of the fifth switching disk and receives holding current via the contact 25 of the sixth Switching disk: At the fifteenth switching stage of the roller switch 16, the last cold stage is reached, in that stage II of compressor 1 is switched on to compressor 2.

Wenn nun infolge äußerer Umstände oder der geleisteten Kältearbeit der Kältebedarf sinkt, kommt zunächst die Stufe II des Kompressors 1 zum Abschalten. Die Einschaltung dieser Leistungsstufe erfolgte bei der fünfzehnten Schaltstufe des Walzenschalters, die Abschaltung derselben hingegen findet erst bei der elften Schaltstufe statt, wodurch die Drehzahl des Motors 3 zwecks Einschaltung der Stufe I auf die niedrigere Stufe üblicherweise verzögert herabgesetzt wird. Damit erreicht man eine verhältnismäßig träge Regelung, da die Zeit zum Ein- bzw. Ausschalten der nächsten Leistungsstufe in unserem Falle drei ganze Schaltstufen des Walzenschalters beträgt und folglich einem relativ großen- Teil des am Steuerorgan 9 eingestellten Regelbereiches entspricht. Die Trägheit der Kompressorensteuerung-ist somit nicht mehr eine Funktion einer durch Verzögerungsrelais bestimmten Zeit; sondern eine Funktion des Druckes. Für den weiteren Ablauf bei weiterhin sinkendem Kältebedarf wiederholt sich bei den siebenten und dritten Schaltstufen der bei der elften Schaltstufe beschriebene Vorgang. Der Walzenschalter 16 gelangt schließlich in die Anfangsstellung zurück.If now as a result of external circumstances or the cold work performed If the refrigeration requirement falls, stage II of compressor 1 is switched off first. This power level was switched on at the fifteenth switching level of the roller switch, but the switch-off does not take place until the eleventh Switching stage instead, whereby the speed of the motor 3 for the purpose of switching on the stage I is usually reduced to the lower level with a delay. Achieved with it a relatively sluggish regulation, since the time to turn the next power level in our case three whole switching levels of the roller switch and consequently a relatively large part of that set on the control element 9 Corresponds to the control range. The inertia of the compressor control is thus not more a function of time determined by delay relays; but a Function of pressure. For the rest of the process if it continues to decline The refrigeration requirement is repeated for the seventh and third switching stages of the the eleventh switching step. The roller switch 16 finally arrives back to the starting position.

An Hand der Schaltanordnung der Fig. 2 soll nun erklärt werden, warum sich die gestaffelte Ein- und Ausschaltung der einzelnen Kompressorenstufen nach dem beschriebenen Verfahren so vorteilhaft gegenüber dem bekannten Schaltprogramm auswirkt.Using the circuit arrangement of FIG. 2, it will now be explained why the staggered switching on and off of the individual compressor stages the method described is so advantageous over the known switching program affects.

Bei einem plötzlich auftretenden Kältebedarf oder sogar beim überschreiten der höchstzulässigen Erwärmung des zu kühlenden Raumes lassen sich im vorliegenden Falle alle Kompressoren innerhalb sehr kurzer Zeit einschalten, so daß eine praktisch verzugslose maximale Abkühlung eintreten kann.If there is a sudden need for cold or even if it is exceeded the maximum permissible heating of the room to be cooled can be determined in the present Trap all compressors on within a very short time, so one handy immediate maximum cooling can occur.

Befindet sich aber die Regelung bei sinkendem Kältebedarf auf einem labilen Betriebspunkt, beispielsweise auf der achten Schaltstufe, so werden beim übergang zur siebenten Schaltstufe der Kompressor 2 und die Stufe I des Kompressors 1 abgeschaltet und die Stufe 1I des Kompressors 1 eingeschaltet. Findet nun aber keine unmittelbare Zustandsänderung des zu steuernden Mediums statt, so bleibt die Stufe II des Kompressors 1 eingeschaltet. Es tritt erst dann wieder ein Schaltvorgang ein, wenn der Druck auf einen der elften bzw. dritten Schaltstufe des Walzenschalters entsprechenden Wert gestiegen bzw. gesunken ist.If, however, the regulation is at an unstable operating point when the refrigeration requirement falls, for example at the eighth switching stage, then compressor 2 and stage I of compressor 1 are switched off and stage 1I of compressor 1 is switched on during the transition to the seventh switching stage. If, however, there is no immediate change in the state of the medium to be controlled, then stage II of compressor 1 remains switched on. A switching process only occurs again when the pressure has risen or fallen to a value corresponding to the eleventh or third switching stage of the roller switch.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Switching arrangement for gradual power control of air conditioning systems, characterized in that the switching stages of a switch-on and holding current segments equipped roller switch the continuous control range a control member are proportionally adapted and assigned, so that the effective times of the individual performance levels one after the other, initially individually, then in groups Split over the duration of a full revolution of the roller switch, such that These operating times, which are controlled by the switching disks of the roller switch, are largely different overlap and that the switch-on control circuit switched on and off by a switch-on switching disk each power level is assigned to that switching level of the roller switch, the one between the highest or lowest switching step of the next lower or next higher performance level.

2. Switching arrangement according to claim 1, characterized characterized in that a control relay is provided for each power level, which responds via the switch-on control circuit of the relevant power level and Holding current received via the active control circuit of the same power stage.

3. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that with a correspondingly more robust design of the roller switch, the contactors of the individual power levels are not via control relays, but can be controlled directly by the roller switch. Considered publications: German patent application K4834Ia / 27b (published May 15, 1952).