ES2282420T3 - Un sistema de control de refrigeracion para un ambiente a ser refrigerado, un metodo para controlar un sistema de refrigeracion, y un refrigerador. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de control de refrigeración para refrigerar un ambiente a ser refrigerado (11), comprendiendo el sistema: un compresor (7) accionado por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm), teniendo el compresor (7) una capacidad variable (5), un controlador (2) que mide una carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de la corriente eléctrica (lm) y que verifica la condición de temperatura dentro del ambiente refrigerado (11) y actúa sobre la capacidad de refrigeración (S) del compresor (7), controlando el controlador (2) al compresor (7) para que actúe por ciclos, siendo alterada la capacidad de refrigeración (S) en función de una evolución de la carga (Ln) del compresor (7) a lo largo de los ciclos de refrigeración en combinación con una evolución de la condición de temperatura en el ambiente refrigerado (11).
Description
Un sistema de control de refrigeración para un
ambiente a ser refrigerado, un método para controlar un sistema de
refrigeración, y un refrigerador.
El presente invento se refiere a un sistema de
control de refrigeración para un ambiente a ser refrigerado, a un
método para controlar un sistema de refrigeración, así como a un
refrigerador, en particular a uno en el que se hace uso de un
compresor con capacidad variable aplicado a sistemas de
refrigeración en general, permitiendo este sistema y este método
emplear termostatos usuales del tipo de los que alteran la condición
de conducción de un contacto, dependiendo de los límites máximo y
mínimo de la temperatura del compartimiento o ambiente a ser
refrigerado, permitiendo el ajuste de la rotación o de las
características del compresor, de modo que se hagan máximas las
actuaciones del sistema de refrigeración.
El objetivo básico de un sistema de
refrigeración es mantener una baja temperatura dentro de uno o más
compartimientos o ambientes a ser refrigerados, haciendo uso de
dispositivos que conduzcan el calor fuera de estos últimos, al
ambiente externo, recurriendo para ello a mediciones de la
temperatura dentro de dicho compartimiento (o compartimientos) o
ambiente (ambientes) para controlar los dispositivos responsables de
conducir el calor, tratando de mantener la temperatura dentro de
límites previamente establecido para el tipo de sistema de
refrigeración en cuestión.
Dependiendo de la complejidad del sistema de
refrigeración y del tipo de aplicación, los límites de la
temperatura a ser mantenidos están más o menos restringidos.
Un modo usual de evacuar calor de un sistema de
refrigeración al ambiente externo consiste en usar un compresor
hermético conectado a un circuito cerrado de refrigeración (o
circuito de refrigeración), a través del cual circula un fluido o un
gas de refrigeración, teniendo este compresor la función de hacer
que el gas de refrigeración fluya dentro del circuito cerrado de
refrigeración, y que sea capaz de imponer una determinada diferencia
de presión entre los puntos en donde tenga lugar la evaporación y la
condensación del gas de refrigeración, a fin de que tengan lugar los
procesos de conducir el calor y crear una baja temperatura.
Los compresores están dimensionados para
suministrar una capacidad de refrigeración más alta que la requerida
en una situación de funcionamiento normal, y se han previsto
situaciones críticas. Es por lo tanto necesaria una cierta clase de
modulación de la capacidad de refrigeración del compresor para
mantener la temperatura en el interior del armario dentro de límite
superior aceptables.
El modo más corriente de modular la capacidad de
refrigeración de un compresor es conectarlo y desconectarlo, de
acuerdo con la evolución de la temperatura dentro del ambiente a ser
refrigerado. En este caso, se recurre a un termostato que conecta el
compresor cuando la temperatura en el ambiente a ser refrigerado
excede del límite previamente establecido, y lo desconecta cuando la
temperatura en el ambiente haya alcanzado un límite inferior también
previamente establecido.
Una solución conocida para este dispositivo de
control para controlar el sistema de refrigeración es la combinación
de un bulbo que contiene un fluido que se expande con la
temperatura, instalado de modo que quede expuesto a la temperatura
en el interior del ambiente a ser refrigerado y conectado
mecánicamente a un conmutador electromecánico que es sensible a esa
expansión y contracción del fluido que está dentro del bulbo. De
acuerdo con su aplicación, es capaz de conectar y desconectar el
conmutador para temperaturas previamente definidas. Este conmutador
interrumpe la corriente suministrada al compresor, controlando su
funcionamiento, manteniendo el ambiente interno del sistema de
refrigeración dentro de límites de temperatura previamente
establecidos.
Este es, además, el tipo más generalizadamente
usado de termostato, dado que es simple, pero tiene la limitación de
no permitir el ajuste de la velocidad de un compresor de capacidad
variable, ya que genera la orden de abrir y cerrar un contacto que
es el responsable de interrumpir la alimentación de energía
eléctrica al compresor.
Otra solución para controlar el sistema de
refrigeración es la de usar un circuito electrónico capaz de leer el
valor de la temperatura dentro del ambiente refrigerado, por ejemplo
por medio de un sensor de temperatura electrónico
PTC-TYPE (del tipo de Coeficiente de Temperatura
Positivo); o todavía otra, en la que se compara ese valor de la
temperatura leído con referencias predeterminadas, generándose una
señal de mando al circuito que gestiona la energía alimentada al
compresor, que proporciona la modulación correcta de la capacidad de
refrigeración, de modo que se mantenga la temperatura deseada dentro
del ambiente refrigerado, ya sea conectando el compresor, o ya sea
desconectándolo, o bien variando la capacidad de refrigeración
suministrada, en el caso en que el compresor sea del tipo de
capacidad variable. Una limitación de este tipo de termostato es el
hecho de que el mismo entraña un coste adicional para favorecer el
ajuste de la velocidad del compresor, que requiere su correcta
adaptación para esa función, por medio de alguna capacidad y
algoritmos de procesado lógico y de control que definan la velocidad
de funcionamiento correcta del compresor, ejecutados en el circuito
del termostato, por separado del control sobre el compresor.
\newpage
Otra solución para controlar la temperatura en
un ambiente refrigerado se ha descrito en el documento US
4.850.196, en el cual se describe un sistema de refrigeración que comprende un compresor, un condensador, una válvula de expansión, y evaporadores, además de un control sobre la alimentación de energía al compresor. Este control e efectúa por medio de un microprocesador, de acuerdo con una lectura de salida de la temperatura de un termostato, que determina la alimentación de energía, o la no alimentación de energía, al compresor, sobre la base de límites máximo y mínimo predeterminados de la temperatura. De acuerdo con este sistema, se prevé el control del tiempo de funcionamiento del compresor, dependiendo de la temperatura medida en el ambiente refrige-
rado.
4.850.196, en el cual se describe un sistema de refrigeración que comprende un compresor, un condensador, una válvula de expansión, y evaporadores, además de un control sobre la alimentación de energía al compresor. Este control e efectúa por medio de un microprocesador, de acuerdo con una lectura de salida de la temperatura de un termostato, que determina la alimentación de energía, o la no alimentación de energía, al compresor, sobre la base de límites máximo y mínimo predeterminados de la temperatura. De acuerdo con este sistema, se prevé el control del tiempo de funcionamiento del compresor, dependiendo de la temperatura medida en el ambiente refrige-
rado.
También es conocida de la técnica anterior la
solución presentada en el documento WO 98/15790, en el cual se
ajusta mediante el controlador la velocidad del eje y, por
consiguiente, la capacidad de refrigeración del compresor,
recurriendo a la información sobre la apertura y el cierre de los
contactos de un simple termostato, del tipo que favorece la apertura
y el cierre de los termostatos de un conmutador, dependiendo de dos
límites de temperatura. Esta técnica ajusta la velocidad del
compresor a cada ciclo de funcionamiento, reduciendo la velocidad
del compresor en cada ciclo, por pasos previamente definidos.
La limitación que impone esta solución es la de
que se busca la condición de funcionamiento adecuada para el
compresor paso a paso en cada ciclo, lo que hace que el sistema sea
más lento, y limita sus beneficios. También tiene una limitación en
cuanto al tiempo de reacción, cuando se requiere un incremento
sustancial de la capacidad de refrigeración a lo largo de un ciclo
de refrigeración, limitando la capacidad de estabilización de la
temperatura, y limitando la respuesta a la adición de cargas
térmicas al refrigerador.
Otra solución conocida de la técnica anterior se
ha descrito en el documento US 5.410230, en el que se propone un
control, mediante el cual se ajusta la velocidad de funcionamiento
del compresor en respuesta a la temperatura y a un punto determinado
del sistema de refrigeración, lo que requiere un circuito de
medición de la temperatura, con las consiguientes desventajas en
cuanto a coste.
Otra referencia de la técnica anterior se ha
descrito en el documento EP0278630. Este documento se refiere a un
sistema de compresor para refrigeración, en el que se usa un
compresor de accionamiento alternativo, con capacidad continuamente
variable, el cual incluye un controlador que vigila uno o más
parámetros físicos indicadores de la temperatura de la aplicación
que esté siendo refrigerada, tal como la de la propia temperatura
y/o la presión en el compresor, y hace uso de un algoritmo para
ajustar la velocidad del compresor de modo que se mantengan los
parámetros vigilados dentro de un margen fijado como objetivo
previamente definido.
Los objetivos del presente invento son los de
proporcionar medios para controlar la temperatura dentro de un
sistema de refrigeración, y determinar la velocidad de
funcionamiento del compresor de capacidad variable, haciendo para
ello uso de un termostato usual del tipo que abre y cierra un
contacto en respuesta a un límite máximo y a un límite mínimo de la
temperatura dentro del compartimiento refrigerado.
Otro objetivo del presente invento es el de
proporcionar un control para un sistema de refrigeración, capaz de
determinar la velocidad de funcionamiento de un compresor de
capacidad variable, en el que se prescinde de la necesidad de
termostatos electrónicos con alta capacidad de procesado lógico y,
por lo tanto, que es un sistema más económico.
Otro objetivo del presente invento es el de
proporcionar un control para un sistema de refrigeración, capaz de
determinar la velocidad de funcionamiento de un compresor de
capacidad variable, que determine la velocidad de funcionamiento más
adecuada de funcionamiento del compresor, haciendo así mínimo el
consumo de energía.
Otro objetivo del presente invento es el de
proporcionar un control para un sistema de refrigeración, capaz de
determinar la velocidad de funcionamiento de un compresor de
velocidad variable, reduciendo al mínimo el tiempo de respuesta a
las variaciones en las cargas térmicas impuestas al sistema de
refrigeración.
Otro objetivo del presente invento es el de
proporcionar un control para un sistema de refrigeración, capaz de
determinar la velocidad de funcionamiento de un compresor de
capacidad variable, que corrige la capacidad de funcionamiento del
compresor a lo largo del ciclo de funcionamiento que se esté
siguiendo.
De acudo con el presente invento, se proporciona
un sistema de control de refrigeración para refrigerar un ambiente a
ser refrigerado (11),
comprendiendo el sistema:
- un compresor (7) accionado por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm), teniendo el compresor (7) una capacidad variable (5), un controlador (2) que mide una carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de la corriente eléctrica (lm) y verificando la condición de temperatura dentro del ambiente refrigerado (11), y actuando sobre la capacidad de refrigeración (S) del compresor (7), estando caracterizado el sistema porque:
- el controlador (2) controla el compresor (7) para que actúe por ciclos, siendo alterada la capacidad de refrigeración (S) en función de la evolución de la carga (Ln) del compresor (7) a lo largo de los ciclos de refrigeración en combinación con la evolución de la condición de temperatura en el ambiente refrigerado (11).
De acuerdo con el presente invento, se
proporciona además un método para controlar un sistema de
refrigeración que comprende un compresor (7), que tiene una carga
(Ln), y aplicar cíclicamente una capacidad de refrigeración (S) al
ambiente refrigerado (11), siendo variable la capacidad de
refrigeración (S), estando caracterizado el método porque comprende
los siguientes pasos:
- -
- medir la carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de una corriente eléctrica (lm) a lo largo de un ciclo de refrigeración, siendo iniciado el ciclo cuando la condición de temperatura en el ambiente refrigerado indique que la temperatura (T) es más alta que un valor máximo permitido (T_{1}).
- -
- calcular una relación (L_{2}/L_{1}) entre el valor almacenados de una segunda variable (L_{2}) y el valor almacenado de una tercera variable (L_{1}), correspondiendo la segunda variable (L_{2}) a la carga (Ln) del presente ciclo de refrigeración, y correspondiendo la primera variable a la caga (Ln) anterior a la última alteración de la capacidad (S del compresor (7),
- -
- siguiendo los pasos de:
- a)
- alterar el valor de la capacidad de refrigeración (S) si \frac{L2}{L1} > R entonces S = \frac{S . L2}{L1}.K y almacenar el valor {}\hskip17cm de la segunda variable (L_{2}) en la primera variable (L_{1}), siendo (R) un valor de referencia previamente establecido, y siendo (K) un valor constante previamente establecido, o bien
- b)
- mantener la presente capacidad de refrigeración (S) si \frac{L2}{L1} \leq R entonces S = S y mantener el valor de la primera variable (L_{1}).
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con el presente invento, se
proporciona además un refrigerador que comprende:
- -
- un compresor (7) de capacidad (S) variable,
- -
- un controlador (2) que controla la capacidad (S) del compresor (7), siendo accionado el compresor (7) por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm),
- -
- un evaporador (10); y
- -
- estando asociado el evaporador (10) con el compresor (7), y estando situado en al menos un ambiente refrigerado (11),
- -
- haciendo actuar el controlador (2) al compresor (7) en ciclos de refrigeración para mantener la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) dentro de límite superior máximo y mínimo previamente establecidos (T_{1}, T_{2}) de las condiciones de temperatura,
estando caracterizado el refrigerador
porque:
- el controlador (2) mide la carga (Ln) del compresor (7) y actúa sobre la capacidad de refrigeración (S) del compresor (7) en función de la carga (Ln) en el compresor, en combinación con la condición de temperatura en el ambiente refrigerado (11),
- efectuándose la medición de la carga (Ln) del compresor (7) mediante la medición de la corriente eléctrica (lm).
A continuación se describirá el presente invento
con mayor detalle, con referencia a una realización representada en
los dibujos. En los dibujos se ha ilustrado:
- en la Figura 1: un diagrama esquemático del
sistema de control para controlar la refrigeración de un ambiente
refrigerado de acuerdo con el presente invento;
- en la Figura 2: un organigrama del método
de control para el sistema de refrigeración de acuerdo con el
presente invento;
- en la Figura 3: un detalle de las
características del método usado en el sistema del presente
invento;
- en la Figura 4: un diagrama esquemático del
circuito de control del compresor de acuerdo con el presente
invento;
- en la Figura 5a: la relación entre la
temperatura de evaporación en el compresor y la carga mecánica
resultante;
- en la Figura 5b: la relación entre la carga
mecánica sobre el compresor y la corriente en las fases del
motor;
- en la Figura 5c: la relación entre la carga
mecánica en el compresor y la potencia absorbida por el compresor,
con diferentes velocidades de rotación;
- en la Figura 6: las curvas de potencia y la
carga mecánica del compresor, relacionadas con la temperatura
interna del ambiente refrigerado y relacionadas con la capacidad de
refrigeración ajustada para el compresor, en un período de
funcionamiento inicial del sistema; y
- en la Figura 7: las curvas de potencia y
caga mecánica del compresor, relacionadas con la temperatura interna
del ambiente refrigerado y relacionadas con la capacidad de
refrigeración ajustada para el compresor, en un período de régimen,
cuando se añade la carga del termostato al sistema de
refrigeración.
De acuerdo con la Figura 1, el sistema comprende
básicamente un condensador 8, un evaporador 10 situado en un
ambiente 11 a ser refrigerado, un elemento de control capilar 9 y un
compresor 7. Puede incluir un termostato 4 y un controlador
electrónico 2 para controlar la capacidad S del compresor 7, el cual
actúa por ciclos. El compresor 7 favorece el flujo del gas dentro
del circuito de refrigeración 12, lo cual conduce a la evacuación de
calor del ambiente a ser refrigerado 11. Un sensor 6 de la
temperatura que integra el termostato 4 verifica la temperatura y
compara los resultados de esa verificación con límites previamente
definidos T_{1}, T_{2}, con objeto de suministrar al circuito de
control 2 la información 5 acerca de esa condición de temperatura
dentro del ambiente a ser refrigerado 11. El circuito 2 de control
de la capacidad del compresor 7 absorbe un valor de la potencia 1 de
la red de alimentación, y suministra corriente 3 al motor M del
compresor 7.
De acuerdo con la Figura 2, el sistema de
control controlado por medio de un método de control del presente
invento consiste en establecer en un primer ciclo de refrigeración
del sistema de refrigeración, una capacidad de refrigeración S
previamente definida de un alto valor S1, que hace que el compresor
7 facilite un alto nivel de masa y, por consiguiente, una rápida
reducción de la temperatura T del ambiente refrigerado 11. Esa alta
capacidad de refrigeración S_{1} puede conseguirse aumentando la
velocidad de funcionamiento del compresor 7. De acuerdo con los
principios del presente invento, se mide la carga Ln del compresor 7
a lo largo del primer ciclo de refrigeración, cuando el compresor
está funcionando, y se mantiene el compresor en funcionamiento hasta
que la temperatura refrigerada 11 alcance el valor de la temperatura
mínimo deseado T_{1}. Entonces se desconecta el compresor 7, y se
almacena la carga media L_{1} demandada por el compresor 7 al
final del primer ciclo de refrigeración inmediatamente antes de ser
desconectado el mismo.
En esta situación, con el compresor 7
desconectado, el ambiente refrigerado 11 empieza a calentarse,
debido a la fuga de calor a través del aislamiento del ambiente
refrigerado 11, y debido a las cargas térmicas que pueden ser
añadidas al interior de este último, que hacen que aumente la
temperatura T. El aumento de la temperatura T hará que el ambiente
refrigerado 11 alcance la máxima temperatura permitida T_{2}.
Entonces el termostato 4 enviará una señal 5 al control 2,
informando de la detección de esa condición de temperatura, que
manda la desconexión del compresor 7. De acuerdo con el método de
control propuesto para controlar un sistema de refrigeración, el
compresor 7 será conectado de nuevo con una capacidad de
refrigeración previamente definida S= S_{2}, elegida de modo que
favorezca el funcionamiento del sistema que consume el mínimo valor
posible de energía. Esta capacidad de refrigeración S_{2}, de más
alto rendimiento, corresponde en general a la mínima capacidad del
compresor 7, la cual corresponde a la más baja velocidad de
funcionamiento en el caso de compresores de movimiento de rotación
de capacidad variable. La medición de la carga Ln impuesta sobre el
compresor 7 después de ser éste conectado, se hace después de que
haya transcurrido un período de transición previamente definido
t_{1}, que depende básicamente de las características
constructivas del sistema de refrigeración a ser controlado. En ese
período, las presiones de funcionamiento están siendo establecidas,
y el valor de la carga Ln impuesta sobre el compresor 7 todavía no
representa adecuadamente la condición de carga térmica del compresor
de refrigeración. Después de transcurrido el período de transición
t_{1}, se mide periódicamente el valor de la carga media L_{2}
impuesta sobre el compresor 7, a intervalos de tiempo
predeterminados t_{2}. Luego se calcula la relación
L_{2}/L_{1} entre el valor de la carga media L_{2} en el
último período de funcionamiento, y el valor de la caga L_{1}
sobre el compresor 7 en el ciclo de refrigeración precedente; esta
relación se compara entonces con una constante previamente definida
R. La capacidad de refrigeración S del compresor 7 será corregida en
una proporción K de esa relación entre las cargas L_{2}/L_{1},
si esa relación es más alta que la constante previamente definida R.
En esas condiciones, se actualiza el valor de la caga L_{1} con el
último valor de la carga L_{2} medido en el presente ciclo de
refrigeración. La capacidad de refrigeración S del sistema será
mantenida si la relación L_{2}/L_{1} entre las cargas es más
baja que la constante R.
si
\;\frac{L2}{L1} > R
\;entonces
\;S = \frac{S . L2}{L1}.K,
\;y
\;L_{1} = L_{S}
\;si
\;\frac{L2}{L1} \leq R
\;entonces
\;S = S
La constante R es predefinida en función de la
sensibilidad a las variaciones de la carga térmica requerida para
que sea controlado el sistema de refrigeración, y la constante K es
un factor previamente definido, el cual depende de la rapidez de la
evolución de las temperaturas requerida requeridas para el sistema
de refrigeración, en el caso de que tenga lugar una variación de la
carga térmica. Típicamente, tales valores pueden ser aproximadamente
los siguientes: R = 1,05 y K = 1,20.
Luego se verifica la condición de la temperatura
T dentro del ambiente refrigerado 11, manteniéndose el compresor 7
en funcionamiento si no se h alcanzado la temperatura mínima
T_{1}, repitiéndose la medición de la carga Ln del compresor 7 en
períodos de tiempo previamente definidos t_{2}, actualizándose el
valor de la carga del último período de funcionamiento L_{2},
repitiendo el ciclo de comparación de la relación entre el ciclo de
funcionamiento precedente L_{1} y el valor de la carga del último
ciclo de funcionamiento L_{2}, comparando esa relación con una
constante R y corrigiendo la capacidad de refrigeración S, comos e
ha descrito en lo que antecede.
Este ciclo se repetirá hasta que la temperatura
T dentro del ambiente refrigerado 11 alcance el valor de la
temperatura mínima T_{1} y se mande al compresor 7 que desconecte.
Entonces se transfiere el valor de la carga del compresor 7 en el
último período de funcionamiento L_{2} a la variable que mantiene
el valor de la carga del ciclo precedente L_{1}, siendo mantenido
desconectado el compresor hasta que la temperatura dentro del
ambiente refrigerado 11 aumente y alcance el valor máximo T_{2}.
Entonces se manda al compresor 7 que funcione de nuevo en un nuevo
ciclo de refrigeración, de nuevo con una capacidad de refrigeración
S igual a un valor S_{2} previamente definido correspondiente a
una condición de más bajo consumo de energía, repitiéndose todo el
ciclo.
En la Figura 3 se ha ilustrado la relación entre
la condición de temperatura T en el ambiente refrigerado 11 y la
señal de mando 5 suministrada por el termostato 4, el cual percibe
la temperatura mediante el sensor 6 y genera una señal 5, la cual
indicará si la temperatura T ha alcanzado el valor mínimo T_{1} o
el valor máximo T_{2}, provisto de una histéresis, como se ha
ilustrado en el gráfico.
En la Figura 4, en la cual se describe en
detalle el control 2 de la capacidad electrónica del compresor 7, en
el que la corriente lm alimentada al motor M circula a través de las
delgas de un puente de inversión Sri y a través de la resistencia Rs
en la cual se genera una caída de voltaje Vs, que es proporcional a
la corriente lm que circula a través del motor M aplicada por la
fuente F. La información de la tensión de alimentación V aplicada al
motor M, la información del voltaje Vs en la resistencia Rs de
percepción de la corriente, y el voltaje de referencia VO, se
suministran a un circuito de procesado de la información 21, el cual
consiste en un microcontrolador o en un procesador de señales
digitales. La carga o el par mecánico Ln en el motor M del compresor
7 es directamente proporcional a la corriente lm que circula a
través de los devanados de ese motor M. En el caso de motores con
imanes permanentes sin escobillas, esa relación es virtualmente
lineal. Puede entonces efectuarse el cálculo bastante preciso de la
carga Ln del compresor 7, observando para ello el valor de la
corriente lm que circula a través de la resistencia Rs de
resistencia a la corriente, la cual es medida por medio del voltaje
Vs en esa resistencia Rs por el circuito 21 de procesado de la
información. La carga Ln del compresor 7 obedece aproximadamente a
una relación lineal entre el voltaje en la resistencia Rs de
percepción de la corriente, y una constante de corrección
K_{par}.
Ln = Vs .
K_{par}
En el caso de que haya una modulación de anchura
de los impulsos del voltaje en el motor M, el valor medio de la
corriente Ln en las fases del motor M corresponde a la media del
valor de la corriente observada en la resistencia Rs de percepción
de la corriente, calculada durante los períodos en los cuales las
delgas de los puentes de inversión Sn están cerradas, dado que la
corriente lm que circula a través de los devanados del motor M no
circula a través de la resistencia de percepción Rs durante el
período en el cual están abiertas las teclas Sn.
Un modo alternativo de cálculo de la carga Ln en
el compresor 7 consiste en dividir el valor de la potencia P
suministrada al motor M por la velocidad de giro del motor,
calculándose esa potencia P mediante el producto del voltaje V por
la corriente lm en el motor M. De este modo, el valor de la carga en
el compresor 7 puede calcularse mediante la expresión:
Ln = \frac{V .
lm}{Velocidad \ de \
giro}
Como se ha ilustrado en la Figura 5a, el par del
motor M o la carga Ln en el compresor 7 mantienen una
proporcionalidad con la temperatura de evaporación E, la que a su
vez mantiene una fuerte correlación con la carga térmica en el
sistema de refrigeración. De este modo, cuando el ambiente
refrigerado 11 está más alto, a una temperatura T, por ejemplo,
durante un período inicial de funcionamiento del sistema a ser
controlado, o bien cuando se añade una carga térmica al interior del
ambiente refrigerado 11, la temperatura de evaporación E en el
evaporador 10 es más alta, requiriendo más trabajo por parte del
compresor 7, lo que da por resultado un mayor par o una mayor carga
Ln en el compresor 7, y, por consiguiente, una corriente más intensa
en las fases del motor M, como se ha indicado en el gráfico de la
Figura 5b. El valor de la potencia P absorbida por el motor M está
directamente relacionado con el par y la velocidad de giro, como se
ha ilustrado en el gráfico de la Figura 6c, donde pueden verse las
capacidades diferentes Sa, Sb y Sc del compresor 7, siendo Sc la
capacidad más alta. La capacidad más alta corresponde a una
velocidad más alta en el caso del compresor con un mecanismo de
giro.
El valor de la carga Ln, caracterizado por el
par sobre el eje del mecanismo de bombeo de gas y, por consiguiente,
del eje del motor, en el caso de compresores de movimiento de
rotación, o bien caracterizado por la fuerza o carga Ln sobre el
émbolo (no representado) en el caso de compresores de movimiento
lineal, depende predominantemente de la temperatura de evaporación
del gas, la cual viene impuesta por el sistema de refrigeración.
Esta temperatura de evaporación corresponde directamente a una
presión de gas, la cual da a su vez por resultado una fuerza sobre
el émbolo del mecanismo de bombeo y, por consiguiente, un par sobre
el eje del mecanismo. Hay una estrecha correlación entre la
temperatura en el ambiente refrigerado y la temperatura de
evaporación del gas, debido al buen acoplamiento térmico entre el
ambiente refrigerado y el evaporador 10. Suponiendo que la
temperatura de evaporación sea constante, esa carga Ln es
esencialmente constante para cualquier rotación de funcionamiento
del compresor, o amplitud de oscilación del émbolo, siendo por lo
tanto una variable que representa muy bien la situación y el
comportamiento del ambiente refrigerado 11. Cuando se manda al
compresor que opere a diferentes capacidades de refrigeración S, lo
cual viene caracterizado por las diferentes velocidades de rotación
o las diferentes carreras del émbolo, el sistema de refrigeración
reacciona, conduciendo a cambios en las presiones de gas, alterando
las temperaturas de condensación y de evaporación, lo que a su vez
causará alteraciones en la carga Ln del compresor.
En el caso de aplicación en un compresor 7 de
tipo lineal, la potencia P que es suministrada al motor M será
proporcional al producto de la carga sobre el respectivo émbolo por
la velocidad de desplazamiento de ese émbolo del compresor 7, y el
controlador 2 será el responsable de controlar la velocidad de
desplazamiento del émbolo.
En otras palabras, la carga Ln es virtualmente
independiente de la rotación/oscilación, dependiendo únicamente de
la temperatura de evaporación del gas que circula a través del ciclo
de refrigeración 12. Factores secundarios influyen en el valor de la
carga Ln cuando se alternan la rotación/oscilación, pero con una
pequeña magnitud, que es despreciable frente al efecto de la
temperatura de evaporación del gas. Algunos de los más importantes
efectos secundarios son la fricción de los materiales y las pérdidas
debidas a la fricción viscosa del gas.
Cuando se manda al compresor que opera a
diferentes velocidades de refrigeración S, lo cual viene
caracterizado por las diferentes velocidades de rotación o las
diferentes carreras del émbolo, el sistema de refrigeración
reacciona, con lo que conduce a cambios en las presiones del gas,
alterando las temperaturas de condensación y de evaporación, lo que
a su vez causará alteraciones en la carga Ln del compresor.
En la Figura 6, se ha ilustrado la evolución de
las variables de la potencia P absorbida por el compresor 7, la cual
actúa en ciclos, el par del motor o la carga Ln del compresor 7, la
temperatura T dentro del ambiente refrigerado 11, y la capacidad de
refrigeración S del compresor 7.
Durante este período inicial de funcionamiento,
cuando la temperatura T sea alta, mucho más alta que el valor mínimo
deseado T_{1}, el método propuesto establece una alta capacidad de
refrigeración S = S_{1}, la cual consiste en una alta rotación de
funcionamiento en el caso de compresores de movimiento de rotación.
Esta condición de alta capacidad de refrigeración S garantiza que la
temperatura T en el sistema refrigerado 11 se reducirá en un tiempo
mínimo, dotando de unas altas actuaciones al sistema de
refrigeración a este respecto. A través del período de
funcionamiento, el termostato 4 observa la temperatura T dentro del
ambiente refrigerado 11, y el circuito de control 2 efectúa la
medición de la carga Ln del compresor 7, y se calcula la media de
ese valor de la carga para el período de tiempo más reciente, siendo
ese período del orden de unos pocos segundos o minutos,
almacenándose el resultado en una variable L_{1}. Cuando la
temperatura T dentro del ambiente refrigerado 11 alcance el valor
mínimo deseado T_{1}, el termostato enviará una orden 5 al
controlador electrónico 2, el cual mandará la parada del
compresor.
Se almacena el valor P_{1} de la potencia
absorbida por el compresor 7 en ese período final de funcionamiento,
anterior a la desconexión, o bien directamente el valor de la carga
L_{1} en el compresor 7 en este período final de la operación.
Tan pronto como la temperatura o la situación de
la temperatura T dentro del ambiente refrigerado 11 aumenta y
alcanza el valor máximo permitido T_{2}, el termostato 4 genera la
orden 5, informando al control 2 de esa situación, haciendo que el
compresor 7 reinicie su funcionamiento. El compresor 7 reiniciará su
funcionamiento ajustado para una capacidad de refrigeración S,
previamente definida S_{2}, la cual favorece el mínimo consumo de
energía. Este valor de la capacidad de refrigeración S_{2} se
determina al tiempo que se diseña el sistema, y corresponde
usualmente a la capacidad de refrigeración mínima del compresor 7,
es decir, a la rotación mínima de funcionamiento en el caso de
compresores de movimiento de rotación.
Inmediatamente después de reiniciarse el
funcionamiento del compresor 7, se observa que el valor de la
potencia P absorbida presenta un pico, lo que es debido a la
transición de las presiones en el sistema de refrigeración, la cual,
después de un período de tiempo t_{1}, alcanza una condición más
estable, y empieza a corresponderse con la condición térmica del
sistema a ser controlado. Este período transitorio puede durar hasta
5 minutos. Para el funcionamiento adecuado del método propuesto, las
mediciones de la carga Ln del compresor 7 se inician después de que
haya transcurrido ese período de tiempo t_{1}. Después de ese
período de espera t_{1} para acomodación de la transición de
partida, se comienza la medición de la carga Ln del compresor 7
durante un intervalo de tiempo determinado t_{2}, estando
determinado ese intervalo de tiempo por la velocidad deseada para
las reacciones del sistema a ser controladas con la adición de las
cargas térmicas, y estando limitado a la propia constante del
sistema de refrigeración, que presenta un cierto retardo por
aparición de variaciones en la presión de evaporación cuando se
impone alguna perturbación térmica en el sistema, como por ejemplo
por adición de un alimento caliente, por apertura prolongada de la
puerta (si se aplican el sistema y el método a un refrigerador),
etc. Este intervalo de tiempo t_{2} puede ser típicamente del
orden desde unos pocos segundos hasta unos pocos minutos. El valor
de la carga L_{2} del compresor 7 se calcula en el período final
de ese intervalo de tiempo t_{2}, y se halla la media de las
últimas lecturas de salida de los valores instantáneos de LN, con el
fin de eliminar las oscilaciones normales debidas a las
perturbaciones presentes en la red de alimentación y los ruidos
inherentes al proceso de medición.
En ese momento, cuando se calculado el valor
medio de la carga del último período L_{2}, el proceso sigue como
se ha ilustrado en la Figura 2.
En la Figura 7 se ha ilustrado una situación en
la cual, inmediatamente después de comenzar el funcionamiento del
compresor 7, para una capacidad de refrigeración S igual a la
capacidad de las mejores actuaciones energéticas del sistema S =
S_{2}, hay una perturbación térmica en el ambiente refrigerado 11,
aumentando la temperatura desde un valor T_{2} hasta un valor más
alto T_{3}, que a su vez origina una perturbación de la carga L
del compresor 7. El valor L_{2} de la carga medido en este último
período, después del intervalo de medición t_{2}, da como
resultado un valor bastante más alto que ese valor S_{1} de la
carga medido en el período precedente, inmediatamente después de
ser desconectado el compresor 7. De este modo, la relación
L_{2}/L_{1} entre los valores de la carga del último período de
medición y del período precedente, darán por resultado, de acuerdo
con el invento, un valor más alto que el de R previamente definido,
satisfaciéndose así la condición para que sea corregida la capacidad
del compresor 7. La capacidad S del compresor 7 será entonces
corregida de acuerdo con la relación:
si
\;\frac{L2}{L1} > R ,
\;entonces
\;S = \frac{S. L2}{L1}. K
Por consiguiente, el compresor 7 empezará a
operar a una velocidad de refrigeración S_{3} más alta, y hará que
la temperatura T en el ambiente refrigerado 11 vuelva rápidamente a
estar en el intervalo deseado, entre la máxima T_{2} y la mínima
T_{1}, previamente establecidas. Se observa que la capacidad S del
compresor 7 se hace en cada intervalo de medición t_{2,} y que
estará en la proporción de la carga térmica añadida al sistema a ser
controlado, garantizándose así una reacción rápida y adecuada del
sistema.
La corrección de la capacidad de refrigeración S
del compresor 7 puede tener lugar más veces a lo largo del período
en el que esté funcionando el compresor 7.
En un caso particular, en el que la capacidad de
refrigeración S del compresor 7 esté aproximadamente en equilibrio
con la demanda requerida por el sistema a ser controlado, la
temperatura T podría experimentar aumentos al transcurrir el tiempo,
con un régimen demasiado pequeño como para ser detectado entre los
intervalos e medición t_{2}. En estos casos, el método propuesto
en la Figura 3 garantiza que el valor L_{1} de la carga, que
representa la carga final del período de Regresión será usado como
referencia durante todo el período de funcionamiento del compresor
7, lo que capacita para corregir la capacidad S del compresor 7, en
esos casos en los cuales el aumento de la carga tiene lugar muy
lentamente.
Habiéndose descrito una realización preferida,
ha de quedar entendido que el alcance del presente invento abarca
otras posibles variaciones, quedando limitado únicamente por el
contenido de las reivindicaciones que se acompañan.
Claims (31)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Un sistema de control de refrigeración para refrigerar un ambiente a ser refrigerado (11),comprendiendo el sistema:- un compresor (7) accionado por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm), teniendo el compresor (7) una capacidad variable (5),
- un controlador (2) que mide una carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de la corriente eléctrica (lm) y que verifica la condición de temperatura dentro del ambiente refrigerado (11) y actúa sobre la capacidad de refrigeración (S) del compresor (7),
- controlando el controlador (2) al compresor (7) para que actúe por ciclos, siendo alterada la capacidad de refrigeración (S) en función de una evolución de la carga (Ln) del compresor (7) a lo largo de los ciclos de refrigeración en combinación con una evolución de la condición de temperatura en el ambiente refrigerado (11).
- 2. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el controlador (2) comprende un circuito (21) e procesado de la información, midiendo el circuito (21) de procesado de la información la corriente (lm).
- 3. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque una resistencia (Rs) está asociada con el circuito (21) de procesado de la información, y porque la corriente (lm) circula a través de la resistencia (Rs).
- 4. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque se alimenta al motor (M) una potencia (P) proporcional al producto de la carga (Ln) por una rotación del compresor (7), controlando el controlador (2) la rotación del compresor (7).
- 5. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque se alimenta al motor (M) una potencia (P) proporcional al producto de la carga (Ln) sobre el émbolo por una velocidad de desplazamiento del émbolo del compresor (7), controlando el controlador (2) la velocidad de desplazamiento del émbolo del compresor (7).
- 6. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque el controlador (2) comprende un circuito (21) de procesado de la información, midiendo el circuito (21) de procesado de la información la potencia (P).
- 7. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el sistema de refrigeración (12) comprende un evaporador (10), estando asociado el evaporador (10) con el compresor (7), y estando situado en el ambiente refrigerado (11).
- 8. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el mismo comprende un conjunto (46) de percepción de la temperatura asociado con el circuito (21) de procesado de la información, verificando el conjunto (46) de percepción de la temperatura la condición de temperatura del ambiente refrigerado (11).
- 9. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el circuito (21) de procesado de la información comprende valores previamente establecidos de máximo (T_{2} y mínimo (T_{1}) de la condición de temperatura, correspondiendo los valores de máximo (T_{2}) y de mínimo (T_{1}) de la temperatura a las temperaturas máxima y mínima en el ambiente refrigerado (11).
- 10. Un sistema de control de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el controlador (2) pone en marcha el compresor (7) para una capacidad de refrigeración (S_{1}) que está sustancialmente próxima a la capacidad máxima del compresor (7) y reduce la temperatura del ambiente refrigerado (11) a una temperatura mínima (T_{1}), y mantiene el compresor (7) fuera de funcionamiento durante un período de tiempo previamente establecido (t_{1}) cuando se alcanza la temperatura mínima (T_{1}), estado almacenado el valor del tiempo (t_{1}) en el controlador (2),almacenando el controlador (2) una primera variable (L_{1}) de la carga (Ln) cuando se alcanza la temperatura mínima (T_{1}),el controlador (29 vuelve a poner en marcha el compresor (7) para una capacidad de refrigeración (S_{2}) sustancialmente más baja que la capacidad de refrigeración máxima (S_{1}), y almacena una segunda variable (L_{2} de la carga (Ln) durante la aplicación de la capacidad de refrigeración sustancialmente más baja (S_{2}), hasta que se haya alcanzado la temperatura mínima (T_{1}),el controlador (2) sustituye el valor de la primera variable (L_{1}) por el valor de la segunda variable (L_{2}).
- 11. Un método para controlar un sistema de refrigeración que comprende un compresor (7) que tiene una carga (Ln) accionado por un motor eléctrico (M) y aplicar cíclicamente una capacidad de refrigeración (S) al ambiente refrigerado (11), siendo variable la capacidad de refrigeración (S), estando el método caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- -
- medir la carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de una corriente eléctrica (lm) que alimenta al motor (M) a lo largo de un ciclo de refrigeración, siendo iniciado el ciclo cuando la condición de temperatura en el ambiente refrigerado indique que la temperatura (T) es más alta que un valor máximo permitido (T_{1}),
- -
- calcular una relación (L_{2}/L_{1}) entre el valor almacenado de una segunda variable (L_{2}) y el valor almacenado de una primera variable (L_{1}), correspondiendo la segunda variable (L_{2}) a la carga (Ln) del presente ciclo de refrigeración, y correspondiendo la primera variable a la caga (Ln) antes de la última alteración de la capacidad (S) del compresor (7)
- -
- siguiendo los pasos de:
- a)
- alterar el valor de la capacidad de refrigeración (S) si \frac{L2}{L1} > R, y entonces S = \frac{S . L2}{L1}.K y almacenando {}\hskip17cm el valor de la segunda variable (L_{2}) en la primera variable (L_{1}), siendo (R) un valor de referencia previamente establecido y siendo (K) un valor constante previamente establecido, o bien
- b)
- mantener la presente capacidad de refrigeración (S) si \frac{L2}{L1} \leq R entonces S = S y manteniendo el valor de la primera variable (L_{1}).
- 12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el paso de medir la carga (Ln) del compresor (7) se inicia después de que haya transcurrido un primer período de tiempo previamente establecido (t_{1}) desde el principio del ciclo de refrigeración.
- 13. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque después de medir la carga (Ln) del compresor (7), comprende un paso de almacenar, en la segunda variable (L_{2}), el valor de la carga (Ln) medido.
- 14. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque después del paso de alterar el valor de la capacidad de refrigeración (S), y del paso de mantener la capacidad de refrigeración (S), el mismo comprende un paso de verificar la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11).
- 15. Un método de acuerdo con la reivindicación 11 ó 13, caracterizado porque después del paso de verificar la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) se retorna al paso de medir la carga (Ln) del compresor si la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado indica que no se ha alcanzado un valor mínimo (T_{2}).
- 16. Un método de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque se retorna a la medición de la carga (Ln) del compresor (7) después de que haya transcurrido un segundo tiempo de espera (t_{2}).
- 17. Un método de acuerdo con la reivindicación 11 ó 13, caracterizado porque se finaliza el presente ciclo de refrigeración si la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) indica que se ha alcanzado un valor mínimo (T_{2}).
- 18. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el principio del ciclo de refrigeración comprende los pasos de hacer funcionar el compresor (7) para una velocidad de refrigeración (S_{2}) sustancialmente más baja que una capacidad (S_{1}), siendo la capacidad (S_{1}) sustancialmente próxima a la capacidad máxima del compresor (7).
- 19. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el paso de iniciar el primer ciclo de refrigeración se caracteriza por:
- -
- hacer funcionar el compresor (7) a la capacidad de refrigeración (S_{1}) correspondiente a una capacidad sustancialmente próxima a la capacidad máxima del compresor (7) en un primer ciclo de refrigeración;
- -
- medir la carga (Ln) del compresor (7);
- -
- almacenar un valor más reciente de la media de las cargas (Ln) del compresor (7) a lo largo del ciclo de refrigeración en una primera variable (L_{1}), cuando el compresor (7) esté funcionando en un primer ciclo de refrigeración, o bien después de una interrupción del funcionamiento del mismo;
- -
- verificar la condición de temperatura (T);
- -
- finalizar el funcionamiento del compresor (7) si la situación es menor que (T_{1}).
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 20. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el compresor (7) es accionado por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm), y porque en el paso de medir la carga (Ln) del compresor (7) a lo largo de un ciclo de refrigeración, la medición se efectúa por medio de la medición de la corriente eléctrica (lm).
- 21. Un refrigerador que comprende:
- -
- un compresor (7) de capacidad variable (S),
- -
- un controlador (2) que controla la capacidad (S) del compresor (7), siendo accionado el compresor (7) por un motor eléctrico (M), siendo alimentado el motor (M) por una corriente eléctrica (lm),
- -
- un evaporador (10); y
- -
- estando asociado el evaporador (10) con el compresor (7) y estando situado en al menos un ambiente refrigerado (11);
- -
- haciendo actuar el controlador (2) al compresor (7) en ciclos de refrigeración para mantener la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) dentro de límites máximo y mínimo previamente establecidos (T_{1}, T_{2}) de las condiciones de temperatura,
en que el controlador (2) mide la carga (Ln) del compresor (7), y hace actuar la capacidad de refrigeración (S) del compresor (7) en función de la carga (Ln) en el compresor, en combinación con la condición de temperatura en el ambiente refrigerado (11), efectuándose la medición de la carga (Ln) del compresor (7) por medio de la medición de la corriente eléctrica (lm). - 22. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 21, caracterizado porque se conecta un ciclo de refrigeración del compresor (7) cuando la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) indique que se ha alcanzado el límite máximo (T_{2}).
- 23. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 21, caracterizado porque se interrumpe el ciclo de refrigeración del compresor (7) cuando la condición de temperatura (T) en el ambiente refrigerado (11) indique que se ha alcanzado el límite mínimo (T_{1}).
- 24. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 21, 22 ó 23, caracterizado porque el mismo comprende:
- -
- un circuito de refrigeración (12) que comprende un fluido de refrigeración que tiene una temperatura de evaporación (E) y el controlador (2) que recibe la información acerca de la temperatura en el ambiente refrigerado (11).
- 25. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque la corriente eléctrica (lm) alimentada al motor (M) asociado con el compresor (7) es proporcional a la carga (Ln).
- 26. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 25, caracterizado porque una resistencia (Rs) está asociada con el circuito (21) de procesado de la información, y porque la corriente (lm) circula a través de la resistencia (Rs).
- 27. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque se alimenta al motor (M) una potencia (P) proporcional al producto de la carga (Ln) por la rotación del eje del compresor (7), controlando el controlador (2) la rotación del eje del compresor (7).
- 28. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 24, caracterizado porque se alimenta al motor (M) una potencia (P) proporcional al producto de la carga (Ln) sobre el émbolo por la velocidad de desplazamiento del émbolo del compresor (7), controlando el controlador (2) la velocidad de desplazamiento del émbolo del compresor (7).
- 29. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 27 ó 28, caracterizado porque el controlador (2) comprende un circuito (21) de procesado de la información, midiendo el circuito (21) de procesado de la información la potencia (P).
- 30. Un refrigerador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 21 a 29, caracterizado porque el ciclo de refrigeración (12) comprende un evaporador (10), estando asociado el evaporador (10) con el compresor (7), y estando situado en el ambiente refrigerado (11).
- 31. Un refrigerador de acuerdo con la reivindicación 30, caracterizado porque el mismo comprende un conjunto (46) de percepción de la temperatura asociado con el circuito (21) de procesado de la información, midiendo el conjunto (46) de percepción de la temperatura la temperatura en el ambiente refrigerado (11).
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