ES2328456T3 - Metodo para controlar un frigorifico de multiples compartimientos de refrigeracion, y frigorifico que emplea tal metodo. - Google Patents
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Abstract
Método para controlar un frigorífico que tiene un accionamiento (15) de control y al menos dos compartimentos (FR, FZ) enfriados a unas respectivas temperaturas, comprendiendo dichos compartimentos unos dispositivos sensores (TR, TZ) utilizados para generar señales de control como respuesta a las demandas de refrigeración para cada uno de los respectivos compartimentos, siendo generada una señal indicativa de la demanda total de refrigeración sobre la base de la suma de la demanda de refrigeración de cada compartimento, siendo utilizada dicha señal para activar el accionamiento (15) de control, de acuerdo con dicha demanda total de refrigeración, donde se dirige un flujo de aire refrigerante a los compartimentos de refrigeración seleccionados (FR, FZ), caracterizado porque se genera una señal auxiliar que determina la dirección del refrigerante o del aire de refrigeración, sobre la base de la diferencia entre las señales de respuesta a las demandas de refrigeración para cada uno de los respectivos compartimentos, de manera que se refrigera primero el compartimento con mayor demanda de refrigeración.
Description
Método para controlar un frigorífico de
múltiples compartimientos de refrigeración, y frigorífico que emplea
tal método.
La presente invención está relacionada con un
método para controlar un frigorífico de múltiples compartimentos de
refrigeración, preferiblemente del tipo que tiene un compresor de
capacidad variable o una válvula de control del caudal del
refrigerante.
Una clase de frigorífico que ha tenido y está
teniendo un gran éxito en el mercado de electrodomésticos es el que
tiene un refrigerador y un congelador en una cabina con un solo
compresor. Este éxito es debido por un lado a la versatilidad de
tal solución (dos compartimentos a diferentes temperaturas, dos
puertas) y por otro lado al precio inferior de tal frigorífico, que
tiene un solo compresor y un solo circuito de refrigeración, en
comparación con un frigorífico de doble compresor. El inconveniente
de esta solución técnica es que no es fácil el control
independiente de las temperaturas en el compartimento del
refrigerador y en el compartimento del congelador.
El control de temperatura de un compartimento
congelador (FZ) o de un compartimento refrigerador (FR) se obtiene
generalmente, en el caso de un electrodoméstico con un circuito
electrónico de control y en el caso de utilizar un compresor de
capacidad de refrigeración variable, ajustando la capacidad de
refrigeración del compresor sobre la base del parámetro de error de
la temperatura. Otra manera de controlar las temperaturas de los
compartimentos del frigorífico es ajustar el caudal del
refrigerante entregado al evaporador por medio de una válvula de
control del caudal, o ajustar el flujo de aire refrigerante
entregado a los compartimentos a través de una compuerta móvil. La
lógica clásica de control está basada en el PID, que significa que
se tienen en consideración las partes Proporcional, Integral y
Derivada de la variable de error de la temperatura en el sistema de
realimentación negativa, para ajustar la variable de salida hasta
obtener la temperatura necesaria. La figura 1 adjunta muestra un
caso en el cual se utiliza el sistema de control de realimentación
negativa PID para controlar la temperatura de un frigorífico de un
solo compartimento. La entrada al bloque de control PID es el Error
de Temperatura (diferencia entre la temperatura objetivo y la real)
y la salida se convierte directamente en demanda de capacidad de
refrigeración. La temperatura detectada puede ser la temperatura
dentro del compartimento, o bien la temperatura de una o más zonas
predeterminadas del evaporador. Un inversor al efecto recibirá la
señal de petición de la capacidad de refrigeración como entrada, y
tendrá la tarea de activar el compresor, manteniendo bajo control
la capacidad de refrigeración (siendo ese compresor del tipo que
tiene una velocidad variable o bien del tipo con desplazamiento
variable, es decir, el denominado compresor lineal).
En caso de múltiples compartimentos y un solo
compresor disponible, el control de las temperaturas se hace más
crítico. Una de las soluciones conocidas para un frigorífico de
doble compartimento, divulgado en el documento
EP-A-859208, comprende dos sensores
de temperatura, uno en la cámara de refrigeración que forma parte
del circuito de control hecho para parar y arrancar el compresor,
el otro en la cámara de congelación que forma parte del circuito de
control hecho para controlar la velocidad del compresor.
La figura 2 muestra la condición de acuerdo con
otra solución en la cual el control opera en un caso de frigorífico
con doble compartimento. Los dos bloques "Controlador_FR" y
"Controlador_FZ" pueden ser dos controladores tipo PID y cada
uno de ellos calcula la "Demanda de Capacidad de Refrigeración"
que ha de ser proporcionada por el compresor, necesaria para
controlar la temperatura del respectivo compartimento refrigerador
(FR) o congelador (FZ). La "Gestión del Compartimento de
Refrigeración" es un bloque de control utilizado para establecer
la dirección y/o el caudal del refrigerante, o en el caso de un
frigorífico refrigerado por aire refrigerante (que es el caso
típico de un denominado frigorífico de disposición lateral), la
posición de una compuerta que reparte el caudal de aire entre los
compartimentos del congelador y el de los alimentos frescos. En el
primer caso anterior, el dispositivo "V" es una válvula que
recibe la orden y entrega total o parcialmente el refrigerante a
través del evaporador del frigorífico y/o del evaporador del
congelador. Idealmente, el controlador tiene múltiples tareas de
control: en primer lugar el controlador tiene que mantener las
temperaturas fijadas por el usuario y, en segundo lugar, el
controlador ha de ser capaz de activar eficazmente el compresor y
la válvula V para mantener el consumo de energía tan bajo como sea
posible. Sin embargo, en el caso de controles independientes (como
se ilustra en la figura 2), la solución puede ser muy complicada o
incluso imposible si el consumo de energía ha de mantenerse
bajo.
El documento
US-A-6038874 divulga un método de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
El objeto de la presente invención es
proporcionar un método y un frigorífico que utilice tal método el
cual, en el caso de un control de temperatura de múltiples
compartimentos, pueda satisfacer los requisitos de temperatura y al
mismo tiempo pueda hacer funcionar el electrodoméstico con la máxima
eficiencia del sistema, consiguiendo un consumo de energía muy
bajo.
De acuerdo con la presente invención, esto se
obtiene con un método y con un frigorífico que tiene las
características listadas en las reivindicaciones anexas.
La presente invención está basada principalmente
en el uso del control de la demanda de capacidad de refrigeración,
que depende del "estado" de todos los compartimentos a
controlar.
\newpage
El "estado" representa cuanto han de ser
enfriados los compartimentos, y el bloque de control de la demanda
de refrigeración recibe la suma de todos los estados de los
compartimentos, basándose en la suma de las señales relacionadas
con el error de cada sistema de control de realimentación negativa
asociado con cada compartimento. El objeto principal de la presente
invención es obtener una información única del "estado" del
electrodoméstico para activar el accionamiento del control, por
ejemplo el compresor, como si fuera un solo compartimento. El
"estado" de cada compartimento se obtiene procesando los datos
de error de temperatura relacionados con cada sistema único de
control de la realimentación. Un ejemplo de la función de
transferencia del bloque de proceso de errores del compartimento
N-simo puede ser el siguiente:
Donde G_{N}, T_{i} y T_{d} son tres
constantes (ganancia, tiempo de integración y tiempo de derivación)
que dependen de la dinámica del compartimento
N-simo. La tarea de este bloque es filtrar la
información de error de la temperatura y proporcionar
principalmente valores históricos del propio error (parte de
integración). Aún cuando en la descripción siguiente se hace
referencia a un sistema general de control PID (donde se pretende
que no todas las tres acciones, proporcional, integral y derivada,
sean siempre necesarias para un buen control), se pueden utilizar
también otros sistemas de control, por ejemplo un sistema de control
basado en un conjunto de reglas de lógica difusa.
En caso de un control de temperatura de doble
compartimento, se puede utilizar una válvula para distribuir total
o parcialmente el refrigerante en los evaporadores del
electrodoméstico. De acuerdo con la invención, la gestión de la
posición de la válvula que conmuta desde dos posiciones diferentes,
puede estar basada en la diferencia entre el "estado" de cada
compartimento.
La válvula anterior puede ser utilizada para
enfriar al mismo tiempo dos compartimentos o solamente uno. El
bloque de control de la gestión de refrigeración de los
compartimentos (responsable de determinar la posición de tal
válvula) puede estar basado también en el "estado" de un
compartimento solamente.
El método de acuerdo con la invención puede ser
aplicado a electrodomésticos equipados solamente con un evaporador,
y en los casos en los cuales se sustituye la válvula por una
compuerta que está dedicada a refrigerar uno o más compartimentos.
En el caso de que el accionamiento de control sea una válvula que
permita un control del caudal de refrigeración (además de una o más
direcciones del flujo), la determinación del caudal, en cada
dirección, puede ser determinada por la misma lógica de control
establecida para activar el sistema de accionamiento del compresor,
es decir, sobre la base de la suma de cada estado de compartimento.
En realidad, es evidente que la variación de la capacidad de
refrigeración se obtiene variando el caudal del refrigerante.
Se explicará ahora la invención con más detalle,
con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
- La figura 1 representa un diagrama de bloques
de control clásico de temperatura, que muestra el enfoque utilizado
para determinar la capacidad adecuada de refrigeración, en el caso
de un compresor de capacidad de refrigeración variable y en el caso
de un solo compartimento;
- La figura 2 es un diagrama de bloques que
muestra la estrategia de control adoptada para controlar la
temperatura en electrodomésticos de doble compartimento, y en el
cual el compresor recibe dos datos independientes procedentes de
dos bloques de control independientes;
- La figura 3 es un diagrama de bloques que
muestra cómo controlar un frigorífico de acuerdo con un primer modo
de realización de la invención, proporcionando ese control al
compresor una petición de refrigeración que es calculada sumando el
estado de dos compartimentos, y en el cual la posición de la válvula
se obtiene restando el estado de los dos compartimentos;
- La figura 4 es un diagrama que dibuja las
temperaturas y la velocidad del compresor de un Compresión de
Velocidad Variable, cuando se aplica un control de la técnica
anterior de acuerdo con la figura 2;
- La figura 5 es un diagrama que dibuja las
temperaturas y la velocidad del compresor cuando se utiliza un
control de acuerdo con la invención;
- La figura 6 es un diagrama que muestra la
señal proporcionada a la válvula y que establece su posición de
acuerdo con la presente invención (figura 3) y a la estrategia de
control independiente (figura 2), de acuerdo con la técnica
anterior; y
- La figura 7 muestra el caso de la aplicación
de control de acuerdo con la invención, en el cual la gestión de
compartimentos de refrigeración controla una válvula no
secuencial.
Con referencia a los dibujos, y particularmente
con referencia a la figura 3, el bloque 10 de control de la
petición de refrigeración es un tipo de regulador que varía la
capacidad de enfriamiento de acuerdo con la suma de estados de
compartimentos. Cada compartimento está provisto de un sensor de
temperatura, T_{R} y T_{Z}, respectivamente enlazados a un
bucle LR y LZ, respectivamente, de control de realimentación
negativa. Las unidades 12 y 14 del tipo de regulador PID, reciben
la salida de los sensores T_{R} y T_{Z} de temperatura,
respectivamente, generan un valor de estado del compartimento y se
pueden utilizar para fines de control, donde los datos de salida
son escalados y adaptados al tipo de compresor que se utiliza. El
valor del estado del compartimento representa cuánto han de
enfriarse los compartimentos. El estado de cada compartimento se
obtiene procesando los datos de error de la temperatura relacionados
con cada compartimento. Las salidas de las unidades 12 y 14, los
estados de los compartimentos, se suman y son proporcionados al
bloque 10 de control. Basándose en este valor sumado, se genera una
demanda de refrigeración total. El valor de la demanda de
refrigeración total se utiliza para activar un compresor 15, que
está ilustrado en la figura 3 como un compresor de capacidad
variable.
Además de generar un valor de demanda de
refrigeración total, el bloque 16 de control denominado "gestión
de compartimentos de refrigeración" en lo que sigue, funciona de
manera que determina qué compartimento ha de refrigerarse. De
acuerdo con esta decisión, se fijará la posición de una válvula V (o
compuerta). La determinación de la posición de la válvula está
basada en una información de error de la temperatura seguida por una
función de histéresis. La información de errores de temperatura
utilizada para controlar la posición de la válvula V está
representada por la diferencia en los "estados" de los
compartimentos, que están determinados por los mismos bloques 12 y
14 de proceso de errores considerados previamente, con referencia al
control del compresor (véase la figura 3). De esta manera, se
enfría primero el compartimento con mayor demanda de
refrigeración.
Con referencia a las figuras 4 y 5, el
solicitante hizo ensayos con un compresor de velocidad variable
("VSC") y con un sistema de control de acuerdo con la técnica
anterior, como se ilustra en la figura 2, y de acuerdo con la
presente invención, como se ilustra en la figura 3, respectivamente.
En tales figuras, la demanda de capacidad de refrigeración está
representada por la señal de referencia de la "Velocidad del
Compresor". Para este tipo de compresor hay unos límites
prácticos de velocidad: 1600 rpm y 4500 rpm, respectivamente, para
la velocidad mínima y máxima. Cuando el control requiere una
velocidad (capacidad de refrigeración) más baja que el mínimo, se
desconecta uno de los compresores.
Comparando la figura 4 y la figura 5, en las
cuales se ilustra una fase de reducción del congelador, es claro
cuáles son las ventajas principales del método de control de acuerdo
con la invención, es decir, la oscilación de la petición de
refrigeración y el ruido emitido se reducen considerablemente y el
sistema alcanza el objetivo de temperatura muy rápidamente, con un
ahorro de energía mejorado. Los objetivos de temperatura del
compartimento del refrigerador y del congelador en las ensayos
ilustrados en las figuras 4 y 5 son +6ºC y -22ºC respectivamente, y
las temperaturas iniciales son 5ºC para el refrigerador y 25ºC para
el compartimento del congelador.
En el caso de dos estrategias de control
independientes (figura 2) los dos reguladores fijan respectivamente
una velocidad baja para el compartimento del refrigerador, porque el
error de FR es relativamente bajo, y una velocidad muy alta para el
compartimento del congelador, debido al alto error de FZ (figura 4).
Cuando la válvula V conmuta el fluido refrigerante desde una
dirección a otra, se proporciona al compresor la correspondiente
velocidad de referencia, introduciendo grandes oscilaciones de la
petición de refrigeración al circuito termodinámico. Los efectos
negativos son la generación de ruido y las pérdidas de energía.
En la figura 5, se puede ver por comparación el
efecto de la solución de acuerdo con la invención, obtenido
aplicando un método de control como se describe en la figura 3. La
petición de refrigeración es inicialmente muy alta (tiende a la
máxima de 4500 rpm) debido a que la suma de errores, que depende
principalmente del error de FZ, es muy alta. La misma petición de
refrigeración proporcionada para enfriar el compartimento del
congelador se fija también para el compartimento del refrigerador;
el efecto es que la válvula V permanece en la posición F_{R}
durante un tiempo más bajo, mientras que se dedica más tiempo a
enfriar el compartimento del congelador. Un efecto claro es que el
compartimento del congelador tarda menos tiempo en alcanzar su
objetivo y también la velocidad de referencia proporcionada al
compresor es bastante estable, y por tanto el ruido está limitado.
Una vez que el sistema alcanza la condición de estado estable, la
petición de refrigeración se hace, como promedio, muy baja, y se
emplea poca energía para compensar la dispersión térmica del
electrodoméstico. En el ejemplo ilustrado en la figura 5, la
velocidad del compresor tiende a ser inferior a las 2000 rpm y la
variación de la velocidad es mínima, debido a las pequeñas
oscilaciones de temperatura y su correspondiente pequeño error de
temperatura, es decir, pequeña suma de errores. Por esa razón, la
principal consecuencia es que la cantidad total de energía gastada,
en comparación con un sistema clásico de control que adopte
controladores independientes, se reduce considerablemente. Se ha
observado hasta un sorprendente 10% de ahorro de energía durante
los ensayos de energía llevados a cabo por el solicitante.
Otra comparación entre un sistema de bloques de
control independientes y la presente invención se puede obtener a
partir del análisis de la figura 6. Tales resultados de comparación
se obtienen controlando un frigorífico que tiene una válvula que
distribuye el refrigerante en solamente uno de los dos evaporadores
(denominado frigorífico "secuencial" según se divulga en el
documento US-A-5465591); cuando se
enfría un ambiente, el otro se calienta para provocar la
conmutación de la válvula. Hay también electrodomésticos en los
cuales la válvula (no secuencial) puede distribuir el refrigerante
en solamente un evaporador (generalmente el congelador) o bien,
cuando se conmuta la válvula, en ambos evaporadores al mismo tiempo.
A partir de la figura 6 es claro que el método de acuerdo con la
invención (parte superior de la figura 6) requiere un número menor
de conmutaciones de la válvula, si se compara con un método con
control independiente (figura 2). Esto significa un ruido reducido
y un consumo menor de energía.
La figura 7 muestra el caso del control aplicado
a un electrodoméstico de doble compartimento, en el cual la
posición de la válvula selecciona la refrigeración FR+FZ o bien la
refrigeración FZ solamente (válvula no secuencial). En esta
condición, el "estado" del compartimento FR se utiliza
solamente por el bloque de control de la gestión de compartimentos
de refrigeración.
Claims (8)
1. Método para controlar un frigorífico que
tiene un accionamiento (15) de control y al menos dos compartimentos
(FR, FZ) enfriados a unas respectivas temperaturas, comprendiendo
dichos compartimentos unos dispositivos sensores (T_{R}, T_{Z})
utilizados para generar señales de control como respuesta a las
demandas de refrigeración para cada uno de los respectivos
compartimentos, siendo generada una señal indicativa de la demanda
total de refrigeración sobre la base de la suma de la demanda de
refrigeración de cada compartimento, siendo utilizada dicha señal
para activar el accionamiento (15) de control, de acuerdo con dicha
demanda total de refrigeración, donde se dirige un flujo de aire
refrigerante a los compartimentos de refrigeración seleccionados
(FR, FZ), caracterizado porque se genera una señal auxiliar
que determina la dirección del refrigerante o del aire de
refrigeración, sobre la base de la diferencia entre las señales de
respuesta a las demandas de refrigeración para cada uno de los
respectivos compartimentos, de manera que se refrigera primero el
compartimento con mayor demanda de refrigeración.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
la señales de control son señales de temperatura indicativas del
error de temperatura entre la temperatura real y el objetivo de
temperatura en cada compartimento (FR, FZ), caracterizado
porque tales señales de temperatura dependen de errores de
temperatura presentes, pasados y estimaciones de los futuros.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque el accionamiento de control es un
compresor (15) de velocidad variable.
4. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque el accionamiento de control es una
válvula de control del caudal de refrigerante.
5. Un frigorífico que tiene al menos dos
compartimentos (FR, FZ) refrigerados a respectivas temperaturas, un
sistema de control del frigorífico que comprende dispositivos
sensores (T_{R}, T_{Z}) para generar señales de control como
respuesta a las demandas de refrigeración para cada uno de los
respectivos compartimentos, y un accionamiento (15) de control
acoplado a dicho sistema de control, estando adaptado el sistema
(10, 12, 14, 16) de control del frigorífico para emitir una señal
indicativa de la demanda total de refrigeración, sobre la base de
la suma de la demanda de refrigeración para cada uno de los
respectivos compartimentos, siendo utilizada esa señal para activar
el accionamiento (15) de control de acuerdo con tal demanda total de
refrigeración, en el cual el sistema de control del frigorífico
comprende medios (V) para dirigir un flujo de refrigerante o de
aire refrigerante a los compartimentos del frigorífico seleccionados
(FR, FZ), caracterizado porque el sistema (10, 12, 14, 16)
de control del frigorífico está adaptado para emitir una señal que
determina la dirección del refrigerante o del aire de refrigeración
a un compartimento seleccionado, sobre la base de la diferencia
entre la refrigeración para los respectivos compartimentos, de
manera que se refrigera primero el compartimento con mayor demanda
de refrigeración.
6. Un frigorífico según la reivindicación 5,
caracterizado porque el accionamiento (15) de control es un
compresor de velocidad variable, un compresor lineal o cualquier
compresor en el cual la capacidad de refrigeración del mismo pueda
ser controlada.
7. Un frigorífico según la reivindicación 5,
caracterizado porque el accionamiento de control es una
válvula de control del caudal del refrigerante.
8. Un frigorífico según la reivindicación 5,
caracterizado porque las señales de control del frigorífico
que responden a las demandas de refrigeración de los respectivos
compartimentos, contienen información de error de la temperatura
que depende de los errores presentes, pasados o estimaciones de los
futuros.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP02020506A EP1398584B1 (en) | 2002-09-13 | 2002-09-13 | Method for controlling a multiple cooling compartment refrigerator, and refrigerator using such method |
Publications (1)
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