DE102005045137A1 - Operation method e.g. for fan with defined characteristics, involves having fan unit with given constant air volume and comparing motor speed and voltage with target values and adjusting motor voltage as necessary - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lüftereinheit mit einer vorgegebenen künstlichen Kennlinie und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Gebläses. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Lüftereinheit, die mit konstantem Luftvolumen und/oder konstantem Betriebsdruck betrieben werden kann.The The present invention relates to a fan unit having a predetermined one artificial Characteristic and a method for controlling such a blower. Especially the invention relates to a fan unit, those with constant air volume and / or constant operating pressure can be operated.
Eine Lüftereinheit oder auch Gebläseeinheit besteht aus einem Lüfterrad, das sich angetrieben durch einen Elektromotor mit einer Drehzahl n dreht. Die Drehzahl n wird dabei meist mittels einer Motorsteuerung gesteuert oder geregelt, die auch die Stromversorgung des Motors übernimmt. Bei einem konventionellen Lüfter ohne Drehzahlregelung stellt sich am Laufrad die Drehzahl ein, bei der das Abgabedrehmoment des Motors gleich dem Aufnahmedrehmoment des Laufrades ist. Mittels eines Gebläses kann Medium bestimmter Dichte mit einem Luftvolumen V und einem Betriebsdruck p gefördert werden. Die Größen p, V, n und weitere elektrische Größen des Motors können durch Messungen ermittelt werden. Der Betriebsdruck p über das Luftvolumen V lässt sich in einer sogenannten Luftleistungskennlinie p = f (V) darstellen. Die Größen p und V, und damit auch die Funktion p = f(V), hängen wiederum von der Drehzahl n ab. Für jeden Lüfter ergibt sich somit ein durch die Drehzahl n bestimmtes Kennlinienfeld der Funktionen p = f(V). Bei einem Lüfter mit einer sogenannten künstlichen Kennlinie soll das Gebläse eine vorgegebene p(V)-Kennlinie erreichen. Hierzu ist eine Regelung der Drehzahl n genau so durchzuführen, dass sich ein gewünschtes Luftvolumen V oder ein gewünschter Betriebsdruck p einstellt. Eine solche Regelung lässt sich relativ einfach realisieren, wenn die Größen p und/oder V direkt am Lüfter gemessen und der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Hierzu ist aber eine aufwendige Messung mittels kostspieliger Druck- und/oder Volumenstromsensoren notwendig.A fan unit or blower unit exists from a fan, which is driven by an electric motor at a speed n turns. The speed n is usually by means of a motor control controlled or regulated, which also takes over the power supply of the motor. In a conventional fan without speed control adjusts the speed on the impeller at the output torque of the motor is equal to the take-up torque the impeller is. By means of a blower can medium certain Density can be promoted with an air volume V and an operating pressure p. The sizes p, V, n and other electrical quantities of Motors can be determined by measurements. The operating pressure p over the Air volume V leaves are represented in a so-called air performance curve p = f (V). The sizes p and V, and thus the function p = f (V), again depend on the speed n off. For every fan This results in a characteristic field determined by the rotational speed n the functions p = f (V). For a fan with a so-called artificial Characteristic should be the fan reach a given p (V) characteristic. This is a rule the speed n exactly like that that is a desired Air volume V or a desired Operating pressure p. Such a scheme can be relatively easy to realize if the sizes p and / or V directly on Fan measured and provided to the engine control. For this but is a complex measurement by means of costly pressure and / or flow sensors necessary.
Die
Um die Herstellungskosten eines solchen Gebläses gering zu halten, sollten die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
- – Einsatz von kostengünstigen und robusten Motoren, vorzugsweise Asynchronmotoren, wie z.B. Kondensatormotoren.
- – Einsatz von möglichst wenigen und kostengünstigen Sensoren, insbesondere keine Druck- und Luftvolumensensoren und möglichst kein Stromsensor.
- – Steuerung durch kostengünstige elektronische Bauteile. Eine stufenlose, elektronische Drehzahlstellung eines Asynchronmotors ist am kostengünstigsten mit einer Phasenanschnittsteuerung zu lösen. Es ist eine Steuerung mit möglichst einfachem Steuerungsalgorithmus zu verwenden. Ziel ist eine Realisierung mit einem 8-bit low-end Mikrocontroller statt einem DSP. Für Systeme mit mehreren Gebläsen ist es vorteilhaft, die Steuerung zentral mit einem Mikrocontroller zu lösen.
- - Use of cost-effective and robust motors, preferably asynchronous motors, such as capacitor motors.
- - Use of as few and inexpensive sensors, especially no pressure and air volume sensors and possibly no current sensor.
- - Control by cost-effective electronic components. A stepless, electronic speed setting of an asynchronous motor is most cost-effective to solve with a phase control. It is a control with the simplest possible control algorithm to use. The goal is a realization with an 8-bit low-end microcontroller instead of a DSP. For systems with multiple fans, it is advantageous to solve the control centrally with a microcontroller.
Offenbarung der Erfindungepiphany the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lüftereinheit und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen, mit der künstliche strömungstechnische Kennlinien realisierbar sind.Of the present invention is based on the object, a cost-effective fan unit and to provide a method of their operation with the artificial fluidic Characteristics are feasible.
Insbesondere soll eine Lüftereinheit mit einer vorgegebenen künstlichen Kennlinie zur Verfügung gestellt werden, die mit einer einfachen Reglerstruktur ohne Kaskadenregelung, ohne eine Auswertung von komplizierten Gleichungssystemen, ohne eine Auswertung von Gebläse- und Motorkoeffizienten und ohne die Berechnung von Proportionalitätskonstanten auskommt. Gleichzeitig soll eine einfache und kostengünstige Herstellung und eine gute Reglerdynamik erreicht werden.Especially should a fan unit with a given artificial Characteristic curve provided with a simple controller structure without cascade control, without an evaluation of complicated systems of equations, without an evaluation of blower and motor coefficients and without the calculation of proportionality constants gets along. At the same time a simple and inexpensive production and a good control dynamics can be achieved.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren sowie Lüftereinheiten mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht.The solution the object is achieved by Method and fan units with the characteristics of the independent claims reached.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.preferred Embodiments and advantageous features of the invention are in the dependent claims specified.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Lüftereinheit mit einem vorgegebenen konstanten Luftvolumen oder Betriebsdruck vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, dass in der Motorsteuerung für jede gewünschte Kennlinie konstanten Luftvolumens oder Betriebsdrucks eine zugehörigen Soll-Drehzahl, nopt, des Motors und eine zum Erreichen dieser Soll-Drehzahl benötigte Motorspannung, UM, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen bzw. Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird. Im Betrieb wird die Drehzahl, nist, des Motors gemessen und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, nopt, verglichen. Bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl wird der Motor mit der der Soll-Drehzahl entsprechenden Motorspannung betrieben, wodurch das vorgegebene Luftvolumen bzw. der vorgegebene Betriebsdruck aufrecht erhalten wird.According to the invention, a method for operating a fan unit with a predetermined constant air volume or operating pressure is proposed, which provides that in the engine control for each desired characteristic constant air volume or operating pressure an associated target speed, n opt of the engine and one to achieve this Required speed required motor voltage, U M , are stored, wherein the motor is operated according to the predetermined air volume or operating pressure with an associated initial motor voltage. In operation, the speed, n is , of the motor is measured and compared with the current motor voltage corresponding target speed, n opt . In a deviation of the rotational speed from the target rotational speed, the motor is operated at the motor voltage corresponding to the target rotational speed, whereby the predetermined air volume or the predetermined operating pressure is maintained.
Es wird also vorgeschlagen, zur Regelung auf konstantes Luftvolumen bzw. konstanten Betriebsdruck einen Motorparameter zu verwenden, der besonders stark auf eine Änderung des Arbeitspunktes des Lüfters reagiert. Im Falle eines Asynchronmotors ist das vorzugsweise die Drehzahl des Motors, bei einem Gleichstrommotor oder bei einem elektronisch kommutierten Motor kann das aber auch der Motorstrom sein.It is therefore proposed to control to constant air volume or constant operating pressure to use a motor parameter, especially strong on a change the operating point of the fan responding. In the case of an asynchronous motor, this is preferably the Speed of the motor, with a DC motor or with an electronic However, the commutated motor can also be the motor current.
Je nach Anwendung des Lüfters kann die nach dem Verfahren arbeitende Regelung ständig durchgeführt werden, beispielsweise bei Anwendung in Klimaanlagen, wo sich der Luftkanal permanent ändern kann, oder insbesondere nur beim Einschalten des Lüfter durchgeführt werden, wenn der Lüfter ständig in verschiedenen Luftkanälen mit unbekannter aber unveränderlicher Charakteristik betrieben wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Regelung periodisch, beispielsweise einmal am Tag aktiviert wird, um den Lüfter an langsame Änderungen des Luftkanals anzupassen.ever after using the fan the system operating according to the method can be carried out continuously, For example, when used in air conditioning systems, where the air duct change permanently can be performed, or in particular only when the fan is switched on, when the fan is constantly in different air channels with unknown but unchanging Characteristic is operated. But it can also be provided that the regulation is activated periodically, for example once a day will be to the fan to slow changes to adapt to the air duct.
Weiterhin ist eine Steuerung/Regelung denkbar, die einen Lüfter/Motor so steuert, dass ein vorgegebener maximaler Lärmpegel gerade nicht überschritten wird. Dazu kann ein Mikrofon als Lärmsensor am Motor oder im Strömungskanal vorgesehen sein.Farther is a control / regulation conceivable that controls a fan / motor so that a predetermined maximum noise level just not exceeded becomes. This can be a microphone as a noise sensor on the engine or in the flow channel be provided.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschreiben. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.following Be exemplary embodiments of Describe invention with reference to drawings. From the drawings and their description, there are further features, advantages and applications the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindungdescription of preferred embodiments the invention
Lüftereinheit mit AsynchronmotorFan unit with asynchronous motor
Für diese Ausgestaltung können beliebige Asynchronmotoren, wie Kondensatormotoren oder Asynchron-Drehstrommotoren verwendet werdenFor this Design can Any asynchronous motors, such as capacitor motors or asynchronous three-phase motors be used
Bei dem als Beispiel genommenen vorwärtsgekrümmten Radiallüfter entsteht die größte Motorbelastung, wenn der strömungstechnische Widerstand des Luftkanals minimal ist, das heißt die Druckerhöhung ist minimal, das Luftvolumen maximal. Diesem Zustand entspricht die Lastkennlinie der Kurve 6. In diesem Fall arbeitet der Lüftermotor im Arbeitspunkt 7, mit n = 500 min–1, M = 20 Ncm. Der Motorstrom ist Imot = 740 mA.In the forward curved radial fan taken as an example, the greatest engine load arises when the fluidic resistance of the air duct is minimal, that is, the pressure increase is minimal, the air volume maximum. This state corresponds to the load line of the curve 6. In this case, the fan motor operates at the operating point 7, with n = 500 min -1, M = 20 Ncm. The motor current is I mot = 740 mA.
In
Die Motorkennlinie kann durch die Höhe der Motorspannung beeinflusst werden. In der kostengünstigsten Lösung wird die Amplitude der Motorspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung beeinflusst. Eine Lösung mit PWM-gesteuertem, getaktetem AC-Chopper, oder mit einem Frequenzumrichter ist genauso möglich.The Motor characteristic can be determined by the height the motor voltage can be influenced. In the most cost-effective solution is the amplitude of the motor voltage with a phase control affected. A solution with PWM-controlled, clocked AC chopper, or with a frequency converter is just as possible.
Schwankt allerdings die Versorgungsspannung, beeinflusst das auch die Motorkennlinie. Deshalb kann eine spannungsabhängige Kompensation notwendig sein. Ein weiterer Störfaktor bleibt die Motortemperatur, die die Motorkennlinie über die temperaturabhängigen Widerstandswerte wesentlich beeinflussen kann. Abhängig von der zu erreichenden Regelgenauigkeit kann auch eine temperaturabhängige Kompensation notwendig sein.varies However, the supply voltage, which also affects the motor characteristic. That's why a voltage-dependent Compensation may be necessary. Another disturbing factor is the engine temperature, the motor characteristic over the temperature-dependent Can significantly affect resistance values. Depending on The control accuracy to be achieved can also be a temperature-dependent compensation to be necessary.
Grundlage der erfindungsgemäßen Regelung für AC-Motoren ist der Zusammenhang zwischen der Motorspannung, und Motordrehzahl. Will man eine künstliche strömungstechnische Kennlinie erzeugen, z.B. eine druck- oder volumenkonstante Kennlinie, kann man die für die Erfüllung der Sollbedingung notwendige Motorspannung und die dazu gehörige Motordrehzahl theoretisch oder bevorzugt experimentell bestimmten. Zum Beispiel will man das Luftvolumen konstant halten, ändert man zunächst den Gegendruck. Dann passt man im Falle eines phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotors den Anschnittwinkel (Zündwinkel) solange an, bis das Luftvolumen wieder stimmt. Schließlich misst man die Motordrehzahl und speichert beide Werte ab. Daraus ergibt sich eine Anschnittwinkel-Drehzahl-Funktion (Motorspannungs-Drehzahl-Funktion) für die gewünschten Arbeitspunkte. Bei einem getakteten AC-Chopper wird sinngemäß statt dem Anschnittwinkel der PWM-Wert, bei einem Frequenzumrichter die Frequenz anstelle des Anschnittwinkels gespeichert.basis the control according to the invention for AC motors is the relationship between the engine voltage, and engine speed. Do you want an artificial one fluidic Generate characteristic, e.g. a pressure or volume constant characteristic can one for the the fulfillment the required condition necessary motor voltage and the associated engine speed determined theoretically or preferably experimentally. For example If you want to keep the air volume constant, you first change the Backpressure. Then one fits in the case of a phase control Asynchronous motor the lead angle (ignition angle) on until the air volume again true. After all you measure the engine speed and save both values. from that results in a bleed angle speed function (motor voltage speed function) for the desired Operating points. In a clocked AC chopper takes place analogously the lead angle of the PWM value, in a frequency converter the Frequency stored instead of the gate angle.
Die Regelung kennt ihren aktuellen Spannungssollwert (z.B. den Anschnittwinkel). Falls sie die Drehzahl erfassen kann, ist sie in der Lage, die Drehzahl mit dem gespeicherten optimalen Drehzahlwert zu vergleichen. Die Werte können tabellarisch (mit oder ohne Interpolation) oder mit einer geeigneten mathematischen Funktion (z. B. Polynom) in der Regelung vorgegeben sein. Entspricht die aktuelle Drehzahl der vorgegebenen, arbeitet der Lüfter in dem gewünschten Arbeitspunkt. Ist eine Abweichung vorhanden, muss die Regelung eingreifen.The control knows its current voltage setpoint (eg the lead angle). If it can detect the speed, it is able to compare the speed with the stored optimum speed value. The values can be specified in tabular form (with or without interpolation) or with a suitable mathematical function (eg polynomial) in the control. Does the ak the actual speed of the given, the fan operates at the desired operating point. If a deviation exists, the control must intervene.
Ist die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinienschar des gesteuerten, z.B. phasenanschnittgesteuerten Motors, und die Kennlinie des Gebläses bekannt, kann die gewünschte Funktion auch aus der vorgegebenen künstlichen Kennlinie berechnet werden. Ein übergeordneter Rechner, z.B. Personal-Computer, der entweder ständig zur Verfügung steht oder nur für die Inbetriebnahme des Systems verwendet wird, kann diese Berechnungen einfach durchführen. Besitzt die Motorsteuerung (z.B. Mikrocontroller) einen Buskommunikationskanal (z.B. RS232 oder CAN), können die berechneten Werte über den Buskommunikationskanal übertragen (als Tabellenwerte, Polynom-Faktoren, u.s.w.) und die künstliche Kennlinie auch online geändert werden. Hat die Motorsteuerung genug Speicherplatz und Rechenkapazität kann sie die Berechnungen auch selber, ohne externen Rechner durchführen.is the torque-speed characteristics of the controlled, e.g. phase controlled Motors, and the characteristic of the blower known, the desired function also from the given artificial Characteristic can be calculated. A parent Computer, e.g. Personal computer, either constantly is available or only for commissioning of the system is used, these calculations can just perform. The motor controller (e.g., microcontroller) has a bus communication channel (e.g., RS232 or CAN) the calculated values over transmit the bus communication channel (as table values, polynomial factors, etc.) and the artificial ones Characteristic also changed online become. Does the engine control enough storage space and computing capacity, it can the calculations themselves, without external computer perform.
Im Falle einer Phasenanschnittsteuerung kann die Regelung durch die Änderung des Anschnittwinkels die Motorkennlinie beeinflussen. Die einzige Information, die die Regelung braucht, ist diejenige, ob der Anschnittwinkel verkleinert oder vergrößert werden muss. Das kann für den ganzen Bereich, in Abhängigkeit von der Druck-Volumen-Kennlinie des Gebläses bestimmt und vorgegeben werden. Ist dieser Zusammenhang eindeutig, gilt diese Richtung für den ganzen Stellbereich. Das heißt, die Motorsteuerung (in einer günstigen Ausführung ein low-cost-Mikrocontroller) vergleicht die zum aktuellen Phasenanschnittwinkel gehörende ideale Drehzahl mit der aktuellen Drehzahl. Ist die aktuelle Drehzahl kleiner als die ideale Drehzahl, vergrößert oder verkleinert sie den Anschnittwinkel, abhängig von der vorgegebenen Regelungsrichtung. Ist die aktuelle Drehzahl größer als die ideale Drehzahl, reagiert sie umgekehrt.in the In the case of a phase control, the control can by the change of the lead angle affect the motor characteristic. The only Information that the regulation needs is that, whether the lead angle be reduced or enlarged got to. That can be for the whole area, depending determined and specified by the pressure-volume curve of the fan become. If this relationship is clear, this direction applies to the whole Range. This means, the engine control (in a favorable execution a low cost microcontroller) compares to the current phase angle belonging ideal speed with the current speed. Is the current speed smaller as the ideal speed, increased or It reduces the lead angle, depending on the specified control direction. If the current speed is greater than the ideal speed, it reacts in reverse.
Die
Regelung selbst kann nach verschiedenen regelungstechnischen Prinzipien
funktionieren. Eine Möglichkeit
ist die Verwendung eines P- oder PI-Regelkreises gemäß
Die
Polarität
der Fehlerbildung: Δn
= nopt – nist wie bei
Anders
ist es bei einem Regelkreis für
konstante Druckerhöhung.
Da im besagten Beispiel der Druck größer geworden ist, muss man
die Motordrehzahl reduzieren, um den Druck auf den gewünschten Wert
zurückzufahren.
Dazu muss man die Motorspannung reduzieren, also den Phasenanschnittwinkel
erhöhen.
Hier gilt also die Reglerstruktur nach
Die
Drehzahl wird durch einen Drehzahlsensor erfasst, der z.B. durch
einen im Rotor befestigten kleinen Magneten und einen im Stator
befestigten Hallsensor realisiert werden kann. Es sind aber naturgemäß auch alle
anderen Drehzahlsensoren anwendbar. Die Regelung kann auch sensorlos
arbeiten, wenn die Drehzahl ohne unmittelbaren Drehzahlzensor, aus
den elektrischen Motorgrößen erfasst
wird. Solche Methoden sind z. B. bekannt aus der
Wie
es in
Bei
einer spannungs- und/oder temperaturabhängigen Kompensation gemäß
Die
Motorssteuerung
Das vorgeschlagene System wurde in einer Ausführung dargestellt, bei der ein Kondensatormotor angewendet wird. In ähnlicher Weise können aber auch andere Motorarten, z.B. Spaltpolmotor, Asynchron-Drehstrommotor, Gleichstrommotor oder ein- oder mehrsträngige, elektronisch kommutierte Motoren, angewendet werden.The proposed system has been presented in an embodiment in which a capacitor motor is applied. In a similar way but also other types of engines, e.g. Shaded pole motor, asynchronous three-phase motor, DC motor or single or multi-stranded, electronically commutated Engines, to be applied.
Lüftereinheit mit elektronisch kommutiertem Motor (EC-Motor)Fan unit with electronic commutated motor (EC motor)
Im
Falle eines elektronisch kommutierten Motors erhält man die Rotorposition und
damit die Drehzahl zum Nulltarif, weil diese Information für die Kommutierung
benötigt
wird. Die Rotorposition kann dabei sensorbehaftet, z.B. durch Hall-Sensoren,
oder sensorlos durch Auswertung der EMK erfasst werden. Anderseits
reagiert die Drehzahl bei einer elektronischen Kommutierung auf
eine Laständerung
relativ schwach. Der Motor versucht seine Drehzahl zu halten, indem
er ein höheres
Drehmoment erzeugt. Das bedeutet gleichzeitig einen erhöhten Motorstrom.
Nimmt man die Drehzahl als Hauptregelgröße, kann es sinnvoll sein,
den Motorstrom als Kompensationseingang zu nutzen. Ansonsten könnte der
Regelkreis wie im Falle eines AC-Motors realisiert werden, vgl.
Eine Leistungselektronik des EC-Motors ändert die Motorspannung durch das Einschaltverhältnis der Leistungstransistoren. Das kann z.B. durch PWM-Modulation, durch Stromabschnittsteuerung oder durch eine Kombination dieser Möglichkeiten erfolgen. Durch die Änderung der Motorspannung wird auch die aktuelle Kennlinie verändert. Zu jeder Lastkennlinie gehört ein strömungstechnisch idealer Arbeitspunkt. Gemeint ist, dass sich dieser Arbeitspunkt an der gewünschten künstlichen strömungstechnischen Kennlinie befindet.A Power electronics of the EC motor changes the motor voltage the duty cycle the power transistors. This can e.g. through PWM modulation, through Current section control or by a combination of these options. By the change the motor voltage is also changed the current characteristic. To belongs to each load characteristic a fluidic ideal working point. What is meant is that this working point at the desired artificial fluidic Characteristic curve is located.
Die
Regelung enthält
in Block
I = f(UM).
Ist ein Unterschied zwischen dem Sollwert Iopt und
dem Messwert Iist festzustellen, regelt
die Steuerung den Fehler durch Änderung
der Motorspannung UM aus. In Block
I = f (U M ). If a difference between the setpoint I opt and the measured value I is to be determined, the controller regulates the error by changing the motor voltage U M. In block
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DE102005045137A DE102005045137A1 (en) | 2005-09-22 | 2005-09-22 | Operation method e.g. for fan with defined characteristics, involves having fan unit with given constant air volume and comparing motor speed and voltage with target values and adjusting motor voltage as necessary |
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