CH688842A5 - Einrichtung zur Ansteuerung des Motors des Gebläses eines Gebläsebrenners. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ansteuerung des Motors des Gebläses eines Gebläsebrenners gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 



  Solche Einrichtungen eignen sich beispielsweise zur Steuerung der Verbrennung bei Wärmeerzeugungsanlagen grosser Leistung, die mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. 



  In solchen Einrichtungen zum Einsatz kommende Feuerungsautomaten sind beispielsweise aus der Landis & Gyr Firmendruckschrift "Feuerungsautomaten für \l und Gasbrenner", L .... bekannt. Mit Hilfe eines solchen Feuerungsautomaten werden Luftgebläse, Brennstoffpumpe (z.B. \lpumpe), Brennstoffventil und Zündungseinrichtung gesteuert. Damit ist sowohl der Inbetriebsetzungsvorgang für einen Brenner steuer- und überwachbar als auch der Betrieb im Anschluss an einen solchen Inbetriebsetzungsvorgang. 



  Bei den bekannten Einrichtungen wird mit Hilfe des Luftgebläses ein annähernd konstanter Luftstrom erzeugt, der mit Hilfe einer vor- oder nachgeschalteten Luftklappe so beeinflusst wird, dass der gewünschte Luftstrom zum Brenner entsteht. Aus Sicherheitsgründen sind Luftdruckwächter eingesetzt, die aufgrund des mit dem Luftstrom verbundenen Oberdruckes feststellen, ob eine bestimmte minimale Luftmenge vorbeiströmt. Die Regelung der dem Brenner zugeführten Luftmenge mit der Luftklappe ist wegen derer gerade im Kleinlastbereich stark nichtlinearen Kennlinie schwierig. Bei einem modernen \l- oder Gasbrenner muss deshalb die Drehzahl des Gebläsemotors in einem grossen Bereich regelbar sein. 



  Für den Einsatz bei Brennern kleiner bis mittlerer Leistung eignet sich eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie in der europäischen Patentanmeldung mit der Nummer 93 114 751.6 beschrieben ist. Bei solchen Brennern dient als Gebläseantrieb ein drehzahlsteuerbarer DC-Motor mit integrierter Steuerelektronik und integriertem Sensor zur Erfassung der Drehzahl, wobei am Motor neben dem Spannungsversorgungsanschluss ein Steuer- und ein Rückmeldeanschluss für den Soll- bzw. Ist-Wert der Drehzahl vorhanden sind. 



  Bei Brennern grosser Leistung ist als Antrieb für das Luftgebläse in der Regel ein Asynchronmotor eingesetzt, der beispielsweise über drei Phasen in einer elektrischen Sternschaltung direkt am Netz betrieben wird. Da sich im Kleinlastbetrieb bei einer kleinen Drehzahl des Gebläseantriebes wegen des kleinen Luftdurchsatzes nur geringe Luftdruckunterschiede bilden, sind Luftdruckwächter kaum so einstellbar, dass sie bei Kleinlast zuverlässig und fehlersicher ansprechen. Zudem sind die statisch arbeitenden Luftdruckwächter im Dauer betrieb des Brenners nicht auf korrektes Arbeiten überprüfbar. 



  Eine Erfassung der Drehzahl des Gebläseantriebes ist beispielsweise möglich mittels Hallsensoren. Eine solche Lösung ist mit dem Nachteil verbunden, dass auf der Motorwelle oder auf dem Gebläserad magnetische Markierungen angebracht werden müssen. Die Verwendung externer Sensoren und die Übermittlung der Sensorsignale an den Feuerungsautomaten erfordert zudem eine gesonderte Rückmeldeleitung. 



  Weiter kann die Erfassung der Drehzahl eines Motors mit Tachogeneratoren erfolgen, wobei die Antriebswelle auch auf die dem Gebläserad gegenüberliegende Seite aus dem Motor herausgeführt sein muss. Solche Motoren sind in der Regel nur als Spezialausführung erhältlich und entsprechend teuer. Auch enthält das Ausgangssignal eines Tachogenerators keine Information über die Drehrichtung. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, welche die von einem Gebläse, das von einem Asynchronmotor angetrieben ist, der Brennkammer eines Gebläsebrenners zugeführte Luftmenge sowohl bei Kleinlast als auch im Dauerbetrieb fehlersicher und zuverlässig erfasst. 



  Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. 



  Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten, 
   Fig. 2 eine weitere Einrichtung und 
   Fig. 3 einige Spannungsdiagramme. 
 



  Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten 1 zur Ansteuerung eines zu dieser Einrichtung gehörenden Gebläses für die Luftzufuhr zur Brennkammer, das von einem drehzahlsteuerbaren Asynchronmotor 2 angetrieben ist, wobei der Feuerungsautomat 1 einen Programmgeber 4 aufweist, der einen lnbetriebsetzungsvorgang und einen fortlaufenden Betrieb eines Gebläsebrenners steuert und überwacht. Die Einrichtung weist weiter zur Ansteuerung des Asynchronmotors 2 einen Frequenzumformer 3 auf, welcher eingangsseitig aus einem Dreiphasennetz mit 3 x 230 V gespeist ist. Er kann aber auch aus einem Einphasennetz mit   1 x 230 V oder aus einem Gleichstromnetz mit 1 x 325 V oder mit einer anderen in der Industrie gebräuchlichen Speisung mit Energie versorgt werden.

  Ausgangsseitig weist der Frequenzumformer 3 drei Schalteinrichtungen 6.1, 6.2 und 6.3 auf, die über Leitungen 7.1, 7.2 und 7.3 mit Anschlüssen U, V und W des Asynchronmotors 2 verbunden sind, und ist über  eine Steuerleitung 8 mit dem Programmgeber 4 verbunden. Zur Erfassung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 enthält der Feuerungsautomat ein Messmittel 5 mit zwei Eingängen 5.1 und 5.2, die mit den Anschlüssen W bzw. V des Asynchronmotors 2 verbunden sind, sowie mit einem Ausgang 5a, der mit einem Eingang 4a des Programmgebers 4 verbunden ist. 



  Der Asynchronmotor 2 weist drei Wicklungsstränge 2.1, 2.2 und 2.3 auf, die in Dreieckschaltung geschaltet sind. Er kann aber auch in Sternschaltung geschaltet sein. Der Asynchronmotor 2 treibt ein Gebläse an, mit dem der Brennkammer eines Gebläsebrenners ein Luftstrom zugeführt wird, dessen Stärke u.a. von der Drehzahl des Asynchronmotors 2 abhängt. Die gewünschte Drehzahl gibt der Programmgeber 4 dem Frequenzumformer 3 als Solldrehzahl vor. Wird der Asynchronmotor 2 von der Energieversorgung getrennt, wirkt er bis zum Stillstand als Generator. Dabei werden in den Wicklungssträngen 2.1 bis 2.3 aufgrund des Faradayeffektes Spannungen erzeugt, weiche mittels des Messmittels 5 erfasst und in Rechteckimpulse umgeformt werden. 



   Zu diesem Zweck enthält das Messmittel 5 ein aus zwei Widerständen R1 und R2, einem Kondensator C und einer Diode D gebildetes Kopplungsglied 9, eine Komparatorschaltung 10 und einen Optokoppier 11. Die Widerstände R1 und R2 sind in Reihe zwischen den beiden Eingängen 5.1 und 5.2 geschaltet. Der Kondensator C ist parallel zum Widerstand R2 angeordnet. Die Anode der Diode D ist mit einem Abgriff zwischen den Widerständen R1 und R2, ihre Kathode mit einem ersten Eingang der Komparatorschaltung 10 verbunden. An einem zweiten Eingang der Komparatorschaltung 10 liegt eine bezüglich des Potentials am Eingang 5.2 feste Bezugsspannung UB. Der Ausgang der Komparatorschaltung 10 treibt den Optokoppler 11 an, dessen Ausgang mit dem Ausgang 5a verbunden ist, so dass das Messelement 5 und der Programmgeber 4 galvanisch getrennt sind.

  Das Kopplungsglied 9 dient der Pegelanpassung der Spannung UW-V an die verarbeitbaren Spannungspegel der Komparatorschaltung 10, der Einweggleichrichtung und der Ausfilterung hochfrequenter Anteile. Die Komparatorschaltung 10 ist so eingestellt, dass ihr Ausgang ein hohes Potential führt und dementsprechend der Optokoppler 11 am Ausgang 5a ebenfalls ein hohes Potential führt, wenn die Signalspannung US am ersten Eingang grösser als die Bezugsspannung UB am zweiten Eingang ist. Der Ausgang der Komparatorschaltung 10 und der Ausgang 5a führen ein tiefes Potential, wenn die Signalspannung US kleiner als die Bezugsspannung UB ist. Die Bezugsspannung UB ist so bestimmt, dass die im Generatorbetrieb des Asynchronmotors 2 im Wicklungsstrang 2.3 erzeugten Spannungsimpulse am Eingang 4a des Programmgebers 4 als eine Folge von rechteckförmigen Impulsen erscheinen.

  Die Information über die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ist mehrfach vorhanden, nämlich in der Frequenz dieser Impulse, in der Dauer der einzelnen Impulse wie auch in der Länge der Pausen zwischen den Impulsen. Der Programmgeber 4 ist dahingehend programmiert, aus der  Frequenz oder aus der Dauer der Impulse die Drehzahl zu bestimmen. 



  Ein Abfragezyklus zur Erfassung der Istdrehzahl des Asynchronmotors 2 besteht also darin, dass der Programmgeber 4 die Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 für eine vorbestimmte Zeitdauer T kurzzeitig öffnet und aus den am Ausgang 5a des Messmittels 5 erscheinenden Impulsen die Istdrehzahl berechnet. 



  Mit zunehmender Dauer der Trennung von der Energieversorgung nimmt die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ab. Der Programmgeber 4 überprüft deshalb mit Vorteil, ob die Länge der Impulse oder die Zeitdauer zwischen den Impulsen mit zunehmender  ffnungsdauer der Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 tatsächlich zunimmt. Falls dem nicht so ist, liegt ein Fehlzustand vor, worauf der Programmgeber 4 den Brenner abschaltet. Der Fehlzustand könnte darin bestehen, dass die Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 nicht öffnen oder dass das Messmittel 5 defekt ist. Weiter ist es möglich, vorgängig der eigentlichen Inbetriebsetzung des Brenners einen Messzyklus durchzuführen, in dem die Verlangsamung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 bei verschiedenen Drehzahlen gemessen und in einer Tabelle gespeichert wird.

  Der Programmgeber 4 kann somit im Dauerbetrieb die Abnahme der Drehzahl mit den in der Tabelle gespeicherten Werten vergleichen. 



  Mit der beschriebenen Einrichtung ist die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ohne gesonderte Sensoren erfassbar. Käufliche Asynchronmotoren sind in der einfachsten Ausführung und ohne Modifikationen einsetzbar. Im Kleinlastbetrieb entfällt einerseits die schwierige Einstellung von Luftdruckwächtern, andererseits ist die geförderte Luftmenge energiesparsam regelbar. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass im Dauerbetrieb des Brenners jederzeit ein Test durchführbar ist, ob der Gebläseantrieb mit einer bestimmten Drehzahl dreht, und dass gleichzeitig ein Fehlzustand der Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 oder des Messmittels 5 erkennbar ist. 



  Eine solche Einrichtung eignet sich auch zur Überwachung der Drehzahl weiterer bei einem Brenner vorhandenen Asynchronmotoren, die beispielsweise ein Zuluftgebläse oder ein Rauchgasrezirkulationsgebläse antreiben. 



  Die Fig. 2 zeigt ein Messmittel 5 und dessen Verdrahtung mit dem Asynchronmotor 2, das nebst der Erfassung der Drehzahl auch die Erkennung der Drehrichtung des Asynchronmotors 2 ermöglicht. Das Messmittel 5 weist sechs Eingänge 5.1 bis 5.6, drei Ausgänge 5a, 5b und 5c und drei Messeinheiten 12.1 bis 12.3 auf, wobei jeweils zwei Eingänge und ein Ausgang einer Messeinheit zugeordnet sind. Die Eingänge 5.1 und 5.3 sind mit dem Anschluss U, die Eingänge 5.2 und 5.5 mit dem Anschluss V und die Eingänge 5.4 und 5.6  mit dem Anschluss W des Asynchronmotors 2 verbunden, so dass mittels der drei Messeinheiten 12.1 bis 12.3 die Spannungsdifferenzen zwischen je zwei Anschlüssen U, V bzw. W in vom Programmgeber 4 leicht interpretierbare Signale y1, y2 bzw. y3 aufbereitbar sind.

  Die Messeinheiten 12.1 bis 12.3 sind gleich aufgebaut, weshalb im folgenden deren Aufbau und Arbeitsweise anhand der Messeinheit 12.1 beschrieben sind. 



  Die beiden Eingänge 5.1 und 5.2 der Messeinheit 12.1 sind in einem Eingangsschaltkreis über zwei in Reihe geschaltete Widerstände R1 und R2 verbunden. Parallel zum einen Widerstand R2 sind eine Diode D und ein Optokoppier 13 mit einer Leuchtdiode LD so angeordnet, dass die Diode D antiparallel zur Leuchtdiode LD geschaltet ist. Die Dioden D und LD begrenzen den Spannungsabfall über dem Widerstand R2 auf den Wert ihrer Durchlassspannungen. Im Widerstand R1 wird die um die entsprechende Durchlassspannung der Dioden D bzw. LD verminderte Spannungsdifferenz UU-V zwischen den Anschlüssen U und V in einen dazu proportionalen Strom umgewandelt und über den Optokoppler 13 in einen dazu proportionalen, einweggleichgerichteten Ausgangsstrom I1 übertragen.

  Der Ausgangsstrom 11 wird mittels eines Kopplungsgliedes 14, das beispielsweise aus einem Tiefpass und einem nachgeschalteten Widerstand besteht, einem Komparator 15 zugeführt zur Umwandlung des analogen Stromsignales I1 in ein Ausgangssignal y1 in Form einer Folge von Rechteckimpulsen mit TTL-Pegeln. Die Messeinheiten 12.2 und 12.3 verarbeiten entsprechende Spannungsdifferenzen UU-W bzw. UV-W. 



   Die Drehrichtung des Asynchronmotors 2 ist bestimmbar aus der zeitlichen Reihenfolge, mit der die Rechteckimpulse der Ausgangssignale y1, y2 und y3 der drei Messeinheiten 12.1, 12.2 bzw. 12.3 beim Programmgeber 4 eintreffen. Der Asynchronmotor 2 dreht nach links, wenn nach dem Auftreten eines Rechteckimpulses beim Ausgangssignal y1 jeweils ein nächster Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y2 auftritt vor einem nächsten Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y3. Der Asynchronmotor 2 dreht nach rechts, wenn nach dem Auftreten eines Rechteckimpulses beim Ausgangssignal y1 jeweils ein nächster Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y3 auftritt vor einem nächsten Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y2. 



  Bei einer Weiterentwicklung ist dem Komparator 15 eine monostabile, einflankengetriggerte Kippstufe nachgeschaltet, die bei einem Wechsel des Komparatorausganges von tiefem auf hohen TTL-Pegel in den astabilen Zustand kippt und nach einer bestimmten Zeitdauer T1 in den stabilen Zustand zurückkehrt, so dass an ihrem Ausgang als Signal y+ ein Rechteckimpuls mit vorbestimmter Dauer auftritt. Eine solche Kippstufe kann mit dem Baustein SN 74 121 aus der bekannten Reihe 74xx verwirklicht werden. Die Zeitdauer T1, T2 bzw.

  T3 ist bei den drei Kippstufen der Messeinheiten 12.1 bis 12.3 verschieden lang so eingestellt, dass die Rechteckimpulse der drei Ausgangssignale y1, y2 und y3 auch bei hoher Drehzahl des  Asynchronmotors 2 erstens zeitlich nicht überlappen und zweitens verschieden lang sind, so dass sie mittels eines Schaltungselementes wie z.B. einer einfachen "ODER"-Schaltung zu einem Signal yS verknüpfbar sind. Das Signal yS weist dann unterschiedlich lange Rechteckimpulse auf. Die Drehrichtung des Asynchronmotors 2 lässt sich aus dem Signal yS daraus bestimmen, ob eine Folge dreier aufeinanderfolgender Rechteckimpulse lang - mittel - kurz oder lang - kurz - mittel ist, wobei die Folge eventuell durch zyklische Vertauschungen auf eine der beiden Möglichkeiten zu bringen ist.

  Die momentane Drehzahl bestimmt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn jeweils zweier aufeinanderfolgender Rechteckimpulse. Bei dieser Schaltung genügt zur Erfassung der Drehzahl wie der Drehrichtung des Asynchronmotors 2 eine einzige Verbindung zur Übertragung des Summensignales yS zwischen dem Messmittel 5 und dem Programmgeber 4. Die Komparatoren 15 dienen der Detektion der am Ausgang der zugeordneten Optokoppier 13 erscheinenden Stromimpulse, während die Kippstufen die zeitliche Länge der an den Ausgängen y1, y2 bzw. y3 auftretenden Rechteckimpulse festlegen.

  Zur Verdeutlichung zeigt die Fig. 3 die Eingangsspannung UU-V am Eingang der Messeinheit 12.1, den Strom I1, das Signal UC nach dem Komparator 15, das Signal nach der monostabilen, einflankengetriggerten Kippstufe y1, die Signale y2 und y3 nach den Kippstufen der zwei anderen Messeinheiten 12.2 bzw. 12.3 sowie das Summensignal yS bei einer Linksdrehung des Asynchronmotors 2. Die Eingangsspannung UU-V ist als eine Schwingung dargestellt, deren Periodendauer zunimmt und deren Amplitude abnimmt mit zunehmender Zeitdauer seit der \ffnung der Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3. Die Anfangsamplitude hängt von der Drehzahl des Asynchronmotors 2 ab, während dessen Verlangsamung u.a. eine Funktion der angehängten Last ist. Die Auswertung des Summensignals yS ist einfach, da die Dauer der einzelnen Rechteckimpulse nicht von der Drehzahl abhängt.

   Weiter eignet sich diese Schaltungsanordnung zur Erfassung der Drehzahl und der Drehrichtung von Asynchronmotoren, die in Stern- oder in Dreieckschaltung betrieben werden. 



  Die Häufigkeit der Erfassung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 richtet sich nach den einschlägigen Normen oder Sicherheitsvorschriften. Ein solcher Prüfzyklus kann beispielsweise einmal pro Stunde erfolgen. 

Claims (7)

1. Einrichtung zur Ansteuerung des Motors (2) des Gebläses eines Gebläsebrenners, wobei die Drehzahl des Motors (2) steuerbar ist, einschliesslich eines Feuerungsautomaten mit einem Programmgeber (4), der einen Inbetriebsetzungsvorgang und einen fortlaufenden Betrieb des Gebläsebrenners steuert und überwacht, gekennzeichnet durch: a) einen Frequenzumrichter (3) zur Steuerung der Drehzahl des Motors (2), wobei als Motor (2) ein Asynchronmotor vorgesehen ist, b) Schalteinrichtungen (6.1; 6.2; 6.3), durch die der Asynchronmotor (2) für eine vorbestimmte Zeitdauer von der Energieversorgung trennbar ist, und c) ein Messmittel (5), mit weichem in dieser Zeitdauer Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) über dessen Generatorwirkung feststellbar sind.

2.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (5) zwei Eingänge (5.1; 5.2) aufweist, die mit zwei Anschlüssen (W; V) des Asynchronmotors (2) verbunden sind, dass das Messmittel (5) die zwischen seinen Eingängen (5.1; 5.2) anliegende Spannung (UW-V) in eine Folge von Rechteckimpulsen umformt und an den Programmgeber (4) überträgt, und dass der Programmgeber (4) aus der zeitlichen Dauer der Rechteckimpulse oder deren zeitlichem Abstand die Drehzahl des Asynchronmotors (2) bestimmt.

3.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (5) drei Messeinheiten (12.1; 12.2; 12.3) mit zwei Eingängen (5.1, 5.2; 5.3, 5.4; 5.5, 5.6) aufweist, die je mit zwei Anschlüssen (U, V, W) des Asynchronmotors (2) verbunden sind, dass die Messeinheiten (12.1; 12.2; 12.3) die an ihren Eingängen (5.1, 5.2; 5.3, 5.4; 5.5, 5.6) anliegenden Spannungen (UU-V; UU-W; UV-W) in Ausgangssignale (y1; y2; y3) in der Form von Rechteckimpulsen umformen und an den Programmgeber (4) übertragen, und dass der Programmgeber (4) aus den Ausgangssignalen (y1; y2; y3) Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) bestimmt.

4.

Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Messeinheiten (12.1; 12.2; 12.3) je eine monostabile, einflankengetriggerte Kippstufe aufweisen, die derart eingestellt sind, dass die Dauer der Rechteckimpulse der drei Ausgangssignale (y1; y2; y3) verschieden lang ist, dass die drei Ausgangssignale (y1; y2; y3) mittels eines Schaltungselementes zu einem Summensignal (yS) verknüpft werden, das an den Programmgeber (4) übertragen wird, und dass der Programmgeber (4) daraus Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) bestimmt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmgeber (4) zu vorbestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus zur Erfassung von Drehzahl oder Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) ausführt.

6.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmgeber (4) das Ausgangssignal (y1; y1, y2, y3; yS) des Messmittels (5) dahingehend überprüft, ob der Abstand zwischen den Rechteckimpulsen mit zunehmender \ffnungsdauer der Schalteinrichtungen (6.1; 6.2; 6.3) zunimmt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmgeber (4) vorgängig der Inbetriebsetzung des Gebläsebrenners einen Messzyklus durchführt, in dem er nach \ffnung der Schalteinrichtungen (6.1; 6.2; 6.3) die Verlangsamung der Drehzahl des Asynchronmotors (2) bei verschiedenen Drehzahlen erfasst und in einer Tabelle speichert, und dass der Programmgeber (4) im Dauerbetrieb des Gebläsebrenners zu vorbestimmten Zeitpunkten die Drehzahl und deren Verlangsamung erfasst und mit den in der Tabelle gespeicherten Werten vergleicht.