CN109915403B - 用于控制施加给电风扇的电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在电风扇(3)启动期间控制施加给风扇(3)的电压的方法。在此，风扇(3)用于产生对设备进行冷却的气流。该方法包括以下步骤：将用于为设备供电的电源(1)的输出电压施加到风扇(3)；以及通过借助控制单元(7)脉宽调制地控制的开关(6)接通和断开电源(1)的施加到风扇(3)的输出电压，使得流过风扇(3)的电流的有效值小于风扇(3)的启动电流。

Description

用于控制施加给电风扇的电压的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制施加给电风扇的电压的方法。同样地，本发明涉及一种计算机程序产品，利用该计算机程序产品可执行该运行方法。同样，本发明涉及相应的电路装置。本发明还涉及一种设备，其设计用于应用该运行方法。

背景技术

已知，诸如像软启动器和变流器的电子开关设备为了对功率电子件进行冷却而配备有电动的风扇，以避免半导体过热和/或提高设备的性能。例如，2005年10月20日的DE 102004 017292 A1(Siemens AG)描述了一种用于主动冷却软启动器的风扇。

许多不同类型的设备，例如投影仪、音响设备、冰箱也使用电动的风扇来排散损耗功率。在下文中，术语“设备”普遍用于待冷却的各类设备。

如果用于为设备供电的电源同时也应该用于为电风扇电机供电，则由于风扇电机的启动电流的原因，电源必须设计得相对较大，因为该启动电流为晚些时候流动的额定电流的数倍。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于运行设备风扇的改进方法。此外，本发明的目的在于提供一种用于运行设备风扇的改进的电路装置。

根据本发明，该目的通过一种用于在风扇启动期间控制施加给电风扇的电压的方法来实现。风扇在此用于产生对设备进行冷却的气流。方法包括将电源的输出电压施加到风扇上，其中，该电源还向设备供电。方法还包括通过借助控制单元脉宽调制地控制的开关来接通和断开电源施加到风扇上的输出电压，使得流过风扇的电流的有效值小于风扇的启动电流。该目的还通过一种用于对电风扇进行供电的电路装置实现。风扇用于产生对设备进行冷却的气流。电路装置包括用于将风扇与电源连接的电触点，该电源用于为设备供电。电路装置还包括与风扇串联连接的开关，用于接通和断开流过风扇的风扇电流，其中开关可以借助脉宽调制的调整信号交替地打开和闭合。电路装置还包括控制单元，用于在开关处提供脉宽调制的调整信号，使得流过风扇的电流的有效值小于风扇的启动电流。

如在电气工程中常见的那样，有效值被理解为脉宽调制的电流值的二次平均值，其表示随时间变化的物理量。在英语中，有效值称为RMS(＝Root Mean Square均方根值)。

开关可以设计为开关元件或开关机构，例如设计为晶体管，也称为开关晶体管。

电动的风扇，或简称：电风扇，具有转子，例如多个固定在可旋转的轴上的风扇叶片，以及用于驱动转子的电动机。风扇的电动机通过施加的电压来运行。缩写“向风扇施加电压”意味着将电压施加到风扇的电动机上。风扇电流是流过风扇电机的、即风扇的电动机的电流，更确切地说，例如流过风扇电机的导线绕组的电流，该电流在施加电压之后流到风扇电机。电风扇产生用于对设备进行冷却的气流，特别是对电子开关设备的电子件，例如软启动器、变频器、逆变器进行冷却。在此，电子件优选是控制电子件，其可以控制开关设备的开关机构。由此应该避免半导体过热并提高设备的性能。在此，风扇和待冷却的设备，特别是设备的控制电子件，由相同的电源供电。风扇优选地集成在设备中。

根据本发明的方法用于，在风扇启动期间，即在风扇电机的转速提高期间，特别是从静止开始起的启动期间，对施加给风扇的电动机的电压进行控制。这种控制很重要，因为风扇电机在其启动时消耗的功率能够是连续运行时消耗的功率的几倍，例如约三倍。

借助通过控制单元脉宽调制地控制的开关来交替地接通和断开电源的施加到风扇上的输出电压，由此调节了施加给风扇电机的电压并因此也调节了流过风扇电机的电流，使得流过风扇的电流的有效值小于或等于风扇的额定电流。

本发明基于以下认知，用于为借助风扇冷却的设备供电的电源本身也可以同时用于为风扇供电，而不必围绕风扇的启动功率将电源设计得更大。取而代之的是，通过限制风扇的功率消耗，特别是在其启动期间的功率消耗，如下地确定电源的规格就足够了，即其覆盖设备的连续运行功率加上风扇的额定运行功率。因此，除了针对设备的连续电流设定规格之外，电源仅需针对风扇的额定电流的最大值设定规格，而不需针对风扇的启动电流设定规格。

通过为设备的控制电子件供电的电源对风扇进行供电，(特别是在很宽的电源电压范围内、例如110V(-15％)至240V(+10％)的宽范围电源)对于客户来说具有变体更少的优点，这也为制造商在制造、仓储和成本方面提供了显著的优势。因此，很明显，设备的一个或者多个风扇由宽范围电源的被调节的输出电压来供电，而不是直接由设备的电源电压供电。这另外提供了以下优点：风扇的预期气流不受供电电压波动的影响。

许多设备仅需要非常少的功率用于控制电子件，因此电源也可以设计得非常小。然而，到目前为止，风扇功率在此会显著影响电源的设计：特别是如果必须考虑风扇的启动功率(与连续运行相比，风扇在启动期间可以消耗大约三倍的功率)，可能发生的是，电源必须明显更大和更昂贵地设定规格。取决于风扇，在达到全速之前，启动时间可能持续几秒钟；对于该时间而言，到目前为止，设备的电源必须提供用于风扇的增加功率。

本发明现在提供了以下可行性：风扇在设备的电源处运行，但尽管如此电源不必围绕风扇的启动功率而设计得更大。通过本发明，可以在设备电源处实现节省，该设备已经集成了风扇并且该风扇通过为设备供电的电源来连带供电。通过本发明，除了针对设备的连续电流设定规格之外，电源仅必须针对风扇的额定电流设定规格，而不是针对风扇的启动电流设定规格。这节省了成本和安装空间。

根据本发明的一个优选设计方案，流过风扇的电流的最大值小于或等于风扇额定电流的两倍。因此，除了针对设备的连续电流来设定规格之外，电源还可以比目前为止更小地来设定规格。

根据本发明的一个优选设计方案，该方法包括以下步骤：检测施加给风扇的风扇电压；并且根据检测到的风扇电压计算电源的施加到风扇上的输出电压的接通和断开时间。风扇电压是施加给风扇电机的电压。在此，接通时间t_EIN和断开时间t_AUS可以根据下式计算：

(式1)t_EIN＝(2·I_n·L_D)/U_L

(式2)t_AUS＝(2·I_n·L_D)/(U_S+U_D-U_L)

其中，

I_n＝风扇的额定电流

L_D＝扼流圈的电感

U_S＝电源的输出电压

U_L＝风扇电压

U_D＝续流二极管正向电压。

在现有技术中，如果希望调节电流，那么或者以高采样率检测未平滑的三角形电流并计算平均值，这需要相对高的计算性能，或者利用较大的扼流圈对电流进行平滑，这意味着相对高的空间需求和明显更高的成本。在此，本发明的优选设计方案的优点是：不对电流进行调节，而是进行设定。为此，仅需要检测施加给风扇的风扇电压并根据检测到的风扇电压计算电源的施加到风扇上的输出电压的接通和断开时间。利用本发明，对此既不需要较大的扼流圈来平滑电流，也不需要大的计算性能来采样和处理未平滑的电流。风扇处的电压只需要偶尔进行测量。根据式1和式2对接通和断开时间的计算明显比开关的切换稀少。用于恒定保持电流的功能的唯一可变输入参数是更稀少测量的风扇电压。

根据本发明的一个优选设计方案，该方法包括以下步骤：将电容器与风扇并联连接。根据本发明的一个优选设计方案，电路装置包括与风扇并联连接的电容器。在此，优点是电容器稳定了风扇电压。

根据本发明的一个优选设计方案，该方法包括以下步骤：连接扼流圈，使得流过风扇的风扇电流也流过扼流圈和开关，扼流圈限制了电流上升。根据本发明的一个优选设计方案，电路装置包括与风扇串联连接的扼流圈，用于限制电流上升。在此的优点是，扼流圈限制了电流上升。在开关的脉宽调制控制中，高开关频率是有利的，因为限制电流上升和/或平滑电流变化的扼流圈能设计得越小，那么开关频率就越大。

在现有技术中，如果希望调节电流，那么或者以高采样率检测未平滑的三角形电流并计算平均值，这需要相对高的计算性能，或者利用较大的扼流圈对电流进行平滑，这意味着相对高的空间需求和明显更高的成本。在此，本发明的优选设计方案的优点是：不对电流进行调节，而是进行设定。为此，仅需要检测施加给风扇的风扇电压并根据检测到的风扇电压计算电源的施加到风扇上的输出电压的接通和断开时间。利用本发明，对此既不需要较大的扼流圈来平滑电流，也不需要大的计算性能来采样和处理未平滑的电流。风扇处的电压由电容器平滑并且只需要偶尔测量。根据式1和式2对接通和断开时间的计算比开关的切换明显更稀少。用于恒定保持电流的功能的唯一可变输入参量是更稀少测量的风扇电压。

根据本发明的一个优选设计方案，该方法包括以下步骤：连接电流测量分流器(Strommessshunt)，使得流过风扇的风扇电流也流过电流测量分流器。根据本发明的一个优选设计方案，电路装置包括与风扇串联连接的电流测量分流器。

为电路简单地扩展分流器提供了使用电路的额外优点的可能性。为此，由控制系统还检测和评估分流器处的电压。由此，在风扇的连续运行中，风扇的电流消耗也是已知的，并且例如可以执行短路监控、迟钝监控。此外，例如为了部分负载运行或者为了节省能量，也可以考虑将风扇电流限制低于风扇的额定电流。

在此，优点是实现多样化功能的可能性，这些功能可以通过知晓风扇电流来实现。例如，可以在风扇处或者在其馈电线上有短路时对电流进行限制，因此设备的其余部分可以继续运行，这提高了设备的可用性。如果通过在电流测量分流器处的电流测量识别到风扇是迟钝的或锁死的，则可以警告设备操作员。另外，也可以实现连续操作中的电流限制以调节气流或节省能量。

概述的目的也由根据本发明的计算机程序产品来实现。计算机程序产品被设计为可在控制单元中执行。计算机程序产品可以设计为可在存储器中存储的软件或固件并通过运算单元执行。替代地或补充地，计算机程序产品还可以至少部分地设计为硬布线电路，例如ASIC(＝专用集成电路)。计算机程序产品设计用于接收、评估测量值并生成到电路装置的组件的命令。根据本发明，计算机程序产品设计用于应用和执行概述方法的至少一个实施方式，该方法用于在风扇启动期间控制施加给电风扇的电压。在此，计算机程序产品可以组合该方法的所有子功能，即设计为整体的。替代地，计算机程序产品也可以分区段地设计并且子功能分别分配到区段上，区段在单独的硬件上执行。例如，控制方法的一部分可以在设备中、例如开关设备中执行，并且控制方法的另一部分可以在上级控制单元中、例如SPS(＝可编程逻辑控制器)、手动参数化设备或计算机云中执行。

根据本发明的一个优选设计方案，电路装置包括续流二极管，其连接为使得在开关打开时，扼流圈可以继续驱动电流经过续流二极管、与风扇并联的电容器和/或风扇。也就是说，在风扇电机、即感应式负载的情况中，应注意，在开关打开时，电流可以继续流动。为此，续流二极管与风扇电机并联连接。在没有续流二极管的情况下，在开关打开时，通过感应电压生成电压峰值，电压峰值会引起额外的问题，甚至会损坏电路。在此的优点是，在关断风扇的电动机的感应直流负载时，续流二极管防止开关过压，开关优选地设计为开关晶体管。为此，续流二极管与风扇的电动机并联，即，与感应直流耗电器并联，从而电源的输出电压在反向偏置方向上施加给该续流二极管。

本发明的一个优选设计方案是一种具有电风扇和电源的设备。该设备优选是开关设备，例如软启动器或变流器。然而，该设备也可以是电气或电子测量设备，例如示波器或消费品，例如PC、TV或全自动咖啡机。在此，其中使用的电风扇用于产生对设备进行冷却的气流。电源用于为设备供电。该设备包括根据前述的电路装置。在此，风扇通过电触点与电源连接。

根据设备的一个优选设计方案，电源的输出电压是直流电压。在此，优点是可以运行直流风扇。市场上的直流风扇比用于交流运行的风扇更多，因此选择范围更广。

附图说明

下面，根据几个实施例参考附图对本发明进行说明。图中示出

图1是第一电路装置；

图2是另一种电路装置；

图3是设备；以及

图4是所要求保护的方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出了第一电路装置20。电源1在输入侧连接至未示出的供电网(例如单相或多相交流电系统)，并且电源在输出侧提供作为直流电压存在的输出电压。电源1的输出电压施加给设备，特别是设备的电子电路。该设备可以设计为开关设备，例如像软启动器，特别是电子开关设备。同时，电源1的输出电压也经由与电源1的连接点相连的电触点10a、10b施加给电动的风扇3，该风扇优选地集成到设备中。风扇3经由两个电节点12、14连接到电路装置20。风扇3产生用于对设备、特别是设备的电子开关元件进行冷却的气流。

电容器2连接在两个电节点12、14之间并进而与风扇3并联。电容器稳定风扇电压。扼流圈4也称为：扼流线圈，扼流圈一方面与风扇串联连接，其另一方面与电容器串联连接。扼流圈(英语：Choke)是线圈或电感器，其用于限制电线路中的电流、用于将能量以其磁场的形式临时存储、用于阻抗匹配或滤波。与变压器或振荡回路电感器相比，它们通常与其他部件或耗电器串联连接。

另外，开关6为了中断电流而与扼流圈4串联连接。在开关6闭合时，电流从电源1经由第一电流路径流过风扇3、扼流圈4和开关6返回电源1，并且经由第二电流路径通过电容器2、扼流圈4和开关6返回电源1。

续流二极管5(英语：flyback diode)与风扇3和扼流圈4并联连接，其用于在切断风扇3的电动机的感应直流电压负载时防止过压。为此目的，续流二极管5与风扇3的感应直流耗电器并联连接，从而续流二极管在反向偏置方向上加载电源1的输出电压。

施加给风扇3的电压在两个测量点处，即第一测量点13和第二测量点15处被截取，并且经由第一测量线91和第二测量线92传输到控制单元7。

通过根据本发明的风扇控制，施加给风扇3的电压在风扇启动期间逐渐增加。电压的增加使得即使在风扇启动期间，流过风扇电机的电流的有效值也小于或等于风扇3的额定电流。

例如，在风扇的额定电流为0.5A并且风扇的启动电流为1.5A时，流经风扇的电流的有效值限制在0.5A。在开关6的接通时间期间，风扇电流最大增加到额定电流的两倍；在开关6的断开时间期间，风扇电流完全消退。平均而言，对于风扇电流因此获得风扇3的大约以下额定电流，即连续运行电流。

图1中所示的电路装置的供电由电源1的输出电压来实现，电源也设置用于对设备的其余控制电子件进行供电。通常，该输出电压1是直流电压。该供电电压1由控制单元7，例如通过微控制器来测量。

为了启动风扇3，通过控制单元7的PWM控制来控制电流流动，控制单元通过控制线94交替地将用于打开和闭合的信号发送到开关6(PWM＝脉宽调制)。为了计算PWM的接通和断开时间，控制单元7还检测施加给风扇3的风扇电压。为了稳定该电压，电容器2与风扇3并联连接。用于控制开关6的PWM的接通时间t_EIN和断开时间t_AUS的计算大致根据上述的式1和式2的公式进行。

根据风扇电压，在风扇启动期间，脉宽调制、即开关6的接通和断开时间由控制单元7进行调整，使得在整个启动期间流动的电流保持恒定。在时间t_EIN期间，电流从电源1经由电容器2和/或风扇3以及扼流圈4和开关6流回电源1。扼流圈4限制电流上升。接通时间根据上面的式1的公式来确定，以便最大达到风扇额定电流的两倍。

在优选设计为开关晶体管的开关6的接通时间期间，电流最大上升到两倍额定电流；在开关6的断开时间期间，电流完全消退。平均而言，因此获得风扇3的大约以下额定电流，即连续运行电流。

此后，对于时段t_AUS开始开关6的断开阶段，在此期间扼流圈4继续驱动电流经过续流二极管5和电容器2和/或风扇3。根据第二公式式2计算断开时间，使得电流完全消退，直到开关6的下一次接通为止。出于安全原因，这个计算的断开时间可以借助一个因子稍微延长。

平均而言，通过这种控制在整个启动期间，流动着风扇3的在式1和式2中给出的额定电流I_n。

图2示出了第二电路装置20，其与图1中所示的第一电路装置一致，但额外具有电流测量分流器8。通过在分流器8上游的第二测量点15和分流器8下游的第三测量点16处的电压截取，分流器8处的电压降可以被截取并且经由第二测量线92和第三测量线93传输到控制单元7。因此，在已知分流器8的电阻时，可以计算在第三节点14处存在的电流强度。

电流测量分流器8对于电路装置的功能来说是不需要的。然而，为电路装置简单地扩展出一个电流测量分流器8提供了利用电路的附加优点的可能性。为此，控制单元7额外地检测电流测量分流器8处的电压。因此，即使在风扇3的连续运行中，风扇3的电流消耗也是已知的。通过评估检测到的电流测量值，控制单元7例如可以执行短路监控或迟钝监控

类似地，也可以将风扇电流限制为低于风扇3的额定电流，例如，为了风扇3的部分负载运行或为了节省能量。

图3示出了设备9，其设计为开关设备。在此，开关设备具有图中未示出的开关件，通过该开关件可以接通未示出的耗电器、例如电动机的供电电压，其中，该供电电压通过所谓的主电路引导。通过主电路提供的供电电压可为例如380V。

设备9具有电风扇3，其用于产生对设备9进行冷却的气流。气流例如可以冷却设备9的电子电路，特别是用于控制开关件的控制电子电路。设备9还具有电源1，其用于为设备9供电，例如为电子电路供电。在此，电源1在输入侧通过电源线22连接到所谓的控制电路中，其为电源1供应来自电网21、例如来自单相或多相交流电系统的控制电压。通过控制电路提供的控制电压例如可以为230V。电源1对电网21中提供的控制电压进行转换，使得电源1的输出电压是在限定的电压范围内的直流电压，例如24V的电压。设备9还具有用于为电风扇供应电流的电路装置20。电路装置20具有电触点，以用于将风扇3与电源1电连接。电路装置20具有与风扇3串联连接的开关，以用于接通和断开流过风扇3的风扇电流，其中电路装置借助脉宽调制的调整信号可以被交替地打开和闭合。电路装置20还具有控制单元，用于向开关提供脉宽调制的调整信号，使得平均而言仅有风扇3的连续运行电流流过风扇3。

图4示出了根据本发明的用于在风扇启动期间控制施加给电风扇的电压的方法100，其中风扇用于产生对设备进行冷却的气流。方法100包括以下步骤：在第一步骤101中，将用于为设备供电的电源的输出电压施加到风扇上。在随后的步骤102中，通过借助控制单元脉宽调制地控制的开关来接通和断开电源的施加给风扇的输出电压，使得风扇以风扇的连续运行电流来运行。

Claims (14)

1.一种用于在风扇（3）启动期间控制施加给所述风扇（3）的电压的方法（100），其中，所述风扇（3）用于产生对设备（9）进行冷却的气流，所述方法包括以下步骤：

将用于为所述设备（9）供电的电源（1）的输出电压施加（101）到所述风扇（3）上；以及

通过借助控制单元（7）来脉宽调制地控制的开关（6）来接通和断开（102）所述电源（1）的施加到所述风扇（3）上的所述输出电压，

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

检测施加给所述风扇（3）的风扇电压；以及

根据检测到的所述风扇电压计算所述电源（1）的施加到所述风扇（3）上的所述输出电压的接通和断开时间，使得流过所述风扇（3）的电流的有效值小于或等于所述风扇（3）的额定电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，流过所述风扇的电流的最大值小于或等于所述风扇（3）的额定电流的两倍。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：将电容器（2）与所述风扇（3）并联连接，以稳定所述风扇电压。

4.根据权利要求1所述的方法，包括：连接扼流圈（4），使得流过所述风扇（3）的所述风扇电流也流过所述扼流圈（4）和闭合的所述开关（6），所述扼流圈限制电流上升。

5.根据权利要求1所述的方法，包括：连接电流测量分流器（8），使得流过所述风扇（3）的所述风扇电流也流过所述电流测量分流器（8）。

6.一种计算机程序产品（80），所述计算机程序产品能在控制单元（7）中执行，其特征在于，所述计算机程序产品（80）设计用于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。

7.一种用于风扇（3）的电流供应的电路装置（20），所述风扇用于产生对设备（9）进行冷却的气流，包括

用于将所述风扇（3）与电源（1）连接的电触点（10a、10b），所述电源用于为所述设备（9）供电，

与所述风扇（3）串联连接的开关（6），用于接通和断开流过所述风扇（3）的风扇电流，其中，所述开关（6）能借助脉宽调制的调整信号交替地打开和闭合，以及

控制单元（7），用于在所述开关（6）处提供脉宽调制的调整信号，

其特征在于，

所述电路装置（20）还包括用于检测施加给所述风扇（3）的风扇电压（UL）的测量点（13、15）；以及

所述控制单元（7）被配置为根据检测到的所述风扇电压（UL）来计算所述电源（1）的施加到所述风扇（3）上的输出电压（US）的接通和断开时间，使得流过所述风扇（3）的电流的有效值小于所述风扇（3）的启动电流。

8.根据权利要求7所述的电路装置（20），包括与所述风扇（3）并联连接的电容器（2）。

9.根据权利要求7或8所述的电路装置（20），包括与所述风扇（3）串联连接的扼流圈（4），所述扼流圈用于限制电流上升。

10.根据权利要求9所述的电路装置（20），包括续流二极管（5），所述续流二极管被连接使得在所述开关（6）打开时，所述扼流圈（4）能够继续驱动电流经过所述续流二极管（5）、与所述风扇（3）并联连接的电容器（2）和/或所述风扇（3）。

11.根据权利要求7所述的电路装置（20），包括与所述风扇（3）串联连接的电流测量分流器（8）。

12.一种包括根据权利要求7至11中任一项所述的电路装置（20）的设备（9），具有：风扇（3），所述风扇用于产生对所述设备（9）进行冷却的气流；以及电源（1），所述电源用于为所述设备（9）供电，其中，所述风扇通过所述电触点（10a、10b）与所述电源（1）连接。

13.根据权利要求12所述的设备（9），其中，所述电源（1）的输出电压是直流电压。

14.根据权利要求12所述的设备（9），其中，所述设备是开关设备。

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