CN1210635C - 用于电动机风扇流量控制的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

在一个电池供电的新鲜空气单元中，用于使从风扇(3)进入防护头盔(4)的空气保持恒定流量的方法与配置。风扇(3)是一个辐射状的风扇，在该风扇的吸入一侧，安置了一个过滤器(5)，并且由无刷直流电动机(2)来驱动。借助于来自电动机(2)里面的位置传感器(30)的信号，控制单元(12)就能确定风扇(3)的转速。控制单元还检测该电动机的功率消耗，并将此功率消耗和转速跟存储在存储器(14)之中的针对来自该风扇的给定流量的电动机(2)的特性曲线进行比较。在出现任何偏离时，控制单元(12)调节被施加到电动机(2)的电压的改变，使得偏离得以减少。在这种情况下，流量被保持在与过滤器的堵塞和电池电压无关的所需的、可调整的水平上。若电池电压降低到一个预定的最低安全水平以下，则控制单元(12)向处于报警单元(38)之中的声光报警器(40，42)发出信号qs和Vs。

Description

用于电动机风扇流量控制的方法与装置
技术领域
本发明涉及对由电动机驱动的风扇流量的控制，并且特别地涉及维持一部风扇的恒定流量，上述风扇在吸气一侧安置了一个过滤器。
背景技术
可能有必要在对健康有害的环境中进行某种工作，对健康有害是环绕着必须从事此项工作的人员的烟雾或有毒气体产生的结果。焊接工作就是这种工作的一个实例。已经设计了通风单元，以便在不危及健康的条件下进行这样的工作。这些方法使用电气驱动的风扇将新鲜空气吹到正在从事此项工作的人员所佩戴的防护头盔里面。该单元可以装上一个过滤器，例如位于风扇的吸气一侧，以便从准备吸入的空气中滤除颗粒和/或不需要的气体。该单元可以是便携式的并且用电池供电。
为了安全地使用这样一个单元，必须保证新鲜空气的流量，该流量不得低于例如由健康保护标准所确定的一定的水平。即使由于使用日久，使得过滤器日益堵塞，也必须维持这样的水平。人们还希望，为了使这个单元用得舒服，气流的体积/功率不会引起气流形式的不舒服，并且该单元应当能够长期使用，例如在整个工作时间内，不需要任何手动调整或维护。特别是在使用电池的单元中，人们希望该单元能够在更大程度上不依赖于电池电压的条件下进行工作。
本发明基于这样的知识，即，若将流量稳定在所设置的预定的水平上，就能满足这些要求和愿望，以及可以利用已知的关系来调节流量。每一部风扇都有一种特定的风扇特性，它描述在不同压降下介于转速、流量和空气输出之间的关系。因此，就能在一定的压降下获得所需的流量，或者通过调节转速和/或空气输出，使压降发生改变，从而使流量保持恒定。此外，每一部风扇都有一定的效率水平，它给出介于空气输出与轴功率之间的关系。输出是转数和力矩的乘积，对每一种电动机来说，力矩与功率消耗之间存在一定的关系。这意味着有可能为每一个风扇/电动机组合画出一组图形，其中，在每一种状态下，针对不同的压降的一个给定的流量，以及一组图形，其中，在每一种状态下，针对不同的流量的一个给定的压降。通过测量电动机的转数和功率消耗二者，就有可能确定实际的流量，并且若这不符合所需的流量，则例如通过改变施加到电动机上的电压，就能进行调整。
发明内容
本发明的目标就是实现流量调节，特别是恒定流量的维持，二者都是可靠的和经济的。
根据本发明，提供一种用于在由电动机驱动的风扇中进行流量调节以使来自风扇的流量保持在一个恒定的水平上的方法，其特征在于表示电动机的实际的功率消耗以及转速的各项数值被确定，还在于，在电动机中生成一个脉冲信号，该脉冲信号表示电动机的转子的位置，所述脉冲信号被转换为转速指示信号，一个控制单元将这些数值跟存储在存储器之中的曲线或表格进行比较，上述曲线或表格表示对于来自风扇的一个给定流量介于功率消耗以及转速之间的关系，若数值之一处于曲线上或表格之中的的一个点上，但其它数值偏离了这个点，则控制单元确定偏离的数值是太高还是太低，控制单元按照旨在减少偏离的方向，来控制被施加到电动机的电功率的改变，还在于，各项新的数值被确定，并且重复执行这个过程，直到不出现偏离为止。
根据本发明，提供一种用于由电动机驱动的风扇的流量控制以使风扇维持恒定流量的设备，其特征在于，该设备包括一个被连接到一部电动机的控制单元，该单元控制着被施加到该电动机的电压；一个被连接到控制单元的第一传感器，借助于该传感器就能确定该电动机的功率消耗的实际数值；一个被连接到控制单元的第二传感器，借助于该传感器就能确定该电动机的实际转速；一个存储器，在其中至少存储着一个曲线或一个表格，用于说明风扇在一个给定流量下介于电动机的转速和功率消耗之间的关系；以及在控制单元中的一个比较装置，它被设置用于将所述各数值跟来自存储器的一个选定的流量曲线进行比较，并在出现任何偏离时，控制被施加到该电动机的电压，使偏离得以减少。
附图说明
下面，将参照诸附图，对本发明的一个实例进行更详细的说明，其中，
图1以方框图的形式图解用于电风扇的一个调节装置，
图2表示针对电动机的一份转数/功率消耗图。
具体实施方式
一个无刷直流电动机2，最好是一个三相双极电动机，驱动一个辐射状的风扇3，后者处于一个便携式新鲜空气单元之中，用于供焊接用的焊接头盔，同时用作呼吸保护器。一个过滤器5，它可能是一个颗粒过滤器和/或一个气体过滤器，被安置在风扇3的吸入一侧。新鲜空气单元以及焊接头盔例如可以根据例如现有技术来进行设计，因此，它们没有被示出，也不进行详细说明。
从电源控制装置8经由电缆6向电动机2供电，又从控制单元12经由电缆10向电源控制装置8供电并进行调节。控制单元12含有一个存储器装置14，在其中，按照在过滤器5上的不同压降，或者使用不同的过滤器5，以针对预定流量的特性曲线的形式，存储着电动机的转数和功率消耗的数值。
图2表示在风扇电动机2中，介于转速和功率消耗之间4种不同的关系。A和B两条曲线分别显示在160和200升/分钟的恒定流量下、也就是在吸入一侧改变阻力的条件下的关系。另外两条曲线C和D表示在恒定约束和改变流量条件下，转速和功率消耗之间的关系。例如，曲线C说明了使用一个干净过滤器的关系，曲线D则表示同一过滤器被部分地阻塞时，或者使用一个较密的过滤器时的关系。
新鲜空气单元有一块控制面板16，焊工可以通过在其上的流量选择标度盘18来设置通往头盔的所需新鲜空气流量。与选定的流量相对应的信号q通过电缆20被输送到控制单元12。控制单元12通过电缆22从电池组24接收电源电压V。
电源供应电缆6含有一个与电动机2串联的测试电阻26。与电阻26上的电压降相对应的信号e在与电动机2相连接的电阻两端被提取出来，并通过电缆28送往控制单元12。电压降与电动机的功率损耗是成正比的，而且控制单元将信号e转换成数字电流信号I。电动机2还有一个传感器30，借助于传感器可以测定实际转速。在本例中，传感器由一个或多个霍尔传感器组成，用以测定转子的位置。传感器30发出的位置信号p通过电缆32被送往控制单元12。得到了电动机2上每转一圈的位置指示数目之后，控制单元12就能将位置信号p转换成数字转速信号n。由控制单元12和功率控制装置8组成的控制装置34最好全部地或部分地装入电动机2之中。
控制装置的功能如下。在开始实际工作之前，焊工在新鲜空气单元中安装一个合适的过滤器5，例如可以安装一个与曲线C相对应的过滤器。然后焊工使用流量选择标度盘18来设置通往焊接头盔的所需新鲜空气流量，例如160升/分钟。指示该流量的信号q通过电缆20被送到控制单元12，后者在存储器14中选定了相应的曲线A。此时控制单元12将通过电缆28从电压信号e中接收到的电流与转速数值和经由电缆32接收的位置信号p跟所选定的曲线进行比较。当在曲线A的一个点上再次找到这两个数值时，风扇所提供的就是所需的流量。然而，若只有一个数值在曲线上，而另一个数值偏离该曲线，则风扇所提供的空气流量不是太大就是太小，并且控制单元将通过比较来确定是哪一种情况。例如，若电流数值和转速数值分别为160毫安和5300转/分钟，则转速数值将高于曲线A，曲线A上对应于160毫安的是5200转/分钟。这说明流量太小，可能是由于过滤器被部分地堵塞造成的。来自电动机的数值将改为与曲线D相对应。
这样就必须增加电动机功率以增加流量，这就是控制单元12通过电缆10向功率控制装置8发送相应信号的原因，功率控制装置反过来又增加了经由供电电缆6送往电动机2的电压。从而使功率消耗增加。从新的电压和位置信号分别为e和p中得到新的电流和转速数值，再跟选定的流量曲线A进行比较，该调节过程将一直重复进行下去，直到两个数值都落在该曲线上为止。这将发生在曲线A和D的交点上，约为185毫安和5600转/分钟。调节将围绕该交点进行，并且流量也将在设定值上基本上保持稳定。若由于某种原因，焊工想得到另一种流量，例如在一定时间内需要200升/分钟的流量，则他必须将流量选择标度盘18设置到所需流量，这时控制单元12将选择相应的曲线，在本例中为曲线B，并经由功率控制装置8来控制电动机2，后者将风扇3控制到该流量上，并使其保持在一个恒定的水平上。
如图2所示，在低转速和低功率消耗时，介于两曲线之间的交点不能精确地加以定义。尤其是较低的曲线C将会摇摆不定，因为只要过滤器是干净的，就会有一个低的压降。电动机在空转，此时功率消耗在很大程度上对应于电动机的空转电流，并且将在较小的程度上受到过滤器阻力的影响。为了使控制动作不至于在振荡中结束，在控制单元中设有最低转速保护装置，从而就不允许速度下降到一定的水平以下，例如可以试验性地将其设置在空转转速之上。在所示的例子中分别是，流量为160升/分钟时，转速不允许低于4300转/分钟，流量为200升/分钟时，转速不允许低于4900转/分钟。
为了使损耗尽可能地低，对电动机2的功率调节将通过使用脉冲技术来实现，这对于一个用电池供电的单元来说是很重要的。作为安全措施，若电池电压过低，则将出现一个报警信号。为了达到此目的，控制单元12检测输入的电池电压V。若电压下降到预定的最低水平以下，则控制单元12通过电缆36向新鲜空气单元中的报警单元38发出报警信号Vs。报警信号使报警单元38中采取发光二极管形式的报警灯40发光并且激活报警蜂鸣器42，从而使焊工意识到该单元不能继续可靠地运转。
控制单元有一个附加的安全装置。控制单元12的存储器14还有另外一条曲线，它表示符合应用保护标准的最小流量。控制单元将按照固定的时间间隔或连续地将电动机2的功率消耗和转速的实际数值跟最小流量曲线进行比较。若比较结果表明实际流量太小，则控制单元12将通过电缆44向报警单元38发出一个报警信号qs，并激活报警灯40和报警蜂鸣器42。

Claims (16)

1.一种用于在由电动机(2)驱动的风扇(3)中进行流量调节以使来自风扇的流量保持在一个恒定的水平上的方法，其特征在于
表示电动机(2)的实际的功率消耗以及转速的各项数值被确定，还在于，在电动机(2)中生成一个脉冲信号(p)，该脉冲信号表示电动机的转子的位置，所述脉冲信号被转换为转速指示信号，
一个控制单元(12)将这些数值跟存储在存储器(14)之中的曲线或表格进行比较，上述曲线或表格表示对于来自风扇的一个给定流量介于功率消耗以及转速之间的关系，
若数值之一处于曲线上或表格之中的的一个点上，但其它数值偏离了这个点，则控制单元(12)确定偏离的数值是太高还是太低，
控制单元(12)按照旨在减少偏离的方向，来控制被施加到电动机的电功率的改变，
还在于，各项新的数值被确定，并且重复执行这个过程，直到不出现偏离为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择一个无刷直流电动机(2)作为上述电动机。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过从被存储在存储器(14)之中的多个曲线(A，B)中选择与所需的恒定流量相对应的一个曲线，来设置所需的恒定流量，其中每一个都与一个流量相关。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，控制单元(12)将这些转速和功率消耗的数值跟代表预定的最小流量的一个最小曲线进行比较，若该数值等于比最小流量还要低的流量，则发出报警信号(qs)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，控制单元(12)将转速数值跟存储在存储器之中的、对于在不同功率消耗水平下的转速的一个最小值进行比较，并进行电动机(2)的调节，以免电动机的转速下降到对应于功率消耗的电流数值的最小值以下。
6.一种用于由电动机(2)驱动的风扇(3)的流量控制以使风扇维持恒定流量的设备，其特征在于，该设备包括一个被连接到一部电动机的控制单元(12)，该单元控制着被施加到该电动机的电压；一个被连接到控制单元(12)的第一传感器(26)，借助于该传感器就能确定该电动机的功率消耗的实际数值；一个被连接到控制单元(12)的第二传感器(30)，借助于该传感器就能确定该电动机的实际转速；一个存储器(14)，在其中至少存储着一个曲线(A，B)或一个表格，用于说明风扇(3)在一个给定流量下介于电动机(2)的转速和功率消耗之间的关系；以及在控制单元中的一个比较装置，它被设置用于将所述各数值跟来自存储器的一个选定的流量曲线进行比较，并在出现任何偏离时，控制被施加到该电动机的电压，使偏离得以减少。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该电动机是一部无刷直流电动机(2)。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，该风扇是一部辐射状的风扇(3)。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，第二传感器(30)是一个霍尔传感器。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，第二传感器(30)是一个霍尔传感器。
11.根据权利要求6、7和9中任一项所述的设备，其特征在于，风扇(3)是用于呼吸帮助的一个新鲜空气单元的一部分。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，风扇(3)是用于呼吸帮助的一个新鲜空气单元的一部分。
13.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，控制单元(12)控制报警装置(40，42)，用以指示来自风扇(3)的流量是否降低到一个预定的最低水平以下。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，控制单元(12)控制一个报警装置(40，42)，用以指示来自风扇(3)的流量是否降低到一个预定的最低水平以下。
15.根据权利要求11所述的设备，其中新鲜空气单元是一个防护头盔(14)。
16.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，风扇(3)在其吸入一侧有一个过滤器(5)。
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