DE102005045137A1

DE102005045137A1 - Lüftereinheit mit einer vorgegebenen künstlichen Kennlinie und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102005045137A1
Application number: DE102005045137A
Authority: DE
Inventors: András Dr. Lelkes
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer Lüftereinheit mit einem vorgegebenen konstanten Luftvolumen oder Betriebsdruck, wobei die Lüftereinheit einen Elektromotor zum Antrieb eines Lüfterrades und eine Motorsteuerung aufweist. In der Motorsteuerung sind für jede gewünschte Kennlinie konstanten Luftvolumens oder Betriebsdrucks eine zugehörige Soll-Drehzahl n_opt des Motors und eine zum Erreichen dieser Soll-Drehzahl benötigte Motorspannung U_M gespeichert, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen bzw. Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird. Im Betrieb wird die Drehzahl n_ist des Motors gemessen und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl n_opt 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 aufrechterhalten wird.

Description

Gebiet der Erfindung
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.

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.

Die EP 1 039 139 B1 offenbart ein Gebläse mit einer vorgegebenen Kennlinie, bei dem strömungstechnische Gleichungen des Lüfterrades ausgewertet werden. Hierbei werden die Parameter Raddurchmesser, Dichte des Fördermediums, sowie weitere Gebläsekoeffizienten und Motorkoeffizienten berücksichtigt. Der Nachteil des beschriebenen Gebläses ist, dass für die Auswertung der Gleichungen ein rechenstarker Mikrocontroller benötigt wird. Die Regelung beinhaltet einen untergeordneten Drehzahlregelkreis in Form eines PI- oder PID-Drehzahlreglers, der die Motordrehzahl immer auf einen Drehzahlsollwert n_soll regelt. Dadurch enthält die aktuelle Motordrehzahl n_ist für die übergeordnete Luftleistungsreglung keine zusätzliche Information mehr. Das System muss deshalb den Motorstrom auswerten, was jedoch nicht für jede Art von Motor geeignet ist. Insbesondere bei Wechselstrom-Asynchronmotoren kann dieses Verfahren versagen. Ein anderer Nachteil ergibt sich aus dem verwendeten komplexen Gleichungssystem und der Kaskadenreglerstruktur mit untergeordnetem Drehzahlregler. Durch diese Faktoren werden die Reglerdynamik und die Reglergenauigkeit nachteilig beeinflusst. Diese Faktoren erhöhen die Herstellungskosten eines solchen Gebläses.

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.

Offenbarung der Erfindung

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.

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.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren sowie Lüftereinheiten mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht.

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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, n_opt, des Motors und eine zum Erreichen dieser Soll-Drehzahl benötigte Motorspannung, U_M, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen bzw. Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird. Im Betrieb wird die Drehzahl, n_ist, des Motors gemessen und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, n_opt, 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.

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.

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.

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.

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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Kennlinienfeld eines Lüftermotors bekannter Bauart;
2 zeigt eine Änderung des Kennlinienfeldes entsprechend 1 bei einer Änderung der Motorspannung;
3a ist eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Regelung für einen phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotor, vorwärtsgekrümmtem Radiallüfter, und konstantem Luftvolumen;
3b zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Regelung für einen phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotor, vorwärtsgekrümmtem Radiallüfter, und konstanter Druckerhöhung;
4 ist ein Beispiel für eine Regelung gemäß 3a mit zusätzlicher Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung;
5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Regelung mit nur drei Zustandswerten;
6 zeigt ein komplettes Beispiel für einen Lüftermotor mit erfindungsgemäßer Motorsteuerung;
7 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Regelung basierend auf einer Messung des Motorstromes bei einem elektronisch kommutierten Motor mit Pulsweitenmodulation und Spannungskompensation.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Lüftereinheit mit Asynchronmotor
Für diese Ausgestaltung können beliebige Asynchronmotoren, wie Kondensatormotoren oder Asynchron-Drehstrommotoren verwendet werden
1 zeigt ein Kennlinienfeld eines beispielhaften Kondensatormotors. Dargestellt sind Drehzahl (n), Drehmoment (M) und Motorstrom (I_mot). Kurve 1 zeigt die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors. Diese Motorkennlinie kann sehr einfach gemessen werden und mit ihrer Hilfe aus der aktuellen Drehzahl das zugehörige Drehmoment bestimmt werden. Lüfterräder haben eine quadratische Lastkennlinie, das heißt, das notwendige Drehmoment, um eine bestimmte Drehzahl zu erreichen, hängt quadratisch von dieser Drehzahl ab. Kennt man einen Arbeitspunkt (n, M), ist dadurch die gesamte Kennlinie definiert. In 1 sind einige mögliche quadratische Lastmomentkennlinien eines Lüfterrades dargestellt. Kurve 2 zeigt die Lastkennlinie, die für den im Beispiel gewählten Motor die schwächste Belastung bedeutet. Im Fall eines rückwärtsgekrümmten Radiallüfters entspricht diese Kennlinie (Kurve 2) einem maximal gedrosseltem Luftkanal, das heißt die Druckerhöhung ist maximal, das Luftvolumen ist minimal. Aus den Kennlinien entsprechend den Kurven 1 und 2 ergibt sich ein Arbeitspunkt 3 für den Lüftermotor, in diesem Beispiel n = 1100 min^–1, M = 28 Ncm. Kurve 4 stellt den drehzahlabhängigen Motorstrom dar. I_mot ist im Falle eines Kondensatormotors die Summe der Ströme in der Hauptwicklung und in der Hilfswicklung. Im Arbeitspunkt 3 ist die Drehzahl n = 1100 min^–1, deshalb ist der Motorstrom Kurve 4 entsprechend 600 mA (Arbeitspunkt 5).
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 I_mot = 740 mA.
In 1 sind zwischen den Lastkennlinien 2 und 6 auch noch fünf weitere Lastkennlinien und die entsprechenden Arbeitspunkte dargestellt. Im welchem Arbeitspunkt der Motor arbeitet, ist vom Luftkanal abhängig. Die am einfachsten messbaren, den Motorarbeitspunkt kennzeichnenden Zustandsgrößen sind die Motordrehzahl und der Motorstrom. Die Drehzahl kann sich mit dem als Beispiel genommenen Lüfterrad und Lüftermotor zwischen 500 min^–1 und 1100 min^–1 ändern. Der Motorstrom ändert sich in einem wesentlich kleineren Bereich: zwischen 600 mA und 740 mA. Deshalb ist hier sinnvoll, die Drehzahl als hauptsächliche Regelungsgröße für die Lüfterregelung zu verwenden.
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.
2 zeigt die Reaktion des Lüfters auf die Änderung des Phasenanschnittwinkels also der effektiven Motorspannung. Die ursprüngliche Drehzahl-Drehmoment-Kennline (Kurve 1) verschiebt sich bei der Erhöhung des Phasenanschnittswinkels nach unten (Kurve 1*). Auf der Lastkennlinie 2 wandert dementsprechend der ursprüngliche Arbeitspunkt 3 nach unten zum neuen Arbeitspunkt 3*. Das heißt, die Drehzahl reduziert sich von 1200 min^–1 auf ca. 1140 min^–1, also um 5%. Das Motordrehmoment reduziert sich von 50 Ncm auf 45 Ncm, also um 10%. Wie die neue Stromkennlinie 4* im Vergleich zur ursprünglichen Stromkennlinie 4 zeigt, bleibt der Motorstrom aber fast unverändert (Punkte 5 und 5* im Diagramm). Ähnlich verhält sich das System auch bei anderen Lastkennlinien, wie 2 an zwei weiteren quadratischen Lastkennlinien zeigt. Das bedeutet, dass in diesem Beispiel der Motorstrom ein ungeeigneter Parameter für die Zustandserfassung des Lüfters wäre. Mann könnte zwar das Motordrehmoment gut nutzen, seine Messung oder eine anderweitige Erfassung würde die Kosten, die Komplexität und die Zuverlässigkeit des Systems aber wesentlich verschlechtern. Deshalb basiert die bevorzugte Lösung für Asynchron-Lüftermotoren auf der Drehzahlerfassung.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Regelung selbst kann nach verschiedenen regelungstechnischen Prinzipien funktionieren. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines P- oder PI-Regelkreises gemäß 3a und 3b. Ein Drehzahlsensor 10 liefert die aktuelle Drehzahl n_ist des Motors. Aus dem Istwert der Drehzahl n_ist und einem Sollwert n_opt wird ein Fehlersignal Δn = n_opt – n_ist gebildet, das als Stellgröße für einen PI-Regler 11 dient. Der PI-Regler 11 regelt die Motorspannung, hier durch eine Änderung des Phasenanschnittwinkels α, in Abhängigkeit der Stellgröße Δn. Aus dem aktuellen Phasenanschnittwinkel wird in Block 12 entsprechend einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion der optimale Sollwert n_opt = f(α) für die Drehzahl in Abhängigkeit des Phasenanschnittwinkels α abgeleitet.
Die Polarität der Fehlerbildung: Δn = n_opt – n_ist wie bei 3a bzw. Δn = n_ist – n_opt wie bei 3b ist vom Lüftertyp und von der gewünschten Lüfterkennlinie abhängig. Erhöht sich zum Beispiel der Strömungswiderstand im Luftkanal, bedeutet das, dass das Luftvolumen zurückgeht und gleichzeitig die Druckerhöhung größer wird. Bei einem vorwärtsgekrümmten Radiallüfter reduziert sich dabei die Motorbelastung. Als Folge erhöht sich die Motordrehzahl. Möchte man zum Beispiel einen Lüfter mit konstantem Luftvolumen realisieren, müsste man die Drehzahl erhöhen, um das reduzierte Luftvolumen zu kompensieren. Bei einem phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotor muss man dazu den Phasenanschnittwinkel erniedrigen und damit die effektive Motorspannung erhöhen. Hier gilt also die Reglerstruktur nach 3a. Wenn die gemessene Motordrehzahl steigt, muss der Phasenanschnittwinkel α reduziert werden.
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 3b. Wenn die gemessene Motordrehzahl steigt, muss der Phasenanschnittwinkel α erhöht werden.
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 DE 198 43 133 C2 oder der DE 100 47 508 C1 .
Wie es in 4 dargestellt ist, kann der Regelkreis gemäß 3a durch eine Spannungskompensation ergänzt werden, um Schwankungen in der Versorgungsspannung U_N des Motors auszugleichen, wie sie beispielsweise in der Bordspannung von Fahrzeugen auftreten. Die Höhe der Versorgungsspannung wird mit einem Sensor 14 erfasst. In einem Block 13 wird aus einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion der optimale Sollwert n_opt = f(α, U_N) für die Drehzahl in Abhängigkeit des Phasenanschnittwinkels α und der Versorgungsspannung U_N abgeleitet.
Bei einer spannungs- und/oder temperaturabhängigen Kompensation gemäß 4 müssen die Versorgungsspannung und/oder die Motortemperatur durch einen Sensor 14 erfasst werden. Dabei kann die Versorgungsspannung selber oder bei Wechselspannung nur ihr Spitzenwert (z.B. durch Gleichrichtung) gemessen werden. Besitzt der in der Motorsteuerung verwendete Mikrocontroller einen integrierten A/D-Wandler, kann er ihn für diese Messung benutzen. Ist dies nicht der Fall, kann man einen externen A/D-Wandler-Baustein verwenden, oder durch einen internen oder externen analogen Komparator einen A/D-Wandler software oder hardwaremäßig realisieren. Die Rotortemperatur ist nur sehr aufwendig zu messen. Es kann aber ausreichen, die Statortemperatur durch einen entsprechenden Sensor (z.B. NTC) zu erfassen. Die Kompensation der idealen Drehzahlwerte kann tabellarisch oder analytisch in der Regelung gespeichert werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Regelkreises mit einem Dreipunktregler 15, der nur drei Zustände annehmen kann. Je nach dem Vorzeichen der Stellgröße Δn = n_opt – n_ist wird der Sollwert für den Anschnittwinkel α entweder vergrößert, verkleinert oder bleibt unverändert, wobei die Änderungsgeschwindigkeit aber konstant bleibt.
6 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Drehzahlstellung eines Asynchronmotors 20 der ein Lüfterrad 21 antreibt. Der Motor 20 wird durch eine Motorsteuerung 22 gesteuert, die eine Regeleinheit gemäß den 3 bis 5 umfassen kann. Die aktuelle Drehzahl des Motors 20 wird durch den Sensor 10 gemessen, der beispielsweise ein Hallsensor ist, und der Motorsteuerung 22 zugeführt. In Abhängigkeit der Abweichung der aktuellen Drehzahl n_ist von der Solldrehzahl n_opt wird nun der zugehörige Phasenanschnittwinkel α bestimmt und direkt eine entsprechende Leistungsendstufe, z.B. eine Triac-Schaltung 23 angesteuert. Die Motorsteuerung 22 kann alternativ einen Sollwert für die separate Phasenanschnittsteuerung vorgeben. Mit einem Sensor 14 wird die Höhe der Versorgungsspannung U_N (Wechselspannung) gemessen und der Motorsteuerung 22 zugeführt. Mit diesem Signal kann eine oben beschriebene Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung U_N durchgeführt werden. Mit einer weiteren Schaltung 24 werden die Nulldurchgänge der Versorgungsspannung U_N erfasst und der Motorsteuerung 22 zugeführt.
Die Motorssteuerung 22 zusammen mit der Leistungsstufe 23 kann auch im Gehäuse des Motors 20 integriert werden. So bilden die Elektronik, der Motor und der Lüfter eine kompakte Einheit.
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.
Lüftereinheit mit elektronisch kommutiertem 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. 3 bis 5.
7 zeigt eine Möglichkeit, einen Regelkreis basierend auf einer Messung des Motorstroms I durch einen Sensor 18 aufzubauen. Um die notwendige Rechenleistung und so die Kosten für den Regelkreis klein zu halten ist es sinnvoll, auf eine exakte Berechnung der strömungstechnischen Gleichungen (genauso wie beim AC-Motor) zu verzichten.
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.
Die Regelung enthält in Block 16, z.B. in tabellarischer Form, den gewünschten Zusammenhang zwischen PWM-Verhältnis, d.h. Motorspannung, und Motorstrom:
I = f(U_M). Ist ein Unterschied zwischen dem Sollwert I_opt und dem Messwert I_ist festzustellen, regelt die Steuerung den Fehler durch Änderung der Motorspannung U_M aus. In Block 17 kann ferner eine Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung U_DC durchgeführt werden

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Lüftereinheit mit einem vorgegebenen konstanten Luftvolumen, wobei die Lüftereinheit einen Elektromotor (20) zum Antrieb eines Lüfterrades (21) und eine Motorsteuerung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorsteuerung für jede gewünschte Kennlinie konstanten Luftvolumens eine zugehörigen Soll-Drehzahl, n_opt, des Motors und eine zum Erreichen dieser Soll-Drehzahl benötigte Motorspannung, U_M, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass die Drehzahl, n_ist, des Motors gemessen wird und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, n_opt, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl der Motor mit der der Soll-Drehzahl entsprechenden Motorspannung betrieben wird.
Verfahren zum Betrieb einer Lüftereinheit mit einem vorgegebenen konstanten Betriebsdruck, wobei die Lüftereinheit einen Elektromotor (20) zum Antrieb eines Lüfterrades (21) und eine Motorsteuerung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorsteuerung für jede Kennlinie konstanten Betriebsdrucks eine zugehörigen Soll-Drehzahl, n_opt, des Motors und eine zum Erreichen dieser Soll-Drehzahl benötigte Motorspannung, U_M, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass die Drehzahl, n_ist, des Motors gemessen wird und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, n_opt, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl der Motor mit der der Soll-Drehzahl entsprechenden Motorspannung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Soll-Drehzahlen in der Motorsteuerung (22) für jede Kennlinie konstanten Luftvolumens oder Betriebsdrucks ein zugehöriger Soll-Motorstrom, I_opt, und eine zum Erreichen dieses Soll-Motorstromes benötigte Motorspannung gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen oder Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass der Motorstrom, I_ist, des Motors gemessen wird und mit dem der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Motorstrom, I_opt, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung des Motorstromes vom Soll-Motorstrom der Motor mit der dem Soll-Motorstrom entsprechenden Motorspannung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Soll-Drehzahlen, n_opt, und/oder Soll-Motorströme, I_opt, und die zugehörigen Motorspannungen, U_M, tabellarisch in der Motorsteuerung (22) vorgegeben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Soll-Drehzahlen, n_opt, und/oder Soll-Motorströme, I_opt, und die zugehörigen Motorspannungen, U_M, als mathematische Funktionen in der Motorsteuerung (22) vorgegeben sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Soll-Drehzahlen, n_opt, und/oder Soll-Motorströme, I_opt, und die zugehörigen Motorspannungen, U_M, von einer externen Rechnereinheit über ein Bus-System an die Motorsteuerung übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Motorspannung, U_M, durch eine Phasenanschnittsteuerung der Versorgungsspannung, U_N, beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Motorspannung, U_M, durch eine Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung, U_N, beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, die Höhe der Motorspannung, U_M, durch eine Frequenzumrichtung der Versorgungsspannung, U_N, beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Versorgungsspannung, U_N, erfasst wird und der Einfluss der Änderung der Versorgungsspannung auf die Motorspannung, U_M, kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Betriebstemperatur des Motors erfasst wird und der Einfluss der Temperaturänderung auf die Motorspannung, U_M, kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorkennlinie während des Betriebs geändert werden kann.
Lüftereinheit mit einem Elektromotor (20) zum Antrieb eines Lüfterrades (21), sowie einer Motorsteuerung (22) zur Regelung der Motorleistung derart, dass ein vorgegebenes, konstantes Luftvolumen aufrecht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet dass in der Motorsteuerung für jede Kennlinie konstanten Luftvolumens eine zugehörige Soll-Drehzahl, n_ist, des Motors und eine zum Erreichen dieser Drehzahl benötigte Motorspannung, U_M, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass die Drehzahl, n_ist, des Motors gemessen wird, und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, n_ist, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl an den Motor die der Soll-Drehzahl entsprechende Motorspannung angelegt wird.
Lüftereinheit mit einem Elektromotor (20) zum Antrieb eines Lüfterrades (21), sowie einer Motorsteuerung (22) zur Regelung der Motorleistung derart, dass ein vorgegebener, konstanter Betriebsdruck aufrecht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorsteuerung für jede Kennlinie konstanten Betriebsdrucks eine zugehörige Soll-Drehzahl, n_ist, des Motors und eine zum Erreichen dieser Drehzahl benötigte Motorspannung, U_M, gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass die Drehzahl, n_ist, des Motors gemessen wird und mit der der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, n_ist, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl an den Motor die der Soll-Drehzahl entsprechende Motorspannung angelegt wird.
Lüftereinheit nach Anspruch 13 oder 14. dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Soll-Drehzahlen in der Motorsteuerung (22) für jede Kennlinie konstanten Luftvolumens oder Betriebsdrucks ein zugehöriger Soll-Motorstrom, I_opt, und eine zum Erreichen dieses Soll-Motorstromes benötigte Motorspannung gespeichert sind, wobei der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen oder Betriebsdruck mit einer zugehörigen Anfangs-Motorspannung betrieben wird, dass der Motorstrom, I_ist, des Motors gemessen wird und mit dem der aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Motorstrom, I_opt, verglichen wird, und dass bei einer Abweichung des Motorstromes vom Soll-Motorstrom der Motor mit der dem Soll-Motorstrom entsprechenden Motorspannung betrieben wird.
Lüftereinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet dass der Lüfter ein Radiallüfter ist.
Lüftereinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet dass der Radiallüfter vorwärts gekrümmte Schaufeln aufweist.