DE102017004469A1 - Kühlanordnung mit Lüfter, Temperatursensor und Rechnereinheit und Umrichter - Google Patents
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Abstract
Kühlanordnung mit Lüfter, Temperatursensor und Rechnereinheit und Umrichter, wobei das Sensorsignal des Temperatursensors der Rechnereinheit zugeführt wird, welche abhängig von dem Sensorsignal einen Drehzahl-Sollwert n für den Lüfter bestimmt, insbesondere gemäß einer Kennlinie mit dynamischer Hysterese, wobei der Drehzahl-Sollwert n streng monoton von der Temperatur abhängt, solange die Temperatur T nicht abfällt, bei einem Abfallen der Temperatur ausgehend von einem ersten Temperaturwert (T1) der Drehzahl-Sollwert n konstant ist, also unabhängig von der Temperatur ist, solange der Temperaturunterschiedsbetrag der Temperatur zum ersten Temperaturwert (T1) einen Schwellwert nicht überschreitet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung mit Lüfter, Temperatursensor und Rechnereinheit und einen Umrichter.
- Es ist allgemein bekannt, dass ein Kühlkörper mittels des von einem Lüfter geförderten Luftstroms kühlbar ist.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung weiterzubilden, wobei eine verbesserte Kühlung erreichbar sein soll.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Kühlanordnung nach den in Anspruch 1 und bei dem Umrichter nach den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
- Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Kühlanordnung mit Lüfter, Temperatursensor und Rechnereinheit, sind, dass das Sensorsignal des Temperatursensors der Rechnereinheit zugeführt wird, welche abhängig von dem Sensorsignal einen Drehzahl-Sollwert n für den Lüfter bestimmt,
insbesondere gemäß einer Kennlinie mit dynamischer Hysterese,
wobei der Drehzahl-Sollwert n streng monoton von der Temperatur abhängt, solange die Temperatur T nicht abfällt,
bei einem Abfallen der Temperatur ausgehend von einem ersten Temperaturwert (T1) der Drehzahl-Sollwert n konstant ist, also unabhängig von der Temperatur ist, solange der Temperaturunterschiedsbetrag der Temperatur zum ersten Temperaturwert (T1) einen Schwellwert nicht überschreitet. - Von Vorteil ist dabei, dass bei ansteigender Temperatur die Drehzahl des Lüfters vergrößert wird und somit die Kühlleistung, also der vom Kühlkörper über den vom Lüfter geförderten Luftstrom an die Umgebung abgeführte Wärmeenergiestrom, vergrößert wird. Bei abfallender Temperatur wird zunächst die Drehzahl konstant gehalten und erst ab einem kritischen Temperaturunterschiedsbetrag verringert auf den mittels der streng monoton vorgesehenen Abhängigkeit. Mittels dieser dynamischen Hysterese sind Schwingungen vermeidbar. Sinkt die Temperatur von T1 ausgehend nur geringfügig ab und steigt dann wieder, bleibt der Drehzahl-Sollwert konstant, bis T1 erreicht wird und dann wieder die streng monoton vorgesehene Abhängigkeit in Kraft tritt.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwellwert, insbesondere also die Hysteresebreite, unabhängig von der Temperatur, insbesondere also konstant. Von Vorteil ist dabei, dass die Schwingungsneigung weiter reduziert ist.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Drehzahl-Sollwert n proportional zur Temperatur, solange die Temperatur T nicht abfällt,
insbesondere also die streng monotone Abhängigkeit eine einfache Proportionalität ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Implementierung in der Rechnereinheit erreichbar ist. - Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drehzahl des Lüfters steuerbar oder regelbar, insbesondere kontinuierlich einstellbar. Von Vorteil ist dabei, dass eine möglichst gleichmäßige Anpassung und geringe Geräuschbildung erreichbar ist.
- Wichtige Merkmale bei dem Umrichter sind, dass er mit einer vorgenannten Kühlanordnung vorgesehen ist, wobei der vom Lüfter geförderte Luftstrom an dem Kühlkörper entlangströmt, wobei die steuerbaren Schalter eines Wechselrichters des Umrichters wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbunden sind.
- Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte Kühlung und somit höhere Leistung bei gleichem Bauraum erreichbar ist.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Drehzahl des Lüfters auf den Drehzahl-Sollwert n gesteuert oder auf ihn hin geregelt, insbesondere mittels einer Reglereinheit der Rechnereinheit,
insbesondere wobei die von einem Drehzahlsensor erfasste Drehzahl, insbesondere Ist-Drehzahl, des Lüfters der Rechnereinheit zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehzahlanpassung an die jeweils notwendige Kühlleistung ausführbar ist. - Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen Gleichrichter auf, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters verbunden ist,
insbesondere wobei eine Kapazität, insbesondere ein Kondensator, parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Wechselrichters und des Gleichrichters geschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umrichter mit Zwischenkreis vorsehbar ist. - Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Spannungserfassungsmittel zur Erfassung der am gleichspannungsseitigen Anschluss, insbesondere des Wechselrichters und/oder des Gleichrichters, angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte Regelung ausführbar ist.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lüfter über einen DC/DC-Wandler aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters und/oder Gleichrichters versorgt. Von Vorteil ist dabei, dass ein mit Niedervoltspannung betreibbarer Lüfter aus dem Zwischenkreis versorgbar ist.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters ausgangsseitige Strom von Stromerfassungsmitteln erfasst und der Rechnereinheit werden die erfassten Werte zugeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte Regelung und eine verbesserte Modellierung der Temperatur des Kühlkörpers oder der Verluste in den steuerbaren Schaltern ausführbar sind.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters ein Elektromotor angeschlossen, insbesondere der Motor aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters gespeist wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein Motor mit unterschiedlicher Leistung betreibbar ist und die Kühlleistung mittels des drehzahlsteuerbaren Lüfters anpassbar ist an die im jeweiligen Betriebszustand anfallende Verlustwärme der steuerbaren Schalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren,
insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe. - Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der
1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit Lüfter schaltungstechnisch schematisch dargestellt. - In der
2 ist eine Kennlinie für den Betrieb des Lüfters dargestellt. - Wie in den Figuren dargestellt, wird ein AC/DC-Wandler
3 , insbesondere Gleichrichter, an seinem wechselspannungsseitigen Anschluss aus einem Wechselspannungsversorgungsnetz1 gespeist. - Die am wechselspannungsseitigen Anschluss anliegende Spannung wird von Spannungserfassungsmitteln
2 einer Signalelektronik erfasst und einer Rechnereinheit12 der Signalelektronik des Umrichters zugeführt. - An dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers
3 ist ein Kondensator4 angeschlossen, dem der gleichspannungsseitige Anschluss eines DC/AC-Wandlers5 , insbesondere Wechselrichter, parallel zugeschaltet ist. Aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des DC/AC-Wandlers5 wird ein Elektromotor7 gespeist, wobei der vom DC/AC-Wandler5 zur Verfügung gestellte Motorstrom mit Stromerfassungsmitteln6 erfasst wird. - Die Leistungsschalter des DC/AC-Wandlers
5 sind wärmeleitend mit einem Kühlkörper9 verbunden, dessen Temperatur von einem Temperatursensor8 erfasst wird. - Die vom Temperatursensor
8 erfassten Werte werden über einen DC/DC-Wandler, insbesondere mit galvanischer Trennung, übertragen an die Rechnereinheit12 , wobei die Rechnereinheit12 eine Auswertung der erfassten Werte ausführt. - Die Rechnereinheit
12 steuert außerdem den Lüfter14 an, welcher einen Kühlluftstrom an dem Kühlkörper9 entlang fördert. Der Lüfter weist ein Drehzahlerfassungsmittel, insbesondere einen Tacho, auf, dessen Sensorsignal einer mit der Rechnereinheit12 verbundenen Drehzahlauswertung13 zugeführt wird. Die Drehzahlauswertung übermittelt die jeweils aktuell erfasste Drehzahl an die Rechnereinheit12 . - Der Steuerkopf
16 , also eine Steuerelektronik, ist mit der Rechnereinheit12 zum Datenaustausch verbunden. - Die Kommunikationsschnittstelle
15 ist mit der Rechnereinheit12 verbunden und vorzugsweise als Mensch-Maschine-Schnittstelle, insbesondere also HMI-Schnittstelle, ausgeführt. - Aus dem mit den Stromerfassungsmitteln
6 erfassten Stromwerten wird ein Modell-Stromraumzeiger für den Motorstrom bestimmt. In Abhängigkeit von der mit dem Spannungserfassungsmittel11 erfassten Zwischenkreisspannung werden daraus die Ansteuersignale bestimmt, welche den steuerbaren Leistungsschaltern des DC/AC-Wandlers5 , insbesondere also Wechselrichters, zugeführt werden. - Die steuerbaren Leistungsschalter des DC/AC-Wandlers
5 sind wärmeleitend mit dem Kühlkörper9 verbunden. - Abhängig von der mit dem Temperatursensor
8 erfassten Temperatur oder der daraus für den Kühlkörper9 modellierten Temperatur wird ein Drehzahl-Sollwert für den Lüfter14 bestimmt, dessen von ihm geforderter Kühlluftstrom am Kühlkörper9 vorbeiströmt. - Die Abhängigkeit des Drehzahl-Sollwertes von der Temperatur ist in
2 dargestellt. - Dabei steigt der Drehzahl-Sollwert bei steigender Temperatur T streng monoton an, insbesondere proportional zur Temperatur. Der Kennlinienteil, welcher sich auf das Ansteigen der Temperatur bezieht, ist also rechts in
2 dargestellt. - Sobald jedoch die Temperatur abfällt, wird der Drehzahl-Sollwert zunächst konstant gehalten. Wenn aber das Abfallen sich fortsetzt, wird ab einem Temperaturwert T2, welcher um einen Hysteresewert H tiefer ist als derjenige Temperaturwert T1, ab welchem das Abfallen begonnen hat, der Drehzahl-Sollwert n abgesenkt auf den vom fürs Ansteigen gültigen Kennlinienteil vorgesehenen Wert. Es gilt somit H = T1 – T2, wobei H vorgegeben ist.
- Der für das Ansteigen gültige Kennlinienteil ist somit danach auch bei weiter absinkender Temperatur gültig.
- Somit ist gemäß
2 die Kennlinie aus einem unveränderlichen Abschnitt und einem dynamischen Abschnitt zusammengesetzt. Der unveränderliche Abschnitt ist proportional zur Temperatur und der dynamische Abschnitt beginnt stets bei derjenigen Temperatur, bei welcher der Temperaturabfall beginnt. Der dynamische Abschnitt weist einen konstanten, also waagerechten, Abschnitt auf, der parallel zur Abszissenrichtung ausgerichtet ist und einen weiteren Abschnitt, der parallel zur Ordinatenrichtung ausgerichtet ist. Somit ist bei fallender Temperatur zunächst der Drehzahl-Sollwert n konstant gehalten und ab einem kritisch großen Wert des Abfallens ein Reduzieren des Drehzahl-Sollwerts n auf den durch den statischen Abschnitt zur zugehörigen Temperatur zugeordneten Wert. - Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor
8 nicht direkt am Kühlkörper9 angeordnet sondern über ein zwischengeordnetes Mittel. Somit wird der vom Temperatursensor8 erfasste Temperaturwert einem in der Rechnereinheit vorgesehenen Temperaturmodell zugeführt, welches Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des zwischengeordneten Mittels berücksichtigt und somit einen Modellwert für die Temperatur des Kühlkörpers9 bestimmbar macht. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wechselspannungsversorgungsnetz
- 2
- Spannungserfassungsmittel
- 3
- AC/DC-Wandler, insbesondere Gleichrichter
- 4
- Kondensator
- 5
- DC/AC-Wandler, insbesondere Wechselrichter
- 6
- Stromerfassungsmittel
- 7
- Elektromotor
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Kühlkörper
- 10
- DC/DC-Wandler
- 11
- Spannungserfassungsmittel
- 12
- Rechnereinheit
- 13
- Drehzahlauswertung
- 14
- Lüfter
- 15
- Kommunikationsschnittstelle
- 16
- Steuerkopf
- n
- Drehzahl
- T
- Temperatur
- H
- Hysteresewert
Claims (11)
- Kühlanordnung mit Lüfter, Temperatursensor und Rechnereinheit, wobei das Sensorsignal des Temperatursensors der Rechnereinheit zugeführt wird, welche abhängig von dem Sensorsignal einen Drehzahl-Sollwert n für den Lüfter bestimmt, insbesondere gemäß einer Kennlinie mit dynamischer Hysterese, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahl-Sollwert n streng monoton von der Temperatur abhängt, solange die Temperatur T nicht abfällt, bei einem Abfallen der Temperatur ausgehend von einem ersten Temperaturwert (T1) der Drehzahl-Sollwert n konstant ist, also unabhängig von der Temperatur ist, solange der Temperaturunterschiedsbetrag der Temperatur zum ersten Temperaturwert (T1) einen Schwellwert nicht überschreitet.
- Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert, insbesondere also die Hysteresebreite, unabhängig von der Temperatur ist, insbesondere also konstant ist.
- Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahl-Sollwert n proportional zur Temperatur ist, solange die Temperatur T nicht abfällt, insbesondere also die streng monotone Abhängigkeit eine einfache Proportionalität ist.
- Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Lüfters steuerbar oder regelbar ist, insbesondere kontinuierlich einstellbar.
- Umrichter mit Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lüfter geförderte Luftstrom an dem Kühlkörper entlangströmt, wobei die steuerbaren Schalter eines Wechselrichters des Umrichters wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbunden sind.
- Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Lüfters auf den Drehzahl-Sollwert n gesteuert wird oder auf ihn hin geregelt wird, insbesondere mittels einer Reglereinheit der Rechnereinheit, insbesondere wobei die von einem Drehzahlsensor erfasste Drehzahl, insbesondere Ist-Drehzahl, des Lüfters der Rechnereinheit zugeführt wird.
- Umrichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter einen Gleichrichter aufweist, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters verbunden ist, insbesondere wobei eine Kapazität, insbesondere ein Kondensator, parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Wechselrichters und des Gleichrichters geschaltet ist.
- Umrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungserfassungsmittel zur Erfassung der am gleichspannungsseitigen Anschluss, insbesondere des Wechselrichters und/oder des Gleichrichters, angeordnet ist.
- Umrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter über einen DC/DC-Wandler aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters und/oder Gleichrichters versorgt ist.
- Umrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters ausgangsseitige Strom von Stromerfassungsmitteln erfasst wird und der Rechnereinheit die erfassten Werte zugeführt werden.
- Umrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters ein Elektromotor angeschlossen ist, insbesondere der Motor aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters gespeist wird.
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