DE19938319A1 - Steuerschaltung für einen Elektromotor und zugehöriges Verfahren - Google Patents

Steuerschaltung für einen Elektromotor und zugehöriges Verfahren

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Abstract

Steuerschaltung (1) zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors (2), insbesondere eines Elektromotors (2) zum Antrieb eines Lüftergebläses in einer Gastherme, mit einem Leistungseingang zum Anschluß einer elektrischen Energiequelle (4) für die Stromversorgung des Elektromotors (2), einem Signaleingang zum Anschluß eines Sensors (8, 9) zur Erfassung von Geräuschemissionen (N) und/oder Vibrationen (V) an dem Elektromotor (2) und/oder der von dem Elektromotor (2) angetriebenen mechanischen Last, einem Leistungsausgang zum Anschluß des zu steuernden Elektromotors (2), einem steuerbaren elektrischen Umformer (5), der zwischen den Leistungseingang und den Leistungsausgang geschaltet ist und eine steuerbare elektrische Leistungsabgabe an den Elektromotor (2) ermöglicht, um die Motordrehzahl einzustellen, sowie mit einer eigangsseitig mit dem Sensor (8, 9) und ausgangsseitig mit dem Umformer (5) verbundenen Drehzahlsteuereinheit (6) zur Ansteuerung des Umformers (5) in Abhängigkeit von dem aktuell gemessenen Sensorsignal (N, V), um die Motordrehzahl beim Auftreten von Resonanzeffekten zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Steuerung der Drehzahl eine Elektromotors, insbesondere eines Elek­ tromotors für den Antrieb eines Ventilators in einer Gas­ therme, gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Drehzahl­ steuerung eines Elektromotors gemäß Anspruch 7.
Es ist bekannt, daß Geräuschentwicklung und Vibrationen ei­ nes Ventilators von der Drehzahl abhängen und aufgrund von Resonanzeffekten bei bestimmten Drehzahlen besonders groß sind.
Zur Lösung dieses Problems ist aus der Deutschen Offenle­ gungsschrift DE 41 28 109 A1 ist eine Steuerschaltung für einen Gebläsemotor bekannt, die den Gebläsemotor so ansteu­ ert, daß Resonanzfrequenzen vermieden werden. Die Steuer­ einheit mißt deshalb laufend die Motordrehzahl und ver­ gleicht diese mit gespeicherten Drehzahlwerten, bei denen Resonanzeffekte auftreten. Falls die aktuelle Motordrehzahl mit einer der gespeicherten Drehzahlwerte übereinstimmt, so wird die Motordrehzahl geringfügig verändert, damit keine Resonanzeffekte auftreten und der Gebläsemotor ruhig läuft. Auf diese Weise wird zuverlässig vermieden, daß der Geblä­ semotor mit einer Drehzahl läuft, die einer Eigenfrequenz des Gebläses entspricht.
Nachteilig an dieser bekannten Steuerschaltung ist jedoch, daß die den Eigenfrequenzen des Gebläsemotors entsprechen­ den gespeicherten Drehzahlwerte vor dem Betrieb experimen­ tell bestimmt werden müssen. Darüber hinaus hängen die Ei­ genfrequenzen nicht nur von dem Gebläsemotor selbst ab, sondern werden auch durch die mechanische Belastung des Ge­ bläsemotors beeinflußt. So können sich die Eigenfrequenzen des Gebläsemotors beispielsweise in Abhängigkeit von dem als mechanische Belastung wirkenden Strömungswiderstand verschieben, so daß eine experimentelle Bestimmung der Ei­ genfrequenzen jeweils nur für einen Betriebspunkt mit einem bestimmten Strömungswiderstand möglich ist. Darüber hinaus beeinflussen auch die physikalischen Eigenschaften des von dem Gebläse geförderten Mediums (z. B. spezifisches Gewicht und Zähigkeit) die Eigenfrequenzen des Gebläses. Die be­ kannte Steuerschaltung arbeitet deshalb nur bei exakt defi­ nierten Betriebsbedingungen befriedigend.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 43 21 334 A1 ist weiterhin eine Steuerschaltung für einen Gebläsemotor be­ kannt, die ebenfalls Motordrehzahlen vermeidet, bei denen Eigenfrequenzen des Gebläses angeregt werden. Die Bestim­ mung der Resonanzdrehzahlen des Gebläses erfolgt hierbei vor dem eigentlichen Betrieb in einem separaten Justiervor­ gang, in dem beim Durchfahren eines vorgegebenen Drehzahl­ bereichs laufend die Geräuschentwicklung des Gebläsemotors von einem Mikrofon gemessen wird. Die Motordrehzahlen mit der maximalen Geräuschentwicklung werden dann abgespeichert und später während des normalen Betriebs mit den aktuellen Motordrehzahlen verglichen, um die Resonanzfrequenzen zu vermeiden.
Auch bei dieser bekannten Steuerschaltung kann also eine Veränderung der Resonanzfrequenzen aufgrund veränderter Be­ triebsbedingungen während des normalen Betriebs nicht mehr berücksichtigt werden, da die Resonanzdrehzahlen nur wäh­ rend des vorangehenden Justiervorgangs ermittelt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Steu­ erschaltung für einen Elektromotor zu schaffen, die Reso­ nanzeffekte auch bei wechselnden Betriebsbedingungen ver­ meidet. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Arbeitsverfahren für eine derartige Steuerschaltung zu schaffen.
Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Steuerschaltung, durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 bzw. - hinsichtlich des Verfahrens - durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Die Erfindung schließt die allgemeine technische Lehre ein, bei der Steuerung der Motordrehzahl während des normalen Betriebs laufend die Geräuschentwicklung und/oder die Vi­ brationen zu messen und solche Motordrehzahlen zu vermei­ den, bei denen die Geräuschentwicklung bzw. die Vibrationen besonders stark sind.
Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist es also im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen bekannten Steuer­ schaltungen nicht erforderlich, während des normalen Be­ triebs die Motordrehzahl zu messen, um Resonanzeffekte zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lö­ sung ist darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Steuer­ schaltung in die auch bei herkömmlichen Elektromotoren er­ forderliche Steuerelektronik integriert werden kann, so daß sich der Herstellungs- und Montageaufwand kaum erhöht.
Die erfindungsgemäße Steuerschaltung wird eingangsseitig über einen Leistungseingang mit einer elektrischen Energie­ quelle verbunden, welche die zum Betrieb des Elektromotors erforderliche elektrische Energie bereitstellt. Der Begriff Energiequelle ist hierbei und im folgenden allgemein zu verstehen und umfaßt beispielsweise Batterien und Akkumula­ toren, aber auch Netzanschlüsse zur Speisung des Elektromo­ tors und der Steuerschaltung über das normale Stromnetz.
Ausgangsseitig wird die erfindungsgemäße Steuerschaltung über einen Leistungsausgang mit dem Elektromotor verbunden, wobei zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsaus­ gang der Steuerschaltung ein steuerbarer elektrischer Um­ former geschaltet ist, um die Motordrehzahl zu steuern. Der Begriff Umformer ist hierbei und im folgenden ebenfalls allgemein zu verstehen und umfaßt beispielsweise. Spannungs­ regler, Stromregler, Impulsbreitenregler, Impulsfrequenz­ regler. Entscheidend ist lediglich, daß der Umformer eine elektrische Größe (z. B. Spannung, Strom, Tastverhältnis, Impulsbreite, Impulsfrequenz) einstellen kann, die eine Än­ derung der Motordrehzahl ermöglicht.
Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Steuerschaltung über einen Signaleingang zum Anschluß eines Sensors zur Erfas­ sung von Geräuschemissionen und/oder Vibrationen an dem Elektromotor und/oder der von dem Elektromotor angetriebe­ nen mechanischen Last. Zur Erfassung der Geräuschemission des Elektromotors läßt sich beispielsweise ein Mikrofon verwenden, während zur Messung des Vibrationen beispiels­ weise Beschleunigungssensoren oder Dehnmeßstreifen geeignet sind. Der Begriff Sensor ist jedoch nicht auf die vorste­ hend genannten Beispiele beschränkt, sondern allgemein zu verstehen und umfaßt sämtliche Arten von Sensoren, die eine direkte oder indirekte Messung von solchen physikalischen Größen ermöglichen, die einen Rückschluß auf das Laufver­ halten des Elektromotors zulassen.
In Abhängigkeit von dem gemessenen Sensorsignal wird der elektrische Umformer von einer zwischengeschalteten Steuer­ einheit so angesteuert, daß Drehzahlen vermieden werden, bei denen Resonanzeffekte auftreten.
In einer Variante der Erfindung erfaßt die Drehzahlsteuer­ einheit während des normalen Betriebs laufend die Vibratio­ nen bzw. die Geräuschemissionen in Abhängigkeit der Meßwer­ te von Motordrehzahl und ermittelt deren lokale Maxima. Falls nun die herkömmliche Steuerelektronik eine Soll- Drehzahl vorgibt, bei der die Geräuschemissionen bzw. die Vibrationen einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, so verändert die erfindungsgemäße Drehzahlsteuereinheit in dieser Variante die Motordrehzahl mittels eines vorgegebe­ nen Algorithmus um einen vorgegebenen Wert, um die Reso­ nanzdrehzahl zu vermeiden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:
Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erfindungsgemäße Steuerschaltung für einen Gebläsemotor sowie
Fig. 2 den exemplarischen Verlauf der Geräuschentwick­ lung eines Gebläsemotors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.
Die in Fig. 1 dargestellte Steuerschaltung 1 dient zur An­ steuerung eines als Gleichstrom-Motor 2 ausgebildeten Elek­ tromotors, der in einer Gastherme zum Antrieb eines Geblä­ ses verwendet wird.
Zur Energieversorgung des Elektromotors 2 ist die Steuer­ schaltung 1 eingangsseitig über einen Transformator 3 mit dem normalen Stromnetz 4 verbunden, so daß am Eingang der Steuerschaltung 1 die Versorgungsspannung UIN anliegt, die von einem steuerbaren elektrischen Umformer 5 in die Aus­ gangsspannung UOUT umgewandelt wird, so daß der Umformer 5 die Drehzahl des Elektromotors 2 steuern kann.
Hierzu ist der Umformer 5 eingangsseitig mit einer Dreh­ zahlsteuereinheit 6 verbunden, die das gewünschte Überset­ zungsverhältnis i = UIN/UOUT des Umformers 5 und damit die Mo­ tordrehzahl vorgibt. Als Eingangsgrößen erhält die Dreh­ zahlsteuereinheit 6 zum einen die Solldrehzahl nSOLL von ei­ ner herkömmlichen Steuerelektronik 7 und zum anderen die von einem Mikrofon 8 gemessenen Geräuschemissionen N sowie die von einem Vibrationssensor 9 erfaßten Vibrationen V, wobei zwischen der Drehzahlsteuereinheit 6 einerseits und dem Mikrofon 8 sowie dem Vibrationssensor 9 andererseits jeweils ein Signalverarbeitungselement 10, 11 angeordnet ist, das Umgebungsgeräusche sowie Umgebungserschütterungen unterdrückt.
Wenn die herkömmliche Steuerelektronik 7 aufgrund veränder­ ter Betriebsbedingungen der Gastherme einen neuen Sollwert nSOLL für die Motordrehzahl vorgibt, so überprüft die Steu­ erschaltung 1 zunächst, ob bei der neuen Motordrehzahl nSOLL Resonanzeffekte auftreten. Hierzu werden von der Drehzahl­ steuereinheit 6 neben der Solldrehzahl nSOLL nacheinander auch eine geringfügig kleinere Drehzahl n- = nSOLL-Δn und eine geringfügig größere Drehzahl n+ = nSOLL+Δn vorgegeben, wobei jeweils die Geräuschentwicklung N und die Vibrationen V ge­ messen werden.
Außerhalb der Resonanzbereiche nehmen Geräuschemissionen und Vibrationen mit der Motordrehzahl zu und es gilt:
N(n-) < N(nSOLL) < N(n+)
bzw.
V(n-) < V(nSOLL) < V(n+)
Dies entspricht dem Betriebspunkt P1 in der in Fig. 2 dar­ gestellten Kennlinie, die den Verlauf der Geräuschemissio­ nen N in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n wiedergibt. Falls der neue Sollwert nSOLL für die Motordrehzahl dagegen in einem Resonanzbereich liegt, so zeigt der Verlauf der Geräuschemissionen N ein lokales Maximum und es gilt:
N(n-) < N(nSOLL) < N(n-)
bzw.
V(n-) < V(nSOLL) < V(n+)
Dies entspricht beispielsweise dem Betriebspunkt P2 in Fig. 2.
Durch die gleichzeitige Messung der Vibrationen V und der Geräuschemissionen N werden Störungen durch Umgebungsgeräu­ sche weitgehend unterdrückt, da die Drehzahlsteuereinheit 6 nur dann einen Resonanzzustand annimmt, wenn sowohl der Verlauf der Vibrationen als auch der Verlauf der Geräusch­ emissionen N in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n bei der Solldrehzahl nSOLL ein lokales Maximum aufweist.
Bei einem derartigen Resonanzzustand verringert die Dreh­ zahlsteuereinheit 6 die Motordrehzahl um einen vorgegebenen Wert auf die Drehzahl n- = nSOLL-Δn, damit der Elektromotor 2 nicht in einem Resonanzbereich betrieben wird. Die gering­ fügige Verringerung der Motordrehzahl hat hierbei kaum Ein­ fluß auf die Gebläseleistung, führt jedoch zu einer erheb­ lichen Verringerung der Geräuschemissionen und der Vibra­ tionen, da die Eigenfrequenz des Elektromotors 2 vermieden wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (11)

1. Steuerschaltung (1) zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors (2), insbesondere eines Elektromotors (2) zum Antrieb eines Ventilators in einer Gastherme, mit
einem Leistungseingang zum Anschluß einer elektrischen Energiequelle (4) für die Stromversorgung des Elektromotors (2),
einem Signaleingang zum Anschluß eines Sensors (8, 9) zur Erfassung von Geräuschemissionen (N) und/oder Vibrationen (V) an dem Elektromotor (2) und/oder der von dem Elektromo­ tor (2) angetriebenen mechanischen Last,
einem Leistungsausgang zum Anschluß des zu steuernden Elek­ tromotors (2),
einem steuerbaren elektrischen Umformer (5), der zwischen den Leistungseingang und den Leistungsausgang geschaltet ist und eine steuerbare elektrische Leistungsabgabe an den Elektromotor (2) ermöglicht, um die Motordrehzahl zu einzu­ stellen,
gekennzeichnet durch eine eingangsseitig mit dem Sensor (8, 9) und ausgangssei­ tig mit dem Umformer (5) verbundene Drehzahlsteuereinheit (6) zur Ansteuerung des Umformers (5) in Abhängigkeit von dem aktuell gemessenen Sensorsignal (N, V), um die Mo­ tordrehzahl beim Auftreten von Resonanzeffekten zu verän­ dern.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drehzahlsteuereinheit (6) und dem Sensor (8, 9) ein Filter (10, 11) zwischengeschaltet ist, um Umge­ bungsgeräusche bzw. störende Vibrationen zu unterdrücken.
3. Steuerschaltung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlsteuereinheit (6) eingangs­ seitig mit einem Geräuschsensor (8) und mit einem Vibrati­ onssensor (9) verbunden ist, um bei der Steuerung der Mo­ tordrehzahl sowohl die gemessenen Vibrationen als auch die gemessene Geräuschentwicklung zu berücksichtigen und da­ durch störende Umwelteinflüsse auf die Messung zu unter­ drücken.
4. Steuerschaltung (1) nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlsteuerein­ heit einen Regler aufweist, der die Drehzahl innerhalb ei­ ner vorgegebenen Drehzahlbandbreite so regelt, daß die ge­ messenen Geräuschemissionen und/oder die gemessenen Vibra­ tionen minimal sind.
5. Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Mikro­ fon (8), ein Erschütterungssensor (9) oder ein Dehnmeß­ streifen ist.
6. Steuerschaltung (1) nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer ein Span­ nungswandler, ein Impulsweitenmodulator oder ein Impulsfre­ quenzmodulator ist.
7. Verfahren zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors (2), insbesondere eines Elektromotors (2) zum Antrieb eines Lüftergebläses in einer Gastherme, mit den folgenden Ver­ fahrensschritten:
  • - Einstellung einer vorgegebenen Motordrehzahl (nSOLL),
  • - Messung der während des Betriebs auftretenden Geräusch­ emissionen (N) und/oder Vibrationen (V) an dem Elektro­ motor (2) und/oder an der angetriebenen mechanischen Last,
  • - Überprüfung auf Resonanzeffekte durch Auswertung der ge­ messenen Geräuschemissionen (N) und/oder Vibrationen (V),
  • - Änderung der vorgegebenen Motordrehzahl (nSOLL) beim Auf­ treten von Resonanzeffekten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräuschemissionen (N) und/oder die Vibrationen (V) bei der vorgegeben Motordrehzahl (nSOLL) und im Umfeld der vorgegebenen Motordrehzahl (nSOLL) gemessen werden, und daß die bei verschiedenen Motordrehzahlen (n-, nSOLL, n+) im Umfeld der vorgegeben Motordrehzahl (nSOLL) gemessenen Ge­ räuschemissionen (N) und/oder Vibrationen (V) miteinander verglichen werden, um ein lokales Maximum als Anzeichen für einen Resonanzzustand zu erkennen.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Motordrehzahl so gesteuert oder geregelt wird, daß die Funktion der Geräuschemissionen oder der Vibrationen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ein lokales Minimum ein­ nimmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der vorgegebenen Mo­ tordrehzahl sowohl in Abhängigkeit von den gemessenen Vi­ brationen (V) als auch in Abhängigkeit von den gemessenen Geräuschemissionen (N) erfolgt, um eine Fehlsteuerung der Motordrehzahl durch Umgebungsgeräusche oder Umgebungsvibra­ tionen zu vermeiden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal (N, V) der Vibrationen und/oder Geräuschemissionen gefiltert wird, um den Störein­ fluß von Umgebungsgeräuschen oder Umgebungsvibrationen zu unterdrücken.
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