DE3702952A1 - Verfahren und anordnung zur regelung eines geblaeseantriebs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung bzw. Schaltungsanordnung zur Regelung der Luftstrommenge, die von einem Gebläse erzeugt wird zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Einrichtung, z. B. einer elektrischen oder elektronischen Einrichtung in einem Schaltschrank oder einem Elektronikgehäuse.

Es ist allgemein bekannt, zur Kühlung elektrischer oder elektronischer Bauelemente, die während ihres Betriebs eine Verlustleistung erzeugen, elektrisch angetriebene Lüfter oder Gebläse zu verwenden, falls eine forcierte Kühlung erforderlich ist. Wenn temperaturempfindliche Bauteile zu kühlen sind, z. B. in Datenverarbeitungsanla­ gen, wird für eine sichere Kühlung ein erheblicher elek­ trischer und mechanischer Aufwand getrieben. Es ist üblich, die Anlage mit einem für den Normalbetrieb bei normalen Umgebungstemperaturen um den Faktor 5 bis 10 überdimensionierten Luftstrom (Luftmenge pro Zeitein­ heit) aus ungeregelten Gebläsen zu kühlen. Dadurch entstehen insbesondere bei Rechenanlagen hohe Kosten für Wartung und Staubfilter. Auch die Gebläsemotoren sind teuer, da sie für einen Dauerbetrieb bei hoher Leistung geeignet sein müssen.

Eine Anpassung der Kühlluftmenge an die momentanen An­ forderungen würde somit kostensenkend wirken. Außerdem könnte die Geräusch- und Vibrationsbelästigung vermin­ dert werden. Da ein Ausfall der Kühleinrichtung zu Stö­ rungen und auch zu bleibenden Defekten in der kühlenden Anlage führen würde, sind nur Regelschaltungen einsetz­ bar, die extrem zuverlässig und ausfallsicher sind. Elektronische Regelschaltungen mit aktiven Bauelementen und Halbleiterbauelementen scheiden deshalb aus.

Aus der DE-PS 29 29 417 ist ein elektronisches Gerät mit einem elektrischen Lüfter bekannt, wobei der Lüfter in Abhängigkeit vom Laststrom des elektronischen Gerätes gesteuert wird. Damit wird wenigstens eine grobe Anpas­ sung des Luftstromes an die durch den Laststrom zu er­ wartende Temperaturerhöhung erreicht. Um auch andere Einflüsse auf die Kühllufttemperatur zu erfassen und die Luftstrommenge zu regeln, müßten zusätzliche Einrichtun­ gen mit aktiven Bauelementen vorgesehen werden, die aber vermieden werden sollen. Außerdem kann die dort vorge­ schlagene spezielle Schaltungsanordnung, bei der der Lüftermotor einen Verlustleistungswiderstand ersetzt, nur in Sonderfällen, z. B. in geregelten Netzgeräten an­ gewendet werden.

Auch aus der DE-OS 30 32 031 ist eine Schaltungsanord­ nung zur laststromabhängigen Änderung der Einschaltdauer oder der Drehzahl eines Gebläseantriebs bekannt. Dabei wird ein bestimmter Leistungsanteil entweder unmittelbar oder mittelbar zur Steuerung des Gebläseantriebs verwen­ det. Die bekannte Anordnung ist zur Anpassung des Luft­ stromes, z. B. bei NF-Verstärkern zur Lautsprecheran­ steuerung vorgesehen. Das Gebläse ist nämlich nach der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung nur dann laut, wenn auch der Lautsprecher eine hohe Schalleistung abgibt. Vorteilhaft kann sein, daß die Kühlung schon forciert wird, ehe eine Temperaturerhöhung am zu kühlenden Bau­ element eintritt. Allerdings wird nur eine gesteuerte, keine geregelte Änderung des Luftstromes erreicht.

In der genannten DE-OS 30 32 031 wird auf Seite 3 ohne Quellenangabe erwähnt, daß Schaltungsanordnungen bekannt seien, bei denen mit Hilfe eines Heißleiters der Luft­ strom gesteuert oder geregelt wird. Der Heißleiter, des­ sen Widestand mit zunehmender Temperatur abnimmt, kann dabei z. B. direkt in die Stromzufuhr zum Gebläsemotor eingeschaltet sein. Abgesehen von dem für eine Regelung schlecht geeigneten Verlauf der NTC-Kennlinie ist dabei nachteilig, daß aufgrund des Spannungsabfalls am Heiß­ leiter zusätzliche Verlustwärme produziert wird, die die Aufheizung der zu kühlenden Einrichtung verstärkt.

Ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik, wonach die Verwendung eines temperaturabhängigen Widerstandes als Meßfühler und/oder Stellgliedes zur Steuerung oder Regelung eines Gebläses bekannt ist, liegt der vorlie­ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Lösung für eine Gebläseregelung anzugeben, bei der ebenfalls ein temperaturabhängiger Widerstand als Meßfühler vorgesehen ist, aber die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung ei­ nes Gebläseantriebsmotors nach Anspruch 1 sowie eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und eine Anordnung nach Anspruch 6 gelöst.

Mit der Erfindung wird die Anordnung eines durch einen temperaturabhängigen Widerstand gedämpften Schwingkrei­ ses vorgeschlagen, dessen hohe Kreisverstärkung gute Regeleigenschaften gewährleistet. Die Regelanordnung enthält vorteilhaft außer dem Lüftermotor nur noch zwei zusätzliche und zwar passive Bauelemente, nämlich einen Kondensator und einen PTC-Widerstand. Die Anordnung hat fail-safe-Verhalten, da bei Ausfall eines der Zusatzele­ mente durch Kurzschluß oder Hochohmigkeit der Lüfter ohne Regelung weiterläuft. Da die Anordnung den Abluft­ strom auf konstante Temperatur regelt, werden in der zu kühlenden Einrichtung eventuell enthaltene elektronische Bauelemente geringen Temperaturwechseln ausgesetzt. Durch die Anordnung des PTC-Widerstands im Abluftstrom wird vermieden, daß durch den Widerstand eine Aufheizung der zu kühlenden Einrichtung erfolgt. Ein weiterer Vor­ teil ist darin zu sehen, daß die wenigen und preiswerten Zusatzbauelemente kaum durch Überspannungen oder Über­ ströme zerstört werden können. Der Temperatursensor ist im Regelkreis zugleich Stellglied. Die Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht auf Rechner oder Ge­ räte mit elektronischen Bauelementen beschränkt.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiele wird die Erfindung näher erläutert. Außerdem ergeben sich daraus weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen.

Es zeigt

Fig. 1 erfindungsgemäße Anordnung zur Regelung eines Luftstroms einer Lüfteranordnung,

Fig. 2 Kennlinie eines PTC-Widerstands,

Fig. 3 Arbeitskennlinien des Serienresonanzkreises,

Fig. 4 Schaltungsvariante zu Fig. 1,

Fig. 5 vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Gebläse 1 mit einem Gebläseantriebsmotor 2. Durch das Gebläse 1 wird ein Zuluftstrom 3 in eine zu kühlende Einrichtung 4 geführt. Mit dem Antriebsmotor 2 ist ein Kondensator 5 elektrisch in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung wird durch eine Versorgungsspan­ nung an Klemmen 6 und 7 gespeist. Die Versorgungsspan­ nung ist eine Wechselspannung, üblicherweise die Netz­ spannung von 220 V, 50 Hz oder 110 V, 60 Hz. Zum Konden­ sator 5 ist ein PTC-Widerstand 8, also ein Kaltleiter parallelgeschaltet. Der PTC-Widerstand 8 ist im Abluft­ strom 9 angeordnet. Der Motor 2 und der Kondensator 5 können selbstverständlich auch innerhalb der zu kühlen­ den Einrichtung 4 angeordnet sein.

Der Kondensator 5 ist in seiner Kapazität C so gewählt, daß er zusammen mit der Induktivität L des Motors 2 ei­ nen Serienresonanzkreis bildet. Es kommt dabei nicht auf eine sehr exakte Abstimmung an; d. h. für 50 Hz oder 60 Hz Netzfrequenz kann die gleiche Anordnung gewählt werden. Der dem Kondensator 5 parallelgeschaltete PTC- Widerstand 8 bedämpft den Schwingkreis.

Die Arbeitsweise der Anordnung wird anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine typische Kennlinie eines PTC-Wider­ standes 8, wobei der Widerstand R in Abhängigkeit vom Strom I bzw. der Temperatur T aufgetragen ist. Daraus ist zu erkennen, daß ein solcher PTC-Widerstand bei nie­ driger Temperatur einen kleinen ohmschen Widerstand hat und oberhalb einer Sprungtemperatur S einen nahezu li­ near ansteigenden Widerstandsverlauf aufweist. Man wählt den PTC-Widerstand so, daß sich ein Arbeitsbereich ober­ halb der Sprungtemperatur S, z. B. in der Nähe eines an­ gegebenen Arbeitspunktes A ergibt, also im steilen posi­ tiven Ast der Kennlinie.

In Fig. 3 ist die Spannung U des Serienresonanzkreises aufgetragen, die z. B. am Motor 2 in Abhängigkeit von der Frequenz f auftritt. Wenn der Resonanzkreis auf die Netzfrequenz als Resonanzfrequenz f _R abgestimmt ist, ergibt sich je nach der Temperatur T am PTC-Widerstand 8 eine Resonanzüberhöhung. Nach dem Einschalten einer zu­ nächst kalten Einrichtung 4 ist der PTC-Widerstand 8 niederohmig, schließt also den Kondensator 5 nahezu kurz und es liegt praktisch die volle an den Klemmen 6 und 7 anliegende Netzspannung U _N am Motor 2 an, entsprechend dem Arbeitspunkt auf der Kennlinie A 1. Der PTC-Wider­ stand 8 heizt sich durch den ihn durchfließenden Strom I selbst schnell auf und wird zunehmend hochohmig. Es wer­ den somit mit zunehmender Resonanzüberhöhung die bei­ spielhaft angegebenen Kennlinien A 1 bis A 4 durchlaufen. Der Arbeitspunkt auf der Kennlinie A 4 entspricht etwa der zweifachen Netzspannung U _N . Für diese Spannung ist der Motor 2 hinsichtlich seiner Nennspannung ausgelegt. Der Betrieb im Arbeitspunkt auf der Kennlinie A 4 be­ dingt, daß das Gebläse mit seiner Maximalleistung arbei­ tet und aufgrund des starken Luftstromes dem PTC-Wider­ stand 8 Wärme entzogen wird. Die Resonanzüberhöhung im Schwingkreis wird vermindert und es stellt sich im Gleichgewichtszustand ein Arbeitspunkt der Schaltungsan­ ordnung etwa zwischen den Kennlinien A 2 und A 3 ein. Die Lage des Gleichgewichtspunktes kann z. B. durch Kühlfah­ nen am PTC-Widerstand 8 beeinflußt werden.

Erhöht sich in dem in Fig. 1 dargestellten geregelten System die Temperatur, z. B. durch Wärmeerzeugung in der Einrichtung 4 oder durch erhöhte Zulufttemperatur, so bedingt eine Erhöhung der Ablufttemperatur als kompen­ sierende Wirkung eine Entdämpfung des Schwingkreises und somit eine Erhöhung der Gebläseleistung, wodurch wiede­ rum der PTC-Widerstand 8 abgekühlt wird. Die Regelanord­ nung versucht also die Ablufttemperatur konstant zu hal­ ten. Die Temperatur des PTC-Widerstands 8 ist dabei stets höher als die der Ablufttemperatur.

Das Regelsystem hat eine sehr hohe Regelsteilheit, be­ dingt durch die hohe Kennliniensteilheit des PTC-Wider­ stands 8 in Verbindung mit der Empfindlichkeit der Steuerung der Resonanzüberhöhung im Resonanzkreis. Zur Vermeidung von Regelschwingungen kann es daher zweckmäß­ ig sein, dem PTC-Widerstand 8 nur eine Teilmenge des Abluftstroms 9 zuzuführen. Die Kreisverstärkung der An­ ordnung kann z. B. mit Hilfe einer verstellbaren Blende 10 vor dem PTC-Widerstand 8 eingestellt werden.

In Fig. 4 ist eine alternative Anordnung dargestellt. Dabei ist der PTC-Widerstand 8 dem Motor 2, anstelle dem Kondensator 5, parallelgeschaltet. Damit wird ein tempe­ raturabhängiger "Shunt-Effekt" erzielt, der zu einer noch höheren Kreisverstärkung führt im Vergleich zur Anordnung gemäß Fig. 1. Wesentlich ist jedoch auch bei dieser Anordnung die Wirkung des Resonanzkreises. Der Shunt-Effekt alleine, also unter Verzicht auf den Kon­ densator 5, würde nicht zu guten Regeleigenschaften der Anordnung führen.

In Fig. 5 sind Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.

Durch Anordnung eines Transformators 11 zwischen dem Kondensator 5 und dem parallel zu schaltenden PTC-Wider­ stand 8 ist es möglich, den PTC-Widerstand 8 (Sensor) potentialgetrennt und auf Niederspannungsniveau vorzuse­ hen. Die Leistung des Transformators 11 soll dabei etwa die Hälfte der Leistung des Motors 2 betragen. Der Transformator 11 muß mit dem Kondensator 5 aperiodisch gekoppelt sein, darf also nicht einen Parallel-Resonanz­ kreis bilden.

Der Transformator 11 kann vorteilhaft mit einer Hilfs­ wicklung 12 versehen werden, die ein Spannungssignal liefert, das zu Anzeige- oder Überwachungsfunktionen genutzt werden kann. Das Spannungssignal kann z. B. einer Schwellenschaltung zugeführt werden, die bei Überschrei­ ten einer eingestellten Spannungsschwelle signalisiert, daß ein im Zuluftstrom angeordneter Filter verstopft ist und somit eine ausreichende Kühlung nicht mehr gewähr­ leistet ist.

Wie bereits ausgeführt wurde, tritt am Motor 2 als Folge der Resonanzüberhöhung eine gegenüber der an den Klemmen 6 und 7 angelegten Spannung erhöhte maximale Spannung auf. Um auch bei einer Netzspannung von 220 V an den Klemmen 6 und 7 Standard-Motoren mit 220 V verwenden zu können, kann eine Reihenschaltung von zwei Motoren 2.1, 2.2 mit 220 V Nennspannung angeordnet werden. Damit die­ se Anordnung auch bei Ausfall (Unterbrechung) einer der Motorwicklungen weiter arbeitet, können den Motoren 2.1, 2.2 spannungsabhängige Widerstände 13 (Varistoren) pa­ rallel geschaltet werden. In einer ausgeführten Anord­ nung gemäß Fig. 5 wurde nachstehende Dimensionierung gewählt: Leistung der Motoren 2.1 und 2.2 je 26 W, des Transformators 11 15 VA, Primärspannung 220 V, Sekundär­ spannung 12 V, Kapazität des Kondensators 2 Mikrofarad.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit wurden bei der ausge­ führten Anordnung außerdem zwei voneinander unabhängige Lüftersysteme vorgesehen, die an zwei getrennten Primär­ netzen angeschlossen sind und unabhängig voneinander geregelt sind. Diese Anordnung enthält somit insgesamt vier Lüftermotoren.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung eines Gebläseantriebsmo­ tors für die Kühlung einer Wärme erzeugenden Einrich­ tung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Serienresonanz­ schwingkreis gebildet wird durch Reihenschaltung eines auf die Motorinduktivität abgestimmten Kondensators zum Gebläsemotor und dieser Schwingkreis durch einen PTC-Wi­ derstand bedämpft wird, der im Abluftstrom als Tempera­ tursensor angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung zur Regelung mindestens ei­ nes Gebläseantriebsmotors für die Kühlung einer Wärme erzeugenden Einrichtung, wobei ein temperaturabhängiger Widerstand als Meßfühler eingesetzt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) in Reihe mit dem Gebläsemotor (2) ein Kondensator (5) geschaltet ist, der zur Bildung eines Serienresonanz­ kreises wenigstens annähernd auf die Induktivität des Gebläsemotors (2) abgestimmt ist,
• b) der Resonanzschwingkreis (2, 5) durch einen PTC-Wider­ stand (8) gedämpft ist, der entweder zum Motor (2) oder zum Kondensator (5) parallelgeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (8) durch Zwi­ schenschaltung eines Transformators (11) vorzugsweise an den Kondensator (5) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (11) eine Hilfs­ wicklung (12) aufweist zur Bildung eines Spannungssi­ gnals für Anzeige- oder Überwachungszwecke.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Moto­ ren (2.1, 2.2) in Reihe geschaltet sind, wobei jedem Motor (2.1, 2.2) ein spannungsabhängiger Widerstand (13) parallelgeschaltet ist.

6. Anordnung eines geregelten Gebläses in einer zu kühlenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (2) des Gebläses (1) ein Kondensator (5) in Reihe geschaltet ist und entweder dem Motor (2) oder dem Kon­ densator (5) ein PTC-Widerstand parallelgeschaltet ist, wobei der PTC-Widerstand im Abluftstrom (9) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der PTC-Widerstand (8) hinter einer verstellba­ ren Blende (10) angeordnet ist, wodurch dem PTC-Wider­ stand (8) nur ein Teil des Abluftstroms (9) zugeführt wird.