DE3717870A1

DE3717870A1 - Verfahren zum steuern und begrenzen der ausgangsleistung eines drehzahlveraenderlichen motors

Info

Publication number: DE3717870A1
Application number: DE19873717870
Authority: DE
Inventors: Kevin Dale Thompson; Gary Walter Ballard
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1986-05-29
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1987-12-03
Also published as: GB8711261D0; US4707646A; GB2193398B; GB2193398A; CA1286713C; JPS62290383A; FR2606526B1; KR870011726A; KR900008037B1; FR2606526A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung von Motoren und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Begrenzen der Ausgangsleistung eines drehzahlveränderlichen Motors, der unter veränderlichen Belastungsbedingungen arbeitet, auf einen sicheren Wert.

Drehzahlveränderliche Motoren werden für die verschiedensten Zwecke benutzt. Zum bedarfsweisen Verändern der Drehzahlen werden verschiedene Steuerungstechniken benutzt. Eine dieser Techniken ist die Pulsbreitenmodulation, bei der die Spannung gesteuert wird, indem die Dauer und/oder die Breite der Ausgangsimpulse verändert wird. Die Pulsbreitenmodulation kann beispielsweise bei Wechselrichtersteuerungen oder bei elektrisch kommutierten Motoren (Elektronikmotoren) benutzt werden.

Bei der Verwendung von Motorsteuerungen ist es üblich, die Drehzahl des Motors auf einen sicheren Betriebswert zu begrenzen, der durch die besonderen Entwurfsspezifikationen bestimmt wird. Selbst beim Arbeiten innerhalb dieser Grenze kann ein Motor oder seine zugeordnete Elektronik überbeansprucht werden, wenn seine Ausgangsleistung einen gewissen Wert bei einer bestimmten Belastung des Motors übersteigt. Wenn beispielsweise ein Motor zum Antreiben eines Lüfters für die Umwälzung von Luft aus einem Ofen benutzt wird, wird die Drehzahl des Motors so gesteuert, daß die Ausgangsleistung normalerweise einen sicheren Wert nicht übersteigt. Wenn jedoch ein großes Volumen an Luftförderung unter vom Standard abweichenden Bedingungen wie statischen Drücken über 1,25 mbar (0,5 Zoll Wassersäule) verlangt wird, können die erforderlichen höheren Drehmomente bewirken, daß der sichere Ausgangsleistungswert überschritten wird. Das kann beispielsweise erfolgen, wenn der Luftfilter verschmutzt wird oder der Kanal wegen unrichtiger Dimensionierung oder wegen zu vieler geschlossener Dämpfungsklappen übermäßig gedrosselt ist.

Eine weitere deutsche Patentanmeldung, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 8 09 466, vom 16. Dezember 1985 in Anspruch genommen worden ist, befaßt sich mit einer Technik zum Eichen eines drehzahlveränderlichen Motors. Als Teil dieser Technik wird eine Motor/Lüfter-Kombination getestet, um die Beziehung zwischen der Drehzahl des Motors und dem Luftvolumenstrom, der durch den Lüfter gefördert wird, empirisch zu bestimmen. Diese Beziehung wird dann in Kombination mit den Lüftergesetzgleichungen und einem gemessenen Ausgangsdrehmoment des Motors benutzt, um die gewünschte Motordrehzahl zum Erzielen eines gewünschten Luftfördervolumens zu berechnen. Bei einem solchen Motor- und Steuersystem tritt jedoch das oben erwähnte Problem in Form von Zuständen übermäßiger Leistung auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, um einen drehzahlveränderlichen Motor vor dem Überschreiten eines sicheren Wertes der Ausgangsleistung zu schützen.

Weiter soll durch die Erfindung die Möglichkeit geschaffen werden, die Ausgangsleistung eines drehzahlveränderlichen Motors, auf den eine ungewöhnlich hohe Belastung ausgeübt werden kann, zu steuern.

Ferner soll durch die Erfindung die Möglichkeit geschaffen werden, die Ausgangsleistung eines drehzahlveränderlichen Motors zu steuern, ohne daß spezielle Ausrüstung und Vorrichtungen benutzt werden.

Schließlich soll durch die Erfindung ein verbessertes Motorsteuersystem geschaffen werden, das wirtschaftlich herstellbar und im Gebrauch effektiv ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Motor/Lüfter- Kombination empirisch getestet, um die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Volumenstrom der Luft zu bestimmen. Der Motor wird dann mit maximaler Leistung in einem Bereich von statischen Druckbedingungen betrieben, während der entsprechende Volumenstrom, die Motordrehzahl und die Motorausgangsleistung aufgezeichnet werden. Ein Grenzwert der maximalen Ausgangsleistung wird festgelegt, und unter Verwendung der Lüftergesetze werden die maximal zulässigen Motordrehzahlen in dem Bereich von statischen Druckbedingungen berechnet. Die tatsächliche Motordrehzahl wird dann während aller Betriebsperioden auf diese maximal zulässigen Motordrehzahlen begrenzt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden, wieder unter Verwendung der Lüftergesetze, Referenzdrehzahlen als Funktion der Motordrehzahlen und des Volumenstroms in dem Bereich von statischen Belastungsbedingungen bestimmt. Diese Referenzdrehzahlen werden dann zu den maximal zulässigen Motordrehzahlen in Beziehung gesetzt, um eine repräsentative Gleichung zu gewinnen, in der die maximal zulässige Motordrehzahl als Funktion der Referenzdrehzahlen ausgedrückt ist. Ein Mikroprozessor benutzt dann die Gleichung, um die maximal zulässige Motordrehzahl für die vorhandenen statischen Belastungsbedingungen zu berechnen und die tatsächliche Drehzahl des Motors auf diese Werte zu begrenzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung eines Ofens mit einem installierten Motor- und Steuersystem nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Motor- und Steuerteils der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Verfahrens nach der Erfindung zum Steuern eines Motors, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die Motorbetriebsbedingungen gemäß der Erfindung gesteuert werden.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Motorsteuersystem nach der Erfindung in Verbindung mit einem Ofen 11. Der Ofen 11 weist ein Gehäuse 12 auf, in dessen unterem Teil ein Gebläse 13, ein Motor 14 zum Antreiben des Gebläses 13 und eine Steuereinrichtung 16, die mit dem Motor und verschiedenen anderen Vorrichtungen verbunden ist, um für die notwendige Steuerung und Koordination zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems zu sorgen, untergebracht sind. Eine der Funktionen, die die Steuereinrichtung 16 erfüllt, ist die des Steuerns der Drehzahl des Motors 14 derart, daß das Gebläse 13 den gewünschten Volumenstrom an Luft durch den Ofen schickt.

Der Ofen 11 weist eine Ansaugluftleitung 17 auf, die Außenluft zur Verbrennung zuführt, und einen Brenner (nicht dargestellt), in welchem ein Brennstoff/Luft-Gemisch verbrannt wird. Die sich ergebenden heißen Verbrennungsgase werden dann durch einen Primärwärmetauscher 18 und einen Kondensationswärmetauscher 19 gesaugt, woraufhin die Abgase dann über eine Auslaßleitung 21 ausströmen. Gleichzeitig wird die kalte Haushaltsluft durch das Gebläse 13 zu dem Ofen zurückgeleitet und dann wieder aufwärts durch die Lüfterauslaßöffnung 22 und über die äußeren Oberflächen des Kondensationswärmetauschers 19 und des Primärwärmetauschers 18 geleitet, wo sie auf ihrem Weg zu einem Kanal 23, der sie in dem Haus verteilt, erhitzt wird.

Zusätzlich zum Steuern des Lüftermotors 14 dient die Steuereinrichtung 16 zum Regulieren und Koordinieren des Betriebes eines Saugzuggebläses, der Zufuhr von Brennstoff zu den Brennern und des Betriebes der Steuer- und Hauptzündvorrichtungen. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Mikroprozessorsteuereinrichtung 16 mit deren elektrischen Verbindungen mit dem Lüftermotor 14 und mit den anderen Vorrichtungen, die sie steuert, gezeigt. Zu den Zündvorrichtungen 24 gehört eine Steuervorrichtung, die, nachdem sie betätigt worden ist, ein Signal zu der Mikroprozessorsteuereinrichtung 16 sendet, welche dann Brennstoffventile 26 öffnet, um den Brennern Brennstoff zuzuführen. Zum Erzielen der richtigen Luftbeimischung an den Brennern schaltet die Mikroprozessorsteuereinrichtung 16 auch den Saugzuggebläsemotor 27 zum Antreiben des Saugzuggebläses 28 ein, das dann Luft veranlaßt, aus der Lufteinlaßleitung 17 in den Brenner zu strömen, um sich mit dem Brennstoff im gewünschten Verhältnis zu vermischen. Nachdem die Zündung in den Brennern erfolgt ist und heiße Abgase in die Wärmetauscher gesaugt worden sind, um deren äußere Oberflächen aufzuheizen, schaltet die Mikroprozessorsteuereinrichtung 16 den Lüftermotor 14 ein, um den Lüfter 13 anzutreiben, damit die heiße Luft in dem Haus umgewälzt wird. Wenn das Haus bis zu dem Punkt erwärmt worden ist, bei dem der Thermostat 29 anspricht, wird ein Signal zu der Mikroprozessorsteuereinrichtung 16 gesendet, um sequentiell und gesteuert die Brennstoffventile 26, die Zündvorrichtungen 24, den Saugzuggebläsemotor 27 und den Lüftermotor 14 abzuschalten.

Der Motor 14 ist ein drehzahlveränderlicher Motor, d. h. seine Drehzahl kann so gesteuert werden, daß die gewünschte Luftförderung für einen besonderen Lufttemperaturanstieg oder einen besonderen Kühlungsbedarf aufrechterhalten wird. Ein derartiger Motor ist ein elektronisch kommutierter Motor, der im Handel von der General Electric Company unter der Teilenummer 5SME39HGH69IT erhältlich ist. Es können jedoch auch andere Kombinationen aus drehzahlveränderlichem Motor und Steuereinrichtung benutzt werden, beispielsweise irgendeine Wechselstrommotor- und Wechselrichterkombination. Ebenso wird die Erfindung hier zwar unter Anwendung auf einen Motor beschrieben, der einen Ofenlüfter antreibt, es ist jedoch klar, daß die Erfindung ebensogut in anderen Fällen veränderlicher Belastung angewandt werden kann.

In Fig. 3 sind die verschiedenen Schritte bei dem Verfahren nach der Erfindung angegeben, wobei die gezeigte besondere Reihenfolge exemplarisch ist und nicht notwendigerweise so wie angegeben ausgeführt werden muß. Weiter sind zwar einige Schritte in spezieller Form angegeben, es ist jedoch klar, daß ihre Funktion, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, durch andere spezifische Einrichtungen im Rahmen der Erfindung erfüllt werden kann.

Zum Ermitteln der Ausgangsleistung des Lüfters 13, wenn der Motor unter Bedingungen maximaler Leistung arbeitet, wurden Labortests mit dem oben erwähnten Motor durchgeführt, der ein Morrison-Gebläserad angetrieben hat, das von der Morrision Products Inc., Cleveland, Ohio, hergestellt wird und im Handel unter der Teilenummer 10-7DD03-42007-0 erhältlich ist.

Diese Labortests waren notwendig, um für die Motor/Gebläse- Baugruppe den Luftdurchsatz des Gebläses in l/s (CFM), die Ausgangsleistung in Watt und die Drehzahl in U/min des Motors zu bestimmen, der unter Bedingungen maximaler Leistung in einem Bereich von Belastungszuständen arbeitet. Es sei hier erwähnt, daß die Erfindung bei anderen drehzahlveränderlichen Antrieben benutzt werden kann, bei denen es sich nicht um das Antreiben von Lüftern handelt, wobei in diesen Fällen die auszuführenden Messungen nicht den Luftdurchsatz sondern irgendeine andere Form von Arbeitsabgabe betreffen. Demgemäß sollte der im folgenden benutzte Luftdurchsatz nicht in dem engen Sinn nur auf die beschriebene Gebläsevorrichtung bezogen ausgelegt werden, sondern in breiterem Sinn, d. h. in der Bedeutung Arbeitsabgabe eines Systems, das durch die Erfindung gesteuert wird.

Zum Erzielen der oben erwähnten gewünschten Werte wird die Anordnung unter Bedingungen maximaler Leistung betrieben, wobei sich der statische Druck von 0,25 bis 1,75 mbar (0,1 bis 0,7 Zoll Wassersäule) verändert. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Tabelle 1

Da unter Bedingungen hoher Belastung (d. h. hohe Motordrehzahl unter Bedingungen hohen statischen Druckes) der Ausgangsleistungsgrenzwert überschritten werden kann, ist es notwendig, einen zugeordneten Entwurfspunkt zu wählen, der die Grenze für die Ausgangsleistung des Motors darstellt. Eine Analyse der Daten in der Tabelle 1 zeigte, daß ein sicherer Ausgangsleistungsgrenzwert für die oben erwähnte besondere Motor/Gebläse-Kombination 457 Watt sein würde, was 1059 U/min und 599 l/sec (1269 CFM) entspricht.

Unter Verwendung der Daten aus Tabelle 1 ist es dann notwendig, bei den verschiedenen statischen Drücken eine äquivalente Referenzmotordrehzahl (U/min_ref) zu berechnen, die während einer "Auslauf"-Messung auftreten würde, was gemäß den Angaben in der oben erwähnten US-Patentanmeldung, Serial No. 8 09 466, durchgeführt wird und gemäß der Darstellung in der folgenden Gleichung, die empirisch gewonnen worden ist, indem die oben erwähnte Motor/Gebläserad-Kombination betrieben worden ist, um die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Lüfterausgangsleistung zu gewinnen:

CFM _ref = [865,893 - (0,74539 × U/min_ref)] × 0,472 (1)

wobei:
CFM _ref der Referenzluftdurchsatz, ausgedrückt in Kubikfuß pro Minute ist, und
U/min_ref die Referenzmotordrehzahl in Umdrehungen pro Minute ist.

Unter Verwendung der in der Gleichung (1) angegebenen empirischen Beziehung und der folgenden Lüftergesetzgleichung:

ergibt sich folgende Referenzmotordrehzahl:

Unter Verwendung der U/min- und der CFM-Werte aus Tabelle 1 wird dann Gleichung (3) benutzt, um die U/min_ref-Werte zu gewinnen, die in Spalte 2 von Tabelle 2 angegeben sind und als Referenzwert beim Bestimmen der Systembelastungsbedingungen benutzt werdern, um dadurch die entsprechende maximal zulässige Drehzahl (U/min₄₅₇) zu erzielen. Diese Werte, die in Spalte 3 von Tabelle 2 angegeben sind, werden unter Verwendung der folgenden Lüftergesetzgleichung erzielt:

und durch Umordnen ergibt sich:

wobei:
U/min₄₅₇ die Motordrehzahl ist, bei der die Eingangsleistung 457 Watt beträgt,
HP _max die maximale Ausgangsleistung von 457 Watt ist, und
U/min und HP die entsprechende Werte aus Tabelle 1 sind.

Tabelle 2

Durch Begrenzen der Drehzahl des Motors auf den angegebenen U/min₄₅₇-Wert, der dem besonderen Systembetriebszustand entspricht, kann daher die Ausgangsleistung des Motors auf 457 Watt begrenzt werden, um dadurch den Motor und seine Elektronikkomponenten vor Beschädigung zu schützen, zu der es sonst kommen würde. Dieser Verwendungszweck erfordert keine Einrichtung zum Abfühlen des statischen Druckes, vielmehr wird der berechnete Wert U/min_ref benutzt, der in der Auslauftechnik gewonnen worden ist. Da es sich um diskrete Werte handelt, zwischen denen es notwendig wäre zu interpolieren, wird eine empirische Beziehung gewonnen, um eine Steuerung über einem durchgehenden Bereich von U/min_ref-Werten zu erzielen.

Wenn eine lineare Beziehung (y = mx + b) zwischen U/min_ref und U/min_max angenommen und U/min₄₅₇ als U/min_max bezeichnet wird, ergibt sich folgende Gleichung:

U/min_max = 297,18 + (1,715 × U/min_ref) (6)

Durch Benutzung der Gleichung (6) wird U/min_ref am Beginn jedes Heizzyklus gewonnen, wenn die Eichtechnik ausgeführt wird, die in der oben erwähnten US-Patentanmeldung (Serial No. 8 09 466) angegeben ist. Wenn das System eine Auslaufmessung der Systembelastung durchläuft und wenn die gewünschte Drehzahl berechnet wird, um den gewünschten Durchsatz an Luftförderung zu erzielen, kann er nun mit dem gewünschten Wert U/min verglichen und auf U/min_max begrenzt werden, um eine Überbeanspruchung des Motors zu verhindern. Weiter kann es immer dann, wenn der gewünschte Wert U/min größer U/min_max ist, erwünscht sein, zu veranlassen, daß eine Art von Fehlersignal angezeigt wird, um dadurch zu melden, daß ein Belastungszustand vorhanden ist, der bewirkt, daß das Leistungsbegrenzungsmerkmal ins Spiel gebracht wird. Die Bedienungsperson kann dann eine Überprüfung auf blockierte Filter oder geschlossene Dämpfungsklappen vornehmen, um den Zustand übermäßiger Belastung zu beseitigen.

In Fig. 4 sind die oben erläuterten Prinzipien in einem Gebläseleistungsdiagramm dargestellt. In diesem Diagramm ist die Kennlinie A eine Kennlinie maximaler Leistung, die diejenigen Werte in Tabelle 1 darstellt, bei denen das System bei Zuständen maximaler Leistung betrieben wurde. Die Kennlinie B ist eine Kennlinie konstanter Leistung, die diejenigen Werte in Tabelle 2, Spalte 3, darstellt, bei denen das System mit einem konstanten Ausgangsleistungswert von 330 Watt (d. h. 457 Watt Eingangsleistung) betrieben wurde. Die Verwendung der Gleichung (6) gestattet das Erkennen des Kreuzungspunktes dieser beiden Kennlinien, und, wenn die gewünschte Drehzahl kleiner als U/min_max ist, wird dem System gestattet, innerhalb der Grenzen der Kennlinie A zu arbeiten. Wenn aber die gewünschte Drehzahl größer als U/min_max ist, wird statt dessen das System auf der Kennlinie B betrieben.

Das Steuerverfahren und die Steueranordnung nach der Erfindung können benutzt werden, um irgendeinen drehzahlveränderlichen Motor zu steuern, bei dem variable Belastungszustände auftreten können. Die vorstehende Beschreibung der Erfindung, die sich auf ein Gebläse eines Ofens bezieht, dient daher lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung und bedeutet keine Beschränkung auf diesen Verwendungszweck oder die besondere Ausführungsform.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines drehzahlveränderlichen Motors, der unter Bedingungen variabler Belastung arbeitet, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) empirisches Bestimmen der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der geleisteten Arbeit;
b) empirisches Bestimmen der geleisteten Arbeit und der entsprechenden Drehzahlen und Ausgangsleistungen des Motors, wenn der Motor in einem Bereich von Zuständen variabler Belastung mit maximaler Leistung arbeitet;
c) Festlegen einer besonderen Ausgangsleistungsgrenze für den Motor;
d) Bestimmen der maximal zulässigen Motordrehzahlen, die der Ausgangsleistungsgrenze entsprechen, über dem Bereich von Zuständen variabler Belastung; und
e) Begrenzen der tatsächlichen Motordrehzahlen auf die maximal zulässigen Motordrehzahlen, während der Motor in dem Bereich von Zuständen variabler Belastung arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlveränderliche Motor zum Antreiben eines Lüfters dient und daß die geleistete Arbeit das Luftvolumen ist, das über eine Zeitspanne bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadruch gekennzeichnet, daß die Zustände variabler Belastung durch den statischen Druck ausgedrückt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

a) Bestimmen von Referenzdrehzahlen, ausgedrückt als Funktion der Motordrehzahlen und der geleisteten Arbeit über dem Bereich von Zuständen variabler Belastung; und
b) Benutzen dieser Referenzdrehzahlen beim Begrenzen der tatsächlichen Motordrehzahlen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

a) Beziehen der Referenzdrehzahlen auf die maximal zulässigen Motordrehzahlen und Aufstellen einer Gleichung, welche die maximal zulässige Motordrehzahl als Funktion der Referenzdrehzahl ausdrückt; und
b) Benutzen der Gleichung beim Begrenzen der tatsächlichen Motordrehzahl.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung eine einer geraden Linie am besten angepaßte Gleichung ist.

7. Verfahren zum Begrenzen der Ausgangsleistung eines drehzahlveränderlichen Motors, der zum Antreiben eines Lüfters dient, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) empirisches Bestimmen des Volumendurchsatzes eines Lüfters als Funktion der Motordrehzahl;
b) empirisches Bestimmen des Volumendurchsatzes des Lüfters und der entsprechenden Drehzahlen und Ausgangsleistungen des Motors für verschiedene Bedingungen des statischen Druckes des Lüfters bei unter Bedingungen maximaler Leistung arbeitendem Motor;
c) Festlegen einer besonderen Ausgangsleistungsgrenze für den Motor;
d) Benutzen der Lüftergesetzbeziehung der Motordrehzahl und der Ausgangsleistung zum Bestimmen der maximalen Motordrehzahlen, die der Ausgangsleistungsgrenze entsprechen, für jede der verschiedenen Bedingungen des statischen Druckes;
e) Benutzen der im Schritt a) gewonnenen Beziehung beim Benutzen der Lüftergesetzbeziehung der Drehzahl über dem Volumendurchsatz zum Bestimmen von Referenzdrehzahlen für jede der verschiedenen Bedingungen des statischen Druckes;
f) Benutzen der in den Schritten d) und e) gewonnenen Werte zum Festlegen einer Gleichung, die einer geraden Linie am besten angepaßt ist, um die maximal zulässigen Motordrehzahlen als Funktion der Referenzdrehzahlen auszudrücken; und
g) Begrenzen der Motordrehzahlen auf die maximal zulässigen Motordrehzahlen, die im Schritt f) gefunden worden sind.