DE4410735A1 - Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Einrichtungen eignen sich beispielsweise zur Steuerung der Verbrennung bei Wärme­ erzeugungsanlagen großer Leistung, die mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden.

In solchen Einrichtungen zum Einsatz kommende Feuerungsautomaten sind beispielsweise aus der Landis & Gyr Firmendruckschrift "Feuerungsautomaten für Öl und Gasbrenner", L. bekannt. Mit Hilfe eines solchen Feuerungsautomaten werden Luftgebläse, Brennstoffpumpe (z. B. Ölpumpe), Brennstoffventil und Zündungseinrichtung gesteuert. Damit ist sowohl der Inbetriebsetzungsvorgang für einen Brenner steuer- und überwachbar als auch der Betrieb im Anschluß an einen solchen Inbetriebsetzungsvorgang.

Bei den bekannten Einrichtungen wird mit Hilfe des Luftgebläses ein annähernd konstanter Luftstrom erzeugt, der mit Hilfe einer vor- oder nachgeschalteten Luftklappe so beeinflußt wird, daß der gewünschte Luftstrom zum Brenner entsteht. Aus Sicherheitsgründen sind Luftdruckwächter eingesetzt, die aufgrund des mit dem Luftstrom verbundenen Überdruckes feststellen, ob eine bestimmte minimale Luftmenge vorbeiströmt. Die Regelung der dem Brenner zugeführten Luftmenge mit der Luftklappe ist wegen derer gerade im Kleinlastbereich stark nichtlinearen Kennlinie schwierig. Bei einem modernen Öl- oder Gasbrenner muß deshalb die Drehzahl des Gebläsemotors in einem großen Bereich regelbar sein.

Für den Einsatz bei Brennern kleiner bis mittlerer Leistung eignet sich eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie in der europäischen Patentanmeldung mit der Nummer 93114751.6 beschrieben ist. Bei solchen Brennern dient als Gebläseantrieb ein drehzahlsteuerbarer DC-Motor mit integrierter Steuer­ elektronik und integriertem Sensor zur Erfassung der Drehzahl wobei am Motor neben dem Spannungsversorgungsanschluß ein Steuer- und ein Rückmeldeanschluß für den Soll- bzw. Ist-Wert der Drehzahl vorhanden sind.

Bei Brennern großer Leistung ist als Antrieb für das Luftgebläse in der Regel ein Asynchron­ motor eingesetzt der beispielsweise über drei Phasen in einer elektrischen Sternschaltung direkt am Netz betrieben wird. Da sich im Kleinlastbetrieb bei einer kleinen Drehzahl des Gebläseantriebes wegen des kleinen Luftdurchsatzes nur geringe Luftdruckunterschiede bilden, sind Luftdruckwächter kaum so einstellbar, daß sie bei Kleinlast zuverlässig und fehlersicher ansprechen. Zudem sind die statisch arbeitenden Luftdruckwächter im Dauer­ betrieb des Brenners nicht auf korrektes Arbeiten überprüfbar.

Eine Erfassung der Drehzahl des Gebläseantriebes ist beispielsweise möglich mittels Hallsensoren. Eine solche Lösung ist mit dem Nachteil verbunden, daß auf der Motorwelle oder auf dem Gebläserad magnetische Markierungen angebracht werden müssen. Die Verwendung externer Sensoren und die Übermittlung der Sensorsignale an den Feuerungs­ automaten erfordert zudem eine gesonderte Rückmeldeleitung.

Weiter kann die Erfassung der Drehzahl eines Motors mit Tachogeneratoren erfolgen, wobei die Antriebswelle auch auf die dem Gebläserad gegenüberliegende Seite aus dem Motor herausgeführt sein muß. Solche Motoren sind in der Regel nur als Spezialausführung erhältlich und entsprechend teuer. Auch enthält das Ausgangssignal eines Tachogenerators keine Information über die Drehrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, welche die von einem Gebläse, das von einem Asynchronmotor angetrieben ist, der Brennkammer eines Gebläsebrenners zugeführte Luftmenge sowohl bei Kleinlast als auch im Dauerbetrieb fehlersicher und zuverlässig erfaßt.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten,

Fig. 2 eine weitere Einrichtung und

Fig. 3 einige Spannungsdiagramme.

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten 1 zur Ansteuerung eines zu dieser Einrichtung gehörenden Gebläses für die Luftzufuhr zur Brennkammer, das von einem drehzahlsteuerbaren Asynchronmotor 2 angetrieben ist, wobei der Feuerungsautomat 1 einen Programmgeber 4 aufweist, der einen Inbetriebsetzungsvorgang und einen fortlaufenden Betrieb eines Gebläsebrenners steuert und überwacht. Die Einrichtung weist weiter zur Ansteuerung des Asynchronmotors 2 einen Frequenzumformer 3 auf, welcher eingangsseitig aus einem Dreiphasennetz mit 3×230 V gespeist ist. Er kann aber auch aus einem Einphasen­ netz mit 1×230 V oder aus einem Gleichstromnetz mit 1×325 V oder mit einer anderen in der Industrie gebräuchlichen Speisung mit Energie versorgt werden. Ausgangsseitig weist der Frequenzumformer 3 drei Schalteinrichtungen 6.1, 6.2 und 6.3 auf, die über Leitungen 7.1, 7.2 und 7.3 mit Anschlüssen U, V und W des Asynchronmotors 2 verbunden sind, und ist über eine Steuerleitung 8 mit dem Programmgeber 4 verbunden. Zur Erfassung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 enthält der Feuerungsautomat ein Meßmittel 5 mit zwei Eingängen 5.1 und 5.2, die mit den Anschlüssen W bzw. V des Asynchronmotors 2 verbunden sind, sowie mit einem Ausgang 5a, der mit einem Eingang 4a des Programmgebers 4 verbunden ist.

Der Asynchronmotor 2 weist drei Wicklungsstränge 2.1, 2.2 und 2.3 auf, die in Dreieck­ schaltung geschaltet sind. Er kann aber auch in Sternschaltung geschaltet sein. Der Asynchronmotor 2 treibt ein Gebläse an, mit dem der Brennkammer eines Gebläsebrenners ein Luftstrom zugeführt wird, dessen Stärke u. a. von der Drehzahl des Asynchronmotors 2 abhängt. Die gewünschte Drehzahl gibt der Programmgeber 4 dem Frequenzumformer 3 als Solldrehzahl vor. Wird der Asynchronmotor 2 von der Energieversorgung getrennt, wirkt er bis zum Stillstand als Generator. Dabei werden in den Wicklungssträngen 2.1 bis 2.3 aufgrund des Faradayeffektes Spannungen erzeugt, welche mittels des Meßmittels 5 erfaßt und in Rechteckimpulse umgeformt werden.

Zu diesem Zweck enthält das Meßmittel 5 ein aus zwei Widerständen R₁ und R₂, einem Kondensator C und einer Diode D gebildetes Kopplungsglied 9, eine Komparatorschaltung 10 und einen Optokoppler 11. Die Widerstände R₁ und R₂ sind in Reihe zwischen den beiden Eingängen 5.1 und 5.2 geschaltet. Der Kondensator C ist parallel zum Widerstand R₂ angeordnet. Die Anode der Diode D ist mit einem Abgriff zwischen den Widerständen R₁ und R₂, ihre Kathode mit einem ersten Eingang der Komparatorschaltung 10 verbunden. An einem zweiten Eingang der Komparatorschaltung 10 liegt eine bezüglich des Potentials am Eingang 5.2 feste Bezugsspannung U_B. Der Ausgang der Komparatorschaltung 10 treibt den Optokoppler 11 an, dessen Ausgang mit dem Ausgang 5a verbunden ist, so daß das Meßelement 5 und der Programmgeber 4 galvanisch getrennt sind. Das Kopplungsglied 9 dient der Pegelanpassung der Spannung U_{W_V} an die verarbeitbaren Spannungspegel der Komparatorschaltung 10, der Einweggleichrichtung und der Ausfilterung hochfrequenter Anteile. Die Komparatorschaltung 10 ist so eingestellt, daß ihr Ausgang ein hohes Potential führt und dementsprechend der Optokoppler 11 am Ausgang 5a ebenfalls ein hohes Potential führt, wenn die Signalspannung U_S am ersten Eingang größer als die Bezugsspannung U_B am zweiten Eingang ist. Der Ausgang der Komparatorschaltung 10 und der Ausgang 5a führen ein tiefes Potential, wenn die Signalspannung U_S kleiner als die Bezugsspannung U_B ist. Die Bezugsspannung U_B ist so bestimmt, daß die im Generatorbetrieb des Asynchronmotors 2 im Wicklungsstrang 2.3 erzeugten Spannungsimpulse am Eingang 4a des Programmgebers 4 als eine Folge von rechteckförmigen Impulsen erscheinen. Die Information über die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ist mehrfach vorhanden, nämlich in der Frequenz dieser Impulse, in der Dauer der einzelnen Impulse wie auch in der Länge der Pausen zwischen den Impulsen. Der Programmgeber 4 ist dahingehend programmiert, aus der Frequenz oder aus der Dauer der Impulse die Drehzahl zu bestimmen.

Ein Abfragezyklus zur Erfassung der Istdrehzahl des Asynchronmotors 2 besteht also darin, daß der Programmgeber 4 die Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 für eine vorbestimmte Zeitdauer T kurzzeitig öffnet und aus den am Ausgang 5a des Meßmittels 5 erscheinenden Impulsen die Istdrehzahl berechnet.

Mit zunehmender Dauer der Trennung von der Energieversorgung nimmt die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ab. Der Programmgeber 4 überprüft deshalb mit Vorteil, ob die Länge der Impulse oder die Zeitdauer zwischen den Impulsen mit zunehmender Öffnungsdauer der Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 tatsächlich zunimmt. Falls dem nicht so ist, liegt ein Fehl­ zustand vor, worauf der Programmgeber 4 den Brenner abschaltet. Der Fehlzustand könnte darin bestehen, daß die Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 nicht öffnen oder daß das Meß­ mittel 5 defekt ist. Weiter ist es möglich, vorgängig der eigentlichen Inbetriebsetzung des Brenners einen Meßzyklus durchzuführen, in dem die Verlangsamung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 bei verschiedenen Drehzahlen gemessen und in einer Tabelle gespeichert wird. Der Programmgeber 4 kann somit im Dauerbetrieb die Abnahme der Drehzahl mit den in der Tabelle gespeicherten Werten vergleichen.

Mit der beschriebenen Einrichtung ist die Drehzahl des Asynchronmotors 2 ohne gesonderte Sensoren erfaßbar. Käufliche Asynchronmotoren sind in der einfachsten Ausführung und ohne Modifikationen einsetzbar. Im Kleinlastbetrieb entfällt einerseits die schwierige Einstellung von Luftdruckwächtern, andererseits ist die geförderte Luftmenge energiesparsam regelbar. Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß im Dauerbetrieb des Brenners jederzeit ein Test durchführbar ist, ob der Gebläseantrieb mit einer bestimmten Drehzahl dreht, und daß gleichzeitig ein Fehlzustand der Schalteinrichtungen 6.1 bis 6.3 oder des Meßmittels 5 erkennbar ist.

Eine solche Einrichtung eignet sich auch zur Überwachung der Drehzahl weiterer bei einem Brenner vorhandenen Asynchronmotoren, die beispielsweise ein Zuluftgebläse oder ein Rauchgasrezirkulationsgebläse antreiben.

Die Fig. 2 zeigt ein Meßmittel 5 und dessen Verdrahtung mit dem Asynchronmotor 2, das nebst der Erfassung der Drehzahl auch die Erkennung der Drehrichtung des Asynchron­ motors 2 ermöglicht. Das Meßmittel 5 weist sechs Eingänge 5.1 bis 5.6, drei Ausgänge 5a, 5b und 5c und drei Meßeinheiten 12.1 bis 12.3 auf, wobei jeweils zwei Eingänge und ein Ausgang einer Meßeinheit zugeordnet sind. Die Eingänge 5.1 und 5.3 sind mit dem Anschluß U, die Eingänge 5.2 und 5.5 mit dem Anschluß V und die Eingänge 5.4 und 5.6 mit dem Anschluß W des Asynchronmotors 2 verbunden, so daß mittels der drei Meß­ einheiten 12.1 bis 12.3 die Spannungsdifferenzen zwischen je zwei Anschlüssen U, V bzw. W in vom Programmgeber 4 leicht interpretierbare Signale y₁, y₂ bzw. y₃ aufbereitbar sind. Die Meßeinheiten 12.1 bis 12.3 sind gleich aufgebaut, weshalb im folgenden deren Aufbau und Arbeitsweise anhand der Meßeinheit 12.1 beschrieben sind.

Die beiden Eingänge 5.1 und 5.2 der Meßeinheit 12.1 sind in einem Eingangsschaltkreis über zwei in Reihe geschaltete Widerstände R₁ und R₂ verbunden. Parallel zum einen Widerstand R₂ sind eine Diode D und ein Optokoppler 13 mit einer Leuchtdiode LD so angeordnet, daß die Diode D antiparallel zur Leuchtdiode LD geschaltet ist. Die Dioden D und LD begrenzen den Spannungsabfall über dem Widerstand R₂ auf den Wert ihrer Durchlaßspannungen. Im Widerstand R₁ wird die um die entsprechende Durchlaßspannung der Dioden D bzw. LD verminderte Spannungsdifferenz U_{U_V} zwischen den Anschlüssen U und V in einen dazu proportionalen Strom umgewandelt und über den Optokoppler 13 in einen dazu proportionalen, einweggleichgerichteten Ausgangsstrom I₁ übertragen. Der Ausgangsstrom I₁ wird mittels eines Kopplungsgliedes 14, das beispielsweise aus einem Tiefpaß und einem nachgeschalteten Widerstand besteht, einem Komparator 15 zugeführt zur Umwandlung des analogen Stromsignales I₁ in ein Ausgangssignal y₁ in Form einer Folge von Rechteckimpulsen mit TTL-Pegeln. Die Meßeinheiten 12.2 und 12.3 verarbeiten entsprechende Spannungsdifferenzen U_{U_W} bzw. U_{V_W}.

Die Drehrichtung des Asynchronmotors 2 ist bestimmbar aus der zeitlichen Reihenfolge, mit der die Rechteckimpulse der Ausgangssignale y₁, y₂ und y₃ der drei Meßeinheiten 12.1, 12.2 bzw. 12.3 beim Programmgeber 4 eintreffen. Der Asynchronmotor 2 dreht nach links, wenn nach dem Auftreten eines Rechteckimpulses beim Ausgangssignal y₁ jeweils ein nächster Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y₂ auftritt vor einem nächsten Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y₃. Der Asynchronmotor 2 dreht nach rechts, wenn nach dem Auftreten eines Rechteckimpulses beim Ausgangssignal y₁ jeweils ein nächster Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y₃ auftritt vor einem nächsten Rechteckimpuls beim Ausgangssignal y₂.

Bei einer Weiterentwicklung ist dem Komparator 15 eine monostabile, einflankengetriggerte Kippstufe nachgeschaltet, die bei einem Wechsel des Komparatorausganges von tiefem auf hohen TTL-Pegel in den astabilen Zustand kippt und nach einer bestimmten Zeitdauer T₁ in den stabilen Zustand zurückkehrt, so daß an ihrem Ausgang als Signal y₁ ein Rechteck­ impuls mit vorbestimmter Dauer auftritt. Eine solche Kippstufe kann mit dem Baustein SN 74121 aus der bekannten Reihe 74xx verwirklicht werden. Die Zeitdauer T₁, T₂ bzw. T₃ ist bei den drei Kippstufen der Meßeinheiten 12.1 bis 12.3 verschieden lang so eingestellt, daß die Rechteckimpulse der drei Ausgangssignale y₁, y₂ und y₃ auch bei hoher Drehzahl des Asynchronmotors 2 erstens zeitlich nicht überlappen und zweitens verschieden lang sind, so daß sie mittels eines Schaltungselementes wie z. B. einer einfachen "ODER"-Schaltung zu einem Signal y_S verknüpfbar sind. Das Signal y_S weist dann unterschiedlich lange Rechteck­ impulse auf. Die Drehrichtung des Asynchronmotors 2 läßt sich aus dem Signal y_S daraus bestimmen, ob eine Folge dreier aufeinanderfolgender Rechteckimpulse lang - mittel - kurz oder lang - kurz - mittel ist, wobei die Folge eventuell durch zyklische Vertauschungen auf eine der beiden Möglichkeiten zu bringen ist. Die momentane Drehzahl bestimmt sich aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn jeweils zweier aufeinanderfolgender Rechteck­ impulse. Bei dieser Schaltung genügt zur Erfassung der Drehzahl wie der Drehrichtung des Asynchronmotors 2 eine einzige Verbindung zur Übertragung des Summensignales y_S zwischen dem Meßmittel 5 und dem Programmgeber 4. Die Komparatoren 15 dienen der Detektion der am Ausgang der zugeordneten Optokoppler 13 erscheinenden Stromimpulse, während die Kippstufen die zeitliche Länge der an den Ausgängen y₁, y₂ bzw. y₃ auftretenden Rechteckimpulse festlegen. Zur Verdeutlichung zeigt die Fig. 3 die Eingangsspannung U_{U_V} am Eingang der Meßeinheit 12.1, den Strom I₁, das Signal U_C nach dem Komparator 15, das Signal nach der monostabilen, einflankengetriggerten Kipp­ stufe y₁, die Signale y₂ und y₃ nach den Kippstufen der zwei anderen Meßeinheiten 12.2 bzw. 12.3 sowie das Summensignal y_S bei einer Linksdrehung des Asynchronmotors 2. Die Eingangsspannung U_{U_V} ist als eine Schwingung dargestellt, deren Periodendauer zunimmt und deren Amplitude abnimmt mit zunehmender Zeitdauer seit der Öffnung der Schalt­ einrichtungen 6.1 bis 6.3. Die Anfangsamplitude hängt von der Drehzahl des Asynchron­ motors 2 ab, während dessen Verlangsamung ua eine Funktion der angehängten Last ist. Die Auswertung des Summensignals y_S ist einfach, da die Dauer der einzelnen Rechteckimpulse nicht von der Drehzahl abhängt. Weiter eignet sich diese Schaltungsanordnung zur Erfassung der Drehzahl und der Drehrichtung von Asynchronmotoren, die in Stern- oder in Dreieck­ schaltung betrieben werden.

Die Häufigkeit der Erfassung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 richtet sich nach den einschlägigen Normen oder Sicherheitsvorschriften. Ein solcher Prüfzyklus kann beispiels­ weise einmal pro Stunde erfolgen.

Claims (7)

1. Einrichtung mit einem Feuerungsautomaten (1) zur Ansteuerung eines zu dieser Einrichtung gehörenden Gebläses, das von einem drehzahlsteuerbaren Motor (2) angetrieben ist, wobei der Feuerungsautomat einen Programmgeber (4) aufweist, der einen Inbetrieb­ setzungsvorgang und einen fortlaufenden Betrieb eines Gebläsebrenners steuert und überwacht, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlsteuerbare Motor (2) ein Asynchron­ motor ist, daß ein Frequenzumrichter (3) vorhanden ist, mit dem die Drehzahl des Asynchron­ motors (2) steuerbar ist, daß Schalteinrichtungen (6.1; 6.2; 6.3) vorhanden sind, durch die der Asynchronmotor (2) für eine vorbestimmte Zeitdauer kurzzeitig von der Energieversorgung trennbar ist, und daß ein Meßmittel (5) vorhanden ist, mit welchem in dieser Zeitdauer Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) über dessen Generatorwirkung feststellbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel (5) zwei Eingänge (5.1; 5.2) aufweist, die mit zwei Anschlüssen (W; V) des Asynchronmotors (2) verbunden sind, daß das Meßmittel (5) die zwischen seinen Eingängen (5.1; 5.2) anliegende Spannung (U_{W_V}) in eine Folge von Rechteckimpulsen umformt und an den Programmgeber (4) überträgt, und daß der Programmgeber (4) aus der zeitlichen Dauer der Rechteckimpulse oder deren zeitlichem Abstand die Drehzahl des Asynchronmotors (2) bestimmt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmittel (5) drei Meßeinheiten (12.1; 12.2; 12.3) mit zwei Eingängen (5.1, 5.2; 5.3, 5.4; 5.5, 5.6) aufweist, die je mit zwei Anschlüssen (U, V, W) des Asynchronmotors (2) verbunden sind, daß die Meß­ einheiten (12.1; 12.2; 12.3) die an ihren Eingängen (5.1, 5.2; 5.3, 5.4; 5.5, 5.6) anliegenden Spannungen (U_U__V; U_U__W; U_V__W) in Ausgangssignale (y₁; y₂; y₂) in der Form von Rechteckimpulsen umformen und an den Programmgeber (4) übertragen, und daß der Programmgeber (4) aus den Ausgangssignalen (y₁; y₂; y₃) Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) bestimmt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Meßeinheiten (12.1; 12.2; 12.3) je eine monostabile, einflankengetriggerte Kippstufe aufweisen, die derart eingestellt sind, daß die Dauer der Rechteckimpulse der drei Ausgangssignale (y₁; y₂; y₃) verschieden lang ist, daß die drei Ausgangssignale (y₁; y₂; y₃) mittels einem Schaltungs­ element zu einem Summensignal (y_S) verknüpft werden, das an den Programmgeber (4) übertragen wird, und daß der Programmgeber (4) daraus Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) bestimmt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Programmgeber (4) zu bestimmten Zeitpunkten einen Prüfzyklus zur Erfassung von Drehzahl oder Drehzahl und Drehrichtung des Asynchronmotors (2) ausführt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Programmgeber (4) das Ausgangssignal (y₁; y₁, y₂ y₃; y_S) des Meßmittels (5) dahingehend überprüft, ob der Abstand zwischen den Rechteckimpulsen mit zunehmender Öffnungsdauer der Schalteinrichtungen (6.1; 6.2; 6.3) zunimmt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Programmgeber (4) vorgängig der eigentlichen Inbetriebsetzung der Einrichtung einen Meßzyklus durchführt, in dem er die Verlangsamung der Drehzahl des Asynchronmotors 2 bei verschiedenen Drehzahlen erfaßt und in einer Tabelle speichert, und daß der Programmgeber (4) im Dauerbetrieb der Einrichtung zu bestimmten Zeitpunkten die Drehzahl und deren Verlangsamung erfaßt und mit den in der Tabelle gespeicherten Werten vergleicht.