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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Heizungs-Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC
für engl.
heating, ventilating and air-conditioning) und insbesondere die
Steuerung eines gebläsebetriebenen
Endgeräts,
wobei der Luftstrom oder Kubikfuß pro Minute (CFM für engl.
cubic feet per minute) des Gebläses
ohne Rücksicht
auf die Anlagenspezifikationen des HVAC-Systems, in welchem das Endgerät zu verwenden
ist, voreingestellt werden kann. Obwohl die Gebläsesteuerung in Bezug auf ein gebläsebetriebenes
Endgerät
beschrieben wird, für welches
die vorliegende Erfindung anfänglich
angemeldet wird, versteht es sich von selbst, dass die Gebläsesteuerungsanordnung
der vorliegenden Anmeldung in einer Vielfalt von HVAC-Anwendungen,
welche zum Beispiel Entlüftungshauben,
Sauggebläse, Luftversorgungsgebläse und Gebläsespulen
umfassen, verwendet werden kann.
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Gebläsebetriebene
Endgeräte,
welche ein veränderliches
Luftvolumen (VAV für
engl. variable air volume) bereitstellen, werden sowohl zum Kühlen als
auch Erwärmen
von Außenbereichen
eines Gebäudes
verwendet. Die Endgeräte
verwenden die freie Wärme,
welche von der Beleuchtung, den Menschen und anderen Geräten innerhalb
des Gebäudes abgegeben
wird, indem sie diese wärmere
Luft aus einem Deckenhohlraum des Gebäudekerns ansaugen und in Räume, die
Wärme benötigen, zurückführen. Wenn
zusätzliche
Wärme benötigt wird,
können zusätzliche
Heizspulen innerhalb der Endgeräte
aktiviert werden, wodurch die Notwendigkeit einer zentralen Heißluftquelle
ausgeschaltet wird.
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Sobald
ein HVAC-System installiert ist, muss es durch Einstellen der Endgeräte so eingerichtet werden,
dass es benötigten
Luftstrom für
das System liefert. Ein Teil dieses Einrichtens umfasst zurzeit
das Anordnen einer Strömungsmesshaube über einem Luftauslass
oder Diffusor und das Betreten der Decke, um ein verbundenes VAV-Endgerät einzustellen, um
den richtigen Luftstrom zu erhalten. Dieser Teil des Einrichtens
des HVAC-Systems erhöht
die Kosten durch Kosten für
den Arbeitsaufwand, die sich zurzeit auf etwa $ 40 bis $ 60 pro
Endgerät
belaufen, erheblich.
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Im
Handel ist ein elektronisch kommutierter Motor (ECM für engl.
electronically commutated motor) von General Electric erhältlich,
der ungeachtet des statischen Drucks einen festgelegten Luftstrom für ein Endgerät bereitstellen
kann, vorausgesetzt, dass die statischen Drucke innerhalb eines
zulässigen
Bereichs liegen. Der ECM-Motor wird durch Verwenden eines Impulsdauermodulationssteuersignals (PWM
für engl.
pulse width modulation)) gesteuert, wobei die Impulsdauer proportional
zum Luftstrom ist, welcher durch das Endgerät zu liefern ist. Unglücklicherweise
kann die Dauer des Impulses des PWM-Signals ohne Geräte, die
für das
Fertigungspersonal und HVAC-Unternehmer normalerweise nicht zur
Verfügung
stehen, nicht leicht bestimmt werden. Obwohl die ECM-Motoren die
Aussicht anbieten, den Luftstrom für Endgeräte in der Fertigungshalle vor
dem Versand und auch nach der Installation voreinstellen zu können, um
wechselnde Bedingungen eines HVAC-Systems anzupassen, müssen Endgeräte, die
derzeit ECM-Motore verwenden, demgemäß noch den teuren Luftstromausgleichsprozessen unterzogen
werden. Demgemäß besteht
ein Bedarf an einer verbesserten Steuerungsanordnung für Gebläse, die
in gebläsebetriebenen
Endgeräten
verwendet werden, welche es erlauben, den Luftstrom der Endgeräte werkseitig
voreinzustellen und ohne die herkömmlichen arbeitsaufwendigen
Ausgleichsverfahren, welche zurzeit erforderlich sind, neu einzustellen.
Vorzugsweise könnte
die Gebläsesteuerungsanordnung
für eine
Vielfalt von HVAC-Anwendungen, wie zum Beispiel Lüftungshauben,
Sauggebläse,
Luftversorgungsgebläse
und Gebläsespulen, verwendet
werden.
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Eine
bekannte Gebläsesteuerungsanordnung
wird im US-Patent Nr. 4,978,896 (General Electric Company) beschrieben.
Dieses Dokument offenbart das Antreiben eines Gebläsemotors
durch Verändern
des Drehmoments gemäß der Motorgeschwindigkeit,
um einen im Wesentlichen konstanten Luftstrom in einem System bei
einer vorgewählten Rate
im Wesentlichen unabhängig
von Veränderungen
des statischen Drucks aufrechtzuerhalten.
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Eine
andere bekannte Gebläsesteuerungsanordnung
wird im US-Patent
Nr. 5,547,766 (Samsung Electronics Co., Ltd.) offenbart. Dieses Dokument
offenbart eine Geschwindigkeitssteuerschaltung für ein Lüftungsgebläse, welche die Gebläsegeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von einer Innentemperatur der Vorrichtung, welche das Lüftungsgebläse enthält, verändert. Eine
Dreieckwellenform wird mit einer temperaturabhängigen Spannung verglichen,
um einen Impulsdauermodulator anzutreiben, der impulsdauermodulierte
Impulse erzeugt, die wiederum das Lüftungsgebläse antreiben.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung trägt
dem zuvor erwähnten
Bedarf Rechnung, indem sie eine verbesserte Steuerungsanordnung
für Gebläse in gebläsebetriebenen
Endgeräten
bereitstellt, die es erlaubt, den Luftstrom der Endgeräte werkseitig
voreinzustellen und durch Verwenden eines Spannungsmessers neu einzustellen.
Das Gebläse
spricht auf die Impulsdauer von Impulsen eines impulsdauermodulierten Signals
an, um einen Luftstrom bereitzustellen, der direkt proportional
zur Impulsdauer ist. Durch Einstellen der Impulsdauer kann der Luftstrom
je nach Wunsch festgesetzt werden. Ein impulsdauermoduliertes Signal,
welches Impulse mit einer festgesetzten Amplitude und Frequenz aufweist,
wird er zeugt. Die Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals
wird unter Verwendung eines Spannungsmessers gemessen. Da die Impulse
eine festgesetzte Amplitude und Frequenz haben, kann die Dauer der Impulse
durch Steuern der Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals
eingestellt werden. Das Gebläse
wird so programmiert, dass es den festgesetzten Luftstrom über einen
Bereich von statischen Drucken liefert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betrieb eines Gebläsemotors
in einem Lüftungssystem
bereitgestellt, um einen vorgegebenen Luftdurchsatz zu erhalten,
wobei der Gebläsemotor
auf eine Impulsdauer von Impulsen eines impulsdauermodulierten Signals
anspricht, das auf den Gebläsemotor
angelegt wird, und wobei das Verfahren Erzeugen eines impulsdauermodulierten
Signals umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeugungsschritt
das Erzeugen eines impulsdauermodulierten Signals umfasst, welches
Impulse mit einer im Wesentlichen konstanten Amplitude aufweist,
und dass das Verfahren des Weiteren umfasst: Überwachen des impulsdauermodulierten
Signals durch Verwenden eines Spannungsmessers, welcher Gleichspannung
misst; und Einstellen der Impulsdauer des Impulses des impulsdauermodulierten
Signals, um eine vorgewählte Ablesung
auf dem Spannungsmesser zu erhalten, wobei die vorgewählte Ablesung
dem vorgegebenen Luftdurchsatz entspricht.
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Der
Gebläsemotor
spricht auf die Dauer von Impulsen eines impulsdauermodulierten
Signals an, um einen Luftstrom gemäß der Impulsdauer bereitzustellen.
Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines impulsdauermodulierten
Signals mit Impulsen, die eine im Wesentlichen konstante (oder festgesetzte) Amplitude
aufweisen. Die Dauer der Impulse wird durch Einstellen der Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals so eingestellt, dass der Motor des
Gebläses
einen vorgegebenen Luftstrom liefert.
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Der
Schritt des Einstellens der Dauer der Impulse durch Einstellen der
Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals, so dass der Gebläsemotor
einen vorgegebenen Luftstrom liefert, kann manuell oder automatisch
erfolgen. Der Schritt des Erzeugens des impulsdauermodulierten Signals
mit den Impulsen, die eine festgesetzte Amplitude haben, kann Erzeugen
einer periodischen Wellenform mit einer vorgegebenen Frequenz und
einer veränderlichen
Amplitude, Erzeugen eines Steuersignals mit einer wählbaren
Amplitude und Vergleichen der Wellenform mit dem Steuersignal, so
dass die Impulse durch Abschnitte der Wellenform definiert werden, die
kleiner als oder gleich wie die wählbare Amplitude des Steuersignals
sind, umfassen. Vorzugsweise ist die Wellenform eine Dreieckwellenform.
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Der
Schritt des Einstellens der Dauer der Impulse durch Einstellen der
Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals, so dass der Gebläsemotor
einen vorgegebenen Luftstrom liefert, umfasst den Schritt des Steuerns
der wählbaren
Amplitude des Steuersignals. Vorzugsweise stellt der Gebläsemotor
den vorgegebenen Luftstrom über
einen Bereich von statischen Drucken bereit. Das Verfahren umfasst
des Weiteren den Schritt des Messens der Gleichspannung des impulsdauermodulierten
Signals durch Verwenden eines digitalen Spannungsmessers. Vorzugsweise
sind die vorgegebene Frequenz der periodischen Wellenform und die
festgesetzte Amplitude der Impulse im Wesentlichen konstant.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Voreinstellung des Luftstroms, welcher durch einen Gebläsemotor
erzeugt wird, für
ein Lüftungssystem
zum Betrieb innerhalb eines Bereichs von statischen Drucken bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Gebläsemotors,
welcher auf eine Impulsdauer von Impulsen eines impulsdauermodulierten
Signals, welches auf den Gebläsemotor
angelegt wird, anspricht, wobei die Impulsdauer dem Luftstrom entspricht,
welcher durch den Gebläsemotor
bereitgestellt wird; Erzeugen des impulsdauermodulierten Signals,
dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeugungsschritt das Erzeugen
des impulsdauermodulierten Signals so, dass es Impulse mit einer
im Wesentlichen konstanten Amplitude aufweist, umfasst und dass
das Verfahren des Weiteren umfasst: Festsetzen des Luftstroms, welcher
durch den Gebläsemotor
bereitgestellt wird, durch Einstellen der Impulsdauer der Impulse,
um eine vorgewählte
Lesung auf einem Spannungsmesser zu erhalten, welcher zum Messen
von Gleichspannung imstande ist, wobei die vorgewählte Lesung
dem Luftstrom entspricht, so dass der Luftstrom, welcher durch den
Gebläsemotor
bereitgestellt wird, für
statische Drucke innerhalb des Bereichs festgesetzt wird. Vorzugsweise
erfolgt der Schritt des Festsetzens des Luftstroms, welcher durch
den Gebläsemotor
bereitgestellt wird, durch Einstellen der Dauer der Impulse durch
Verwenden eines Spannungsmessers, um die Gleichspannung des impulsdauermodulierten
Signals zu messen, vor der Installation des Lüftungssystems.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Zirkulieren von Luft in einem Lüftungssystem bereitgestellt, wobei
die Vorrichtung umfasst: einen Gebläsemotor, welcher auf eine Impulsdauer
von Impulsen eines impulsdauermodulierten Signals, welches auf den
Gebläsemotor
angelegt wird, anspricht, um einen vorgegebenen Luftdurchsatz bereitzustellen,
welcher der Impulsdauer entspricht, wobei ein Steuergerät vorgesehen
ist, um die Impulse des impulsdauermodulierten Signals zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät vorgesehen ist, um die Impulse des
impulsdauermodulierten Signals so zu erzeugen, dass sie eine im
Wesentlichen konstante Ampli tude aufweisen, und das impulsdauermodulierte
Signal mit einem Spannungsmesser zu überwachen, welcher Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals misst, um eine vorgewählte Lesung
auf dem Spannungsmesser zu erhalten, wobei die vorgewählte Lesung
dem vorgegebenen Luftdurchsatz entspricht.
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Das
Steuergerät
kann einen Spannungsgenerator, der ein Steuersignal mit einer ausgewählten Amplitude
erzeugt, einen Wellenformgenerator, welcher eine periodische Wellenform
mit einer vorgegebenen Frequenz und einer veränderlichen Amplitude erzeugt,
und einen Komparator, welcher als Reaktion auf die Wellenform und
das Steuersignal das impulsdauermodulierte Signals erzeugt, so dass
die Impulsdauer der Impulse proportional zur Amplitude des Steuersignals
ist, umfassen. Vorzugsweise umfasst die Wellenform eine Dreieckwellenform,
und der Komparator vergleicht die Wellenform und das Steuersignal,
so dass die Impulse durch die Abschnitte der Wellenform definiert
werden, welche kleiner als oder gleich wie die ausgewählte Amplitude
des Steuersignals sind.
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Der
Spannungsgenerator kann des Weiteren ein Spannungseinstellgerät zum Wählen der
Amplitude des Steuersignals umfassen. Das Spannungseinstellegerät kann einen
Regelwiderstand oder eine Schnittstelle mit einem Steuersystem umfassen,
welches programmiert ist, um die Amplitude des Steuersignals automatisch
auszuwählen.
Das Spannungseinstellgerät
kann des Weiteren eine Schaltvorrichtung zum Auswählen des
Regelwiderstands oder der Schnittstele mit einem Steuersystem, um
die Amplitude des Steuersignals zu wählen. umfassen. Vorzugsweise
ist der Gebläsemotor
ein elektrisch kommutierter Motor, und der vorgegebene Luftstrom
ist im Wesentlichen konstant über
einen vorgegebenen Bereich von statischen Drucken. Vorzugsweise
sind die vorgegebene Frequenz der periodischen Wellenform und die festgesetzte
Amplitude der Impulse im Wesentlichen konstant.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserten Steuerungsanordnung
für Gebläse bereitzustellen,
die in gebläsebetriebenen
Endgeräten
verwendet werden, welche es erlauben, den Luftstrom der Endgeräte werkseitig voreinzustellen
und ohne die herkömmlichen
arbeitsaufwendigen Ausgleichsprozesse, welche zurzeit erforderlich
sind, neu einzustellen. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, den Luftstrom von Endgeräten
unter Verwendung eines Spannungsmessers werkseitig voreinzustellen
und neu einzustellen. Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Gebläsesteueranordnung
bereitzustellen, welche für
eine Vielfalt von HVAC-Anwendungen, wie beispielsweise Lüftungshauben, Sauggebläse, Luftversorgungsgebläse und Gebläsespulen,
verwendet werden kann. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung
sind aus der folgenden Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen
und den angehängten
Ansprüche
ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines gebläsebetriebenen Endgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Steuergeräts zum Steuern eines Gebläsemotors
in dem gebläsebetriebenen
Endgerät
von 1;
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3 ist
eine Veranschaulichung eines beispielhaften impulsdauermodulierten
Signals, welches verwendet wird, um den Luftstrom des Gebläsemotors
von 1 zu steuern;
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4 ist
ein schematisches Diagramm des Steuergeräts von 2;
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5 ist
eine Veranschaulichung einer tatsächlichen Dreieckwellenform,
welche durch das Steuergerät
von 2 erzeugt wird;
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6 ist
eine Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen den Wellenformen,
welche durch das Steuergerät
von 2 erzeugt werden, um das impulsdauermodulierten
Signals für
den Gebläsemotor
von 1 zu erzeugen; und
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7 ist
eine Tabelle, welche die Beziehung zwischen der Gleichspannung des
impulsdauermodulierten Signals und dem Luftstrom eines konkreten Gebläsemotors,
welcher in dem gebläsebetriebenen Endgerät von 1 verwendet
wird, veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Allgemeinen auf HVAC-Systemen anwendbar
ist, wird sie hier in Bezug auf ein gebläsebetriebenes Endgerät zur Verwendung
in einem gewerblichen Gebäude
beschrieben, für
das sie besonders attraktiv ist und in dem es anfänglich zu
verwenden begonnen wird. Unter Bezugnahme auf 1 wird
ein gebläsebetriebenes
Endgerät 10 bereitgestellt,
welches ein Primärluftrohr 12,
einen Einlass 14 für
angesaugte Hohlraumluft und ein Abzugsrohr 16 aufweist.
Das Primärluftrohr 12 empfängt Primärluft aus
dem Lüftungssystem
(nicht dargestellt), während
der Einlass 14 für
angesaugte Hohlraumluft wärmere
Hohlraumluft aus dem Gebäudekernhohlraum
(nicht dargestellt) empfängt.
Die wärmere
Hohlraumluft wird durch die freie Wärme erzeugt, welche von den
Menschen, der Beleuchtung und anderen Geräten im Gebäude abgegeben wird. Das Primärluftrohr 12 und der
Einlass 14 für
angesaugte Hohlraumluft sind in Reihe angeordnet, um einen gewünschten
Luftstrom oder CFM durch das Abzugsrohr 16 zu einem Außenbereich
eines Ge bäudes
(nicht dargestellt) zu liefern. Diese Art von gebläsebetriebenem
Endgerät 10 ist auch
als Reihengerät
bekannt. Den Fachleuten ist klar, dass das gebläsebetriebene Endgerät 10 auch als
Parallelgerät
konfiguriert werden kann.
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Das
gebläsebetriebene
Endgerät 10 umfasst auch
ein Gebläse 17 mit
einem Gebläsemotor 18 darin,
ein Primärluftventil 20,
ein elektrisches Steuergerät 22 und
ein wahlweises Heizelement 24. Das Primärluftventil 20 steuert
die Menge von Luft, die durch das Primärluftrohr 12 zugeführt wird.
Das Primärluftventil 20 wird
durch das elektrische Steuergerät 22 gesteuert
und weist eine Mehrzahl von Positionen auf, welche von ganz offen
bis ganz geschlossen reichen.
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Das
gebläsebetriebene
Endgerät 10 ist
so ausgelegt, dass es kontinuierlich in Betrieb ist, wenn der Außenbereich
frequentiert ist. Das gebläsebetriebene
Endgerät 10 mischt
Primärluft
mit angesaugter Hohlraumluft, um einen vorgegebenen oder gewünschten
Luftstrom oder CFM aufrechtzuerhalten. Das Gebläse 17 ist innerhalb
der Primärluftströmung positioniert,
so dass der gesamte Luftstrom des Endgeräts 10 durch das Gebläse 17 durchströmt. Bei
vollem Kältebedarf
bewirkt ein Thermostat (nicht dargestellt), dass das elektrische
Steuergerät 22 das
Primärluftventil 20 so
positioniert, dass es sich ganz öffnet,
während
das Gebläse 17 und
der Gebläsemotor 18 den
gewünschten
Luftstrom durch Ansaugen der geeigneten Menge von Rückluft aus
dem Hohlraum aufrechterhalten. Bei abnehmender Kältelast stellt das Thermostat
die Position des Primärluftventils 20 auf
eine gewünschte
Position für
den benötigten
Teil von Luft von der Primärluft
ein, während
das Gebläse 17,
welches durch den Gebläsemotor 18 angetrieben wird,
die Differenz ausgleicht und den gewünschten Luftstrom durch Ansaugen
von mehr Rückluft
aus dem Hohlraum aufrechterhält.
Bei geringen Kältelasten
kann die Primärluft
entweder gesperrt werden oder auf eine niedrigste Lüftungseinstellung
gesenkt werden, wobei der Großteil
des Luftstroms aus dem Hohlraum zugeführt wird. Wenn die Bereichstemperatur
weiter abfällt,
schaltet das Thermostat das wahlweise Heizelement 24 für zusätzliche
Wärme zu.
Das Heizelement 24 kann elektrische Heizspulen, Heißwasserwärme oder
andere geeignete Heizvorrichtungen umfassen.
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Der
Gebläsemotor 18 ist
ein integrierter Steuermotor (ICM für engl. integrated control
motor)/elektrisch kommutierter Motor (ECM), welcher im Handel von
General Electric Industrial Control Systems (GE) erhältlich ist.
Der Gebläsemotor 18 wird durch
GE basierend auf der vom Endverbraucher zur Verfügung gestellten Information
so programmiert, dass, wenn er verwendet wird, um das Gebläse 17 im Endgerät 10 anzutreiben,
ein im Wesentlichen konstanter Luftstrom über einen Bereich von statischen Drucken
geliefert wird. Der Luftstrom ist veränderlich und kann auf einen
gewünschten
Wert gesetzt werden, welcher mit der Programmierung durch GE übereinstimmt.
Sobald der gewünschte
Luftstrom festgesetzt ist, läuft
der Gebläsemotor 18,
um den gewünschten
Luftstrom zuzuführen,
solange die statischen Drucke, welche durch das Endgerät 10 vorgefunden
werden, innerhalb des spezifizierten Bereichs liegen.
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Der
ICM-Gebläsemotor 18 ist
ein Gleichstrommotor mit einem eingebauten Inverter. Gleichstrommotoren
sind Energie sparender und einfacher zu steuern als Wechselstrommotoren.
Außerdem umfasst
der Gebläsemotor 18 Sanftanläufe, Anstiegsgeschwindigkeitsflanken,
Kugellager, größere Reichweiten
und niedrigere Betriebstemperaturen. Sanftanläufe und Anstiegsgeschwindigkeitsflanken beseitigen
Startgeräusche
und Schwingbeanspruchung, die auf Befestigungsschellen und Beschlagteile übertragen
werden. Die Kugellager stellen permanente Schmierung bereit, die
im Gegensatz zu Gleitlagern, die eine Mindestbetriebsgeschwindig keit zur Ölschmierung
benötigen,
einen Betrieb bei niedrigen Umdrehungen je Minute (rpm für engl.
revolutions per minute) erlaubt. Größere Reichweiten geben dem
Benutzer eine größere Flexibilität, um Aufstellpläne zu ändern, ohne
ein ganzes gebläsebetriebenes
Endgerät 10 umstellen
zu müssen.
Die niedrigere Betriebstemperatur des Gebläsemotors 18 macht weniger
Energie notwendig, um die Wärmeaufnahme vom
Motor auszugleichen. Die handelsübliche
Version des Gebläsemotors 18 arbeitet
von einer VAC-Leitung 277, welche der Standard für die meisten Geschäfts- und
gewerblichen Gebäude
ist. Der Gebläsemotor 18 ist
derzeit in einer Vielzahl von Nennleistungen erhältlich, die von 0,25 bis zu
1 Pferdestärke reichen.
Es sollte klar sein, dass der Luftstrom zum Teil von der Pferdestärkenleistung
des Gebläsemotors 18 abhängt.
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Der
Gebläsemotor 18 wird
durch ein impulsdauermoduliertes Signal gesteuert, wobei der gewünschten
Luftstrom durch das gebläsebetriebene Endgerät 10 proportional
zur Dauer der Impulse des impulsdauermodulierten Signals ist. Wie
in 2 und 3 dargestellt, umfasst der Gebläsemotor 18 einen
internen Prozessor 26, welcher ein impulsdauermoduliertes
Signal S1 empfängt, das durch ein Steuergerät 28 erzeugt
wird. Wie in 3 dargestellt, ist das impulsdauermodulierte
Signal S1 eine gepulste Gleichspannungsrechteckwelle
mit einer Zeitspanne T und einer Mehrzahl von Impulsen P, wobei
jeder eine Impulsdauer PW (für
engl. pulse width) hat. Die Impulsdauer PW des Impulses P kann von
0 (Arbeitszyklus von 0 %) bis zu der gesamten Zeitspanne T (Arbeitszyklus
von 100 %) reichen. Der interne Prozessor 26 bestimmt die
Impulsdauer PW des Impulses P des impulsdauermodulierten Signals
S1 und steuert den Gebläsemotor 18 dementsprechend.
In der veranschaulichten Ausführungsform
nimmt der Luftstrom, der durch den Gebläsemotor 18 bereitgestellt
wird, bei zunehmender Impulsdauer PW zu. Den Fachleuten ist jedoch
klar, dass der Luftstrom, der durch den Gebläsemotor 18 bereitgestellt
wird, umgekehrt proportional zur Impulsdauer PW ist.
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Direktes
Messen und Einstellen der Impulsdauer PW erfordert normalerweise
Geräte,
die für das
Fertigungs- und Außendienstpersonal
nicht leicht erhältlich
sind, da die Impulsparameter abgesehen von der Impulsdauer PW von
Steuergerät
zu Steuergerät
und über
den Bereich der Impulsdauer, welche durch derzeit erhältliche
Steuergeräte
erzeugt werden kann, variieren können.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt das Steuergerät 28 jedoch
ein impulsdauermoduliertes Signal S1 mit
Impulsen P, die eine im Wesentlichen konstante Amplitude und eine
im Wesentlichen konstante Frequenz aufweisen. Demgemäß kann die
Impulsdauer PW durch Messen der Gleichspannung des impulsdauermodulierten
Signals S1 gemessen werden, da die gemessene
Spannung direkt proportional zur Impulsdauer PW ist. Die gemessene
Gleichspannung einer Rechteckwelle, welche einen. Spannungsmesser, wie
z.B, eines digitalen Spannungsmessers, verwendet, ist ein zeitbasierter
Durchschnittswert des Signals S1, da der
Spannungsmesser erwartet, eine konstante Eingabe zu empfangen. Dieser
gemessene Wert ist daher von der Impulsdauer PW, der Amplitude der
Impulse P und der Frequenz der Impulse P abhängig. Bei im Wesentlichen konstanter
Amplitude und Frequenz entsprechen Änderungen in der Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals S1 direkt Änderungen
in der Impulsdauer PW. Die Spannung, die durch den Spannungsmesser
abgelesen wird, reicht von 0 Volt Gleichspannung, wenn der Arbeitszyklus
0 % ist, bis zur vollen Spannungsamplitude des Impulses P, wenn
der Arbeitszyklus 100 % ist. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung
kann die Impulsdauer PW daher durch Messen der Gleichspannung des
impulsdauermodulierten Signals S1 mit einem
Spannungsmesser gemessen und anschließend eingestellt werden.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 2 umfasst das Steuergerät 28 einen
regelbaren Spannungsgenerator 30, einen Wellenformgenerator 32, einen
Komparator 34 und eine Endstufe 36. Der Spannungsgenerator 30 umfasst
einen regelbaren Spannungsgenerator 38 und ein Spannungseinstellgerät 40.
Das Spannungseinstellegerät 40 umfasst eine
manuelle Steuervorrichtung 42, eine automatische Steuerschnittstelle 44 und
eine Schaltvorrichtung 46. Der regelbare Spannungsgenerator 38 gibt eine
im Wesentlichen konstante Spannung als eine Referenzspannung für das Steuergerät 28 aus.
Es ist klar, dass die automatische Steuerschnittstelle 44 nur ein
elektrischer Leiter sein könnte,
wenn das Steuersystem, an das sie angeschlossen ist, geeignete Steuersignale
bereitstellt.
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Wie 2 und 4 dargestellt,
empfängt der
regelbare Spannungsgenerator 38 ein 24-Volt-Wechselspannungssignal
als eine Eingabe. Das 24-Volt-Wechselspannungssignal wird gleichgerichtet
und durch einen regelbaren Spannungsregler U1 auf
einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten. Der Ausgangsspannungspegel
des regelbaren Spannungsgenerators 38 wird durch einen
Regelwiderstand R1 festgesetzt. In der veranschaulichten
Ausführungsform
wird der Regelwiderstand R1 reguliert, bis
die Ausgangsspannung ungefähr
13,88 Volt Gleichspannung unbelastet oder ungefähr 13,5 Volt Gleichspannung
belastet beträgt.
Das Steuergerät 28 wird
belastet, wenn es mit dem Gebläsemotor 18 verbunden
wird. Den Fachleuten ist jedoch klar, dass auch andere Spannungspegel
verwendet werden können.
Der regelbare Spannungsregler U1 ist so ausgelegt,
dass der festgesetzte Spannungspegel im Wesentlichen konstant und
genau bis innerhalb 1 Teil in 1400 (±0,07 %) ist, wobei eine im
Handel erhältliche
integrierte Schaltung LM317LZ verwendet wird.
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Die
Ausgabe vom regelbaren Spannungsgenerator 38 wird an die
manuelle Steuervorrichtung 42 und die automatische Steuerschnittstelle 44 übertragen,
so dass ein vorgegebenes oder wählbares
Steuersignal erzeugt werden kann. Das Steuersignal wird verwendet,
um die Impulsdauer PW der Impulse P und somit den Luftstrom, der
durch den Gebläsemotor 18 bereitgestellt
wird, festzusetzen.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform umfasst
die manuelle Steuervorrichtung 42 einen Potentiometer oder
Regelwiderstand R2. Der Widerstand des Regelwiderstandes
R2 kann durch Betätigen eines Steuerelements,
wie z.B. eines Schiebers oder einer Schraube (nicht dargestellt),
geändert werden.
Da die Ausgangsspannung vom regelbaren Spannungsgenerator 38 im
Wesentlichen konstant ist, gibt der Regelwiderstand R2,
sobald der gewünschte
widerstand des variablen Widerstandes R2 festgesetzt
ist, ein Steuersignal aus, welches ebenfalls im Wesentlichen konstant
ist.
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Die
automatische Steuerschnittstelle 44 ist eine Signalformungsschaltung,
welche so ausgelegt ist, dass sie ein im Wesentlichen konstantes
Steuersignal in direkter Beziehung zu einem Gleichspannungseingangssignal
von 0 bis 10 Volt ausgibt. Die Ausgangsspannung von der automatischen
Steuerschnittstelle 44 ist direkt proportional zum Spannungspegel
des Gleichspannungseingangssignals von 0 bis 10 Volt. Da das Steuersignal
verwendet wird, um die Impulsdauer PW zu steuern, ist der Luftstrom,
welcher durch den Gebläsemotor 18 bereitgestellt
wird, daher direkt proportional zu dem Spannungspegel des Eingangssignals.
Das Eingangssignal kann durch ein Steuersystem ferngesteuert werden,
wie z.B. ein Energiemanagementsystem 47 oder jedes andere
System, welches ein Signal von 0 bis 10 Volt erzeugen kann, welches
dem gewünschten
Luftstrom entspricht. Den Fachleuten ist klar, dass die automatische
Steuerschnittstelle 44 so ausgelegt werden kann, dass sie
das im Wesentlichen konstante Steuersignal in direkter Beziehung
zu anderen Eingangssignalen, wie z.B. einem Signal von 0 bis 135
Ohm, einem Gleichspannungssignal von 0 bis 5 Volt, einem Signal
von 4 bis 20 Milliampere, einem Signal mit abgeschnittener Welle
und einem impulswellenmodulierten Signal, ausgibt. Das gebläsebetriebene
Endgerät 10,
welches einen Gebläsemotor 18 aufweist,
der durch die automatische Steuerschnittstelle 44 gesteuert
wird, kann einen veränderlichen
Luftstrom an die automatische Steuerschnittstelle 44 liefern,
wie gewünscht
und wie durch das System, welches das Eingangssignal steuert, programmiert.
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Die
Schaltvorrichtung 46 ist mit der manuellen Steuervorrichtung 42 und
der automatischen Steuerschnittstelle 44 verbunden. Die
Schaltvorrichtung 46 ist so ausgelegt, dass sie entweder
manuelle Steuerung oder automatische Steuerung des Steuersignals
wählt.
In der veranschaulicht Ausführungsform
umfasst die Schaltvorrichtung 46 ein Nebenschlussgerät mit einer
Kurzschlussbrücke.
Den Fachleuten ist jedoch klar, dass die Schaltvorrichtung 46 jede
geeignete manuell oder elektrisch bedienbare Schaltvorrichtung umfassen
kann. Der Ausgang von der Schaltvorrichtung 46 ist mit
dem positiven Eingang des Komparators 34 verbunden.
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Der
Wellenformgenerator 32 führt dem negativen Eingang des
Komparators 34 eine periodische Wellenform mit einer im
Wesentlichen konstanten Frequenz und einer veränderlichen Amplitude zu. In der
veranschaulichten Ausführungsform
erzeugt der Wellenformgenerator 32 eine tatsächliche
Dreieckwellenform S2, wie in 5 dargestellt.
Eine tatsächliche
Dreieckwellenform ist eine periodische Wellenform, welche aufeinander
folgende positiv gerichtete und negativ gerichtete Flankenänderungen
aufweist, die einander mit einer Steigung von 1 beziehungsweise –1 im Wesentlichen
gleichen. Den Fachleuten ist jedoch klar, dass auch andere Wellenformen
mit einer im Wesentlichen konstanten Frequenz und veränderlichen
Amplitude, wie z.B. eine Präzisionssägezahnwelle,
verwendet werden können.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 2 und 4 umfasst
der Wellengenerator 32 einen Rechteckwellengenerator 48 und
einen Integrator 50, um die tatsächliche Dreieckwellenform S2 zu erzeugen. Der Rechteckwellenformgenerator 48 ist
so ausgelegt, dass er eine Rechteckwelle mit einem Arbeitszyklus
von 50 %, einer im Wesentlichen konstanten Amplitude und einer im
Wesentlichen konstanten Frequenz erzeugt. Der Integrator 50 integriert
die Rechteckwelle, um die tatsächliche
Dreieckwellenform S2 zu bilden. Da die Rechteckwelle
einen Arbeitszyklus von 50 % und eine im Wesentlichen konstante
Amplitude aufweist, gleichen die positiv gerichteten und negativ
gerichteten Flankenänderungen
der Dreieckwellenform S2 einander im Wesentlichen,
und die Steigungen der Flanken sind ungefähr 1 beziehungsweise –1. Da die
Rechteckwelle eine im Wesentlichen konstante Frequenz hat, ist die
Frequenz der Dreieckwelle S2 außerdem auch
im Wesentlichen konstant.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform ist
der Integrator 50 so ausgelegt, dass er eine Ausgabe erzeugt,
welche von ungefähr
1.5 Volt Gleichspannung bis ungefähr 11 Volt Gleichspannung reicht,
während
der Gebläsemotor 18 so
ausgelegt ist, dass er ein Steuersignal mit einer im Wesentlichen
konstanten Frequenz im Bereich von 80 bis 115 Hz empfängt. Das
Steuergerät 28 ist
so ausgelegt, dass es eine Dreieckwellenform S2 und
dementsprechend ein impulsdauermoduliertes Signal S2 mit
einer im Wesentlichen konstanten Frequenz von ungefähr 108 Hz
erzeugt. Den Fachleuten ist klar, dass der Integrator 50 so
ausgelegt werden kann, dass er andere geeignete Ausgangsspannungsbereiche
und Frequenzen, wie für
eine bestimmte Anwendung erforderlich, erzeugt.
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Unter
Bezugnahme auf 6 ist das Ausgangssignal vom
Komparator 34 hoch, wenn der Spannungspegel der Dreieckwellenform
S2 niedriger als die Spannung des Steuersignals
CS (für
engl. control Signal) ist. Der Komparator 34 erzeugt daher das
impulsdauermodulierte Signal S1 basierend
auf den relativen Spannungen des Steuersignals CS und der Dreieckwellenform
S2. Die Impulsdauer PW kann durch Erhöhen beziehungsweise
Senken der Spannung des Steuersignals CS zunehmen oder abnehmen.
Die Impulse P werden innerhalb der Zeitspannen T zentriert. Den
Fachleuten ist jedoch klar, dass die Impulse in Abhängigkeit
von der Konfiguration der periodischen Wellenform, welche durch
den Wellenformgenerator 32 erzeugt wird, entlang der Vorderkante
des Impulses P, der Hinterkante des Impulses P oder irgendwo dazwischen
gebildet werden können.
Der Komparator 34 wird ebenfalls so eingerichtet, dass
er ein impulsdauermoduliertes Signal S1 mit einer
im Wesentlichen konstanten Amplitude erzeugt. Bei im Wesentlichen
konstanter Frequenz und Amplitude sind die Impulsdauer PW und die
Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals S1 direkt proportional
zur Spannung des Steuersignals CS.
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Es
sollte klar sein, dass die Spannung des Steuersignals CS zwischen
den oberen und unteren Spannungsgrenzen der Dreieckwellenform S2 variieren muss, damit der Arbeitszyklus
des impulsdauermodulierten Signals S1 zwischen
0 % und 100 % variiert. Die manuelle Steuervorrichtung 42 erfordert keinerlei
Kalibrierung, da der Regelwiderstand R2 zwischen
den oberen und unteren Spannungsgrenzen der Dreieckwellenform S2 nur reguliert wird, bis die gewünschte Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals S1 und
somit die gewünschte
Impulsdauer PW erreicht wird. Da zum Beispiel die Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals S1 die
einzige Messgröße ist,
wenn ein Arbeitszyklus von 0 % gewünscht wird, ist das Ausmaß, bis zu
welchem die Spannung des Steuersignals CS niedriger als die untere Spannungsgrenze
der Dreieckwellenform S2 ist, bedeutungslos
für das
Steuergerät 28,
da der Arbeitszyklus null ist, bis der Spannungspegel des Steuersignals
CS die untere Spannungsgrenze von S2 überschreitet.
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Die
automatische Steuerschnittstelle 44 muss für richtigen
Betrieb jedoch kalibriert werden. Die automatische Steuerschnittstelle 44 kann
folgendermaßen
kalibriert werden. Die Eingangsspannung der automatischen Steuerschnittstelle 44 wird
auf 0 Volt Gleichspannung gesetzt, und der Regelwiderstand R4 und wird auf geeignete Weise reguliert,
bis die Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals S1 0 Volt Gleichspannung ist. Die Eingangsspannung
wird dann auf 10 Volt Gleichspannung gesetzt, und der Regelwiderstand
R3 wird auf geeignete Weise reguliert, bis
die Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals S1 10
Volt Gleichspannung ist. Die automatische Steuerschnittstelle 44 wird
daher so kalibriert, dass die Gleichspannungen des impulsdauermodulierten
Signals S1 und dementsprechend die Impulsdauer
PW der Impulse P direkt proportional zu den Eingangsspannungen zur
automatischen Steuerschnittstelle 44 sind.
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Das
impulsdauermodulierte Signal S1 vom Komparator 34 wird
vorzugsweise vor der Übertragung
an den Gebläsemotor 18 an
die Endstufe 36 zur Formung übertragen. Den Fachleuten ist
klar, dass die Endstufe 36 im Komparator 34 eingebaut
sein kann, um dadurch die Notwendigkeit einer getrennten Endstufe 36 zu
verringern. Das Steuergerät 28 kann
auch zwei Leitungen L1 und L2 zum Empfangen eines Signals vom Prozessor 26 des
Gebläsemotors 18,
welches für
die Betriebsgeschwindigkeit des Gebläsemotors 18 bezeichnend
ist, umfassen. Das Signal vom Prozessor 26 des Gebläsemotors 18 bewirkt,
dass eine LED 52 in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit des Gebläsemotors 18 eine
vorgegebene Anzahl von Malen aufleuchtet, so dass die Motorgeschwindigkeit
visuell wahrgenommen werden kann.
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Es
kann eine Tabelle erzeugt werden, welche die Korrelation zwischen
der Gleichspannung des impulsdauermodulierten Signals S1 und
dem Luftstrom oder CFM, welcher durch einen bestimmten Gebläsemotor 18 erzeugt
wird, der durch GE für
eine bestimmte Anwendung programmiert ist. Eine solche Tabelle ist
in 7 für
einen 0,5-PS-Motor, welcher in einem gebläsebetriebenen Serienendgerät verwendet
wird, dargestellt. Wie in der Tabelle dargestellt, wird der Gebläsemotor 18 programmiert,
um einen CFM zu liefern, der von ungefähr 251 CFM bei 0 Volt Gleichspannung
bis ungefähr
1348 CFM bei 13,5 Volt Gleichspannung reicht. Der Gebläsemotor 18 wird
so programmiert, dass der Gebläsemotor 18 den
vollen CFM-Bereich über
einen Bereich von statischen Drucken liefert. Der Bereich von statischen
Drucken variiert von Anwendung zu Anwendung, so dass dies einer
der Faktoren ist, welcher verwendet wird, wenn der Gebläsemotor 18 durch
GE programmiert wird. Die automatische Steuerschnittstelle 44 weist
denselben Bereich von Luftströmen
und Impulsdauern als Reaktion auf das Eingangssignal von 0 bis 10
Volt Gleichspannung an.
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Der
Benutzer muss GE mit den Daten für eine
Anzahl von Variablen versorgen, so dass der Gebläsemotor 18 für die konkrete
Anwendung, in welcher er benötigt
wird, zum Beispiel ein gebläsebetriebenes
Endgerät,
programmiert werden kann. Eine Probegebläsemotor 18 mit einer
Pferdestärken-Nennleistung, welche
imstande ist, den gewünschten
CFM-Bereich für eine bestimmte
Anwendung zu erzeugen, wird verwendet, um die notwendigen Daten
zu erzeugen. Der Probegebläsemotor 18 wird
in den gebläsebetriebenen
Endgerät 10,
welches zur Verwendung in der konkreten Anwendung auf dem Gebiet
bestimmt ist, eingebaut. Die folgenden Schritte werden dann verwendet,
um die notwendigen Daten zu erzeugen:
- 1. Das
Endgerät 10 wird
unter Laborbedingungen so eingerichtet, wie es zur Verwendung auf
dem Gebiet geplant ist, mit der Ausnahme, dass das Abzugsrohr für einen
statischen Druck von beinahe null ausgelegt ist.
- 2. Eine Dämpfungsvorrichtung
wird zusammen mit einem Messgerät
zum Messen von statischem Druck und Luftstrom oder CFM innerhalb
des Abzugsrohrsystems positioniert.
- 3. Das Steuergerät 28 wird
auf seinen höchsten Spannungssollwert
gesetzt. Der CFM und der statische Druck im Abzugsrohrsystem werden
durch das Messgerät
gemessen. Der CFM wird in den Standard-CFM (SCFM), welcher der CFM
ist, der für
Luftdruck, Feuchtigkeit usw. eingestellt wird, umgewandelt. Die
Watt-, Volt-, Ampere-Werte und Umdrehungen je Minute des Probegebläsemotors 18 werden
unter Verwendung der geeigneten Messgeräte gemessen. Die Gleichspannung
des impulsdauermodulierten Signals S1 wird
ebenfalls gemessen, wobei ein Spannungsmesser verwendet wird.
- 4. Die Dämpfungsvorrichtung
im Abzugsrohr wird auf eine neue Einstellung gesetzt, und Schritt 3 wird
wiederholt.
- 5. Schritt 4 wird wiederholt, bis der höchste statische
Nenndruck überschritten
wird, bei welchem das Endgerät 10 arbeiten
soll.
- 6. Das Steuergerät 28 wird
auf einen neuen Spannungswert gesetzt, und die Schritte 3 bis 5
werden wiederholt.
- 7. Schritt 6 wird in regelmäßigen Intervallen, vorzugsweise
Intervallen um 2 Volt, wiederholt, bis der niedrigste Spannungssollwert
des Steuergeräts 28 erreicht
wird.
- 8. Wenn Änderungen
des statischen Eingangsdrucks auftreten, werden die Schritte 3 bis
7 für den
vollen Bereich von statischen Eingangsänderungen, welche das Gebläse erfahren
wird, wiederholt.
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Sobald
der Test für
den vollen Bereich von statischen Eingangs- und Ausgangsdrucken
abgeschlossen ist, werden die zuvor erwähnten Daten, welche während des
Tests erzeugt wurden, an GE gesendet, damit GE das erforderliche
Programm für den
Gebläsemotor 18 entwickeln
kann. Der programmierte Gebläsemotor 18 ist
dann imstande, den gewünschten
CFM oder Luftstrom über
einen annehmbaren Bereich von statischen Eingangs- und/oder Ausgangsdrucken
zu erzeugen. Der Luftstrom ist daher innerhalb des annehmbaren Bereichs
unabhängig
vom statischen Druck. Wenn der gewünschte Luftstrom- oder CFM-Bereich
nicht erreicht wird, kann es sein, dass ein Gebläsemotor 18 mit einer
anderen Pferdestärken-Nennleistung
verwendet werden muss. Zusätzliche
Informationen bezüglich
des Gebläsemotors 18 und
der Programmierung des internen Prozessors 26 des Gebläsemotors 18 für konstanten
Luftstrom können
von GE erhalten werden und gehören
nicht zur vorliegenden Erfindung.