EP4204692A1 - VERFAHREN ZUR QUANTITATIVEN BESTIMMUNG AKTUELLER BETRIEBSZUSTANDSABHÄNGIGER GRÖßEN, INSBESONDERE DES AKTUELLEN FÖRDERVOLUMENSTROMS, EINES VENTILATORS UND VENTILATOR ZUR ANWENDUNG DES VERFAHRENS - Google Patents

VERFAHREN ZUR QUANTITATIVEN BESTIMMUNG AKTUELLER BETRIEBSZUSTANDSABHÄNGIGER GRÖßEN, INSBESONDERE DES AKTUELLEN FÖRDERVOLUMENSTROMS, EINES VENTILATORS UND VENTILATOR ZUR ANWENDUNG DES VERFAHRENS

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Publication number
EP4204692A1
EP4204692A1 EP22769080.7A EP22769080A EP4204692A1 EP 4204692 A1 EP4204692 A1 EP 4204692A1 EP 22769080 A EP22769080 A EP 22769080A EP 4204692 A1 EP4204692 A1 EP 4204692A1
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EP
European Patent Office
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motor
variable
fan
volume flow
current
Prior art date
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Pending
Application number
EP22769080.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frieder Loercher
Alexander Herold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ziehl Abegg SE
Original Assignee
Ziehl Abegg SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ziehl Abegg SE filed Critical Ziehl Abegg SE
Publication of EP4204692A1 publication Critical patent/EP4204692A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/08—Units comprising pumps and their driving means the working fluid being air, e.g. for ventilation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/301—Pressure
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/304—Spool rotational speed

Definitions

  • the invention relates to a method for the quantitative determination of current variables dependent on the operating state, in particular the current delivery volume flow, of a fan, the fan comprising at least one motor-driven impeller.
  • the invention also relates to a fan for using the method.
  • the fan is not specified in more detail. Consequently, it can basically be a fan of any type, namely radial, diagonal or axial fans.
  • the pressure reserve of a fan that is prone to tearing can be monitored. It can be determined whether a fan is being operated in a permissible operating range, for example whether a so-called drum rotor is working at pressures that are too low.
  • Other useful variables dependent on the operating state can be, for example: the current delivery mass flow, current noise emissions from a fan, the current drive torque of a fan, the current efficiency of a fan, or a current thrust generated by the fan.
  • a variable dependent on the operating state can also be a combined value from variables already listed, for example a function of pressure increase and delivery volume flow.
  • volume flow pressure characteristics can be mapped. It is known from practice to determine the current delivery volume flow or delivery mass flow in forward-curved centrifugal fans via the shaft torque. Otherwise, the volumetric flow is determined by measuring the effective pressure or by means of a vane anemometer. For example, reference is made to WO 2018/036802 A1. However, the measurements and determinations of the air volume flow known from practice are imprecise and complex to implement.
  • Inaccuracies occur in particular when determining the volume flow rate using a vane anemometer that is arranged on the inflow or outflow side near the fan impeller, especially since the speed of the vane anemometer is influenced not only by the volumetric flow rate but also by an operating condition-dependent, inhomogeneous and/or swirling flow pattern across the flow cross-section at the anemometer wheel can be.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for quantitatively determining the current delivery volume flow or another current operating state-dependent variable of a fan during operation with high accuracy and comparatively little design/technical effort, which also differs from competitive methods.
  • a fan should be specified for using the method.
  • the above object is achieved in relation to the method by the features of patent claim 1 and in relation to the fan by the features of independent patent claim 11 .
  • An engine-internal variable and an engine-external variable are then determined, from which the delivery volume flow and/or other current operating-state-dependent variables are directly or indirectly calculated or determined using an algorithm.
  • An electric current for example a winding current, or a motor current or else a motor voltage can be used as the motor-internal variable.
  • an electrical power can be used.
  • the measured value or the signal from a sensor arranged in the immediate vicinity of the fan or the impeller can serve as the motor-external variable.
  • the sensor can be a volume flow measuring wheel. The relevant variable would then be the measuring wheel speed.
  • the volumetric flow measuring wheel is advantageously rotatably mounted on an inflow-side or outflow-side structure.
  • the structure can be an inflow grille or any housing part. In this respect, no additional structural precautions need to be taken.
  • the sensor can be a thermal sensor, for example a hot-wire anemometer, which reacts sensitively to flow speeds.
  • the senor is a differential pressure sensor that detects a pressure difference between two specific points in the flow field of the fan.
  • the algorithm used for the calculation can advantageously be implemented in the engine controller or in an external evaluation unit. It regularly includes a processor and a memory.
  • the sensor signals can be transmitted to the processor by wire or contactless, by radio or the like.
  • the ventilator or the motor of the ventilator has an interface which is used to transfer the determined current delivery volume flow and/or another current variable dependent on the operating state to a higher-level system.
  • a signal for a target volume flow, a target mass flow or a target value for another variable dependent on the operating state is transmitted to the engine and/or to the evaluation unit, on the basis of which the engine speed can be regulated in such a way that the with the sensor signal or the sensor signals determined delivery volume flow or delivery mass flow or the other current variable dependent on the operating state corresponds as precisely as possible to the target volume flow or the target mass flow or the corresponding target value.
  • the fan according to the invention serves in particular to regulate the current delivery volume flow or another variable dependent on the operating state in accordance with the above statements.
  • FIG. 2 shows a diagram in which characteristic curves of a pressure increase ⁇ p are shown as a function of a volumetric flow rate Q v for a fan at a specific conveying medium density for four different constant anemometer speeds and additionally for two constant motor speeds, and
  • FIG. 3 shows a diagram in which characteristic curves of a pressure increase ⁇ p are shown as a function of a volumetric flow rate Qv for a fan at a specific conveying medium density for four different constant anemometer speeds and additionally for five constant motor currents.
  • volume flow measuring wheel 2 shows an embodiment of a fan 1 in a perspective view and in section on a plane through the axis of rotation of the impeller 3 , the current delivery volume flow or another variable dependent on the operating point being precisely determined by means of a volume flow measuring wheel 2 .
  • the volume flow measuring wheel 2 is essentially made up of a hub 7 and vanes 6 attached thereto.
  • the volume flow measuring wheel 2 and its bearing on an inflow-side structure can be clearly seen in the illustration, here an inflow grille 26.
  • An axle 13 for mounting the volume flow measuring wheel 2 is attached to the central area 30 of the inflow grille 26 via a receiving area 31.
  • the volume flow measuring wheel 2 is mounted on the axle 13 by means of bearings; in the exemplary embodiment, two bearings (not shown) are provided.
  • the bearings are used on the volume flow measuring wheel 2 in the receptacles 20 provided for this purpose within the hub 7 .
  • the volume flow measuring wheel 2 can thus rotate freely with respect to the inflow grille 26 and independently of the rotor 11 of the motor 4, which drives the impeller 3 of the fan 1.
  • the current conveying medium volume flow Q v or another variable dependent on the operating point can be inferred with good accuracy using other sensor information.
  • the impeller 3 of the fan 1 is attached to the rotor 11 of the motor 4 with a fastening device 15 which is designed as a sheet metal blank which is cast into the impeller 3 and pressed onto the rotor 11 .
  • the measurement and evaluation of the speed n Ane of the volume flow measuring wheel 2 forms an important basis for determining the current delivery volume flow Q v or the other current variable dependent on the operating point. If you want to determine the volumetric flow rate Q v of the conveyed medium or another variable dependent on the operating point with a high level of accuracy, additional sensor information is required in addition to the speed n Ane , because the number of revolutions n Ane depends not only on the volumetric flow rate Q v conveyed, but also on the (internal) operating state of the fan.
  • the volume flow measuring wheel can generally be fitted on the inflow or outflow side, for example on an inflow grid or in a housing of a fan.
  • n Ane of the impeller anemometer which is a variable external to the engine
  • another sensor signal external to the engine can also be used.
  • a first example of another engine-external sensor variable is the signal from one or more hot-wire anemometers or comparable thermal sensors that react sensitively to the flow rate.
  • a second example of another engine-external sensor variable is the signal from a differential pressure sensor that measures a differential pressure between two suitable points in the flow field of the fan, for example the effective nozzle pressure as the difference between the static pressure in the area of the narrowest flow cross-section of the inlet nozzle of a fan and one point further upstream of the inlet nozzle.
  • the current delivery volume flow Q v or the current value of another variable dependent on the operating point is determined using a suitable algorithm from the sensor signal of the motor-external variable and a second sensor signal of an electrical variable internal to the motor, such as a motor current iMot, a winding voltage U Mot or an electrical power.
  • This algorithm is advantageously implemented directly in the motor controller, but it can also be implemented in an external evaluation unit. Of course, the sensor signals must be transmitted to the appropriate locations.
  • the current delivery volume flow Q v or the current variable X dependent on the operating point can then be calculated with the following scalar product be approximated: or. or. or where ⁇ ( ⁇ ,T) is a certain correction function depending on current funding density and the current funding temperature T is.
  • both Q v (or X) and the sensors EXT and INT and thus the basis function vector are available for a sufficient number of measuring points using the test bench known and the field of the calibration coefficients can be inverted, for example using a least squares method to be determined.
  • the motor 4 or the evaluation unit advantageously has an interface for transferring the current delivery volume flow Q v or the current operating-point-dependent variable X to a higher-level system.
  • a signal for a target volume flow or a target value of a variable X dependent on the operating point can be transmitted to the motor or the evaluation unit, so that the motor speed n Mot is automatically controlled in such a way that the delivery medium volume flow Q v determined with the sensor signals or the current operating point-dependent Variable X corresponds as closely as possible to the target volume flow or the target value of X.
  • FIG. 1 For the sake of completeness it should be mentioned that not all components of the fan 1 are shown in FIG. 1 .
  • the fan 1 can include numerous other components that are not shown.
  • Fig. 2 in a diagram with the delivery volume flow Q v on the abscissa and the static pressure increase p sF on the ordinate for any exemplary fan, two characteristic curves are shown for a constant motor speed n Mot and four characteristic curves for a constant speed n Ane of a fan mounted close to the fan impeller anemometer shown. It can be seen that with a constant n Ane the delivery volume flow Q v is not exactly constant, which means that Q v can only be determined imprecisely without further information, In particular, it is too imprecise for many specific applications such as controlled living space ventilation.
  • the determination of the engine speed n Mot is rather complex, since a Hall sensor is required, for example. It has been found that instead of the rotational speed of the motor n Mot, it is also possible to use a variable INT internal to the motor, possibly an electrical variable, which is significantly easier to detect by sensors.
  • a diagram with the delivery volume flow Q v on the abscissa and the static pressure increase p sF on the ordinate for the exemplary fan from Fig. 2 shows five characteristic curves for a constant motor winding current iMot and four characteristic curves for a constant speed n Ane in each case impeller anemometer mounted close to the fan. It can be seen that with a constant n Ane the delivery volume flow Q v is not exactly constant, which means that Q v can only be determined imprecisely without further information. This is too imprecise for many applications.
  • a motor-external sensor variable EXT here the speed n Ane of a vane anemometer
  • a motor-internal electrical variable INT here the motor winding current
  • the signal from a hot-wire anemometer or a similar thermal sensor that reacts sensitively to local air speeds or the Signal from a differential pressure sensor that measures the static pressure difference between two specific points in the fan area.
  • the sensor signal depends not only on the current delivery volume flow Q v but also on an operating state of the fan impeller, which can be expressed, for example, by the value of the static pressure increase p sF .
  • This dependency on the operating state can be resolved by adding a sensor signal that represents a motor-internal, possibly electrical, variable, which enables a significantly higher level of accuracy when determining the current delivery volume flow Q v or, as a consequence, the current value of another variable dependent on the operating point.
  • the current conveying medium density is required as an additional input variable for determining the conveying volume flow Q v . It can be estimated as constant, or it can be determined in real time with the aid of further sensor signals (for example relating to the temperature and the moisture content of the conveying means).

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Abstract

Ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms oder einer anderen betriebspunktabhängigen Größe eines Ventilators, der ein motorangetriebenes Flügelrad umfasst, nutzt eine motorinterne Größe und eine motorexterne Größe, aus denen über einen Algorithmus der Fördervolumenstrom oder eine andere betriebspunktabhängige Größe unmittelbar oder mittelbar berechnet oder ermittelt wird.

Description

VERFAHREN ZUR QUANTITATIVEN BESTIMMUNG AKTUELLER BETRIEBSZUSTANDSABHÄNGIGER GRÖßEN, INSBESONDERE DES AKTUELLEN FÖRDERVOLUMENSTROMS, EINES VENTILATORS UND VENTILATOR ZUR ANWENDUNG DES VERFAHRENS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung aktueller betriebszustandsabhängiger Größen, insbesondere des aktuellen Fördervolumen- stroms, eines Ventilators, wobei der Ventilator zumindest ein motorangetriebenes Flügelrad umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Ventilator zur An- wendung des Verfahrens.
Der Ventilator ist nicht näher spezifiziert. Folglich kann es sich hier grundsätzlich um einen Ventilator jedweder Bauart handeln, nämlich um Radial-, Diagonal- oder Axialventilatoren.
Insbesondere zum Zweck der Regelung eines Ventilators besteht der Bedarf, den Volumenstrom im Betrieb des Ventilators fortlaufend zu ermitteln. Basierend auf der Kenntnis des aktuellen Fördervolumenstroms oder auch direkt können auch andere betriebszustandsabhängige Größen, wie beispielsweise die aktuelle Druckerhöhung, ermittelt werden. Die Kenntnis des aktuellen Fördervolumenstroms und/oder anderer betriebszustandsabhängiger Größen kann neben einer Regelung der Ventilatordrehzahl auf einen Vorgabevolumenstrom in vielfältiger Weise genutzt werden, beispielsweise bei der Überwachung der Ventilatorleistung oder des Zustandes einer lufttechnischen Anlage.
Ventilatorseitig lässt sich bei Kenntnis der Druckerhöhung die Druckreserve eines beispielsweise abrissanfälligen Ventilators überwachen. Es lässt sich feststellen, ob ein Ventilator in einem zulässigen Betriebsbereich betrieben wird, beispielsweise auch dahingehend, ob ein sogenannter Trommelläufer bei zu niedrigen Drücken arbeitet. Weitere nützliche betriebszustandsabhängige Größen können beispielsweise sein: aktueller Fördermassenstrom, aktuelle Schallemissionen eines Ventilators, das aktuellen Antriebsmoments eines Ventilators der aktuelle Wirkungsgrades eines Ventilators oder ein aktueller vom Ventilator erzeugter Schub.
Weiter kann eine betriebszustandsabhängige Größe auch ein kombinierter Wert aus bereits aufgeführten Größen sein, beispielsweise eine Funktion aus Druckerhöhung und Fördervolumenstrom. Auf diese Weise können etwa Volumenstrom-Druckkennlinien abgebildet werden. Aus der Praxis ist es bekannt, den aktuellen Fördervolumenstrom oder Fördermassenstrom bei vorwärtsgekrümmten Radialventilatoren über das Wellenmoment zu bestimmen. Ansonsten erfolgt die Volumenstrombestimmung über Wirkdruckmessung oder mittels Flügelradanemometer. Dazu sei beispielhaft auf die WO 2018/036802 A1 verwiesen. Die aus der Praxis bekannten Messungen bzw. Ermittlungen des Luftvolumenstroms sind allerdings ungenau und in der Umsetzung aufwändig.
Insbesondere bei der Volumenstrombestimmung über einen Flügelradanemometer, das zuström- oder abströmseitig in der Nähe des Ventilatorlaufrades angeordnet ist, treten Ungenauigkeiten auf, zumal die Drehzahl des Flügelradanemometers neben dem Fördervolumenstrom noch von einem betriebszustandsabhängigen, inhomogenen und/oder drallbehafteten Strömungsbild über den Durchströmungsquerschnitt am Anemometerrad beeinflusst sein kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms oder einer anderen aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe eines Ventilators im Betrieb mit hoher Genauigkeit und vergleichsweise geringem konstruktiven/technischen Aufwand anzugeben, welches sich obendrein von wettbewerblichen Verfahren unterscheidet. Außerdem soll ein Ventilator zur Nutzung des Verfahrens angegeben werden. Die voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf den Ventilator durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 11 gelöst. Danach werden eine motorinterne Größe und eine motorexterne Größe ermittelt, aus denen über einen Algorithmus der Fördervolumenstrom und/oder andere aktuelle betriebszustandsabhängige Größen unmittelbar oder mittelbar berechnet oder ermittelt wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine quantitative Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms oder einer anderen aktuellen betriebszustands- abhängigen Größe unter Nutzung motorinterner und motorexterner Größen möglich ist, und dies mit hoher Genauigkeit und bei vergleichsweise niedrigem technischem Aufwand. Wesentlich ist die Kombination mindestens einer motorinternen Größe mit mindestens einer motorexternen Größe, die beide einfach zu erfassen sind. Durch Nutzung der beiden - unterschiedlichen - Größen lässt sich die Betriebszustandsabhängigkeit rein motorexterner Signale auflösen.
Als motorinterne Größe kann ein elektrischer Strom, beispielsweise ein Wicklungs- strom, oder ein Motorstrom oder aber auch eine Motorspannung dienen. Ebenso kann eine elektrische Leistung herangezogen werden. Diese Größen betreffend die Situation im Motor und/oder in dessen Steuerung. Alternativ oder ergänzend kann als motorinterne Größe auch die Motordrehzahl dienen.
Als motorexterne Größe kann der Messwert oder das Signal eines in unmittelbarer Nähe des Ventilators bzw. des Flügelrads angeordneten Sensors dienen. Bei dem Sensor kann es sich um ein Volumenstrommessrad handeln. Die relevante Größe wäre dann die Messraddrehzahl.
In vorteilhafter Weise ist das Volumenstrommessrad an einer zuströmseitigen oder abströmseitigen Struktur drehbar gelagert. Bei der Struktur kann es sich um ein Zuströmgitter oder um ein beliebiges Gehäuseteil handeln. Insoweit sind keine zusätzlichen baulichen Vorkehrungen zu treffen. Bei dem Sensor kann es sich alternativ oder ergänzend um einen thermischen Sensor handeln, beispielsweise um ein Hitzdrahtanemometer, der sensitiv auf Strömungsgeschwindigkeiten reagiert.
Auch ist es denkbar, dass es sich bei dem Sensor um einen Differenzdrucksensor handelt, der eine Druckdifferenz zwischen zwei konkreten Punkten im Strömungsfeld des Ventilators detektiert.
Der zur Berechnung dienende Algorithmus kann in vorteilhafter Weise in der Motorsteuerung oder in einer externen Auswerteeinheit implementiert sein. Er umfasst regelmäßig einen Prozessor und einen Speicher. Die Sensorsignale können an den Prozessor per Leitung oder kontaktlos, per Funk oder ähnliches, übertragen werden.
In weiter vorteilhafter Weise hat der Ventilator bzw. der Motor des Ventilators, eine Schnittstelle, die zur Übergabe des ermittelten aktuellen Fördervolumenstroms und/oder einer anderen aktuellen, betriebszustandsabhängigen Größe an ein übergeordnetes System dient. Insoweit ist es von weiterem Vorteil, wenn an den Motor und/oder an die Auswerteeinheit ein Signal für einen Soll-Volumenstrom, einen Soll-Massenstrom oder einen Sollwert für eine andere betriebszustandsabhängige Größe übergeben wird, anhand dessen die Motordrehzahl derart regelbar ist, dass der mit dem Sensorsignal oder den Sensorsignalen ermittelte Fördervolumenstrom bzw. Fördermassenstrom bzw. die sonstige aktuelle betriebszustandsabhängige Größe möglichst genau dem Soll- Volumenstrom bzw. dem Soll-Massenstrom bzw. dem entsprechenden Sollwert entspricht.
Der erfindungsgemäße Ventilator dient insbesondere zur Regelung des aktuellen Fördervolumenstroms bzw. einer anderen betriebszustandsabhängigen Größe entsprechend den voranstehenden Ausführungen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines dieses Verfahren nutzenden Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades gesehen eine Ausführungsform eines Ventilators, wobei die Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms bzw. der aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe unter Nutzung eines Flügelradanemometers durchgeführt wird,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem für einen Ventilator bei einer bestimmten Fördermitteldichte für vier verschiedene konstante Anemometerdreh- zahlen und zusätzlich für zwei konstante Motordrehzahlen Kennlinien einer Druckerhöhung Ap jeweils als Funktion eines Fördervolumen- stroms Qv dargestellt sind, und
Fig. 3 ein Diagramm, in dem für einen Ventilator bei einer bestimmten Fördermitteldichte für vier verschiedene konstante Anemometerdreh- zahlen und zusätzlich für fünf konstante Motorströme Kennlinien einer Druckerhöhung Ap jeweils als Funktion eines Fördervolumenstroms Qv dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades 3 eine Ausführungsform eines Ventilators 1 , wobei der aktuelle Fördervolumenstrom oder eine andere betriebspunktabhängige Größe mittels eines Volumenstrommessrades 2 präzise bestimmt wird. Das Volumenstrommessrad 2 ist im Wesentlichen aus einer Nabe 7 und darauf befestigten Flügeln 6 aufgebaut. Man erkennt in der Darstellung gut das Volumenstrommessrad 2 und seine Lagerung an einer zuströmseitigen Struktur, hier einem Einströmgitter 26. Am Zentralbereich 30 des Einströmgitters 26 ist über einen Aufnahmebereich 31 eine Achse 13 zur Lagerung des Volumenstrommessrades 2 angebracht.
Das Volumenstrommessrad 2 wird mittels Lagern an der Achse 13 gelagert, im Ausführungsbeispiel sind zwei nicht gezeigte Lager vorgesehen. Die Lager werden am Volumenstrommessrad 2 an dafür vorgesehenen Aufnahmen 20 innerhalb der Nabe 7 eingesetzt. Das Volumenstrommessrad 2 kann dadurch frei bezüglich des Einströmgitters 26 und unabhängig vom Rotor 11 des Motors 4, der das Laufrad 3 des Ventilators 1 antreibt, rotieren. Über die Messung der Drehzahl des Volumenstrommessrades 2 kann unter Hinzunahme anderer Sensorinformationen mit guter Genauigkeit auf den aktuellen Fördermittelvolumenstrom Qv oder eine andere betriebspunktabhängige Größe geschlossen werden.
Das Laufrad 3 des Ventilators 1 ist am Rotor 11 des Motors 4 mit einer Befestigungsvorrichtung 15 angebracht, welche als Blechronde ausgeführt ist, die in das Laufrad 3 eingegossen und auf den Rotor 11 aufgepresst ist. Die Messung und Auswertung der Drehzahl nAne des Volumenstrommessrades 2 bildet eine wichtige Basis zur Bestimmung des aktuellen Fördermittelvolumenstroms Qv oder der anderen aktuellen betriebspunktabhängigen Größe. Will man den Fördermittelvolumenstroms Qv oder eine andere betriebspunktabhängige Größe mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen, wird außer der Drehzahl nAne eine weitere Sensorinformation benötigt, denn die Drehzahl nAne hängt neben dem Fördervolumenstrom Qv auch vom (inneren) Betriebszustand des Ventilators ab. Dieser kann beispielsweise bei konstantem Fördermittelvolumenstrom Qv in Form des Wertes der statischen Druckerhöhung, die der Ventilator in Förderrichtung aufbaut, variieren. Als solche weitere Sensorinformation wird im Sinne der Erfindung eine interne ggf. elektrische Größe im Motor oder in der Motorsteuerung verwendet.
Das Volumenstrommessrad kann allgemein zuström- oder abströmseitig, beispielsweise an einem Zuströmgitter oder in einem Gehäuse, eines Ventilators angebracht sein. Zur Bestimmung des aktuellen Fördermittelvolumenstroms Qv oder einer andere betriebspunktabhängige Größe kann anstatt der Drehzahl nAne des Flügelradanemometers, die eine motorexterne Größe ist, auch ein anderes motorexternes Sensorsignal verwendet werden. Ein erstes Beispiel für eine andere motorexterne Sensorgrößen ist das Signal eines oder mehrerer Hitzdrahtanemometer oder vergleichbarer thermischer Sensoren, die sensitiv auf die Strömungsgeschwindigkeit reagieren. Ein zweites Beispiel für eine andere motorexterne Sensorgröße ist das Signal eines Differenzdrucksensors, der einen Differenzdruck zwischen zwei geeigneten Punkten im Strömungsfeld des Ventilators misst, beispielsweise den Düsenwirkdruck als Differenz zwischen dem statischen Druck im Bereich des engsten durchströmten Querschnitts der Einlaufdüse eines Ventilators und einem Punkt weiter zuströmseitig der Einlaufdüse.
Der aktuelle Fördervolumenstrom Qv oder der aktuelle Wert einer anderen betriebspunktabhängigen Größe wird aus dem Sensorsignal der motorexternen Größe sowie einem zweiten Sensorsignal einer motorinternen elektrischen Größe, wie beispielsweise einem Motorstrom iMot .einer Wicklungsspannung UMot oder einer elektrischen Leistung, mit einem geeigneten Algorithmus bestimmt. Vorteilhaft ist dieser Algorithmus direkt in der Motorsteuerung implementiert, er kann aber auch in einer externen Auswerteeinheit implementiert sein. Die Sensorsignale müssen natürlich jeweils an die entsprechenden Stellen übertragen werden.
Ein möglicher Algorithmus kann wie folgt aussehen:
1.) Bestimmung der motorexternen Sensorgröße EXT, im konkreten Beispiel der Drehzahl nAne des Flügelradanemometers (Volumenstrommessrades) 2
2.) Bestimmung der motorinternen, ggf. elektrischen, Größe /NT, konkret bei- spielhaft dem Motorwicklungsstrom iMot
3.) Falls benötigt, Bestimmung oder Abschätzung der aktuellen
Fördermitteldichte ρ, vorteilhaft mit Hilfe weiterer Sensorsignale (bspw. Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit)
4.) Errechnung des aktuellen Fördermittelvolumenstroms Qv (oder der anderen betriebspunktabhängigen Größe X) mit einer kalibrierten Näherungsfunktion (oder , wobei X symbolisch für die entsprechende betriebspunktabhängige Größe steht) r ist ein Feld aus Kalibrierkoeffizienten, welches von der Art der motorexternen Sensorgröße EXT , der motorinternen Sensorgröße /NT und der betriebspunktab- hängigen Größe X abhängt, aber auch vom konkreten Ventilator, von den konkreten Sensoren und ggf. auch der konkreten Einbausituation. Allgemein sind die Kalibrierkoeffizienten mittels eines Kalibrierversuchs auf einem Prüfstand, mit dem der aktuelle Fördermittelvolumenstrom Qv bzw. die aktuelle betriebspunktabhängige Größe X gemessen werden kann, zu bestimmen.
Konkret können aus der motorexternen Sensorgröße EXT und der motorinternen
Sensorgröße /NT eine geeignete Anzahl an Basisfunktionen gebildet werden, beispielhaft Monome, die dann den Vektor der Basisfunktionen bilden. Ein beispielhafter monombasierter Basisfunktionenvektor ist
Es sind auch andere Arten von
Basisfunktionen denkbar. Der aktuelle Fördermittelvolumenstrom Qv bzw. die aktuelle betriebspunktabhängige Größe X kann dann mit folgendem Skalarprodukt approximiert werden: bzw. bzw. bzw. wobei ƒ(ρ ,T) eine bestimmte Korrekturfunktion abhängig von aktueller Fördermitteldichte und der aktuellen Fördermitteltemperatur T ist.
In einem Kalibrierversuch sind mit Hilfe des Prüfstandes für eine ausreichende Zahl an Messpunkten sowohl Qv (bzw. X) als auch mittels der Sensoren EXT und INT und somit der Basisfunktionenvektor bekannt und es kann durch Invertierung, beispielsweise mit einem Least Squares Verfahren, das Feld der Kalibrierkoeffizienten bestimmt werden.
Vorteilhaft weist der Motor 4 bzw. die Auswerteeinheit eine Schnittstelle zur Übergabe des aktuellen Fördervolumenstroms Qv bzw. der aktuellen betriebspunktabhängigen Größe X an ein übergeordnetes System auf. Weiter vorteilhaft kann dem Motor bzw. der Auswerteeinheit ein Signal für einen Soll- Volumenstrom oder einen Sollwert einer betriebspunktabhängigen Größe X übergeben werden, sodass die Motordrehzahl nMot automatisch derart geregelt wird, dass der mit den Sensorsignalen bestimmte Fördermittelvolumenstrom Qv bzw. die aktuelle betriebspunktabhängige Größe X dem Soll-Volumenstrom bzw. dem Sollwert von X möglichst gut entspricht.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in Fig. 1 nicht alle Komponenten des Ventilators 1 dargestellt sind. Insbesondere ist eine Motorhalterung, die den Stator 11 des Motors 4 beispielsweise an die Düsenplatte 29 anbindet, der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der Ventilator 1 kann zahlreiche weitere, nicht dargestellte Komponenten umfassen.
In Fig. 2 sind in ein Diagramm mit dem Fördervolumenstrom Qv auf der Abszisse und der statischen Druckerhöhung psF auf der Ordinate für einen beliebigen beispielhaften Ventilator zwei Kennlinien bei jeweils konstanter Motordrehzahl nMot sowie vier Kennlinien für jeweils konstante Drehzahl nAne eines ventilatornah angebrachten Flügelradanemometers dargestellt. Man erkennt, dass bei konstantem nAne der Fördervolumenstrom Qv nicht exakt konstant ist, was bedeutet, dass Qv ohne weitere Information nur ungenau bestimmt werden kann, insbesondere zu ungenau für viele konkrete Anwendungen wie beispielsweis die kontrollierte Wohnraumlüftung. Das liegt insbesondere daran, dass der Betriebszustand des Ventilatorlaufrades (bei konstantem Volumenstrom Qv) die Anemometerdrehzahl nAne durchaus signifikant beeinflusst, da das Anemometer- rad aus Kompaktheitsgründen relativ nah am Laufrad angebracht ist. Es ist im Diagramm ersichtlich, dass eine mögliche komplementäre Information zur wesentlich genaueren Bestimmung des Fördervolumenstrom Qv in der Motordrehzahl nMot steckt. Beispielsweise könnte der Schnittpunkt der Kennlinien für konstante Motordrehzahl nMot und konstante Anemometerdrehzahl nAne bestimmt werden und am Schnittpunkt der Kurven ein genauer Wert für den aktuellen Fördervolumenstrom Qv abgelesen werden. Wesentlich ist die Aussage, dass die benötigte Information in der Kombination beider Sensorsignale steckt. Die genaue Art des Algorithmus zur Berechnung von Qv kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein, sobald nur beide Sensorsignale verarbeitet werden.
Allerdings ist die Bestimmung der Motordrehzahl nMot eher aufwändig, da beispielsweise ein Hall-Sensor nötig ist. Es wurde herausgefunden, dass anstatt der Drehzahl des Motors nMot auch eine deutlich einfacher sensorisch erfassbare motorinterne ggf. elektrische Größe INT verwendet werden kann.
In Fig. 3 sind in ein Diagramm mit dem Fördervolumenstrom Qv auf der Abszisse und der statischen Druckerhöhung psF auf der Ordinate für den beispielhaften Ventilator aus Fig. 2 fünf Kennlinien bei jeweils konstantem Motorwicklungsstrom iMot sowie vier Kennlinien für jeweils konstante Drehzahl nAne eines ventilatornah angebrachten Flügelradanemometers dargestellt. Man erkennt, dass bei konstantem nAne der Fördervolumenstrom Qv nicht exakt konstant ist, was bedeutet, dass Qv ohne weitere Information nur ungenau bestimmt werden kann. Dies ist für viele Anwendungen zu ungenau. Das liegt insbesondere daran, dass der Betriebszustand des Ventilatorlaufrades (bei konstantem Volumenstrom Qv) die Anemometerdrehzahl nAne durchaus signifikant beeinflusst, da das Anemometerrad aus Kompaktheitsgründen relativ nah am Laufrad angebracht ist.
Es ist im Diagramm ersichtlich, dass eine mögliche komplementäre Information zur wesentlich genaueren Bestimmung des Fördervolumenstrom Qv auch im Motorwicklungsstrom iMot steckt, der mit vergleichsweise wenig Aufwand sensorisch erfasst werden kann. Beispielsweise könnte dann der Schnittpunkt der Kennlinien für konstanten Motorwicklungsstrom IMot und konstante Anemometerdrehzahl nAne bestimmt werden und am Schnittpunkt der Kurven ein genauer Wert für den aktuellen Fördervolumenstrom Qv abgelesen werden. Wesentlich ist die Erkenntnis, dass die Information in der Komination beider Sensorsignalen steckt. Die genaue Art des Algorithmus zur Berechnung von Qv kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein, sobald nur beide Sensorsignale verarbeitet werden, und zwar die motorexterne (hier nAne) und die motorinterne (hier lMot).
Es sei erwähnt, dass zumindest je Ventilatorausführungsform eine Kalibrierung mit Messdaten auf einem Prüfstand nötig ist, um den Berechnungsalgorithmus quantitativ aufzustellen. Beispielsweise könnten so für den betreffenden Ventilator die Kennlinien für konstanten Motorwicklungsstrom IMot und für konstante Flügelradanemometerdrehzahl nAne bestimmt und auf der Motorsteuerung bzw. der Auswerteeinheit abgespeichert werden. Da auch andere Berechnungsalgorithmen möglich sind, ist dann konsequenterweise auch eine andere Kalibrierung nötig. Wesentlich ist, dass als Sensorgrößen/Eingabegrößen in den Algorithmus zur Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms Qv bzw. des aktuellen Wertes einer anderen betriebspunktabhängigen Größe eine motorexterne Sensorgröße EXT, hier die Drehzahl nAne eines Flügelradanemometers, und eine motorinterne elektrische Größe INT, hier der Motorwicklungstrom IMot, verarbeitet werden.
Es ist auch denkbar, die Kalibrierungsparameter für eine bestimmte Anwendung oder Installationsbedingung zu erfassen, um in der betreffenden Anwendung eine noch höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms Qv bzw. des aktuellen Wertes einer anderen betriebspunktabhängigen Größe zu erreichen.
Im Sinne der Erfindung können als motorexterne Größen u.a. auch das Signal eines Hitzdrahtanemometers oder eines ähnlichen, thermischen Sensors verwendet werden, der sensitiv auf lokale Luftgeschwindigkeiten reagiert, oder das Signal eines Differenzdrucksensors, der die statische Druckdifferenz zwischen zwei bestimmten Punkten im Bereich des Ventilators misst. In beiden Fällen wird man typischerweise feststellen, dass das Sensorsignal neben dem aktuellen Fördervolumenstrom Qv auch noch von einem Betriebszustand des Ventilatorlaufrades abhängt, ausdrückbar beispielsweise durch den Wert der statische Druckerhöhung psF. Diese Betriebszustandsabhängigkeit kann durch Hinzunahme eines Sensorsignals, das eine motorinterne, ggf. elektrische, Größe repräsentiert, aufgelöst werden, wodurch eine wesentlich höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms Qv bzw. in Konsequenz auch des aktuellen Wertes einer anderen betriebspunktabhängigen Größe ermöglicht wird.
Wird als motorexternes Signal eine Druckdifferenz oder das Signal eines Hitz- drahtanemometers verwendet, ist als weitere Eingangsgröße zur Bestimmung des Fördervolumenstroms Qv noch die aktuelle Fördermitteldichte nötig. Sie kann als konstant abgeschätzt werden, oder aber vorteilhaft mit Hilfe weiterer Sensorsignale (beispielsweise die Temperatur und den Feuchtegehalt des Fördermittels betreffend) in Echtzeit bestimmt werden.
Andererseits kann mit Hilfe des Fördermittelvolumenstroms Qv mit Hilfe der Fördermitteldichte auf den Fördermittelmassenstrom geschlossen werden. Wird als motorexternes Signal eine Druckdifferenz oder das Signal eines Hitzdrahtane- mometers verwendet kann sogar direkt und ohne die Kenntnis der Fördermitteldichte der Fördermittelmassenstrom bestimmt werden.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend be- schriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf die Aus- führungsbeispiele einschränkt. Bezugszeichenliste
1 Ventilator
2 Volumenstrommessrad, Flügelradanemometer
3 Ventilatorlaufrad
4 Motor
5 Einströmdüse
6 Flügel eines Volumenstrommessrades
7 Nabe eines Volumenstrommessrades
8 Deckring eines Laufrades
9 Flügel eines Laufrades
10 Nabenring eines Laufrades
11 Rotor eines Motors
12 Stator eines Motors
13 Achse zur Lagerung des Volumenstrommessrades
15 Befestigungsvorrichtung des Laufrads auf dem Motor
20 Aufnahme im Volumenstrommessrad für Lager
26 Einströmgitter
29 Düsenplatte
30 Zentralbereich des Einströmgitters
31 Aufnahmebereich für Welle in Einströmgitter

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung des aktuellen Fördervolumenstroms oder einer anderen betriebspunktabhängigen Größe eines Ventilators, der ein motorangetriebenes Flügelrad umfasst, wobei eine motorinterne Größe und eine motorexterne Größe ermittelt werden, aus denen über einen Algorithmus der Fördervolumenstrom oder die andere betriebspunktabhängige Größe unmittelbar oder mittelbar berechnet oder ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die motorinterne Größe ein elektrischer Strom, beispielsweise ein Wicklungsstrom oder ein Motorstrom oder eine Motorspannung oder eine elektrische Leistung, jeweils im Motor oder in dessen Steuerung, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die motorinterne Größe die Motordrehzahl ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die motorexterne Größe der Messwert oder das Signal eines in unmittelbarer Nähe des Ventilators bzw. des Flügelrads angeordneten Sensors ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein ein Volumenstrommessrad umfassender Anemometer und die Größe die Anemometerdrehzahl bzw. die Messraddrehzahl ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen- strommessrad an einer zuströmseitigen oder abströmseitigen Struktur, insbesondere an einem Zuströmgitter oder an einem Gehäuseteil, drehbar gelagert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein thermischer Sensor, beispielsweise ein Hitzdrahtanemometer, ist, der sensitiv auf die Strömungsgeschwindigkeit reagiert.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Differenzdrucksensor ist, der eine Druckdifferenz zwischen zwei konkreten Punkten im Strömungsfeld des Ventilators detektiert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus in der Motorsteuerung oder in einer externen Auswerteeinheit, jeweils mit Prozessor und Speicher, implementiert ist, wobei die Sensorsignale an den Prozessor per Leitung oder kontaktlos übertragen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator, insbesondere der Motor, eine Schnittstelle aufweist, die zur Übergabe des ermittelten aktuellen Fördervolumenstroms bzw. der ermittelten aktuellen betriebspunktabhängigen Größe an ein übergeordnetes System dient.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Motor und/oder an die Auswerteeinheit ein Signal für einen Soll-Volumenstrom oder ein Sollwert für eine betriebspunktabhängige Größe übergeben wird, anhand dessen die Motordrehzahl derart regelbar ist, dass der mit dem Sensorsignal oder den Sensorsignalen ermittelte Fördervolumenstrom bzw. die ermittelte betriebspunktabhängige Größe möglichst genau dem Soll-Volumenstrom bzw. dem Sollwert für die betriebspunktabhängige Größe entspricht.
12. Ventilator zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , insbesondere zur Regelung des aktuellen Fördervolumenstroms bzw. der aktuellen betriebspunktabhängigen Größe.
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