WO2013060434A2 - Lüfter - Google Patents

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WO2013060434A2
WO2013060434A2 PCT/EP2012/004406 EP2012004406W WO2013060434A2 WO 2013060434 A2 WO2013060434 A2 WO 2013060434A2 EP 2012004406 W EP2012004406 W EP 2012004406W WO 2013060434 A2 WO2013060434 A2 WO 2013060434A2
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voltage
commutation
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PCT/EP2012/004406
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Jens Löffler
Volker Mauch
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Ebm-Papst St. Georgen Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/18—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual dc motor
    • H02P1/20—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual dc motor by progressive reduction of resistance in series with armature winding
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    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H02P1/465—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor for starting an individual single-phase synchronous motor

Definitions

  • the invention relates to a fan with an electronically commutated
  • Such a fan can be provided for connection to a solar module and thus enable the realization of an environmentally friendly and independent of the public grid ventilation application.
  • This can, for. B. for large outdoor temperatures for ventilation of trusses application.
  • To drive the fan is in this case usually a single-phase motor with
  • Reluctance torque trained, brushless DC motor used which is designed for connection to an associated solar module.
  • Such a brushless DC motor has no constant, but a wave-shaped current consumption, which is interrupted in the commutation in each case.
  • the DC motor also does not load the associated solar module constantly, so that its terminal voltage during operation is also not constant.
  • the terminal voltage is a function of a current generated by the solar module, which in turn depends on the design or characteristics of the solar module. If the solar module at low illuminances of z. B. 0.2 Ix or less can only generate a small amount of electricity, the voltage supplied by the solar module can greatly break even under light load, as described below in FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 6 shows exemplary measurement diagrams 600 of terminal voltages 610 and 640, respectively, of a solar module connected to a single-phase motor
  • Reluctance torque trained, electronically commutated DC motor to drive a fan 102 is connected and z. B. at a comparatively low illuminance of about 0.2 Ix when starting the DC motor is operated.
  • the solar module here has an open circuit voltage of about 15 V, which is identified by a reference numeral 615.
  • the terminal voltages U 610 and 640 are each represented as functions of the time t, wherein the Terminal voltage 640 is shown in comparison to the terminal voltage 610 for clarity on an enlarged scale.
  • the terminal voltage 610 breaks during startup of the DC motor or the fan to a voltage of about 2 V shown with 612 and increases in the imaged period to a voltage of about 3.8 V indicated with 614. During commutation pauses, the terminal voltage 610 in each case increases to the open circuit voltage 615 of the solar module, resulting in voltage peaks. Four such voltage spikes are identified by the reference numerals 622, 624, 626, 628. To smooth these voltage spikes, the
  • Solar module are connected to a capacitor 117, z. B. with a 100 F capacitor. This leads, starting from the terminal voltage 610, to a voltage curve without the voltage peaks, which in FIG.
  • Terminal voltage 640 is shown.
  • FIG. 7 shows by way of example a measurement diagram 700 of a smoothed terminal voltage 710. This corresponds to the terminal voltage 640 of Fig. 6, which is shown over a longer period.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show that the terminal voltage of the solar module at
  • FIG. 1 is a schematic view of the circuit 100 of a fan 102 with a solar module 115 and a ballast 140 according to a
  • FIG. 2 shows exemplary measuring diagrams of the rotational speed n of the fan of FIG. 1 and of a terminal voltage U of the solar module 15 of FIG. 1 during operation of the fan of FIG. 1;
  • Fig. 3 exemplary measurement diagrams of the engine speed n of the fan and the
  • FIG. 4 shows an example measuring diagram for clarifying operating points of the solar module 115 of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows an exemplary implementation of a fan 500 with the solar module 115 and the ballast resistor 140 of FIG. 1;
  • FIG. 7 shows a further exemplary measurement diagram of the terminal voltage U of a solar module provided for connection to a fan
  • Fig. 8 is a circuit diagram analogous to FIG. 1, and
  • FIG. 9 shows diagrams for the explanation of FIG. 8. Identical or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the various figures and usually described only once.
  • FIG. 1 shows the circuit 100 of a fan 100 with a fan wheel 102 driven by an electronically commutated DC motor 150.
  • the fan 100 is provided for operation on a DC voltage source 110, which according to one embodiment is formed with at least one solar module 115. This generates a DC voltage U, which at associated terminals 112,
  • Terminal voltage U arranged. This is z. B. a 100 F buffer capacitor, which is connected to the terminals 112, 114.
  • the DC motor 150 illustratively has a permanent magnet rotor 152 connected to the fan 102, a power section 154, 158 for driving the rotor 152, and a commutation control (COMMUT) 130 for controlling the commutation of the power section 154, 158.
  • the power section 154, 158 has a stator 154 with a winding arrangement 155, as well as an output stage 158.
  • the winding arrangement 155 has, for example, a single stator strand 156, but the invention is also suitable for multi-stranded motors.
  • the output stage 158 is realized by way of example with a semiconductor switch designed as an NPN transistor 159 and serves to control a current flowing in the stator string 156.
  • the stator strand 156 is on the one hand with the terminal 114 of the solar module
  • red pos commutation signals commut for the NPN transistor 159 Depending on rotor position signals red pos commutation signals commut for the NPN transistor 159 to one of the
  • Winding arrangement 155 of the DC voltage source 110 supplied current in response to the rotational position of the rotor 152 to control.
  • the collector of the transistor 159 is controllable via an element 140
  • Resistance value connected to the commutation controller 130.
  • the latter is connected to the solar module 115 such that its terminal voltage U is applied as operating voltage to the commutation 130.
  • the controllable resistance element 140 which is arranged between the commutation controller 130 and the power unit 154, 158 and which is designed in the manner of a ballast resistor, for example, serves to reduce or limit a voltage applied to the ECM 150, in particular during startup, to a maximum which is limited to a voltage Starting the ECM 150 is required.
  • the resistance value of the ballast resistor 140 which is operative during operation of the fan is a function of a respective rotational speed n of the rotor 152 and of the DC motor 150 and has a high value when the fan is switched on which decreases as the rotational speed increases.
  • a higher current i can flow to the power section 154, 158 as the speed increases.
  • the ballast resistor 140 is here associated with a bridging arrangement 120, 145, which for example has a monitoring electronics (CTRL) 120 with a microcontroller (pC) 122, as well as a switching element 145.
  • CTRL monitoring electronics
  • pC microcontroller
  • the switching element 145 is connected via a control line 124 to the monitoring electronics 120, which is connected to the solar module 115 such that its
  • Terminal voltage U as operating voltage to the monitoring electronics 120 is applied.
  • the monitoring electronics 120 is to
  • Microcontroller 122 evaluated actual speed n of the ECM 150 to reduce or increase the resistance of the ballast resistor 140 via the control line 124 to control.
  • the effective resistance of the ballast resistor 140 of the monitoring electronics 120 z. B. decreases when increasing the actual speed n over a predetermined minimum speed (n1 in Fig. 3) and increases in the fall of the speed n below the minimum speed (n1 in Fig. 3).
  • the switching element 145 is formed in the manner of a switch, which is arranged parallel to the element 140.
  • This switch 145 may, for.
  • This switch 145 may, for.
  • FIG. 2 shows illustrative measurement diagrams 200 which show a speed curve 210 of the ECM 150 of FIG. 1 and a voltage curve 220 of the terminal voltage U of the solar module 115 during startup in the event that the fan 100 without the bypass arrangement 120, 145 of FIG is realized.
  • the speed curve 210 shows rpm values n mapped on an ordinate 215 over the time t illustrated on the abscissa 232.
  • the voltage curve 220 shows voltage values U mapped on an ordinate 225 over the time t illustrated on an abscissa 234. This is based on a low illuminance of the solar module 115 of about 0.2 Ix.
  • the terminal voltage U generated by the solar module 115 is initially applied to the commutation controller 130.
  • Power part 154, 158 is a lower voltage, since the terminal voltage U is reduced here by the ballast 140, so that the overall load applied to the solar module 115 load is reduced.
  • the lower voltage applied to the power section 54, 158 is sufficient to be converted by the ECM 150 into rotations of the rotor 152.
  • a corresponding current flow through the stator strand 156 is controlled by the commutation signals commut from the commutation controller 130.
  • Commutation control 130 is required, thus by providing a terminal voltage of more than 15 V, a safe start-up can be ensured.
  • FIG. 3 shows measurement diagrams 300 which show a speed curve 310 of FIG
  • Terminal voltage U of the solar module 115 of Fig. 1 when starting the fan of Fig. 1 for the case show that the fan with the bridging arrangement 120, 145 of FIG. 1 is realized.
  • the rotational speed curve 310 shows rotational speed values n mapped on an ordinate 315 over the time t illustrated on an abscissa 332.
  • the voltage profile 320 shows voltage values U mapped on an ordinate 325 over the time t illustrated on the abscissa 334.
  • a low illuminance of the solar module 15 of FIG. 1 is assumed to be about 0.2 .mu.x.
  • the terminal voltage U generated by the solar module 15 is initially applied to the commutation controller 130 when the DC motor 150 starts up, while at the start of the DC motor 150
  • Power part 154, 158 is applied a lower voltage, as described above in Fig. 2. This is sufficient for the DC motor 150 to be converted into rotations of the rotor 152, the current flow through the stator strand 156 being controlled by the commutation signals commut from the commutation controller 130.
  • the lock-up arrangement 120, 145 is active, wherein as described in FIG. 1, the switch 145 for bridging or short-circuiting of the ballast resistor 140 is closed by the monitoring electronics 120.
  • the minimum speed n1 is set such that the terminal voltage U when bridging the ballast resistor 140 is not below the minimum operating voltage of z. B. 6 V drops. This is necessary because by bridging or short-circuiting the ballast resistor 140 and the power part 154, 58, the full terminal voltage U_B is applied, so that a total the voltage applied to the solar module 115 load is increased, wherein the rotational speed of the DC motor 150 further increases.
  • the minimum speed n1 is 1000 rpm and is reached at start-up of the DC motor 150 at a time t1.
  • Terminal voltage U falls during bridging at time t1 to a value U1, which here is about 7.5 V, and then increases with increasing motor speed n back to about 15 V.
  • the monitoring electronics 120 or their microcontroller 122 monitors not only the rotational speed n of the ECM 150, but also the terminal voltage U of the solar module 1 15. If this is the case when bypassing the Vorschaltwiderstands 140 or generally in the operation of the fan
  • the monitoring electronics 120 can open the switch 145 to the discharge of the solar module 115 and the
  • FIG. 4 shows exemplary measurement diagrams 400 which show power curves 410 of the fan of FIG. 1 operated on solar module 15 of FIG. 1 for different illumination intensities.
  • the power curves 410 each have power values P mapped on an ordinate 402 as a function of associated values of the terminal voltage U of FIGS. 1 to 3 depicted on the abscissa 404.
  • a power curve determined for a low illuminance of approximately 0.2 Ix is labeled 415.
  • the power history 415 has a starting point 422 at which a start-up phase of the
  • DC motor 150 is started. This starting point identifies a power which, for example, is in the range of a maximum indicated by 430
  • Embodiment is adapted to an operation of the solar module 1 15 at low illuminance levels, such. B. the illuminance of 0.2 Ix, at least at the beginning of the start-up phase in the area of the MPP to ensure, as exemplified by the performance curve 415 visible to allow rapid start-up of the fan 100.
  • This can, according to one embodiment
  • Bridging or short-circuiting is taken from it. After the bridging or short-circuiting of the resistor 140 of FIG. 1, only a power labeled 428 is removed from the solar module 15 at most.
  • Fig. 4 shows the order that the engine 150 undergoes at startup.
  • the ECM 150 starts. Thereby it goes to point 2 where it is e.g. rotated at about 1000 rpm. In this case, the starting current decreases, and the voltage at the motor 150 rises slightly.
  • Point 3 is reached after the resistor 140 has been bypassed.
  • the current i rises sharply, but the voltage U supplied by the solar panel 1 10 breaks down to less than 12V.
  • the rotational speed n of the engine 150 increases, and this reaches an operating point 4, as it is achievable in this solar radiation and the other operating conditions, with the power P supplied to the motor 150 reaches about 2.5 W.
  • the motor 150 can start even in low sunlight S. Once the motor 150 rotates, it usually continues to rotate even when the power of the solar panel 110 briefly goes down.
  • FIG. 5 shows a fan 500, as which the fan 100 of FIG. 1 according to an embodiment can be realized.
  • the fan 500 has the fan wheel 102 driven by an ECM 550 and, like the fan according to FIG. 1, is provided for operation on a DC voltage source 110, which has at least one solar module 115 is formed, at the terminals 112, 114 of the buffer capacitor 117 is connected.
  • the ECM 550 has one connected to the fan 102,
  • the power section 554, 558 has a stator 554 with a winding arrangement 555 and a Output stage 558.
  • the winding arrangement 555 has two stator lines 556, 557 through which motor currents i1 and i2 associated with the operation of the fan 500 flow.
  • the output stage 558 is formed by way of example with semiconductor switches 553, 559, which are associated with the stator strands 556, 557 and realized here with n-channel MOSFET transistors, which have associated freewheeling diodes and for influencing the currents flowing in the stator strands 556, 557 currents i1 and serve i2.
  • the power unit 554, 558 and the ballast resistor 140 are connected to the solar module 115 in such a way that the terminal voltage U is applied to the output stage 558, the winding arrangement 555 and the ballast resistor 140 as the operating voltage.
  • the stator strand 556 is connected, on the one hand, to the drain terminal of the MOSFET transistor 553 and, on the other hand, via the ballast resistor 140 to the terminal 112 or the commutation controller 530, which in turn is connected to the gate terminal of the transistor 553 and in response to rotor position signals rot_pos commutation signals commutl for the transistor 553 generated.
  • the commutation controller 530 is connected to the solar module 115 such that its terminal voltage U is present as operating voltage at the commutation controller 530.
  • the source terminal of the MOSFET transistor 553 is connected to the anode side of a
  • the Statorstrang 557 is on the one hand to the drain terminal of the MOSFET transistor 559 and on the other hand via the ballast 140 with the
  • Terminal 112 and the commutation 530 connected, which in turn is connected to the gate terminal of the transistor 559 and in
  • rot_pos commutation signals commut2 Dependence on the rotor position signals rot_pos commutation signals commut2 for transistor 559 is generated.
  • the source terminal of the MOSFET transistor 559 is also connected to the anode side of the base diode 590.
  • the ballast resistor 140 is associated with an optional bypass arrangement 520, 545, which has a PWM (Pulse Width Modulation) Generator (PWM) 520 and a switching element 545 by way of example.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the switching element 545 is connected via a control line 524 to the PWM generator 520, which is connected in such a way to the solar module 1 5 that its terminal voltage U_B also applied to the PWM generator 520 as the operating voltage.
  • the switching element 545 is in the manner of a
  • Semiconductor switch illustratively formed in the manner of a p-channel MOSFET transistor 545 with an associated freewheeling diode. Its gate terminal is connected via a control line 524 to a PWM generator 520, which in operation PWM signals with a frequency of z. B. generates about 25 to 30 KHz to control the transistor 545.
  • the PWM generator 520 drives the MOSFET transistor 545 via the control line 524 in response to a respective actual speed n of the DC motor 550 to reduce or increase the controllable resistance of the ballast resistor 140.
  • the MOSFET transistor 545 may be variably controlled to reduce the effective resistance of the ballast resistor 140 as the actual speed n increases above a predetermined minimum speed (n1 in FIG. 3). When the actual rotational speed n drops below this minimum rotational speed (n1 in FIG. 3), the MOSFET transistor 545 can be switched off at least partially in order to increase the effective resistance value of the series resistor 140.
  • the described embodiments are merely exemplary in character and should not be construed as limiting the invention. Rather, other realizations are possible in which a Reducing a voltage applied to the solar module 1 15 of FIG. 1 and 5 load when starting the DC motor 150 or 550 can be achieved.
  • the MOSFET 545 may be used to realize the ballast resistor 140, and the transistor 545 may be formed to have a large effective resistance when the PWM signal is applied to its gate with comparatively short PWM pulses and for comparatively long PWM pulses, a low effective resistance value.
  • a transistor can be used in linear operation.
  • Fig. 8 shows the invention in the form of an overview circuit diagram. The same reference numerals are used as in FIG. 1.
  • the solar panel 110 feeds a positive line 12 and a negative line 114, between which the capacitor 117 (approximately 100 or more) is arranged.
  • variable voltage U which is, inter alia, a function of solar radiation S on the solar panel 100.
  • the voltage U is supplied to the commutation controller COM 130, which requires a minimum voltage for its safe operation, here e.g. 6 V. Further, the voltage U is supplied to a monitoring circuit CTL 120, and it is, via a
  • the voltage U is also a
  • the ECM 150 has a power section 158.
  • the ECM 150 provides to the commutation controller 130 via a line 132 a signal rotpos for the instantaneous rotor position of the ECM 150, and the
  • commutation controller COM 130 From this, commutation controller COM 130 generates on a line 134 a commutation signal for the commutation of ECM 150, which is supplied to power section 158. A signal for the speed n of the ECM 150 is supplied to the monitoring circuit 120 via a line 159.
  • a switch 145 Parallel to the resistor 140 is a switch 145.
  • This may be, for example, a small relay, or an electronic switch 545, as shown by way of example in FIG. 5 and which is rapidly switched off and on in operation with a variable duty cycle pwm, depending on the Magnitude of the voltage U. If this is low, for example, at low solar radiation S, the switch 145 (or 545) remains mainly non-conductive, so that the commutation 130 receives a sufficiently high operating voltage.
  • Fig. 9 shows the start of the ECM 150. It should be noted that the start in strong sunlight S is not a problem, but only in weak
  • the rotational speed n of the engine 150 increases only slowly due to the low voltage, and due to friction, the surge may be uneven because the power of the motor 150 is low because of the low voltage.
  • a predetermined speed is reached, e.g. 800 rpm.
  • Ta t2 - 11
  • the startup is successful. If it is less than a predetermined period of time, e.g. 15 seconds, the startup is successful.
  • the switch 145 is turned on in FIG. (Alternatively, in Fig. 5, the transistor 545 is constantly turned on.) This causes the motor 150 to be switched to maximum power, and its speed increases, e.g. at 2000 rpm. This speed depends i.a. depending on how much power the solar panel 110 can deliver at the moment.
  • the motor 150 is turned off by the commutation controller 130, and after a predetermined waiting time of e.g. 20 seconds is followed by a new start attempt.
  • the figures and the description show a fan 100 which has for its drive an electronically commutated DC motor 150 to which a power section 154, 158 and a commutation controller 130 for controlling the commutation of the power section 154, 158 are assigned, further comprising a Element 140 with controllable resistance, which between
  • Commutation control 130 and power unit 154, 158 is arranged, wherein the effective in operation resistance of this element 140 is a function of the speed of the DC motor 150 and when turning on the fan 100 has a high value, which decreases with increasing speed n of the DC motor 150 to at increasing speed n to allow increased power flow to the power section 154, 158 of the DC motor 150.
  • the element 140 with a controllable resistance value is designed to supply an operating voltage U applied to the power section 154, 15 approximately to one
  • the electronically commutated DC motor 150 has a permanent magnet rotor 152 and a stator 154, which is associated with a controllable via the commutation 130 winding arrangement 155, which commutation 130 is designed to operate one of the winding assembly 155 of the
  • DC voltage source 10 supplied current in response to a
  • the element 140 with controllable resistance is a
  • Bridging arrangement 120, 145 assigned which is designed to reduce the resistance value of the element 140 at an increase of the DC motor 150 associated speed n over a predetermined minimum speed n1.
  • the bridging arrangement 120, 145 are associated with a monitoring electronics 120 and a switching element 145, wherein the monitoring electronics 120 is adapted to control the switching element 145 in response to the rotational speed n of the DC motor 150 to reduce the resistance value of this element 140.
  • the fan is designed for connection to a solar module 115.
  • the element 140 is designed with a controllable resistance value in the manner of a ballast resistor.
  • the element 140 is designed with a controllable resistance value in the manner of a semiconductor switch, which is associated with a PWM control.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)

Abstract

Lüfter (100), welchem zu seinem Antrieb ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (150) zugeordnet ist. Dem Gleichstrommotor (150) sind ein Leistungsteil (154, 158) und eine Kommutierungssteuerung (130) zur Steuerung der Kommutierung des Leistungsteils (154, 158) zugeordnet. Ein Element (140) mit steuerbarem Widerstandswert ist vorgesehen, welches zwischen Kommutierungssteuerung (130) und Leistungsteil (154, 158) angeordnet ist, wobei der im Betrieb wirksame Widerstandswert dieses Elements (140) eine Funktion der Drehzahl des Gleichstrommotors (150) ist und beim Einschalten des Lüfters (100) einen hohen Wert aufweist, welcher bei zunehmender Drehzahl (n) des Gleichstrommotors (150) abnimmt, um einen vergrößerten Stromfluss zum Leistungsteil (154, 158) des Gleichstrommotors (150) zu ermöglichen.

Description

Lüfter
Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit einem elektronisch kommutierten
Gleichstrommotor zum Antrieb desselben.
Ein derartiger Lüfter kann zum Anschluss an ein Solarmodul vorgesehen sein und somit die Realisierung einer umweltfreundlichen und vom öffentlichen Stromnetz unabhängigen Belüftungsapplikation ermöglichen. Diese kann z. B. bei großen Außentemperaturen zur Belüftung von Dachstühlen Anwendung finden. Zum Antrieb des Lüfters wird hierbei in der Regel ein als einphasiger Motor mit
Reluktanzhilfsmoment ausgebildeter, bürstenloser Gleichstrommotor verwendet, der zum Anschuss an ein zugeordnetes Solarmodul ausgebildet ist.
Ein derartiger bürstenloser Gleichstrommotor hat keine konstante, sondern eine wellenförmige Stromaufnahme, welche bei der Kommutierung jeweils unterbrochen ist. Somit belastet der Gleichstrommotor auch das zugeordnete Solarmodul nicht konstant, so dass dessen Klemmenspannung im Betrieb ebenfalls nicht konstant ist. Hierbei ist die Klemmenspannung eine Funktion eines von dem Solarmodul erzeugten Stroms, welcher wiederum von der Auslegung bzw. Charakteristik des Solarmoduls abhängt. Falls das Solarmodul bei kleinen Beleuchtungsstärken von z. B. 0,2 Ix oder weniger lediglich einen kleinen Strom erzeugen kann, kann die von dem Solarmodul gelieferte Spannung schon bei leichter Belastung stark einbrechen, wie nachfolgend bei Fig. 6 und 7 beschrieben wird.
Fig. 6 zeigt beispielhafte Messdiagramme 600 von Klemmenspannungen 610 bzw. 640 eines Solarmoduls, welches an einen als einphasiger Motor mit
Reluktanzhilfsmoment ausgebildeten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor zum Antrieb eines Lüfters 102 angeschlossen ist und z. B. bei einer vergleichsweise geringen Beleuchtungsstärke von etwa 0,2 Ix beim Anlaufen des Gleichstrommotors betrieben wird. Das Solarmodul hat hier eine Leerlaufspannung von etwa 15 V, welche mit einem Bezugszeichen 615 gekennzeichnet ist. Die Klemmenspannungen U 610 bzw. 640 sind jeweils als Funktionen der Zeit t abgebildet, wobei die Klemmenspannung 640 im Vergleich zur Klemmenspannung 610 zur Verdeutlichung mit vergrößertem Maßstab gezeigt ist.
Die Klemmenspannung 610 bricht beim Anlauf des Gleichstrommotors bzw. des Lüfters auf einen mit 612 gezeigten Spannungswert von etwa 2 V ein und steigt in dem abgebildeten Zeitraum auf einen mit 614 gekennzeichneten Spannungswert von etwa 3,8 V an. Bei Kommutierungspausen steigt die Klemmenspannung 610 jeweils auf die Leerlaufspannung 615 des Solarmoduls an, woraus sich Spannungsspitzen ergeben. Vier derartige Spannungsspitzen sind mit den Bezugszeichen 622, 624, 626, 628 gekennzeichnet. Zur Glättung dieser Spannungsspitzen kann das
Solarmodul mit einem Kondensator 117 verschaltet werden, z. B. mit einem 100 F Kondensator. Dies führt ausgehend von der Klemmenspannung 610 zu einem Spannungsverlauf ohne die Spannungsspitzen, welcher in Fig. 6 als
Klemmenspannung 640 gezeigt ist.
In Fig. 7 ist beispielhaft ein Messdiagramm 700 einer geglätteten Klemmenspannung 710 gezeigt. Diese entspricht der Klemmenspannung 640 von Fig. 6, welche über einen größeren Zeitraum dargestellt ist.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen, dass die Klemmenspannung des Solarmoduls beim
Anlaufen des Gleichstrommotors und somit des Lüfters bei einer vergleichsweise geringen Beleuchtungsstärke von etwa 0,2 Ix unabhängig von der Verwendung des Kondensators 117 jeweils auf etwa 2 V einbricht. Zum sicheren Betrieb einer dem Motor 150 zugeordneten Motorelektronik 130 ist jedoch eine Betriebsspannung von mindestens 6 V erforderlich, sodass ein sicheres Anlaufen des Gleichstrommotors 150 unter Verwendung des Solarmoduls 110 bei geringen Beleuchtungsstärken nicht gewährleistet werden kann.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Lüfter zum Anschluss an ein Solarmodul bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lüfter gemäß Anspruch 1. Hierbei wird die Stromaufnahme des Gleichstrommotors beim Anlauf begrenzt. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Einbrechen einer vom Solarmodul bereitgestellten Betriebsspannung insbesondere beim Anlaufen des Motors sicher und zuverlässig verhindert werden. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden
Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Schaltung 100 eines Lüfters 102 mit einem Solarmodul 115 und einem Vorschaltwiderstand 140 gemäß einer
Ausführungsform;
Fig. 2 beispielhafte Messdiagramme der Drehzahl n des Lüfters von Fig. 1 sowie einer Klemmenspannung U des Solarmoduls 1 5 von Fig. 1 im Betrieb des Lüfters von Fig. 1 ;
Fig. 3 beispielhafte Messdiagramme der Motordrehzahl n des Lüfters sowie der
Klemmenspannung U des Solarmoduls 115 von Fig. 1 im Betrieb des Lüfters von Fig. 1 , bei Überbrückung des Vorschaltwiderstands 140 von Fig. 1 nach Erreichen einer vorgegebenen Mindestmotordrehzahl n1 ;
Fig. 4 ein beispielhaftes Messdiagramm zur Verdeutlichung von Arbeitspunkten des Solarmoduls 115 von Fig. 1 ;
Fig. 5 eine beispielhafte Realisierung eines Lüfters 500 mit dem Solarmodul 115 und dem Vorschaltwiderstand 140 von Fig. 1 ;
Fig. 6 beispielhafte Messdiagramme der Klemmenspannung U eines zum
Anschluss an einen Lüfter vorgesehenen Solarmoduls;
Fig. 7 ein weiteres beispielhaftes Messdiagramm der Klemmenspannung U eines zum Anschluss an einen Lüfter vorgesehenen Solarmoduls,
Fig. 8 ein Schaltbild analog Fig. 1 , und
Fig. 9 Schaubilder zur Erläuterung von Fig. 8. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Schaltung 100 eines Lüfters 100 mit einem von einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 150 angetriebenen Lüfterrad 102. Der Lüfter 100 ist zum Betrieb an einer Gleichspannungsquelle 110 vorgesehen, welche gemäß einer Ausführungsform mit mindestens einem Solarmodul 115 ausgebildet wird. Dieses erzeugt eine Gleichspannung U, welche an zugeordneten Anschlussklemmen 112,
114 dem Gleichstrommotor 150 als Betriebsspannung bereitgestellt wird. Da diese Klemmenspannung U wie oben bei Fig. 6 beschrieben Spannungsspitzen aufweisen kann, ist parallel zum Solarmodul 115 ein Kondensator 117 zur Glättung der
Klemmenspannung U angeordnet. Dieser ist z. B. ein 100 F Pufferkondensator, welcher an den Anschlussklemmen 112, 114 angeschlossen ist.
Der Gleichstrommotor 150 hat illustrativ einen mit dem Lüfterrad 102 verbundenen, permanentmagnetischen Rotor 152, einen Leistungsteil 154, 158 zum Antrieb des Rotors 152, und eine Kommutierungssteuerung (COMMUT) 130 zur Steuerung der Kommutierung des Leistungsteils 154, 158. Gemäß einer Ausführungsform hat das Leistungsteil 154, 158 einen Stator 154 mit einer Wicklungsanordnung 155, sowie eine Endstufe 158. Die Wicklungsanordnung 155 hat beispielhaft einen einzelnen Statorstrang 156, jedoch eignet sich die Erfindung auch für mehrsträngige Motoren. Die Endstufe 158 wird beispielhaft mit einem als NPN-Transistor 159 ausgebildeten Halbleiterschalter realisiert und dient zur Steuerung eines in dem Statorstrang 156 fließenden Stroms.
Der Statorstrang 156 ist einerseits mit der Anschlussklemme 114 des Solarmoduls
115 und andererseits mit dem Emitter des NPN-Transistors 159 verbunden, dessen Basis mit der Kommutierungssteuerung 130 verbunden ist. Diese erzeugt in
Abhängigkeit von Rotorstellungssignalen rot pos Kommutierungssignale commut für den NPN-Transistor 159, um im Betrieb des ECM 150 einen der
Wicklungsanordnung 155 von der Gleichspannungsquelle 110 zugeführten Strom in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors 152 zu steuern.
Der Kollektor des Transistors 159 ist über ein Element 140 mit steuerbarem
Widerstandswert mit der Kommutierungssteuerung 130 verbunden. Letztere ist derart mit dem Solarmodul 115 verschaltet, dass dessen Klemmenspannung U als Betriebsspannung an der Kommutierungssteuerung 130 anliegt.
Das zwischen Kommutierungssteuerung 130 und Leistungsteil 154, 158 angeordnete Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert, welches beispielhaft nach Art eines Vorschaltwiderstands ausgebildet ist, dient dazu, eine am ECM 150 insbesondere beim Anlaufen angelegte Spannung maximal auf eine Spannung zu reduzieren bzw. zu begrenzen, welche zum Anlaufen des ECM 150 erforderlich ist. Hierzu ist der im Betrieb des Lüfters wirksame Widerstandswert des Vorschaltwiderstands 140 gemäß einer Ausführungsform eine Funktion einer jeweiligen Drehzahl n des Rotors 152 bzw. des Gleichstrommotors 150 und hat beim Einschalten des Lüfters einen hohen Wert, welcher bei zunehmender Drehzahl abnimmt. Somit kann ein höherer Strom i zum Leistungsteil 154, 158 bei zunehmender Drehzahl fließen.
Dem Vorschaltwiderstand 140 ist hier eine Überbrückungsanordnung 120, 145 zugeordnet, welche beispielhaft eine Überwachungselektronik (CTRL) 120 mit einem Mikrocontroller (pC) 122, sowie ein Schaltelement 145 aufweist. Das Schaltelement 145 ist über eine Steuerleitung 124 mit der Überwachungselektronik 120 verbunden, welche derart mit dem Solarmodul 115 verschaltet ist, dass dessen
Klemmenspannung U als Betriebsspannung an der Überwachungselektronik 120 anliegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Überwachungselektronik 120 dazu
ausgebildet, das Schaltelement 145 in Abhängigkeit von der z. B. mit dem
Mikrocontroller 122 ausgewerteten Ist-Drehzahl n des ECM 150 zur Verkleinerung oder Vergrößerung des Widerstandswerts des Vorschaltwiderstands 140 über die Steuerleitung 124 anzusteuern. Hierbei wird der wirksame Widerstandswert des Vorschaltwiderstands 140 von der Überwachungselektronik 120 z. B. beim Ansteigen der Ist-Drehzahl n über eine vorgegebene Mindestdrehzahl (n1 in Fig. 3) verkleinert und beim Absinken der Drehzahl n unter die Mindestdrehzahl (n1 in Fig. 3) vergrößert.
Illustrativ ist das Schaltelement 145 nach Art eines Schalters ausgebildet, welcher parallel zum Element 140 angeordnet ist. Dieser Schalter 145 kann z. B. beim
Ansteigen der Drehzahl n über die vorgegebene Mindestdrehzahl (n1 in Fig. 3) geschlossen werden, sodass das Element 140 überbrückt wird und dessen wirksamer Widerstandswert somit auf Null gesetzt wird.
Ein Betrieb des Lüfters mit deaktivierter Überbrückungsanordnung 120, 145 wird nachfolgend bei Fig. 2 und ein Betrieb mit aktivierter Überbrückungsanordnung wird unten bei Fig. 3 beschrieben.
Fig. 2 zeigt illustrative Messdiagramme 200, welche einen Drehzahlverlauf 210 des ECM 150 von Fig. 1 und einen Spannungsverlauf 220 der Klemmenspannung U des Solarmoduls 115 beim Anlauf für den Fall zeigen, dass der Lüfter 100 ohne die Überbrückungsanordnung 120, 145 von Fig. 1 realisiert wird. Der Drehzahlverlauf 210 zeigt auf einer Ordinate 215 abgebildete Drehzahlwerte n über der auf der Abszisse 232 abgebildeten Zeit t. Der Spannungsverlauf 220 zeigt auf einer Ordinate 225 abgebildete Spannungswerte U über der auf einer Abszisse 234 abgebildeten Zeit t. Hierbei wird von einer geringen Beleuchtungsstärke des Solarmoduls 115 von etwa 0,2 Ix ausgegangen.
Im Betrieb liegt beim Anlauf des ECM 150 zunächst die vom Solarmodul 115 erzeugte Klemmenspannung U an der Kommutierungssteuerung 130 an. Am
Leistungsteil 154, 158 liegt eine geringere Spannung, da die Klemmenspannung U hier durch den Vorschaltwiderstand 140 reduziert wird, sodass insgesamt die am Solarmodul 115 anliegende Last verringert wird.
Bei diesem Beispiel ist die geringere Spannung, welche am Leistungsteil 54, 158 anliegt, ausreichend, um von dem ECM 150 in Drehungen des Rotors 152 umgesetzt zu werden. Hierbei wird ein entsprechender Stromfluss durch den Statorstrang 156 durch die Kommutierungssignale commut von der Kommutierungssteuerung 130 gesteuert.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ergibt sich bereits im Anlauf-Augenblick des ECM 150 bei der vergleichsweise geringen Beleuchtungsstärke von 0,2 Ix eine mit 240
gekennzeichnete, beispielhafte Klemmenspannung U von mehr als 15 V. Da zum sicheren Anlaufen des Gleichstrommotors 150 wie oben beschrieben eine
Mindestbetriebsspannung U von zumindest 6 V zum Betrieb der
Kommutierungssteuerung 130 erforderlich ist, kann somit durch die Bereitstellung einer Klemmenspannung von mehr als 15 V ein sicheres Anlaufen gewährleistet werden.
Fig. 3 zeigt Messdiagramme 300, welche einen Drehzahlverlauf 310 des
Gleichstrommotors 150 von Fig. 1 und einen Spannungsverlauf 320 der
Klemmenspannung U des Solarmoduls 115 von Fig. 1 beim Anlaufen des Lüfters von Fig. 1 für den Fall zeigen, dass der Lüfter mit der Überbrückungsanordnung 120, 145 von Fig. 1 realisiert wird. Der Drehzahlverlauf 310 zeigt auf einer Ordinate 315 abgebildete Drehzahlwerte n über der auf einer Abszisse 332 abgebildeten Zeit t. Der Spannungsverlauf 320 zeigt auf einer Ordinate 325 abgebildete Spannungswerte U über der auf der Abszisse 334 abgebildeten Zeit t. Hierbei wird beispielhaft von einer geringen Beleuchtungsstärke des Solarmoduls 1 15 von Fig. 1 von etwa 0,2 Ix ausgegangen.
Im Betrieb des Lüfters 100 mit der Überbrückungsanordnung 120, 145 liegt beim Anlaufen des Gleichstrommotors 150 zunächst die vom Solarmodul 1 15 erzeugte Klemmenspannung U an der Kommutierungssteuerung 130 an, während am
Leistungsteil 154, 158 eine geringere Spannung anliegt, wie oben bei Fig. 2 beschrieben. Diese ist für den Gleichstrommotor 150 ausreichend, um in Drehungen des Rotors 152 umgesetzt zu werden, wobei der Stromfluss durch den Statorstrang 156 durch die Kommutierungssignale commut von der Kommutierungssteuerung 130 gesteuert wird.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ergibt sich bei diesem Beispiel bereits im Anlaufmoment des Gleichstrommotors 150 bei einer geringen Beleuchtungsstärke von z. B. 0,2 Ix eine mit 340 gekennzeichnete, beispielhafte Klemmenspannung U_B, welche ähnlich wie bei Fig. 2 mehr als 15 V beträgt. Bei Erreichen einer vorgegebenen
Mindestdrehzahl n1 wird die Überbrückungsanordnung 120, 145 aktiv, wobei wie bei Fig. 1 beschrieben der Schalter 145 zum Überbrücken bzw. Kurzschließen des Vorschaltwiderstands 140 durch die Überwachungselektronik 120 geschlossen wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Mindestdrehzahl n1 derart vorgegeben, dass die Klemmenspannung U beim Überbrücken des Vorschaltwiderstands 140 nicht unter die Mindestbetriebsspannung von z. B. 6 V absinkt. Dies ist notwendig, da durch das Überbrücken bzw. Kurzschließen des Vorschaltwiderstands 140 auch am Leistungsteil 154, 58 die volle Klemmenspannung U_B anliegt, sodass insgesamt die am Solarmodul 115 anliegende Last vergrößert wird, wobei die Drehzahl des Gleichstrommotors 150 weiter ansteigt.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Mindestdrehzahl n1 1000 U/min und wird beim Anlaufen des Gleichstrommotors 150 zu einem Zeitpunkt t1 erreicht. Die
Klemmenspannung U sinkt beim Überbrücken zum Zeitpunkt t1 auf einen Wert U1 , welcher hier etwa 7,5 V beträgt, und steigt dann bei steigender Motordrehzahl n wieder auf etwa 15 V.
Gemäß einer Ausführungsform überwacht die Überwachungselektronik 120 oder deren Mikrocontroller 122 nicht nur die Drehzahl n des ECM 150, sondern auch die Klemmenspannung U des Solarmoduls 1 15. Falls diese beim Überbrücken des Vorschaltwiderstands 140 oder generell im Betrieb des Lüfters unter die
Mindestbetriebsspannung von 6 V fällt, kann die Überwachungselektronik 120 den Schalter 145 zur Entlastung des Solarmoduls 115 öffnen und den
Vorschaltwiderstand 140 somit aktivieren bzw. reaktivieren, um einen sicheren Betrieb des Lüfters 100 wie oben beschrieben zu gewährleisten.
Fig. 4 zeigt beispielhafte Messdiagramme 400, welche Leistungsverläufe 410 des am Solarmodul 1 15 von Fig. 1 betriebenen Lüfters von Fig. 1 für verschiedene Beleuchtungsstärken zeigen. Die Leistungsverläufe 410 haben jeweils auf einer Ordinate 402 abgebildete Leistungswerte P als Funktion von zugeordneten, auf der Abszisse 404 abgebildeten Werten der Klemmenspannung U von Fig. 1 bis 3.
Illustrativ ist ein für eine geringe Beleuchtungsstärke von etwa 0,2 Ix ermittelter Leistungsverlauf mit 415 gekennzeichnet.
In willkürlich ausgewählten Leistungsverläufen 410 sind beispielhaft verschiedene Arbeitspunkte des Lüfters bzw. des ECM 150 von Fig. 1 abgebildet. Z. B. hat der Leistungsverlauf 415 einen Startpunkt 422, an dem eine Anlaufphase des
Gleichstrommotors 150 gestartet wird. Dieser Startpunkt kennzeichnet eine Leistung, welche beispielhaft im Bereich eines mit 430 gekennzeichneten maximalen
Leistungspunkts (MPP = maximum power point) des Solarmoduls 115 liegt. Dieser gibt die bei der Beleuchtungsstärke von 0,2 Ix maximal aus dem Solarmodul 115 entnehmbare Leistung an. Es wird darauf hingewiesen, dass der Vorschaltwiderstand 140 gemäß einer
Ausführungsform dazu ausgebildet ist, einen Betrieb des Solarmoduls 1 15 bei geringen Beleuchtungsstärken, wie z. B. der Beleuchtungsstärke von 0,2 Ix, zumindest zu Beginn der Anlaufphase im Bereich des MPP zu gewährleisten, wie beispielhaft aus dem Leistungsverlauf 415 ersichtlich, um einen schnellen Anlauf des Lüfters 100 zu ermöglichen. Dies kann gemäß einer Ausführungsform durch
Verwendung eines sogenannten MPP-Trackers weiter verbessert werden.
Mit 424 ist eine Leistung gekennzeichnet, welche unmittelbar vor einem Überbrücken bzw. Kurzschließen des Vorschaltwiderstands 140 aus dem Solarmodul 1 15 entnommen wird und mit 426 eine Leistung, welche unmittelbar nach dem
Überbrücken bzw. Kurzschließen daraus entnommen wird. Nach dem Überbrücken bzw. Kurzschließen des Widerstands 140 von Fig. 1 wird maximal nur noch eine mit 428 gekennzeichnete Leistung aus dem Solarmodul 1 15 entnommen.
Fig. 4 zeigt die Reihenfolge, die der Motor 150 beim Start durchläuft. Beim Punkt 1 startet der ECM 150. Dadurch geht er zum Punkt 2, wo er z.B. mit etwa 1000 U/min rotiert. Dabei sinkt der Anlaufstrom, und die Spannung am Motor 150 steigt leicht an.
Der Punkt 3 wird erreicht, nachdem der Widerstand 140 überbrückt wurde. Hier steigt der Strom i stark an, aber die vom Solarpanel 1 10 gelieferte Spannung U bricht auf unter 12 V ein.
Dabei steigt die Drehzahl n des Motors 150, und dieser erreicht einen Arbeitspunkt 4, wie er bei dieser Sonneneinstrahlung und den übrigen Betriebsbedingungen erreichbar ist, wobei die dem Motor 150 zugeführte Leistung P etwa 2,5 W erreicht.
Auf diese Weise wird bei diesem Beispiel sicher gestellt, dass der Motor 150 auch bei schwacher Sonneneinstrahlung S starten kann. Wenn sich der Motor 150 erst einmal dreht, setzt er seine Drehung gewöhnlich auch dann fort, wenn die Leistung des Solarpanels 1 0 kurzzeitig niedriger wird.
Fig. 5 zeigt einen Lüfter 500, als welcher der Lüfter 100 von Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform realisiert werden kann. Der Lüfter 500 hat das von einem ECM 550 angetriebene Lüfterrad 102 und ist wie der Lüfter nach Fig. 1 zum Betrieb an einer Gleichspannungsquelle 1 10 vorgesehen, welche mit mindestens einem Solarmodul 115 ausgebildet wird, an dessen Anschlussklemmen 112, 114 der Pufferkondensator 117 angeschlossen ist.
Der ECM 550 hat einen mit dem Lüfterrad 102 verbundenen,
permanentmagnetischen Rotor 152, einen Leistungsteil 554, 558 zum Antrieb des Rotors 152, und eine Kommutierungssteuerung (COMMUT) 530 zur Steuerung der Kommutierung des Leistungsteils 554, 558. Gemäß einer Ausführungsform hat das Leistungsteil 554, 558 einen Stator 554 mit einer Wicklungsanordnung 555 sowie eine Endstufe 558. Die Wicklungsanordnung 555 hat zwei Statorstränge 556, 557, durch die im Betrieb des Lüfters 500 zugeordnete Motorströme i1 und i2 fließen. Die Endstufe 558 wird beispielhaft mit Halbleiterschaltern 553, 559 ausgebildet, welche den Statorsträngen 556, 557 zugeordnet sind und hier mit n-Kanal MOSFET- Transistoren realisiert werden, welche zugeordnete Freilaufdioden aufweisen und zur Beeinflussung der in den Statorsträngen 556, 557 fließenden Ströme i1 und i2 dienen.
Das Leistungsteil 554, 558 und der Vorschaltwiderstand 140 sind derart mit dem Solarmodul 115 verschaltet, dass an der Endstufe 558, der Wicklungsanordnung 555 und dem Vorschaltwiderstand 140 die Klemmenspannung U als Betriebsspannung anliegt. Hierbei ist der Statorstrang 556 einerseits mit dem Drain-Anschluss des MOSFET-Transistors 553 und andererseits über den Vorschaltwiderstand 140 mit der Anschlussklemme 112 bzw. der Kommutierungssteuerung 530 verbunden, welche ihrerseits mit dem Gate-Anschluss des Transistors 553 verbunden ist und in Abhängigkeit von Rotorstellungssignalen rot_pos Kommutierungssignale commutl für den Transistor 553 erzeugt. Darüber hinaus ist die Kommutierungssteuerung 530 derart an das Solarmodul 115 angeschlossen, dass dessen Klemmenspannung U als Betriebsspannung an der Kommutierungssteuerung 530 anliegt. Der Source- Anschluss des MOSFET-Transistors 553 ist mit der Anodenseite einer
Fußpunktdiode 590 verbunden, deren Kathodenseite mit der Anschlussklemme 114 bzw. Masse GND verbunden ist.
Der Statorstrang 557 ist einerseits mit dem Drain-Anschluss des MOSFET- Transistors 559 und andererseits über den Vorschaltwiderstand 140 mit der
Anschlussklemme 112 bzw. der Kommutierungssteuerung 530 verbunden, welche ihrerseits mit dem Gate-Anschluss des Transistors 559 verbunden ist und in
Abhängigkeit von den Rotorstellungssignalen rot_pos Kommutierungssignale commut2 für den Transistor 559 erzeugt. Der Source-Anschluss des MOSFET- Transistors 559 ist ebenfalls mit der Anodenseite der Fußpunktdiode 590 verbunden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Funktionsweise eines derart aufgebauten zweisträngigen Gleichstrommotors dem Fachmann hinreichend bekannt ist. Deshalb wird hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung der Funktionsweise des ECM 550 verzichtet.
Dem Vorschaltwiderstand 140 ist eine optionale Überbrückungsanordnung 520, 545 zugeordnet, welche beispielhaft einen PWM-(Pulsweitenmodulations-) Generator (PWM) 520 und ein Schaltelement 545 aufweist. Das Schaltelement 545 ist über eine Steuerleitung 524 mit dem PWM-Generator 520 verbunden, welcher derart mit dem Solarmodul 1 5 verschaltet ist, dass dessen Klemmenspannung U_B auch an dem PWM-Generator 520 als Betriebsspannung anliegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltelement 545 nach Art eines
Halbleiterschalters, illustrativ nach Art eines p-Kanal MOSFET-Transistors 545 mit einer zugeordneten Freilaufdiode ausgebildet. Sein Gate-Anschluss ist über eine Steuerleitung 524 mit einem PWM-Generator 520 verbunden, welcher im Betrieb PWM-Signale mit einer Frequenz von z. B. etwa 25 bis 30 KHz zur Steuerung des Transistors 545 erzeugt.
Im Betrieb des Lüfters 500 steuert der PWM-Generator 520 den MOSFET-Transistor 545 über die Steuerleitung 524 in Abhängigkeit von einer jeweiligen Ist-Drehzahl n des Gleichstrommotors 550 zur Verkleinerung oder Vergrößerung des steuerbaren Widerstandswerts des Vorschaltwiderstands 140 an. Hierbei kann der MOSFET- Transistor 545 variabel gesteuert werden, um den wirksamen Widerstandswert des Vorschaltwiderstands 140 beim Ansteigen der Ist-Drehzahl n über eine vorgegebene Mindestdrehzahl (n1 in Fig. 3) zu verkleinern. Beim Absinken der Ist-Drehzahl n unter diese Mindestdrehzahl (n1 in Fig. 3) kann der MOSFET-Transistor 545 zumindest teilweise sperrend geschaltet werden, um den wirksamen Widerstandswert des Vorschaltwiderstands 140 zu vergrößern.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaften Charakter haben und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen sind. Vielmehr sind auch andere Realisierungen möglich, bei welchen eine Reduzierung einer am Solarmodul 1 15 von Fig. 1 und 5 anliegenden Last beim Anlaufen des Gleichstrommotors 150 bzw. 550 erreichbar ist. Z. B. kann in Fig. 5 der MOSFET-Transistor 545 zur Realisierung des Vorschaltwiderstands 140 verwendet werden, wobei der Transistor 545 derart ausgebildet sein kann, dass er bei einem an seinem Gate anliegenden PWM-Signal mit vergleichsweise kurzen PWM-Pulsen einen großen wirksamen Widerstandswert aufweist und bei vergleichsweise langen PWM-Pulsen einen niedrigen wirksamen Widerstandswert. Alternativ hierzu kann ein Transistor im Linearbetrieb Anwendung finden.
Fig. 8 zeigt die Erfindung in Form eines Übersichts-Schaltbilds. Es werden dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1 .
Das Solarpanel 1 10 speist eine positive Leitung 1 12 und eine negative Leitung 1 14, zwischen denen der Kondensator 117 (ca. 100 oder mehr) angeordnet ist.
Zwischen den Leitungen 112, 1 14 liegt die variable Spannung U, die unter anderem eine Funktion der Sonneneinstrahlung S auf das Solarpanel 100 ist. Die Spannung U wird der Kommutierungssteuerung COM 130 zugeführt, welche zu ihrem sicheren Betrieb eine Mindestspannung benötigt, hier z.B. 6 V. Ferner wird die Spannung U einer Überwachungsschaltung CTL 120 zugeführt, und sie wird, über einen
Serienwiderstand 140, dem elektronisch kommutierten Motor (ECM) 150 zugeführt, der im Betrieb das Lüfterrad 102 antreibt. Die Spannung U ist also auch eine
Funktion der Drehzahl n des Motors 150. Der ECM 150 hat einen Leistungsteil 158.
Der ECM 150 liefert der Kommutierungssteuerung 130 über eine Leitung 132 ein Signal rotpos für die augenblickliche Rotorstellung des ECM 150, und die
Kommutierungssteuerung COM 130 erzeugt hieraus an einer Leitung 134 ein Signal commut für die Kommutierung des ECM 150, das dem Leistungsteil 158 zugeführt wird. Über eine Leitung 159 wird der Überwachungsschaltung 120 ein Signal für die Drehzahl n des ECM 150 zugeführt.
Parallel zum Widerstand 140 liegt ein Schalter 145. Das kann z.B. ein kleines Relais sein, oder ein elektronischer Schalter 545, wie er beispielhaft in Fig. 5 dargestellt ist und der im Betrieb mit variablem Tastverhältnis pwm schnell aus- und eingeschaltet wird, abhängig von der Größe der Spannung U. Wenn diese niedrig ist, z.B. bei geringer Sonneneinstrahlung S, bleibt der Schalter 145 (bzw. 545) hauptsächlich nichtleitend, damit die Kommutierungssteuerung 130 eine genügend hohe Betriebsspannung erhält.
Fig. 9 zeigt den Anlauf des ECM 150. Dabei ist zu beachten, dass der Anlauf bei starker Sonneneinstrahlung S kein Problem ist, sondern nur bei schwacher
Sonneneinstrahlung.
In Fig. 9 wird zum Zeitpunkt t1 der ECM 150 eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist n = 0, d.h. der Motor 150 dreht sich nicht . Ab t1 fließt ein niedriger Strom i zum Motor 150, da der Schalter 145 nicht leitend ist.
Die Drehzahl n des Motors 150 steigt wegen der niedrigen Spannung nur langsam an, wobei durch Reibung der Anstieg ungleichmäßig sein kann, da die Leistung des Motors 150 wegen der niedrigen Spannung niedrig ist.
Zum Zeitpunkt t2 wird eine vorgegebene Drehzahl erreicht, z.B. 800 U/min. Die
Zeitspanne
Ta = t2 - 11
wird überwacht. Wenn sie kleiner ist als eine vorgegebene Zeitspanne von z.B. 15 Sekunden, ist der Anlauf erfolgreich.
Wenn anschließend der Motor 150 z.B. die Drehzahl 1000 U/min erreicht, wird in Fig. 8 der Schalter 145 leitend gemacht. (Alternativ wird in Fig. 5 der Transistor 545 ständig leitend gesteuert.) Dadurch wird der Motor 150 auf maximale Leistung umgeschaltet, und seine Drehzahl steigt z.B. auf 2000 U/min. Diese Drehzahl hängt u.a. davon ab, wie viel Leistung das Solarpanel 110 im Augenblick abgeben kann.
Wenn die Zeitspanne Ta länger ist als die vorgegebene Zeit, also im Beispiel länger als 15 Sekunden, wird der Motor 150 durch die Kommutierungssteuerung 130 abgeschaltet, und nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit von z.B. 20 Sekunden folgt ein neuer Startversuch.
Die Figuren und die Beschreibung zeigen einen Lüfter 100, welcher zu seinem Antrieb einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 150 aufweist, welchem ein Leistungsteil 154, 158 und eine Kommutierungssteuerung 130 zur Steuerung der Kommutierung des Leistungsteils 154, 158 zugeordnet sind, ferner mit einem Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert, welches zwischen
Kommutierungssteuerung 130 und Leistungsteil 154, 158 angeordnet ist, wobei der im Betrieb wirksame Widerstandswert dieses Elements 140 eine Funktion der Drehzahl des Gleichstrommotors 150 ist und beim Einschalten des Lüfters 100 einen hohen Wert aufweist, welcher bei zunehmender Drehzahl n des Gleichstrommotors 150 abnimmt, um bei zunehmender Drehzahl n einen vergrößerten Stromfluss zum Leistungsteil 154, 158 des Gleichstrommotors 150 zu ermöglichen.
Bevorzugt ist das Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert dazu ausgebildet, eine am Leistungsteil 154, 158 angelegte Betriebsspannung U etwa auf eine
Mindestspannung zu begrenzen, welche zum Anlauf des Gleichstrommotors 150 erforderlich ist.
Bevorzugt weist der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 150 einen permanentmagnetischen Rotor 152 und einen Stator 154 auf, welchem eine über die Kommutierungssteuerung 130 ansteuerbare Wicklungsanordnung 155 zugeordnet ist, welche Kommutierungssteuerung 130 dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Gleichstrommotors 50 einen der Wicklungsanordnung 155 von der
Gleichspannungsquelle 10 zugeführten Strom in Abhängigkeit von einer
Drehstellung rot_pos des Rotors 152 zu steuern.
Bevorzugt ist dem Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert eine
Überbrückungsanordnung 120, 145 zugeordnet, welche dazu ausgebildet ist, bei einem Ansteigen einer dem Gleichstrommotor 150 zugeordneten Drehzahl n über eine vorgegebene Mindestdrehzahl n1 den Widerstandswert des Elements 140 zu verkleinern.
Bevorzugt sind der Überbrückungsanordnung 120, 145 eine Überwachungselektronik 120 und ein Schaltelement 145 zugeordnet, wobei die Überwachungselektronik 120 dazu ausgebildet ist, das Schaltelement 145 in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Gleichstrommotors 150 zur Verkleinerung des Widerstandswerts dieses Elements 140 anzusteuern.
Bevorzugt wird nach dem Einschalten die Größe des Differenzials des Anstiegs der Motordrehzahl n überwacht, und bei einem zu langsamen Anstieg des
Anlaufvorgangs wird abgebrochen. Bevorzugt ist der Lüfter zum Anschluss an ein Solarmodul 115 ausgebildet.
Bevorzugt ist das Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert nach Art eines Vorschaltwiderstands ausgebildet.
Bevorzugt ist das Element 140 mit steuerbarem Widerstandswert nach Art eines Halbleiterschalters ausgebildet, dem eine PWM-Steuerung zugeordnet ist.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Lüfter (100), welcher zu seinem Antrieb einen elektronisch kommutierten
Gleichstrommotor (150) aufweist, welchem ein Leistungsteil (154, 158) und eine Kommutierungssteuerung (130) zur Steuerung der Kommutierung des
Leistungsteils (154, 158) zugeordnet sind, ferner mit einem Element (140) mit steuerbarem Widerstandswert, welches zwischen Kommutierungssteuerung (130) und Leistungsteil (154, 158) angeordnet ist;
wobei der im Betrieb wirksame Widerstandswert dieses Elements (140) eine Funktion der Drehzahl des Gleichstrommotors (150) ist und beim Einschalten des Lüfters (100) einen hohen Wert aufweist, welcher bei zunehmender
Drehzahl (n) des Gleichstrommotors (150) abnimmt, um bei zunehmender Drehzahl (n) einen vergrößerten Stromfluss zum Leistungsteil (154, 158) des Gleichstrommotors (150) zu ermöglichen.
2. Lüfter nach Anspruch 1 , bei welchem das Element (140) mit steuerbarem
Widerstandswert dazu ausgebildet ist, eine am Leistungsteil (154, 158) angelegte Betriebsspannung (U) etwa auf eine Mindestspannung zu begrenzen, welche zum Anlauf des Gleichstrommotors (150) erforderlich ist.
3. Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der
elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (150) einen
permanentmagnetischen Rotor (152) und einen Stator (154) aufweist, welchem eine über die Kommutierungssteuerung (130) ansteuerbare
Wicklungsanordnung (155) zugeordnet ist, welche Kommutierungssteuerung (130) dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Gleichstrommotors (150) einen der Wicklungsanordnung (155) von der Gleichspannungsquelle (110) zugeführten Strom in Abhängigkeit von einer Drehstellung (rot_pos) des Rotors (152) zu steuern.
4. Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem dem Element (140) mit steuerbarem Widerstandswert eine Überbrückungsanordnung (120, 145) zugeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei einem Ansteigen einer dem Gleichstrommotor (150) zugeordneten Drehzahl (n) über eine
vorgegebene Mindestdrehzahl (n1) den Widerstandswert des Elements (140) zu verkleinern.
5. Lüfter nach Anspruch 4, bei welchem der Überbrückungsanordnung (120, 145) eine Überwachungselektronik (120) und ein Schaltelement (145) zugeordnet sind, wobei die Überwachungselektronik (120) dazu ausgebildet ist, das Schaltelement (145) in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) des
Gleichstrommotors (150) zur Verkleinerung des Widerstandswerts dieses Elements (140) anzusteuern.
6. Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem nach dem Einschalten die Größe des Differenzials des Anstiegs der Motordrehzahl (n) überwacht wird, und bei einem zu langsamen Anstieg des Anlaufvorgangs abgebrochen wird.
7. Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zum Anschluss an ein Solarmodul (1 15) ausgebildet ist.
8. Lüfter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Element (140) mit steuerbarem Widerstandswert nach Art eines Vorschaltwiderstands ausgebildet ist.
9. Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Element (140) mit steuerbarem Widerstandswert nach Art eines Halbleiterschalters ausgebildet ist, dem eine PWM-Steuerung zugeordnet ist.
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