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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lüftereinheit mit einer vorgegebenen
künstlichen
Kennlinie und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Gebläses. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Lüftereinheit,
die mit konstantem Luftvolumen und/oder konstantem Betriebsdruck
betrieben werden kann.
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Eine
Lüftereinheit
oder auch Gebläseeinheit besteht
aus einem Lüfterrad,
das sich angetrieben durch einen Elektromotor mit einer Drehzahl
n dreht. Die Drehzahl n wird dabei meist mittels einer Motorsteuerung
gesteuert oder geregelt, die auch die Stromversorgung des Motors übernimmt.
Bei einem konventionellen Lüfter
ohne Drehzahlregelung stellt sich am Laufrad die Drehzahl ein, bei
der das Abgabedrehmoment des Motors gleich dem Aufnahmedrehmoment
des Laufrades ist. Mittels eines Gebläses kann Medium bestimmter
Dichte mit einem Luftvolumen V und einem Betriebsdruck p gefördert werden.
Die Größen p, V,
n und weitere elektrische Größen des
Motors können
durch Messungen ermittelt werden. Der Betriebsdruck p über das
Luftvolumen V lässt
sich in einer sogenannten Luftleistungskennlinie p = f (V) darstellen.
Die Größen p und
V, und damit auch die Funktion p = f(V), hängen wiederum von der Drehzahl
n ab. Für
jeden Lüfter
ergibt sich somit ein durch die Drehzahl n bestimmtes Kennlinienfeld
der Funktionen p = f(V). Bei einem Lüfter mit einer sogenannten
künstlichen
Kennlinie soll das Gebläse
eine vorgegebene p(V)-Kennlinie erreichen. Hierzu ist eine Regelung
der Drehzahl n genau so durchzuführen,
dass sich ein gewünschtes
Luftvolumen V oder ein gewünschter
Betriebsdruck p einstellt. Eine solche Regelung lässt sich
relativ einfach realisieren, wenn die Größen p und/oder V direkt am
Lüfter
gemessen und der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Hierzu
ist aber eine aufwendige Messung mittels kostspieliger Druck- und/oder Volumenstromsensoren
notwendig.
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Die
EP 1 039 139 B1 offenbart
ein Gebläse mit
einer vorgegebenen Kennlinie, bei dem strömungstechnische Gleichungen
des Lüfterrades
ausgewertet werden. Hierbei werden die Parameter Raddurchmesser,
Dichte des Fördermediums,
sowie weitere Gebläsekoeffizienten
und Motorkoeffizienten berücksichtigt.
Der Nachteil des beschriebenen Gebläses ist, dass für die Auswertung
der Gleichungen ein rechenstarker Mikrocontroller benötigt wird.
Die Regelung beinhaltet einen untergeordneten Drehzahlregelkreis
in Form eines PI- oder PID-Drehzahlreglers, der die Motordrehzahl
immer auf einen Drehzahlsollwert n
soll regelt.
Dadurch enthält
die aktuelle Motordrehzahl n
ist für die übergeordnete
Luftleistungsreglung keine zusätzliche
Information mehr. Das System muss deshalb den Motorstrom auswerten,
was jedoch nicht für
jede Art von Motor geeignet ist. Insbesondere bei Wechselstrom-Asynchronmotoren
kann dieses Verfahren versagen. Ein anderer Nachteil ergibt sich
aus dem verwendeten komplexen Gleichungssystem und der Kaskadenreglerstruktur
mit untergeordnetem Drehzahlregler. Durch diese Faktoren werden
die Reglerdynamik und die Reglergenauigkeit nachteilig beeinflusst.
Diese Faktoren erhöhen
die Herstellungskosten eines solchen Gebläses.
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Um
die Herstellungskosten eines solchen Gebläses gering zu halten, sollten
die folgenden Bedingungen erfüllt
sein:
- – Einsatz
von kostengünstigen
und robusten Motoren, vorzugsweise Asynchronmotoren, wie z.B. Kondensatormotoren.
- – Einsatz
von möglichst
wenigen und kostengünstigen
Sensoren, insbesondere keine Druck- und Luftvolumensensoren und
möglichst
kein Stromsensor.
- – Steuerung
durch kostengünstige
elektronische Bauteile. Eine stufenlose, elektronische Drehzahlstellung
eines Asynchronmotors ist am kostengünstigsten mit einer Phasenanschnittsteuerung zu
lösen.
Es ist eine Steuerung mit möglichst
einfachem Steuerungsalgorithmus zu verwenden. Ziel ist eine Realisierung
mit einem 8-bit low-end Mikrocontroller statt einem DSP. Für Systeme
mit mehreren Gebläsen
ist es vorteilhaft, die Steuerung zentral mit einem Mikrocontroller
zu lösen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lüftereinheit
und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen, mit der künstliche
strömungstechnische
Kennlinien realisierbar sind.
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Insbesondere
soll eine Lüftereinheit
mit einer vorgegebenen künstlichen
Kennlinie zur Verfügung gestellt
werden, die mit einer einfachen Reglerstruktur ohne Kaskadenregelung,
ohne eine Auswertung von komplizierten Gleichungssystemen, ohne
eine Auswertung von Gebläse-
und Motorkoeffizienten und ohne die Berechnung von Proportionalitätskonstanten
auskommt. Gleichzeitig soll eine einfache und kostengünstige Herstellung
und eine gute Reglerdynamik erreicht werden.
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Die
Lösung
der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
Verfahren sowie Lüftereinheiten
mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
erreicht.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in
den Unteransprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Betrieb einer Lüftereinheit
mit einem vorgegebenen konstanten Luftvolumen oder Betriebsdruck
vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, dass in der Motorsteuerung
für jede
gewünschte
Kennlinie konstanten Luftvolumens oder Betriebsdrucks eine zugehörigen Soll-Drehzahl,
nopt, des Motors und eine zum Erreichen
dieser Soll-Drehzahl benötigte
Motorspannung, UM, gespeichert sind, wobei
der Motor entsprechend dem vorgegebenen Luftvolumen bzw. Betriebsdruck mit
einer zugehörigen
Anfangs-Motorspannung betrieben wird. Im Betrieb wird die Drehzahl,
nist, des Motors gemessen und mit der der
aktuellen Motorspannung entsprechenden Soll-Drehzahl, nopt,
verglichen. Bei einer Abweichung der Drehzahl von der Soll-Drehzahl
wird der Motor mit der der Soll-Drehzahl entsprechenden Motorspannung
betrieben, wodurch das vorgegebene Luftvolumen bzw. der vorgegebene
Betriebsdruck aufrecht erhalten wird.
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Es
wird also vorgeschlagen, zur Regelung auf konstantes Luftvolumen
bzw. konstanten Betriebsdruck einen Motorparameter zu verwenden,
der besonders stark auf eine Änderung
des Arbeitspunktes des Lüfters
reagiert. Im Falle eines Asynchronmotors ist das vorzugsweise die
Drehzahl des Motors, bei einem Gleichstrommotor oder bei einem elektronisch
kommutierten Motor kann das aber auch der Motorstrom sein.
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Je
nach Anwendung des Lüfters
kann die nach dem Verfahren arbeitende Regelung ständig durchgeführt werden,
beispielsweise bei Anwendung in Klimaanlagen, wo sich der Luftkanal
permanent ändern
kann, oder insbesondere nur beim Einschalten des Lüfter durchgeführt werden,
wenn der Lüfter ständig in
verschiedenen Luftkanälen
mit unbekannter aber unveränderlicher
Charakteristik betrieben wird. Es kann aber auch vorgesehen sein,
dass die Regelung periodisch, beispielsweise einmal am Tag aktiviert
wird, um den Lüfter
an langsame Änderungen
des Luftkanals anzupassen.
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Weiterhin
ist eine Steuerung/Regelung denkbar, die einen Lüfter/Motor so steuert, dass
ein vorgegebener maximaler Lärmpegel
gerade nicht überschritten
wird. Dazu kann ein Mikrofon als Lärmsensor am Motor oder im Strömungskanal
vorgesehen sein.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschreiben. Aus den Zeichnungen
und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und
Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Kennlinienfeld eines Lüftermotors
bekannter Bauart;
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2 zeigt
eine Änderung
des Kennlinienfeldes entsprechend 1 bei einer Änderung
der Motorspannung;
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3a ist
eine beispielhafte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Regelung
für einen
phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotor, vorwärtsgekrümmtem Radiallüfter, und
konstantem Luftvolumen;
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3b zeigt
eine beispielhafte Ausführung einer
erfindungsgemäßen Regelung
für einen
phasenanschnittgesteuerten Asynchronmotor, vorwärtsgekrümmtem Radiallüfter, und
konstanter Druckerhöhung;
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4 ist
ein Beispiel für
eine Regelung gemäß 3a mit
zusätzlicher
Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung;
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5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Regelung
mit nur drei Zustandswerten;
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6 zeigt
ein komplettes Beispiel für
einen Lüftermotor
mit erfindungsgemäßer Motorsteuerung;
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7 zeigt
eine beispielhafte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Regelung
basierend auf einer Messung des Motorstromes bei einem elektronisch
kommutierten Motor mit Pulsweitenmodulation und Spannungskompensation.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung
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Lüftereinheit mit Asynchronmotor
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Für diese
Ausgestaltung können
beliebige Asynchronmotoren, wie Kondensatormotoren oder Asynchron-Drehstrommotoren
verwendet werden
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1 zeigt
ein Kennlinienfeld eines beispielhaften Kondensatormotors. Dargestellt
sind Drehzahl (n), Drehmoment (M) und Motorstrom (Imot).
Kurve 1 zeigt die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors. Diese
Motorkennlinie kann sehr einfach gemessen werden und mit ihrer Hilfe
aus der aktuellen Drehzahl das zugehörige Drehmoment bestimmt werden.
Lüfterräder haben
eine quadratische Lastkennlinie, das heißt, das notwendige Drehmoment, um
eine bestimmte Drehzahl zu erreichen, hängt quadratisch von dieser
Drehzahl ab. Kennt man einen Arbeitspunkt (n, M), ist dadurch die
gesamte Kennlinie definiert. In 1 sind einige
mögliche quadratische
Lastmomentkennlinien eines Lüfterrades
dargestellt. Kurve 2 zeigt die Lastkennlinie, die für den im
Beispiel gewählten
Motor die schwächste Belastung
bedeutet. Im Fall eines rückwärtsgekrümmten Radiallüfters entspricht
diese Kennlinie (Kurve 2) einem maximal gedrosseltem Luftkanal, das
heißt
die Druckerhöhung
ist maximal, das Luftvolumen ist minimal. Aus den Kennlinien entsprechend den
Kurven 1 und 2 ergibt sich ein Arbeitspunkt 3 für den Lüftermotor, in diesem Beispiel
n = 1100 min–1,
M = 28 Ncm. Kurve 4 stellt den drehzahlabhängigen Motorstrom dar. Imot ist im Falle eines Kondensatormotors
die Summe der Ströme
in der Hauptwicklung und in der Hilfswicklung. Im Arbeitspunkt 3
ist die Drehzahl n = 1100 min–1, deshalb ist der Motorstrom Kurve
4 entsprechend 600 mA (Arbeitspunkt 5).
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Bei
dem als Beispiel genommenen vorwärtsgekrümmten Radiallüfter entsteht
die größte Motorbelastung,
wenn der strömungstechnische
Widerstand des Luftkanals minimal ist, das heißt die Druckerhöhung ist
minimal, das Luftvolumen maximal. Diesem Zustand entspricht die
Lastkennlinie der Kurve 6. In diesem Fall arbeitet der Lüftermotor
im Arbeitspunkt 7, mit n = 500 min–1,
M = 20 Ncm. Der Motorstrom ist Imot = 740
mA.
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In 1 sind
zwischen den Lastkennlinien 2 und 6 auch noch fünf weitere Lastkennlinien und
die entsprechenden Arbeitspunkte dargestellt. Im welchem Arbeitspunkt
der Motor arbeitet, ist vom Luftkanal abhängig. Die am einfachsten messbaren,
den Motorarbeitspunkt kennzeichnenden Zustandsgrößen sind die Motordrehzahl
und der Motorstrom. Die Drehzahl kann sich mit dem als Beispiel
genommenen Lüfterrad
und Lüftermotor
zwischen 500 min–1 und 1100 min–1 ändern. Der
Motorstrom ändert
sich in einem wesentlich kleineren Bereich: zwischen 600 mA und
740 mA. Deshalb ist hier sinnvoll, die Drehzahl als hauptsächliche
Regelungsgröße für die Lüfterregelung
zu verwenden.
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Die
Motorkennlinie kann durch die Höhe
der Motorspannung beeinflusst werden. In der kostengünstigsten
Lösung
wird die Amplitude der Motorspannung mit einer Phasenanschnittsteuerung
beeinflusst. Eine Lösung
mit PWM-gesteuertem, getaktetem AC-Chopper, oder mit einem Frequenzumrichter
ist genauso möglich.
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2 zeigt
die Reaktion des Lüfters
auf die Änderung
des Phasenanschnittwinkels also der effektiven Motorspannung. Die
ursprüngliche
Drehzahl-Drehmoment-Kennline (Kurve 1) verschiebt sich bei der Erhöhung des
Phasenanschnittswinkels nach unten (Kurve 1*). Auf der Lastkennlinie
2 wandert dementsprechend der ursprüngliche Arbeitspunkt 3 nach
unten zum neuen Arbeitspunkt 3*. Das heißt, die Drehzahl reduziert
sich von 1200 min–1 auf ca. 1140 min–1,
also um 5%. Das Motordrehmoment reduziert sich von 50 Ncm auf 45
Ncm, also um 10%. Wie die neue Stromkennlinie 4* im Vergleich zur
ursprünglichen
Stromkennlinie 4 zeigt, bleibt der Motorstrom aber fast unverändert (Punkte
5 und 5* im Diagramm). Ähnlich
verhält
sich das System auch bei anderen Lastkennlinien, wie 2 an
zwei weiteren quadratischen Lastkennlinien zeigt. Das bedeutet, dass
in diesem Beispiel der Motorstrom ein ungeeigneter Parameter für die Zustandserfassung
des Lüfters
wäre. Mann
könnte
zwar das Motordrehmoment gut nutzen, seine Messung oder eine anderweitige Erfassung
würde die
Kosten, die Komplexität
und die Zuverlässigkeit
des Systems aber wesentlich verschlechtern. Deshalb basiert die
bevorzugte Lösung für Asynchron-Lüftermotoren
auf der Drehzahlerfassung.
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Schwankt
allerdings die Versorgungsspannung, beeinflusst das auch die Motorkennlinie.
Deshalb kann eine spannungsabhängige
Kompensation notwendig sein. Ein weiterer Störfaktor bleibt die Motortemperatur,
die die Motorkennlinie über
die temperaturabhängigen
Widerstandswerte wesentlich beeinflussen kann. Abhängig von
der zu erreichenden Regelgenauigkeit kann auch eine temperaturabhängige Kompensation
notwendig sein.
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Grundlage
der erfindungsgemäßen Regelung
für AC-Motoren
ist der Zusammenhang zwischen der Motorspannung, und Motordrehzahl.
Will man eine künstliche
strömungstechnische
Kennlinie erzeugen, z.B. eine druck- oder volumenkonstante Kennlinie, kann
man die für
die Erfüllung
der Sollbedingung notwendige Motorspannung und die dazu gehörige Motordrehzahl
theoretisch oder bevorzugt experimentell bestimmten. Zum Beispiel
will man das Luftvolumen konstant halten, ändert man zunächst den
Gegendruck. Dann passt man im Falle eines phasenanschnittgesteuerten
Asynchronmotors den Anschnittwinkel (Zündwinkel) solange an, bis das Luftvolumen
wieder stimmt. Schließlich
misst man die Motordrehzahl und speichert beide Werte ab. Daraus
ergibt sich eine Anschnittwinkel-Drehzahl-Funktion (Motorspannungs-Drehzahl-Funktion) für die gewünschten
Arbeitspunkte. Bei einem getakteten AC-Chopper wird sinngemäß statt
dem Anschnittwinkel der PWM-Wert, bei einem Frequenzumrichter die
Frequenz anstelle des Anschnittwinkels gespeichert.
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Die
Regelung kennt ihren aktuellen Spannungssollwert (z.B. den Anschnittwinkel).
Falls sie die Drehzahl erfassen kann, ist sie in der Lage, die Drehzahl
mit dem gespeicherten optimalen Drehzahlwert zu vergleichen. Die
Werte können
tabellarisch (mit oder ohne Interpolation) oder mit einer geeigneten
mathematischen Funktion (z. B. Polynom) in der Regelung vorgegeben
sein. Entspricht die aktuelle Drehzahl der vorgegebenen, arbeitet
der Lüfter in
dem gewünschten
Arbeitspunkt. Ist eine Abweichung vorhanden, muss die Regelung eingreifen.
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Ist
die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinienschar des gesteuerten, z.B. phasenanschnittgesteuerten
Motors, und die Kennlinie des Gebläses bekannt, kann die gewünschte Funktion
auch aus der vorgegebenen künstlichen
Kennlinie berechnet werden. Ein übergeordneter
Rechner, z.B. Personal-Computer,
der entweder ständig
zur Verfügung steht
oder nur für
die Inbetriebnahme des Systems verwendet wird, kann diese Berechnungen
einfach durchführen.
Besitzt die Motorsteuerung (z.B. Mikrocontroller) einen Buskommunikationskanal
(z.B. RS232 oder CAN), können
die berechneten Werte über
den Buskommunikationskanal übertragen
(als Tabellenwerte, Polynom-Faktoren, u.s.w.) und die künstliche
Kennlinie auch online geändert
werden. Hat die Motorsteuerung genug Speicherplatz und Rechenkapazität kann sie
die Berechnungen auch selber, ohne externen Rechner durchführen.
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Im
Falle einer Phasenanschnittsteuerung kann die Regelung durch die Änderung
des Anschnittwinkels die Motorkennlinie beeinflussen. Die einzige
Information, die die Regelung braucht, ist diejenige, ob der Anschnittwinkel
verkleinert oder vergrößert werden
muss. Das kann für
den ganzen Bereich, in Abhängigkeit
von der Druck-Volumen-Kennlinie des Gebläses bestimmt und vorgegeben
werden. Ist dieser Zusammenhang eindeutig, gilt diese Richtung für den ganzen
Stellbereich. Das heißt,
die Motorsteuerung (in einer günstigen
Ausführung
ein low-cost-Mikrocontroller) vergleicht die zum aktuellen Phasenanschnittwinkel
gehörende
ideale Drehzahl mit der aktuellen Drehzahl. Ist die aktuelle Drehzahl kleiner
als die ideale Drehzahl, vergrößert oder
verkleinert sie den Anschnittwinkel, abhängig von der vorgegebenen Regelungsrichtung.
Ist die aktuelle Drehzahl größer als
die ideale Drehzahl, reagiert sie umgekehrt.
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Die
Regelung selbst kann nach verschiedenen regelungstechnischen Prinzipien
funktionieren. Eine Möglichkeit
ist die Verwendung eines P- oder PI-Regelkreises gemäß 3a und 3b.
Ein Drehzahlsensor 10 liefert die aktuelle Drehzahl nist des Motors. Aus dem Istwert der Drehzahl
nist und einem Sollwert nopt wird
ein Fehlersignal Δn
= nopt – nist gebildet, das als Stellgröße für einen
PI-Regler 11 dient. Der PI-Regler 11 regelt die
Motorspannung, hier durch eine Änderung
des Phasenanschnittwinkels α,
in Abhängigkeit
der Stellgröße Δn. Aus dem aktuellen
Phasenanschnittwinkel wird in Block 12 entsprechend einer
Tabelle oder einer mathematischen Funktion der optimale Sollwert
nopt = f(α)
für die Drehzahl
in Abhängigkeit
des Phasenanschnittwinkels α abgeleitet.
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Die
Polarität
der Fehlerbildung: Δn
= nopt – nist wie bei 3a bzw. Δn = nist – nopt wie bei 3b ist vom
Lüftertyp
und von der gewünschten
Lüfterkennlinie
abhängig.
Erhöht
sich zum Beispiel der Strömungswiderstand
im Luftkanal, bedeutet das, dass das Luftvolumen zurückgeht und
gleichzeitig die Druckerhöhung
größer wird.
Bei einem vorwärtsgekrümmten Radiallüfter reduziert
sich dabei die Motorbelastung. Als Folge erhöht sich die Motordrehzahl. Möchte man
zum Beispiel einen Lüfter
mit konstantem Luftvolumen realisieren, müsste man die Drehzahl erhöhen, um
das reduzierte Luftvolumen zu kompensieren. Bei einem phasenanschnittgesteuerten
Asynchronmotor muss man dazu den Phasenanschnittwinkel erniedrigen
und damit die effektive Motorspannung erhöhen. Hier gilt also die Reglerstruktur
nach 3a. Wenn die gemessene Motordrehzahl steigt, muss
der Phasenanschnittwinkel α reduziert
werden.
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Anders
ist es bei einem Regelkreis für
konstante Druckerhöhung.
Da im besagten Beispiel der Druck größer geworden ist, muss man
die Motordrehzahl reduzieren, um den Druck auf den gewünschten Wert
zurückzufahren.
Dazu muss man die Motorspannung reduzieren, also den Phasenanschnittwinkel
erhöhen.
Hier gilt also die Reglerstruktur nach 3b. Wenn
die gemessene Motordrehzahl steigt, muss der Phasenanschnittwinkel α erhöht werden.
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Die
Drehzahl wird durch einen Drehzahlsensor erfasst, der z.B. durch
einen im Rotor befestigten kleinen Magneten und einen im Stator
befestigten Hallsensor realisiert werden kann. Es sind aber naturgemäß auch alle
anderen Drehzahlsensoren anwendbar. Die Regelung kann auch sensorlos
arbeiten, wenn die Drehzahl ohne unmittelbaren Drehzahlzensor, aus
den elektrischen Motorgrößen erfasst
wird. Solche Methoden sind z. B. bekannt aus der
DE 198 43 133 C2 oder der
DE 100 47 508 C1 .
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Wie
es in 4 dargestellt ist, kann der Regelkreis gemäß 3a durch
eine Spannungskompensation ergänzt
werden, um Schwankungen in der Versorgungsspannung UN des
Motors auszugleichen, wie sie beispielsweise in der Bordspannung von
Fahrzeugen auftreten. Die Höhe
der Versorgungsspannung wird mit einem Sensor 14 erfasst.
In einem Block 13 wird aus einer Tabelle oder einer mathematischen
Funktion der optimale Sollwert nopt = f(α, UN) für
die Drehzahl in Abhängigkeit
des Phasenanschnittwinkels α und
der Versorgungsspannung UN abgeleitet.
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Bei
einer spannungs- und/oder temperaturabhängigen Kompensation gemäß 4 müssen die Versorgungsspannung
und/oder die Motortemperatur durch einen Sensor 14 erfasst
werden. Dabei kann die Versorgungsspannung selber oder bei Wechselspannung
nur ihr Spitzenwert (z.B. durch Gleichrichtung) gemessen werden.
Besitzt der in der Motorsteuerung verwendete Mikrocontroller einen
integrierten A/D-Wandler, kann er ihn für diese Messung benutzen. Ist
dies nicht der Fall, kann man einen externen A/D-Wandler-Baustein
verwenden, oder durch einen internen oder externen analogen Komparator
einen A/D-Wandler software oder hardwaremäßig realisieren. Die Rotortemperatur
ist nur sehr aufwendig zu messen. Es kann aber ausreichen, die Statortemperatur
durch einen entsprechenden Sensor (z.B. NTC) zu erfassen. Die Kompensation
der idealen Drehzahlwerte kann tabellarisch oder analytisch in der
Regelung gespeichert werden.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Regelkreises mit einem Dreipunktregler 15, der nur drei
Zustände
annehmen kann. Je nach dem Vorzeichen der Stellgröße Δn = nopt – nist wird der Sollwert für den Anschnittwinkel α entweder
vergrößert, verkleinert
oder bleibt unverändert,
wobei die Änderungsgeschwindigkeit
aber konstant bleibt.
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6 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Drehzahlstellung eines Asynchronmotors 20 der
ein Lüfterrad 21 antreibt.
Der Motor 20 wird durch eine Motorsteuerung 22 gesteuert,
die eine Regeleinheit gemäß den 3 bis 5 umfassen
kann. Die aktuelle Drehzahl des Motors 20 wird durch den
Sensor 10 gemessen, der beispielsweise ein Hallsensor ist,
und der Motorsteuerung 22 zugeführt. In Abhängigkeit der Abweichung der
aktuellen Drehzahl nist von der Solldrehzahl
nopt wird nun der zugehörige Phasenanschnittwinkel α bestimmt
und direkt eine entsprechende Leistungsendstufe, z.B. eine Triac-Schaltung 23 angesteuert.
Die Motorsteuerung 22 kann alternativ einen Sollwert für die separate
Phasenanschnittsteuerung vorgeben. Mit einem Sensor 14 wird
die Höhe
der Versorgungsspannung UN (Wechselspannung)
gemessen und der Motorsteuerung 22 zugeführt. Mit
diesem Signal kann eine oben beschriebene Kompensation von Schwankungen
der Versorgungsspannung UN durchgeführt werden.
Mit einer weiteren Schaltung 24 werden die Nulldurchgänge der
Versorgungsspannung UN erfasst und der Motorsteuerung 22 zugeführt.
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Die
Motorssteuerung 22 zusammen mit der Leistungsstufe 23 kann
auch im Gehäuse
des Motors 20 integriert werden. So bilden die Elektronik,
der Motor und der Lüfter
eine kompakte Einheit.
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Das
vorgeschlagene System wurde in einer Ausführung dargestellt, bei der
ein Kondensatormotor angewendet wird. In ähnlicher Weise können aber auch
andere Motorarten, z.B. Spaltpolmotor, Asynchron-Drehstrommotor,
Gleichstrommotor oder ein- oder mehrsträngige, elektronisch kommutierte
Motoren, angewendet werden.
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Lüftereinheit mit elektronisch
kommutiertem Motor (EC-Motor)
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Im
Falle eines elektronisch kommutierten Motors erhält man die Rotorposition und
damit die Drehzahl zum Nulltarif, weil diese Information für die Kommutierung
benötigt
wird. Die Rotorposition kann dabei sensorbehaftet, z.B. durch Hall-Sensoren,
oder sensorlos durch Auswertung der EMK erfasst werden. Anderseits
reagiert die Drehzahl bei einer elektronischen Kommutierung auf
eine Laständerung
relativ schwach. Der Motor versucht seine Drehzahl zu halten, indem
er ein höheres
Drehmoment erzeugt. Das bedeutet gleichzeitig einen erhöhten Motorstrom.
Nimmt man die Drehzahl als Hauptregelgröße, kann es sinnvoll sein,
den Motorstrom als Kompensationseingang zu nutzen. Ansonsten könnte der
Regelkreis wie im Falle eines AC-Motors realisiert werden, vgl. 3 bis 5.
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7 zeigt
eine Möglichkeit,
einen Regelkreis basierend auf einer Messung des Motorstroms I durch
einen Sensor 18 aufzubauen. Um die notwendige Rechenleistung
und so die Kosten für
den Regelkreis klein zu halten ist es sinnvoll, auf eine exakte Berechnung
der strömungstechnischen
Gleichungen (genauso wie beim AC-Motor) zu verzichten.
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Eine
Leistungselektronik des EC-Motors ändert die Motorspannung durch
das Einschaltverhältnis
der Leistungstransistoren. Das kann z.B. durch PWM-Modulation, durch
Stromabschnittsteuerung oder durch eine Kombination dieser Möglichkeiten erfolgen.
Durch die Änderung
der Motorspannung wird auch die aktuelle Kennlinie verändert. Zu
jeder Lastkennlinie gehört
ein strömungstechnisch
idealer Arbeitspunkt. Gemeint ist, dass sich dieser Arbeitspunkt
an der gewünschten
künstlichen
strömungstechnischen
Kennlinie befindet.
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Die
Regelung enthält
in Block 16, z.B. in tabellarischer Form, den gewünschten
Zusammenhang zwischen PWM-Verhältnis,
d.h. Motorspannung, und Motorstrom:
I = f(UM).
Ist ein Unterschied zwischen dem Sollwert Iopt und
dem Messwert Iist festzustellen, regelt
die Steuerung den Fehler durch Änderung
der Motorspannung UM aus. In Block 17 kann
ferner eine Kompensation von Schwankungen der Versorgungsspannung
UDC durchgeführt werden