ITMI980602A1 - Sistema di ventilazione con unita' di controllo - Google Patents
Sistema di ventilazione con unita' di controlloInfo
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un sistema di ventilazione, ed in modo particolare un sistema di ventilazione secondo il preambolo della prima rivendicazione .
I sistemi di ventilazione, comunemente utilizzati in apparecchi di riscaldamento e di condizionamento, includono un ventilatore azionato da un apposito motore, ad esempio un motore elettrico asincrono, il quale è tipicamente alimentato da una tensione alternala a frequenza variabile. In tale modo, variando corrispondentemente anche l'ampiezza della tensione di alimentazione, è possibile ottenere una approssimativa proporzionalità della variazione della velocità di rotazione del ventilatore.
L'alimentazione del motore asincrono a frequenza ed ampiezza variabili è in generale ottenuta mediante un invertitore (inverter), in grado di trasformare una tensione continua (ottenuta da una tensione alternata di rete tramite un apposito raddrizzatore) in una tensione ad andamento alternato con frequenza ed ampiezza determinate.
La regolazione di parametri operativi del sistema di ventilazione, come ad esempio la portata (cioè il volume di aria che attraversa una·sezione unitaria nell'unità di tempo! o la prevalenza (cioè il lavoro utile eseguito sull'unità di peso dell'aria) richiede appositi sensori che misurano direttamente questi parametri operativi. Ad esempio, tali sensori sono istallati temporaneamente ad un'uscita del sistema di ventilazione per regolare i suoi parametri operativi in una nuova installazione, oppure in seguito a variazioni delle condizioni ambientali in cui è inserito il sistema di ventilazione. In generale, la prevalenza e la portata del sistema di ventilazione sono regolate variando in funzione del risultato di queste misure la velocità di rotazione del motore asincrono.
Un diverso sistema di regolazione della portata è descritto in WO-A-91/17491. Tale soluzione consiste nel misurare la velocità di rotazione del motore asincrono e nel variare quindi, in base ad apposite relazioni preimpostate, l'ampiezza della tensione di alimentazione generata dall'inverter in modo da ottenere una portata richiesta.
Un inconveniente dei sistemi di ventilazione noti è costituito dal fatto che i sensori utilizzati sono poco precisi e sono soggetti a variazioni del loro funzionamento (a causa ad esempio dell'usura, delle diverse condizioni ambientali, e simili).
Inoltre, i sistemi di ventilazione noti risultano piuttosto complessi, costosi e poco affidabili .
Scopo della presente invenzione è di ovviare ai suddetti inconvenienti. Per raggiungere tale scopo è proposto un sistema di ventilazione come descritto nella prima rivendicazione.
Il sistema di ventilazione della presente invenzione permette di controllare in modo estremamente semplice ed economico i parametri operativi del sistema.
Tale soluzione utilizza solo grandezze elettriche facilmente rilevabili e non necessita di alcun sensore che misuri direttamente i parametri operativi del sistema di ventilazione. Ciò comporta una estrema semplificazione del sistema di ventilazione, il quale risulta di conseguenza più economico ed affidabile.
In aggiunta, è proposta anche un'unità di controllo ed un blocco di azionamento (comprendente il motore asincrono, il dispositivo invertitore e l'unità di controllo) per tale sistema di ventilazione, un complesso di prova per ricavare sperimentalmente l'almeno una relazione per questo sistema, ed un metodo di controllo corrispondente.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema di ventilazione secondo la presente invenzione risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di una sua forma di realizzazione preferita, data a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, in cui:
Fig.l è uno schema a blocchi di principio di un esempio di sistema di ventilazione in accordo con la presente invenzione;
Fig.2 illustra un diagramma delle curve a portata costante in un piano frequenza/potenza in ingresso ,-Fig.3 mostra uno schema a blocchi di principio di un complesso di prova.
Con riferimento in particolare alla Fig.1, è mostrato un sistema di ventilazione 100 per un apparecchio di riscaldamento e di condizionamento (anche se non si esclude il suo utilizzo in altre applicazioni) . Il sistema di ventilazione 100 include un ventilatore centrifugo 105 che assicura il movimento dell'aria attraverso scambiatori di calore (non mostrati in figura) che raffreddano o riscaldano l'aria e ne modificano le caratteristiche di umidità. Il ventilatore 105 provoca inoltre la circolazione dell'aria nell'ambiente in cui il sistema 100 è inserito, in modo da assicurare l'uniforme distribuzione dell'aria oppure il ricambio con un ambiente esterno. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui il sistema includa due o più ventilatori, il ventilatore sia di tipo assiale, sia previsto un condotto per il convogliamento dell'aria, e simili.
Il ventilatore 105 è azionato da un apposito blocco comprendente un motore asincrono trifase (M) 110 alimentato da un inverter (INV) 115, realizzato ad esempio tramite interruttori elettronici ad SCR o con altri mezzi circuitali equivalenti; in alternativa il motore asincrono ha un numero diverso di fasi, al limite una sola in un motore monofase.
Il sistema di ventilazione 100 è collegato ad una rete di alimentazione monofase a corrente alternata (sinusoidale) con ampiezza di 230V; considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui la rete di alimentazione fornisca una tensione di ampiezza diversa, sia utilizzata una rete trifase, e simili.
La tensione alternata di rete è applicata ad un filtro raddrizzatore (RF) 120, realizzato ad esempio tramite un ponte a diodi. Il filtro raddrizzatore 120 produce in uscita una tensione continua V (ed una corrispondente corrente continua I) che sono fornite in ingresso all'inverter 115, il quale genera una tensione alternata trifase avente un'ampiezza Va ed una frequenza f (ed un corrispondente corrente alternata di ampiezza la). Tale tensione e corrente alternata alimentano il motore asincrono.110, in modo da porre in rotazione ad una velocità determinata il ventilatore 105.
Il sistema di ventilazione 100 include inoltre un'unità di controllo 125 per la regolazione della portata del sistema; considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui l'unità di controllo 125 regoli la prevalenza del sistema di ventilazione, sia la portanza che la prevalenza, o in generale almeno un parametro operativo qualsiasi del sistema.
Il dispositivo di controllo 125 include due sensori 130v e 130i che misurano, rispettivamente, la tensione continua V e la corrente continua I in ingrèsso all'inverter 115. Tali valori sono forniti ad un'unità di calcolo (CAL) 135, realizzata preferibilmente tramite un microprocessore, che ricava {ad esempio ad intervalli di tempo prefissati) da tali valori misurati la potenza Pcc=VI in ingresso all'inverter 115. Questa soluzione permette di determinare la potenza Pcc in ingresso all 'inverter 115 in modo estremamente semplice (misurando due grandezze continue ed effettuando un semplice calcolo); in alternativa, la potenza è misurata in modo diverso, è misurata la potenza in uscita dall'inverter, o in generale sono utilizzati mezzi equivalenti per misurare una qualsiasi potenza relativa all'inverter.
L'unità di calcolo 135 è collegata ad una memoria (MEM) 140 in cui è memorizzata una tabella (ricavata come descritto in dettaglio nel seguito) che associa a valori diversi della frequenza f della tensione di alimentazione e della potenza Pcc in ingresso all'inverter 115 il valore della corrispondente portata Q del sistema di ventilazione 100. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui nella memoria 140 sia contenuta un'equazione, o in generale una relazione qualsiasi tra la frequenza f, la potenza in ingresso Pcc e l'almeno un parametro operativo del sistema.
L'unità di calcolo 135 ricava da tale tabella il valore attuale della portata Q corrispondente ad un valore attuale della frequenza f (ricevuto in ingresso come descritto nel seguito) e della potenza Pcc . In pratica, si è constatato che una accuratezza soddisfacente nelle applicazioni più comuni si può ottenere memorizzando un numero limitato di valori nella tabella, e determinando le situazioni intermedie mediante interpolazione.
Il valore della portata attuale Q è applicato in ingresso ad un blocco di confronto 145 che esegue una differenza tra il valore della portata attuale Q ed un valore richiesto Q*, fornito ad esempio da un sistema esterno di supervisione delle condizioni climatiche (non mostrato in figura). L'errore di portata Q-Q* è amplificato da un'apposita unità 150, la quale modifica il valore della frequenza f della tensione di alimentazione in funzione di tale errore Q-Q*. Ad esempio, se la portata attuale Q è inferiore a quella richiesta Q* , la frequenza f sarà incrementata; al contrario, se la portata attuale Q è superiore a quella richiesta Q*, la frequenza f sarà diminuita. In generale, l'unità di controllo modifica la frequenza f in funzione di un confronto tra il valore richiesto ed il valore attuale dell'almeno un parametro operativo.
Il valore modificato della frequenza f è fornito all'unità 135 (per un successivo calcolo della portata) ed all'inverter 115, in modo da variare corrispondentemente la velocità di rotazione del motore asìncrono 110.
Preferibilmente, tale valore è fornito anche ad una struttura di memoria 155, in cui è memorizzata una ulteriore tabella (o una relazione equivalente) che associa a valori diversi della frequenza f il valore corrispondente dell'ampiezza Va della tensione di alimentazione. La struttura di memoria 155 ricava dal valore modificato della frequenza f il valore corrispondente dall'ampiezza Va e lo fornisce all 'inverter 115.
Il sistema sopra descritto permette ad esempio di mantenere costante, al valore prefissato Q*, la portata d'aria fornita dal sistema di ventilazione 100 al variare delle perdite di carico di un condotto d'aria connesso al ventilatore 105 e quindi al variare della prevalenza generata dallo stesso. A tale scopo, basterà seguire una curva relativa a portata costante che si può idealmente tracciare sul piano f/Pcc e che riunisce tutti i punti corrispondenti alla portata voluta Q*, come illustrato in Fig.2. Analogamente, il sistema di ventilazione sopra descritto è utilizzabile per mantenere ad un valore costante prefissato la prevalenza generata dal ventilatore, anziché la portata. Ovvero, si può far seguire al sistema una curva portata/prevalenza di forma voluta, compatibilmente con le condizioni di instabilità che si possono riscontrare per scelte particolari.
In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, sono misurate altre grandezze di funzionamento del sistema di ventilazione, ad esempio la velocità di rotazione del motore asincrono, il suo scorrimento, e simili. Ciò consente di compensare le variazioni di comportamento dovute alle diverse temperature ambientali, ad errori, alle tolleranze di lavorazione, e simili. Ad esempio, sono memorizzare due (o più) tabelle diverse per temperature differenti; in ciascuna tabella, in corrispondenza di una data coppia di valori di frequenza f e di potenza Pcc di ingresso è memorizzata {oltre alla portata ed alla prevalenza) anche la velocità effettiva di rotazione del motore asincrono.
Dati i valori attuali di frequenza f e di potenza Pcc di ingresso, e nota la velocità di rotazione, valori più accurati della portata e della prevalenza sono calcolati, pur non conoscendo la temperatura, interpolando tra i valori determinati dalle due tabelle. L'interpolazione sarà proporzionale allo scostamento della velocità effettivamente misurata rispetto ai valori di velocità risultanti dalle due tabelle memorizzate. Le leggi di corrispondenza così determinate con maggior precisione saranno usate per effettuare il controllo del sistema a portata e/o prevalenza costanti, in modo del tutto analogo a quello precedentemente descritto. Tale procedimento richiede la memorizzazione di un maggior numero dì dati e lo svolgimento di calcoli più complessi, ma assicura una maggior precisione dei risultati.
Con riferimento ora alla Fig.3 (gli elementi già rappresentati in Fig.1 sono indicati con gli stessi numeri o simboli dì riferimento), è illustrato un esempio di complesso di prova 300 per la rilevazione sperimentale delle tabelle sopra descritte. Il sistema di ventilazione 100 è montato in una installazione di prova 305, la quale è dotata di organi di limitazione del flusso d'aria (serrande) 310 che permettono di variare le perdite di carico nei condotti dell'aria. L'installazione di prova 305 è dotata di un sensore di portata 315q e di-un sensore di prevalenza 315p che misurano, rispettivamente, la portata Q e la prevalenza P prodotte dal sistema di ventilazione 100.
I valori di portata Q e di prevalenza P misurati dai sensori 315q,3l5p sono forniti ad un Personal Computer (PC) 320, o ad altri mezzi di elaborazione equivalenti. Il Personal Computer 320 è inoltre collegato tramite un dispositivo fotoaccoppiatore 325 a trasmissione bidirezionale optoisolata, comprendente ad esempio un diodo emettitore di luce (LED) ed un fotodiodo, all'unità di controllo 125 per impostare un valore della frequenza f della tensione di alimentazione e per ricevere il valore Pcc della potenza in ingresso all'inverter 115.
Il Personal Computer 320 imposta una serie di valori di frequenza f per l'inverter 115 e, per ognuno di essi, è gradualmente variata la prevalenza P in uscita agendo sulle perdite di carico del condotto dell'installazione di prova 305. Per valori prefissati di portata e/o di prevalenza, il Personal Computer 320 registra le altre grandezze corrispondenti. Nella memoria del Personal Computer 320 si forma così la tabella desiderata che definisce la relazione,tra la frequenza f, la potenza Pcc in ingresso e la portata Q, la prevalenza P. Tale soluzione permette di ricavare questa tabella in modo automatico ed estremamente semplice. In alternativa, le misure sono eseguite con altre modalità, ad esempio registrando manualmente le coppie di valori di frequenza f e potenza Pcc in ingresso e le corrispondenti coppie di valori di portata Q e prevalenza P, e simili.
La tabella così determinata è valida per il sistema di ventilazione montato in qualsiasi situazione che non alteri le caratteristiche del ventilatore. Inoltre, i risultati si possono estendere a tutti i sistemi con caratteristiche che si possano ritenere sufficientemente simili. Ciò vale in particolare per invertitori, motori e ventilatori di una stessa serie, purché si possano mantenere entro limiti abbastanza ristretti le variazioni delle caratteristiche da un esemplare all'altro.
La determinazione sperimentale della tabella sopra descritta è particolarmente semplice e veloce, ed è preferibile ad una sua determinazione teorica (anche se non si esclude tale possibilità). Infatti, per un motore asincrono alimentato da un inverter, se sono note le caratteristiche del motore stesso, è possibile determinare la coppia generata e la velocità di rotazione, nota la frequenza f di alimentazione e la potenza fornita al motore stesso.
Questo è evidente in prima approssimazione, essendo la velocità di rotazione approssimativamente proporzionale alla frequenza f di alimentazione ed essendo la potenza all'albero il prodotto della coppia e della velocità. La potenza all'albero è determinabile una volta noto il rendimento del motore, che in queste applicazioni è abbastanza elevato. Una più precisa conoscenza delle caratteristiche del motore consente di calcolare con maggiore precisione la velocità e la coppia dalla frequenza f di alimentazione e dalla potenza di ingresso al motore, una volta assegnata la legge di corrispondenza tra l'ampiezza Va della tensione generata dall'inverter e la sua frequenza f. Infine,. noto il rendimento dell'inverter, la potenza fornita al motore può essere desunta dalla conoscenza della potenza Pcc entrante nell'inverter. Per un dato sistema di ventilazione e per dati valori della frequenza f e della potenza Pcc in ingresso all 'inverter, sono dunque determinati i valori della portata Q e della prevalenza P generate. E' quindi possibile in teoria ad un esperto, conoscendo le caratteristiche dell'inverter, del motore e quelle del ventilatore ad esso collegato, risalire alla portata Q ed alla prevalenza P, a partire dalla conoscenza della frequenza f di alimentazione e della potenza Pcc in ingresso all'inverter. Un tale calcolo teorico, quantunque ipotizzabile, risulta di fatto laborioso e dipendente da molti parametri di non agevole determinazione.
Preferibilmente, il dispositivo fotoaccoppiatore 325 è utilizzato anche per memorizzazione un programma e le tabelle sopra descritte nell'unità di controllo 125 al termine della completa costruzione del sistema di ventilazione 100. In .tal modo si facilita la costruzione in serie del blocco di azionamento, con la memorizzazione della tabella adatta una volta accoppiato tale blocco con un dato ventilatore 105.
Ovviamente al sistema di ventilazione sopra descritto un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell'ambito di protezione dell ' invenzione , quale definito dalle seguenti rivendicazioni .
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ventilazione (100) comprendente almeno un ventilatore (105), un motore asincrono (110) per azionare l'almeno un ventilatore (105), un dispositivo invertitore (115) per alimentare il motore asincrono (110), un'unità (125) per controllare il funzionamento del sistema di ventilazione (100) in risposta ad un valore richiesto (Q*) di almeno un parametro operativo del sistema di ventilazione (100), caratterizzato dal fatto che l'unità di controllo (125) include mezzi (130v,130i,135) per misurare una potenza (Pcc) relativa al dispositivo invertitore (115), mezzi (140) per memorizzare almeno una relazione tra la frequenza (f), la potenza (Pcc) e l'almeno un parametro operativo (Q), mezzi (135) per calcolare da detta almeno una relazione un valore attuale (Q) dell 'almeno un parametro operativo corrispondente ad un valore attuale della frequenza (f) e della potenza (Pcc), mezzi (145,150) per modificare la frequenza (f) in funzione di un confronto tra il valore richiesto (Q*) ed il valore attuale (Q) dell'almeno un parametro operativo.
- 2. Sistema di ventilazione (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta potenza (Pcc) è una potenza in ingresso al dispositivo invertitore (115).
- 3. Sistema di ventilazione (100) secondo la rivendicazione 2, in cui i mezzi di misura (130v,130i,135) includono un primo (130v) ed un secondo (130i) sensore per misurare, rispettivamente, una tensione continua (V) ed una corrente continua (I) in ingresso al dispositivo invertitore (115).
- 4. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detta almeno una relazione è costituita da una tabella che include una pluralità di coppie di valori di frequenza (f) e di potenza (Pcc) a ciascuna delle quali è associato un valore corrispondente dell'almeno un parametro operativo (Q,P), i mezzi di calcolo (135) determinando il valore attuale (Q) dell'almeno un parametro operativo corrispondente ad una coppia di valori attuali della frequenza (f) e della potenza (Pcc) non inclusa in detta tabella tramite un processo di interpolazione.
- 5. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, ulteriormente comprendente mezzi (155) per modificare un'ampiezza (Va) della tensione di alimentazione in funzione della frequenza (f).
- 6. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui l'almeno un parametro operativo include una portata (Q) -
- 7. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui 1'almeno un parametro operativo include una prevalenza (P).
- 8. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, ulteriormente comprendente mezzi per misurare almeno una grandezza di funzionamento del sistema di ventilazione (100) ed in cui i mezzi di memoria (140) memorizzano una pluralità di dette relazioni ciascuna corrispondente a diverse condizioni di funzionamento del sistema di ventilazione (100), i mezzi di calcolo (135) determinando il valore attuale (Q) dell'almeno un parametro operativo interpolando i valori attuali (Q) dell'almeno un parametro operativo ricavati da ciascuna di dette relazioni in funzione di un valore attuale dell'almeno una grandezza di funzionamento.
- 9. Sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, ulteriormente comprendente un dispositivo fotoaccoppiatore (325) per memorizzare 1'almeno una relazione nei mezzi di memoria (140).
- 10. Unità di controllo (125) per l'uso nel sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.
- 11. Blocco di azionamento (110,115,125) per l'uso nel sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9 comprendente detto motore asincrono (110), detto dispositivo invertitore (115) e detta unità di controllo (125).
- 12. Complesso di prova (300) per ricavare sperimentalmente l'almeno una relazione per il sistema di ventilazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, il complesso di prova (300) comprendendo il sistema di ventilazione (100), mezzi (310) per variare l'almeno un parametro operativo (Q,P), mezzi (315q,315p) per misurare l'almeno un parametro operativo, mezzi di elaborazione (320) per variare la frequenza (f) e per ricevere in ingresso la potenza (Pcc) e 1'almeno un parametro operativo (Q,P) corrispondente da, rispettivamente, l'unità di controllo (125) ed i mezzi (315q,315p) per misurare l'almeno un parametro operativo .
- 13. Complesso di prova (300) secondo la rivendicazione 12, in cui i mezzi di elaborazione (320) sono collegati all'unità di controllo (125) tramite il dispositivo fotoaccoppiatore (325).
- 14. Metodo per controllare il funzionamento di un sistema di ventilazione (100) in risposta ad un valore richiesto (Q*) di almeno un parametro operativo del sistema di ventilazione (100), in cui il sistema di ventilazione (100) comprende almeno un ventilatore (105), un motore asincrono (110) per azionare l'almeno un ventilatore (105), ed un dispositivo invertitore (115) per alimentare il motore asincrono (110), il metodo essendo caratterizzato dai passi di a) misurare una potenza (Pcc) relativa al dispositivo invertitore (115), b) calcolare da almeno una relazione tra la frequenza (f), la potenza (Pcc) e l'almeno un parametro operativo (Q). un valore attuale (Q) dell'almeno un parametro operativo corrispondente ad un valore attuale della frequenza (f) e della potenza (Pcc) c) modificare la frequenza (f) in funzione di un confronto tra il valore richiesto (Q*) ed il valore attuale (Q) dell'almeno un parametro operativo.
- 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, ulteriormente comprendente il passo di ricavare sperimentalmente l'almeno una relazione.
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