ПРИВОД УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ
FLOW CONTROL DRIVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к приводу для приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока, привод включает в себя электродвигатель для приведения в движение элемента регулирования и блок управления для управления током, подаваемым на электродвигатель, причем на пути тока от блока управления до электродвигателя расположен резистивный элемент.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Системы и компоненты в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) существуют во многих различных конфигурациях. К ним относятся системы и компоненты, которые сконструированы для работы в номинальных условиях в заданном диапазоне температур, а также обладают специальными техническими характеристиками, которые позволяют им работать в исключительных ситуациях по существу в различных температурных условиях, по меньшей мере в течение определенного периода времени. К таким исключительным ситуациям относятся, например, пожар и задымление.
Одна из задач, выполняемых некоторыми компонентами систем HVAC, состоит в том, чтобы регулировать поток текучей среды, такой как водяной или воздушный поток, через канал потока, такой как трубка, воздуховод, канал и подобное. Это часто выполняется с помощью заслонок или клапанов, которые расположены в канале потока или около него, и которыми можно управлять для открывания или закрывания канала потока до заданной степени.
Для регулировки позиции заслонки или клапана, чтобы достигнуть требуемой скорости потока текучей среды в канале потока, часто используются электродвигатели. Недостаток электродвигателей, однако, заключается в том, что выходная мощность двигателя уменьшается при увеличении температуры. Одна из причин этого уменьшения заключается в том, что источник тока не является идеальным. Другая причина заключается в том, что магнитное поле в электродвигателе уменьшается, поскольку магнит становится более слабым. В соответствии с этим, в случае увеличения температуры окружающей среды крутящий момент двигателя понижается, что может привести к неправильному функционированию всей системы, поскольку пониженный крутящий момент двигателя больше не достаточен для приведения в действие заслонки или клапана.
В известном решении этой проблемы для электродвигателей, а вместе с ними также для блока управления двигателем и других блоков системы, задаются размеры для выполнения требуемого крутящего момента при более высоких температурах. В соответствии с этим, размер двигателя выбирается таким образом, что пониженный крутящий момент двигателя при более высоких температурах достаточен для приведения в действие заслонки или клапана. Или, другими словами, двигатель, а также другие компоненты, в значительной степени увеличены в размерах, что приводит к необходимости большего пространства для размещения и к увеличению затрат не только на двигатель, но также и на другие системные компоненты.
Другой привод системы HVAC (система теплоснабжения, вентиляции и кондиционирование воздуха) раскрыт в документе US 2010/0123421 A1 от Honeywell. Привод включает в себя контроллер, который управляет выходным крутящим моментом двигателя в ответ на сигналы различных датчиков, таких как датчики положения или скорости.
Хотя такое цифровое управление крутящим моментом обычно возможно для управления крутящим моментом в случае повышенной температуры окружающей среды, оно сопровождается увеличением количества компонентов и потребности в пространстве, а вместе с тем и к увеличению затрат, поскольку для его реализации необходимы дополнительные компоненты, такие как датчики или сложный контроллер двигателя.
Документ EP 0 895 346 A2 также от Honeywell раскрывает еще один привод системы HVAC, являющийся двухпозиционным приводом с пружинным возвратом, который может должным образом работать при повышенной температуре. Привод включает в себя температурный датчик и контроллер широтно-импульсной модуляции (PWM), который управляет напряжением, при котором ток подается двигателю. В частности, контроллер управляет напряжением, при котором ток подается двигателю, в зависимости от обнаруженной температуры. Чтобы компенсировать уменьшение мощности двигателя в случае повышенной температуры, контроллер увеличивает напряжение, если обнаруженная температура превышает заданный предел.
Этот привод также требует сложного и, таким образом, дорогого управления и не обеспечивает непрерывное управление напряжением в зависимости от температуры, а только для двух входных значений температуры, находящихся либо ниже, либо выше заданного предела.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить, привод, имеющий отношение к первоначально упомянутой области техники, которым можно управлять в большом диапазоне температур, при сокращении количества компонентов, необходимого пространства и расходов. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить блок управления для такого привода. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ для соответствующего приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока.
Решение упомянутой выше задачи изобретения определено признаками п. 1 формулы изобретения. Привод для приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока включает в себя электродвигатель для приведения в движение элемента регулирования и блок управления для управления током, подаваемым на электродвигатель, причем на пути тока от блока управления до электродвигателя расположен резистивный элемент. В соответствии с изобретением сопротивление резистивного элемента имеет нелинейную температурную зависимость.
Выходной крутящий момент электродвигателя, главным образом, является функцией тока, проходящего через обмотки двигателя. В ответ на изменение температуры резистивное устройство вследствие своего зависящего от температуры сопротивления и в зависимости от своего температурного коэффициента имеет увеличенное или уменьшенное сопротивление. В соответствии с этим изменение температуры окружающей среды имеет два противоположных эффекта. Во-первых, увеличение температуры приводит к понижению тока в обмотках двигателя. И, во-вторых, в случае отрицательного температурного коэффициента резистивного элемента оно приводит к уменьшению сопротивления резистивного элемента и вместе с тем к повышению тока в обмотках двигателя. Повышение тока через резистивный элемент, таким образом, уравновешивает падение силы тока в двигателе. Оба эффекта вместе приводят к тому, что ток двигателя, в зависимости от выбора и характеристической кривой резистивного элемента, меньше изменяется или остается в значительной степени неизменным.
В другом примере уменьшение температуры приводит к повышению тока в обмотках двигателя. В случае положительного температурного коэффициента резистивного элемента его сопротивление увеличивается, что приводит к понижению тока в обмотках двигателя. Снова увеличение сопротивления резистивного элемента уравновешивает повышение тока двигателя, что вновь приводит к тому, что ток меньше изменяется или остается в значительной степени неизменным.
Чаще всего резистивный элемент с омическим сопротивлением, которое является сопротивлением в значительной степени с линейной температурной зависимостью, расположен в любом месте на пути тока от блока управления до двигателя. Посредством простой замены этого резистивного элемента на резистивный элемент с нелинейно зависящим от температуры сопротивлением упомянутая выше задача изобретения решается с помощью минимальной необходимости в дополнительном пространстве и компонентах и, таким образом, с минимумом дополнительных затрат.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на пути тока от блока управления до двигателя расположен резистивный элемент с сопротивлением, которое имеет в значительной степени экспоненциальную температурную зависимость.
В зависимости от конкретного применения привода могут использоваться резистивные элементы с положительным температурным коэффициентом. В применении, в котором, например, двигатель подвергается воздействию температур, в значительной степени ниже своей номинальной рабочей температуры, резистивный элемент с положительным температурным коэффициентом может использоваться для ограничения тока двигателя максимальным значением или сохранения его неизменным, как упомянуто выше.
Однако в предпочтительном варианте осуществления изобретения резистивный элемент имеет отрицательный температурный коэффициент, и, таким образом, понижение тока двигателя может быть уравновешено за счет повышения температуры окружающей среды.
Существуют различные способы осуществления резистивного элемента с требуемой температурной зависимостью. Резистивный элемент, например, может быть получен посредством температурного датчика, по меньшей мере одного переключателя и нескольких резисторов, соединенных в резистивной схеме, причем каждый резистор имеет линейную температурную зависимость. Нелинейно зависящее от температуры сопротивление может быть затем получено посредством определения температуры и активации и/или деактивации различных подгрупп резисторов в зависимости от различных обнаруженных температур посредством включения или выключения по меньшей мере одного переключателя. Недостаток этого варианта осуществления заключается в увеличении количества компонентов.
Другой способ состоит в том, чтобы непосредственно расположить единственный резистор с отрицательным температурным коэффициентом на пути тока от блока управления до двигателя. Однако в некоторых применениях невозможно найти резистор, имеющий требуемое сопротивление при номинальной рабочей температуре, а также при более высоких температурах.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения резистивный элемент, таким образом, включает в себя первый резистивный элемент и устройство с отрицательным температурным коэффициентом, соединенное параллельно с первым резистивным элементом. Первый резистивный элемент обычно является резистором, который в любом случае располагается на пути тока от блока управления до двигателя. Поскольку для первого резистивного элемента и для устройства размеры могут быть заданы независимо друг от друга, эта конфигурация позволяет получать требуемые значения сопротивления во всем диапазоне рабочих температур с помощью только одного единственного дополнительного компонента.
Дополнительно возможно переоборудовать или обновить существующие приводы, просто соединяя такое устройство с отрицательным температурным коэффициентом с существующим резистором на пути тока от блока управления до двигателя.
Устройство с отрицательным температурным коэффициентом предпочтительно является терморезистором, поскольку различные типы терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом, кратко обозначаемые как терморезисторы NTC, легко доступны при разумных затратах. Такие признаки терморезистора NTC, как непрерывная характеристика его сопротивления в зависимости температуры, кроме того обеспечивает возможность непрерывного температурнозависимого управления сопротивлением, а вместе с тем и мощностью двигателя.
Хотя такой терморезистор NTC может быть предусмотрен отдельно от блока управления, как в приведенном выше примере для переоборудования или обновления существующего привода, блок управления и терморезистор NTC предпочтительно являются частью одной электрической схемы. Термин "одна электрическая схема" в данном случае означает, что они выполнены на единой, общей подложке, такой как, например, единая печатная плата или единая интегральная схема. Таким образом, схема управления и терморезистор могут быть изготовлены вместе, что позволяет сократить количество этапов изготовления для привода.
В общем случае устройство NTC может быть осуществлено не только посредством терморезистора, но также и первого резистивного элемента. Однако вследствие его простоты, и поскольку большинство существующих конфигураций привода так или иначе включает в себя омический резистор на пути тока от блока управления до электродвигателя, первый резистивный элемент предпочтительно реализован как омический резистор.
В некоторых применениях не требуется, чтобы ток двигателя соответствовал номинальному току во всем диапазоне температур. Может быть достаточно лишь уменьшить падение силы тока в определенном диапазоне температур.
Однако в других применениях корректное задание размера терморезистора NTC является крайне важным. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления изобретения терморезистор NTC выполнен таким образом, что падение силы тока двигателя вследствие увеличения температуры окружающей среды до 110°C-130°C посредством уменьшения сопротивления терморезистора уравновешивается до тока в пределах 80%-120% от тока двигателя при номинальной рабочей температуре, в некоторых вариантах применения даже до тока в пределах 95%-110% от тока двигателя при номинальной рабочей температуре.
В других возможных формах применения терморезистор NTC в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнен таким образом, что падение силы тока двигателя вследствие увеличения температуры окружающей среды до 165°C-185°C уравновешивается до тока в пределах 80%-120% от тока двигателя при номинальной рабочей температуре, в некоторых вариантах применениях даже до тока в пределах 95%-110% от тока двигателя при номинальной рабочей температуре.
Посредством снабжения резистивного элемента одним или более дополнительными компонентами, такими как омические или температурозависимые резисторы, в различных схемах соединений возможно приблизиться к желаемой характеристики сопротивления резистивного элемента и, таким образом, крутящего момента двигателя, например, в значительной степени постоянного выходного крутящего момента двигателя во всем диапазоне рабочих температур, или даже небольшое увеличение крутящего момента при увеличении температуры.
В общем случае изобретение может быть применено в любом управляемом током электродвигателе, когда крутящий момент двигателя должен поддерживаться более или менее постоянным, несмотря на увеличение или уменьшение температуры окружающей среды. Однако требования для блока управления и/или двигателя в разных применениях могут в значительной степени отличаться, поэтому изобретение предпочтительно применяется к приводам в системах HVAC, то есть, к приводам в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
В предпочтительном применении в системе HVAC элемент регулирования привода является противопожарной заслонкой. Такие противопожарные заслонки обычно располагаются в канале потока, таком как воздуховод, вентиляционная труба и т.п., где они используются для регулирования потока воздуха в канале посредством большего или меньшего открывания или закрывания отверстия канала. В случае пожара очень важно, чтобы привод оставался в исправном состоянии, несмотря на увеличение температуры окружающей среды в течение по меньшей мере заранее заданного промежутка времени. Это позволяет, например, удалить дым, свежий воздух, воду или другие текучие среды из определенной области или зоны или подать их в определенную область или зону.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения поток текучей среды, который должен быть отрегулирован приводом, является воздушным потоком. Хотя изобретение в принципе также применимо для регулирования потоков жидкостей или любых видов газообразных текучих сред, требования для регулирования таких потоков могут в значительной степени отличаться от приводов для управления воздушными потоками.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения привод включает в себя зубчатый механизм. Зубчатый механизм расположен между электродвигателем и элементом регулирования и преобразовывает обычно вращательное выходное движение вала электродвигателя в соответствующее движение для приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды.
В случае заслонки или откидной створки, расположенной в канале потока и смонтированной на оси вращения, которая перпендикулярна по отношению к направлению потока текучей среды, зубчатый механизм преобразовывает вращательное движение вала двигателя во вращательное движение оси с другой скоростью вращения. Принимая во внимание, что передаточное отношение обычно может принять любое (физически разумное) значение, зубчатый механизм предпочтительно выполнен как редуктор с передаточным отношением ниже 1. Передаточное отношение предпочтительно в значительной степени ниже 1, то есть ниже 0,01, или даже еще ниже, с тем чтобы вращательной движение вала двигателя с высокой скоростью и обычно низким крутящим моментом было преобразовано во вращательное движение заслонки с низкой скоростью и высоким крутящим моментом.
В некоторых вариантах осуществления привода в соответствии с изобретением двигатель используется для приведения в движение элемента регулирования в обоих направлениях, то есть, для открывания и закрывания канала потока. В других вариантах осуществления привод предпочтительно включает в себя элемент сброса для возврата элемента регулирования в позицию по умолчанию. Тогда как двигатель приводит в движение элемент регулирования в первом направлении, элемент сброса приводит его в движение в противоположном направлении. В таких случаях двигатель может включать в себя муфту свободного хода. В других применениях двигатель используется для приведения в движение элемента регулирования в обоих направлениях, и элемент сброса используется только в чрезвычайных случаях, с тем чтобы элемент регулирования был возвращен в заданную или одну из нескольких возможных позиций по умолчанию, например, в случае отключения питания или отказа двигателя.
Элемент сброса, например, может являться эластичным материалом, таким как резина, гидравлическим или пневматическим компонентом, одной или более пружинами и т.п. И он может быть расположен, например, таким образом, чтобы быть подсоединенным на пути потока мощности от двигателя до элемента регулирования на выходе двигателя, в зубчатом механизме (при его наличии), в элементе регулирования или в любом месте между ними.
Решение другой задачи изобретения обеспечивается признаками п. 14 формулы изобретения. Блок управления для управления током, подаваемым на электродвигатель привода для приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока, включает в себя резистивный элемент, расположенный на пути тока от блока управления до электродвигателя. В соответствии с изобретением упомянутый резистивный элемент имеет зависящее от температуры сопротивление.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения привод, включающий в себя двигатель, которым должен управлять блок управления, в соответствии с изобретением является описанным выше приводом.
Решение другой задачи изобретения обеспечивается признаками п. 15 формулы изобретения. В способе приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока с помощью электродвигателя посредством подвода электродвигателю тока, которым управляет блок управления, на пути тока от блока управления до электродвигателя предусматривают резистивный элемент. В соответствии с изобретением резистивный элемент, имеющий зависящее от температуры сопротивление, предусматривают на пути тока от блока управления до электродвигателя.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения способ в соответствии с изобретением выполняется блоком управления или приводом, как описано выше.
Все примеры и чертежи, описанные или показанные выше и ниже, не ограничивают объем изобретения, а являются примерными вариантами осуществления изобретения.
Другие предпочтительные варианты осуществления и комбинации признаков раскрываются с помощью приведенного ниже детального описания и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах, использованных для разъяснения вариантов осуществления, показано:
Фиг. 1 - принципиальная схема привода в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 - принципиальная схема другого привода в соответствии с изобретением;
Фиг. 3 - схема характеристической кривой резистивного элемента, используемого в изобретении, и
Фиг. 4 - принципиальная схема системы HVAC с приводом в соответствии с изобретением.
На чертежах одинаковые компоненты обозначены одинаковыми или соответствующими ссылочными позициями.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 1 показана принципиальная схема привода 1 в соответствии с изобретением. Привод 1 включает в себя контроллер 2, резистивный элемент 3, реализованный как терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), и электродвигатель 4. В соответствии с этим, сопротивление резистивного элемента 3 уменьшается с увеличением температуры терморезистора.
T
На Фиг. 3 показана диаграмма характеристики 12 температура/сопротивление терморезистора NTC. Ось X 10 представляет увеличивающуюся слева направо температуру терморезистора, и ось Y 11 представляет увеличивающееся снизу вверх сопротивление терморезистора. Как достаточно известно в области техники, сопротивление терморезистора NTC показывает экспоненциально падающую характеристику. Сопротивление Rтермистора при абсолютной температуре T определяется в соответствии с уравнением
N
N
где T - номинальная температура терморезистора (обычно 25°C, что означает 298,16 K), R - номинальное сопротивление терморезистора в омах при номинальной температуре, и B - константа материала терморезистора, определяемая как отношение энергии активации материала к постоянной Больцмана.
tot
На Фиг. 2 показана принципиальная схема другого привода 1′ в соответствии с изобретением. В этом примере резистивный элемент 3′ включает в себя резистор 5 и терморезистор NTC 6, соединенный параллельно через резистор 5. Как известно, с резистором 5, имеющим сопротивление R1, и терморезистором 6, имеющим сопротивления R2, полное сопротивление R резистивного элемента 3′ определяется следующим образом:
tot
Показано, что сопротивление R уменьшается, когда сопротивление R2 уменьшается с увеличением температуры. В области техники достаточно известно корректное масштабирование резистора 5 и терморезистора 6 с заданным электродвигателем 4 и заданным контроллером 2, для осуществления конкретного варианта применения. Привод 1′, например, используется в варианте применения, в котором номинальная рабочая температура составляет 25°C, что соответствует нормальной температуре окружающей среды. При пожаре температура окружающей среды, а вместе с ней и температура терморезистора 6, увеличивается. В соответствии с этим, как объяснено выше, сопротивление терморезистора 6 уменьшается, что приводит к увеличению тока, которое уравновешивает падение силы тока в обмотках двигателя. В зависимости от заданного электродвигателя 4 и других заданных компонентов привода 1′, таких как контроллер 2, размеры резистора 5 и терморезистора 6, например, задаются такими, что когда температура терморезистора 6 достигает температуры приблизительно 120°C, ток двигателя, текущий через резистивный элемент 3′, находится в диапазоне приблизительно 80%-120% от тока двигателя при 25°C.
При определении размеров компонентов температурная зависимость резистора 5, который может представлять собой, например, омический резистор, тем самым может не приниматься во внимание, но в случае необходимости может и учитываться.
В примерном варианте осуществления привода, показанного на фиг. 1, электродвигатель 4 является щеточным или бесщеточным электродвигателем постоянного тока, и резистор 5 имеет сопротивление 2,8 Ом, что дает в результате ток двигателя приблизительно 72 мА при температуре 25°C, предоставляя выходной крутящий момент двигателя приблизительно 0,4 мН·м. Когда температура увеличивается до 120°C, ток двигателя уменьшается приблизительно до 66 мА, и выходной крутящий момент двигателя составляет приблизительно 0,3 мН·м.
В соответствии с изобретением терморезистор NTC 6 предусмотрен параллельно резистору 5 в приводе 1′, как показано на фиг. 2. Терморезистор NTC представляет собой, например, NTC-220 с сопротивлением 220 Ом при комнатной температуре, уменьшающимся приблизительно до 14 Ом при температуре 120°C. В этом примере результирующий ток двигателя при температуре 25°C составляет приблизительно 71 мА и дает выходной крутящий момент двигателя приблизительно 0,4 мН·м. Когда температура увеличивается до 120°C, ток двигателя увеличивается в этом случае приблизительно до 85 мА, и выходной крутящий момент двигателя приблизительно до 0,43 мН·м.
Как упомянуто выше, на фиг. 3 показана характеристика 12 температура/сопротивление терморезистора NTC. На Фиг. 3 дополнительно показано уменьшение 13 полного сопротивления резистора 5 и терморезистора 6. Показано, что полное сопротивление уменьшается при увеличении температуры.
На Фиг. 4 показана принципиальная схема системы HVAC с приводом 21 в соответствии с изобретением. Привод включает в себя контроллер 22 и электродвигатель 24. Резистивный элемент 23, который, например, соответствует резистивному элементу 3′, показанному на фиг. 2, интегрирован в контроллер 22. Привод 21 питается от источника 27 питания, например, таким как источник питания, соединенный с электросетью. Источник питания также может представлять собой батарею, которая может являться или не являться перезаряжаемой, или включает в себя такую батарею, чтобы в случае отказа электросети обеспечить исправное функционирование привода 21 в течение по меньшей мере определенного периода времени. Выходное движение электродвигателя 24, которое обычно является вращательным движением вала двигателя, преобразуется посредством редуктора 28 во вращательное движение для приведения в движение противопожарной заслонки 30, которая расположена в канале потока в форме трубки 29 и смонтирована с возможностью поворота относительно оси 31. Более точно, вход редуктора 28 соединен с валом двигателя, и его выход соединен с осью 31 противопожарной заслонки 30, которая проникает через стенку трубки 29 в месте соединения с редуктором 28. В показанном примере система HVAC включает в себя элемент 32 сброса, который соединен с осью 31 противопожарной заслонки таким образом, что он противодействует вращательному движению электродвигателя 4. Однако элемент 32 сброса может быть соединен с любым участком на пути потока мощности, то есть на выходе двигателя, на самой противопожарной заслонке 30 или в любом месте между ними.
В заключение следует отметить, что изобретение предоставляет привод для приведения в движение элемента регулирования для управления потоком текучей среды в канале потока, в котором достаточно только одного дополнительного компонента в виде зависящего от температуры резистора для управления приводом в большом температурном диапазоне.