СПОСОБ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДСТОЯЩЕГО ИЛИ УЖЕ ОСУЩЕСТВИВШЕГОСЯ ОБРАЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТА НА/В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ И СПОСОБ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТА И/ИЛИ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ/ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОНДЕНСАТА НА/В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ
METHOD FOR DETECTION OF FORTHCOMING OR ALREADY REALIZED FORMATION OF CONDENSATE ON/IN ELECTRIC ENGINES AND METHOD FOR PREVENTION OF CORRESPONDING FORMATION OF CONDENSATE AND/OR FOR ELIMINATION/FOR REDUCTION IN CONDENSATE ON/IN ELECTRIC ENGINES

Изобретение относится к способу для обнаружения предстоящего или уже осуществившегося образования конденсата на/в электродвигателях, в частности на/в электродвигателях как составной части вентиляторов или групп вентиляторов. Кроме того, изобретение касается способа для предотвращения образования конденсата и/или для устранения/для уменьшения конденсата на/в электродвигателях, в частности на/в электродвигателях как составной части вентиляторов или групп вентиляторов.
Во-первых, существенно, что заявленные способы касаются, в общем и целом, электродвигателей, в частности EC-двигателей (Electronically Commutated Motors, англ. электронно коммутированных двигателей), у которых электроника двигателя генерирует систему сигналов питания, причем система сигналов питания может генерировать в электродвигателе вращающееся поле, которое вызывает вращательное движение ротора. EC-двигатель может иметь конструкцию с внутренним ротором или конструкцию с внешним ротором. При этом электроника двигателя может быть как интегрирована в двигатель, так и расположена снаружи.
В особых случаях применения и/или условиях окружающей среды в зависимости от эксплуатации может случиться, что в или, соответственно, на двигателе образуется конденсат. В особенно неблагоприятных случаях это может приводить к повреждению или к выходу двигателя из строя. Оказалось, что выход из строя вследствие влаги крайне трудно подтвердить, не в последнюю очередь из-за постепенного испарения.
Из практики уже известны функции защиты в различных целях, например, для предотвращения обледенения. Для этого в обмотку статора подается настраиваемая составляющая измерительного тока в виде импульсного постоянного тока.
В отношении проблем, касающихся влажности воздуха и конденсации, еще не известны никакие пригодные к использованию методы обнаружения и устранения этой проблемы. Это не в последнюю очередь объясняется тем, что образование конденсата может происходить на или в двигателе в самых различных местах. Так, крайне трудно обнаруживать предстоящее или уже произошедшее образование конденсата и, до образования конденсата или сразу после него, оказывать помощь по устранению, чтобы можно было исключить далеко идущие проблемы в отношении двигателя, а также в отношении указанного, включающего в себя этот двигатель, вентилятора или соответствующей системы вентиляторов.
Вышестоящая задача в отношении обнаружения предстоящего или уже осуществившегося образования конденсата решена с помощью признаков п.1 формулы изобретения. В отношении помощи по устранению, а именно, для предотвращения образования конденсата и/или для устранения или, соответственно, для уменьшения конденсата на/в электродвигателях вышестоящая задача решена с помощью признаков вспомогательного пункта 14 формулы изобретения.
По п.1 формулы изобретения способ включает в себя следующие этапы способа:
- нахождение температур конструктивных элементов, предпочтительно температур поверхности на электронике (внутри/снаружи), на/в двигателе, на/в вентиляторе или на/в группах вентиляторов,
- нахождение температуры точки росы или отдельных температур точки росы на электронике, в/на двигателе, вентиляторе или на/в группах вентиляторов,
- сравнение соответствующей температуры конструктивного элемента с соответствующей температурой точки росы и вывод об уже осуществившемся или предстоящем образовании конденсата при приближении температуры конструктивного элемента к температуре точки росы или при опускании ниже температуры точки росы.
В отношении предотвращения образования конденсата и/или устранения/уменьшения конденсата вспомогательным п.14 формулы изобретения заявлены следующие этапы способа:
- обнаружение предстоящего и/или уже осуществившегося образования конденсата на или в двигателе по одному из пп.1-13, и
- принятие мер для предотвращения образования конденсата и/или для устранения/для уменьшения конденсата с помощью пассивных или активных мер.
Для реализации предлагаемой изобретением теории существенно, чтобы образование конденсата было связано с физическими данными. Конденсат образуется везде там, где температура поверхности конструктивных элементов опускается ниже точки росы или, соответственно, температуры точки росы.
Процесс, при котором возникает конденсат, называется конденсацией. При этом речь идет о переходе вещества из газообразного в жидкое агрегатное состояние. Конденсат возникает, когда газ или, соответственно, смесь газов перенасыщается конденсируемой составной частью.
Для определения момента времени, в который возникает конденсат, важна уже упомянутая выше точка росы или, соответственно, температура точки росы. При этом в случае окружающего воздуха речь идет о температуре, ниже которой должна опуститься температура воздуха, имеющего определенную влажность воздуха, при постоянном давлении, чтобы водяной пар осаждался в виде росы или тумана. Влажность воздуха в точке росы составляет 100%. При этом часто говорят о воздухе, насыщенном водяным паром.
Точка росы или, соответственно, температура точки росы может определяться с помощью зеркального гигрометра точки росы или другими гигрометрическими способами. Альтернативно определение осуществляется опосредованно путем измерения температуры воздуха и влажности воздуха.
Относительная влажность воздуха может измеряться посредством датчика влажности. Температура воздуха находится, как правило, посредством термометра. Получается следующий расчет температуры точки росы:
= относительная влажность воздуха в процентах (измеренная с помощью датчика)
T=температура воздуха (измеренная с помощью датчика или определенная иным образом)
Из конкретной ситуации определяются следующие константы:
a=7,5
b=237,3°C
Давление насыщения пара=6,1078 hPa⋅10^((a⋅T)/(b+T))
Давление пара =  ⋅давление насыщения пара
10
V=log (давление пара/6,1078)
Температура точки росы = (b⋅V)/(a-V)
На основе вышестоящих физических зависимостей может оцениваться температура конструктивных элементов на соответствующем конструктивном элементе. Особенно предпочтительным образом измеряется или находится и оценивается температура конструктивных элементов, в частности в критических местах, на или в двигателе или, соответственно, на или в вентиляторе.
Возможно, и может быть предпочтительным, не измерять температуру конструктивных элементов, а, собственно, выводить из модели расчета двигателя, или другого метода референцирования, (например, по таблицам или формулам приближения), вентилятора или группы вентиляторов. Совсем особо предпочтительным образом для этого может использоваться цифровой двойник двигателя/вентилятора или группы вентиляторов.
Цифровой двойник является цифровым отображением реального, индивидуального объекта, в случае предлагаемой изобретением теории электродвигателя, вентилятора или системы вентиляторов. Этот цифровой двойник отображает свойства двигателя или вентилятора посредством модели расчета и при необходимости с привлечением известных данных двигателя или вентилятора. Задачу цифрового двойника можно видеть в расчете состояний конструктивных элементов двигателя или вентилятора в зависимости от соответствующего рабочего состояния с помощью виртуальных датчиков. Найденные на основе такого расчета состояния конструктивных элементов передаются в учитывающий рабочие параметры алгоритм, который находит/рассчитывает из рабочих данных цифрового двойника рабочие параметры или рабочие состояния вентилятора. На основе результата возможна удовлетворяющая ситуации адаптация регулирования. Рабочие параметры и рабочие состояния являются равным образом релевантными постольку, поскольку они являются рассчитываемыми величинами.
Рассмотренная ранее комбинация цифрового двойника и учитывающего рабочие параметры алгоритма может реализовываться в виде алгоритма цифрового двойника на предназначенном для двигателя вентилятора микропроцессоре и при этом присваиваться вентилятору как постоянная составная часть.
Алгоритм цифрового двойника представляет собой комбинацию описывающего двигатель или вентилятор цифрового двойника со своего рода интеллектуальным алгоритмом, который построен с учетом рабочих параметров.
С помощью соответственно выполненного вентилятора может производиться упреждающее техническое обслуживание с целью предотвращения выхода из строя вентилятора, например, из-за повреждения вследствие влажности. Стремятся к удовлетворяющей ситуации адаптации параметров системы, чтобы можно было реализовывать максимально возможный срок службы вентилятора.
С использованием цифрового отображения двигателя или вентилятора и учитывающих рабочие параметры алгоритмов при упреждающем техническом обслуживании стремятся по возможности полностью исчерпывать срок службы конструктивных элементов вентилятора и одновременно предотвращать всякий выход вентилятора из строя. Срок службы вентилятора может рассчитываться на основе рассчитанных состояний конструктивных элементов и результирующих отсюда рабочих параметров.
Цифровой двойник использует физические и/или математические и/или статистические и/или эмпирические и/или комбинированные модели для расчета термических и механических состояний конструктивных элементов. Сюда относятся как математические, так и физические и нефизические модели. Учитывающий рабочие параметры алгоритм (интеллектуальный алгоритм) нуждается в найденных цифровым двойником состояниях конструктивных элементов, чтобы находить любые рабочие параметры, например, также прогнозировать выход вентилятора из строя.
Для нахождения температуры поверхности конкретного конструктивного элемента в непосредственном окружении этого конкретного конструктивного элемента должен был бы размещаться датчик температуры. Часто из-за финансовых, геометрических и функциональных данных вентилятора/двигателя это невозможно. Соответственно такие состояния конструктивных элементов, как температура в конкретном месте, рассчитываются с помощью цифрового двойника и учитывающего рабочие параметры алгоритма. Температуры поверхности могут регистрироваться также с помощью традиционной сенсорной техники.
В одном из примеров осуществления расчет базируется на математической модели, которая, в свою очередь, базируется на уменьшенной связанной модели термомагнитного расчета. Комбинация из цифрового двойника и учитывающего рабочие параметры алгоритма рассчитывает источники тепла, приемники тепла и термическое состояние всей системы, касающейся двигателя вентилятора. Так, с помощью виртуальных датчиков цифрового двойника может определяться температура конструктивных элементов в зависимости от рабочего состояния вентилятора/двигателя и вводиться в учитывающий рабочие параметры алгоритм в качестве рабочего состояния.
Как цифровой двойник, включая его виртуальные датчики, так и учитывающий рабочие параметры алгоритм может имплементироваться в уже имеющийся микропроцессор, благодаря чему двигатель или вентилятор наделяется определенным машинным интеллектом.
Рассмотренный ранее способ может относиться ко всем, какие только возможны, рабочим параметрам вентилятора. Применение предлагаемого изобретением способа имеет смысл всегда тогда, когда данные параметры нельзя измерить непосредственно, однако их знание может использоваться для оптимизации работы вентилятора, так, в частности, температура на конкретных местах или, соответственно, конструктивных элементах двигателя или вентилятора.
Итак, у электродвигателя или, соответственно, вентилятора или системы вентиляторов есть несколько потенциальных мест конденсации. Поэтому рекомендуется в отношении каждого из возможных мест конденсации рассчитывать или находить соответствующую локальную температуру точки росы, причем, соответственно вышестоящим вариантам осуществления, в соответствующем случае отдельно.
В принципе, можно измерять температуру точки росы посредством гигрометрических методов. Не в последнюю очередь по причинам площади и расходов это часто невозможно.
Альтернативно предпочтительно находить температуру точки росы опосредованно, а именно, из фактического давления пара, при этом в расчет давления пара включаются зависящее от температуры локальное давление насыщения пара и локальную влажность окружающего воздуха двигателя, вентилятора или группы вентиляторов. При применении с низким/высоким давлением для расчета температуры точки росы могут учитываться предписания для расчета и/или параметры, связанные с давлением.
Нужная для расчета температура окружающей среды двигателя или вентилятора или группы вентиляторов может измеряться локально посредством датчика температуры непосредственно на месте. Возможно также, чтобы температура окружающей среды двигателя или вентилятора или группы вентиляторов находилась с помощью децентрализованного измерительного блока (вне вентилятора, например, устройство заказчика) и передавалась в блок аналитической обработки. Опосредованное нахождение температуры окружающей среды двигателя или вентилятора или группы вентиляторов (например, например, из таблицы, на основании функции, с помощью модели расчета) также возможно. В частности, релевантным является определение температуры воздуха, который окружает поверхность, подвергающуюся опасности с точки зрения образования конденсата.
Блок аналитической обработки представляет собой микропроцессор EC-двигателя. Можно также выполнять расчеты вне двигателя на подходящем для этого устройстве (ПЛК, сетевой шлюз, ПК, облако, …).
Влажность окружающего воздуха (степень влажности воздуха, окружающего конструктивный элемент, двигатель или вентилятор или группу вентиляторов) может измеряться посредством датчика влажности, причем этот датчик влажности выборочно интегрирован в двигатель или вентилятор или в группу вентиляторов или выведен из двигателя, вентилятора или группы вентиляторов. Также может осуществляться передача значений от децентрализованного измерительного блока в блок аналитической обработки.
Результатом определения температуры окружающей среды в качестве релевантного параметра является температура T. Результатом определения влажности окружающего воздуха в качестве другого релевантного параметра является относительная влажность  воздуха.
Температура точки росы рассчитывается на отдельных этапах следующим образом:
a. Расчет давления SDD насыщения пара
Давление насыщения пара вещества является давлением, при котором газообразное агрегатное состояние находится в равновесии с жидким агрегатным состоянием. Оно зависит от температуры и рассчитывается приблизительно по формуле Магнуса:
Это справедливо в пределах температуры от -45°C до +60°C и покрывает обычную рабочую область EC-двигателя.
b. Расчет фактического давления DD пара
Фактическое давление пара является мерой степени влажности воздуха. Относительная влажность  воздуха указывает в процентах, в какой степени уже насыщено или, соответственно, достигнуто давление насыщения пара.
c. Расчет температуры τ точки росы
Температура точки росы является температурой, при которой фактическое давление пара соответствует давлению насыщения пара, то есть при которой относительная влажность воздуха составляет 100%. При опускании температуры поверхности конструктивного элемента и вместе с тем охлаждении примыкающей текучей среды ниже температуры точки росы эта текучая среда является перенасыщенной с точки зрения содержания водяного пара. Поэтому избыточный водяной пар осаждается в виде конденсата на поверхности упомянутого конструктивного элемента.
При этом температура τ точки росы рассчитывается приблизительно следующим образом:
Так как при этом, как и в случае давления насыщения пара, речь идет о приближениях, в литературе можно найти эти формулы и с другими численными значениями, которые, однако, дают сравнимые результаты для соответствующих пределов температуры, для которых они рассчитаны.
Для случая, когда случай применения представляет собой применение с низким/высоким давлением, при котором нельзя пренебречь обусловленным давлением смещением точки росы, должны учитываться предписания для расчета или параметры, связанные с давлением. В микропроцессоре двигателя давление окружающей среды, поскольку оно приблизительно постоянно, должно сохраняться в памяти как постоянное значение, или находиться динамически с помощью датчика давления.
Контроль температуры критических конструктивных элементов в критических местах является существенной составной частью способа. При этом критические места могут быть зависимы от условий монтажа, например, положения монтажа. Контроль температур конструктивных элементов может осуществляться опосредованно с помощью термической модели, опционально связанной с другими моделями и предписаниями для расчета, которые позволяют оценивать температуры поверхности. Благодаря применению термической модели возможно опосредованное нахождение температур поверхностей. Так регистрируются температуры или другие физические величины двигателя.
При определении локальной относительной влажности воздуха может использоваться фактор времени, который учитывает временной сдвиг, когда окружающий двигатель воздух соответствует по относительной влажности воздуха воздуху в фактическом месте измерения. И при этом также возможна соответствующая модель расчета, которая, например, учитывает влияющие факторы, такие как частота вращения двигателя.
Предлагаемый изобретением способ для предотвращения образования конденсата и/или для устранения/для уменьшения конденсата на/в электродвигателях, в частности на/в электродвигателях как составной части вентиляторов или групп вентиляторов включает в себя следующие этапы способа:
- обнаружение предстоящего или уже осуществившегося образования конденсата на или в двигателе и
- принятие мер для предотвращения образования конденсата и/или для устранения/для уменьшения конденсата с помощью пассивных или активных мер.
Следовательно, здесь реализованы механизмы защиты, которые могут включать в себя различные меры, например, удаление воздуха/ вентилирование с использованием возможных эффектов вентиляции от вращения ротора двигателя. Альтернативно или дополнительно возможно, чтобы из состояния остановленного двигателя кратковременно запускался двигатель и вместе с тем вентилятор. Также возможно, чтобы эти меры включали в себя адаптацию частоты вращения двигателя при работающем двигателе. Возможны и дополнительные функции обогрева двигателя, после которых путем целенаправленного активирования конструктивных элементов или компонентов двигателя провоцируется локально релевантная мощность потерь. Еще одной подходящей мерой является активный обогрев, причем этот обогрев может касаться двигателя в целом или отдельных компонентов двигателя, где именно следует опасаться образования конденсата.
Совсем особо предпочтительно, когда перед или вместе с принятием вышеназванных мер генерируется предупреждающее сообщение и посылается в вышестоящую систему. Также предпочтительно сохранение в памяти событий/памяти системы, к которой можно обращаться, в частности, в случае рекламаций. Эта память может представлять собой внутреннюю или внешнюю память событий. Также возможно, чтобы генерированные данные, наряду с памятью, например, через облако передавались в децентрализованное или централизованное вычислительное устройство и память.
Также следует указать, что особенно предпочтительно, когда на двигателе или, соответственно, вентиляторе, в релевантных местах/конструктивных элементах, определяются несколько или, соответственно, много локальных температур точки росы, а именно, соответственно в связи с потенциальным местом конденсации. Это позволяет, в зависимости от подвергающегося опасности места конденсации, выбирать оптимум из различных механизмов защиты.
В одном из особых вариантов осуществления находится/рассчитывается интенсивность испарения, которая может задавать механизму защиты или, соответственно, соответствующей мере продолжительность соответствующего действия. На основе такой терминированной меры возможна автоматическая работа с использованием предлагаемого изобретением способа.
Итак, есть разные возможности выполнить и усовершенствовать идею настоящего изобретения предпочтительным образом. В этой связи, с одной стороны, можно сослаться на пункты формулы изобретения, зависимые от п.1 формулы изобретения, а с другой стороны, на последующее пояснение одного из предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежей. В связи с пояснением этого предпочтительного примера осуществления изобретения с помощью чертежей поясняются также вообще предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования идеи изобретения. На чертежах показано:
фиг.1: на схематичном виде, в сечении, один из примеров осуществления двигателя, при работе которого может использоваться предлагаемый изобретением способ, и
фиг.2: на блок-схеме процесс выполнения предлагаемого изобретением способа с отдельными этапами способа.
На фиг.1 на чертеже в сечении показан типовой электродвигатель конструкции с внешним ротором, который применяется в качестве узла привода в вентиляторах/группах вентиляторов. Известность таких электродвигателей предполагается, так что детальное описание здесь опускается.
Для электродвигателя, выполненного в конструкции с внешним ротором, существенно, что статор 1 расположен вокруг оси 2 двигателя, а ротор 3 вокруг статора 1 с возможностью вращения вокруг него.
Статор 1 размещен на опорной трубе 4, которая, вместе с боковой стенкой 5, является частью корпуса 6, который может быть разделен внутри на разные области.
Ротор 3 окружен стенкой 7, которая вращается вместе с ротором 3. На нем может без возможности вращения устанавливаться не показанная на фиг.1 крыльчатка вентилятора вместе с надлежащими средствами.
Внутри корпуса 6 предусмотрен микропроцессор 8, от которого наружу из корпуса 6 ведет линия 9 связи.
Кроме того, внутри корпуса 6 расположен датчик 10, в конкретном случае датчик влажности. Можно также предусмотреть внутри корпуса 6 не показанный датчик температуры.
Полученные с помощью датчика 10 данные измерений вводятся в микропроцессор 8 и могут по линии 9 связи вводиться во внешнюю электронику или блок аналитической обработки, как это рассмотрено в общей части описания. Кроме того, двигателю по линии 9 связи (проводным или беспроводным путем) могут передаваться данные измерений внешнего измерительного блока, для аналитической обработки их микропроцессором 8. Поскольку внешний блок аналитической обработки применяется для нахождения опасности выпадения росы, он также является тем блоком, который по линии 9 связи включает механизмы защиты. Поток данных первично задуман в направлении двигателя, согласно чему в двигатель, например, вводится внешнее измерение. Можно выполнять обнаружение конденсата и предотвращение конденсата, например, с помощью внешнего устройства (сетевой шлюз, ПЛК, облако и пр.).
На фиг.2 в виде блок-схемы показан процесс выполнения предлагаемого изобретением способа для обнаружения и предотвращения образования конденсата.
При этом сначала измеряется или определяется температура окружающей среды контролируемого двигателя/вентилятора или целой группы вентиляторов. Соответственно общему описанию за основу может браться термическая модель с использованием цифрового двойника.
Определяется влажность окружающего воздуха контролируемого двигателя/вентилятора (или целой группы вентиляторов). После этого осуществляется расчет температуры точки росы или отдельных температур точки росы в критических областях или, соответственно, на критических конструктивных элементах в или на двигателе.
Температуры поверхности отдельных конструктивных элементов двигателя или вентилятора рассчитываются или измеряются. Если температура конструктивного элемента или, соответственно, температура поверхности лежит близко к температуре точки росы или ниже температуры точки росы, может, например, осуществляться запись в память событий, и могут включаться опциональные функции защиты. Если это не так, для предотвращения опускания ниже температуры точки росы, как бы автоматически, может активироваться надлежащая функция защиты.
Во избежание повторов в остальном ссылаемся на общее описание, в котором детально рассматривается этот способ.
В отношении других предпочтительных вариантов осуществления предлагаемой изобретением теории во избежание повторов ссылаемся на общую часть описания, а также на прилагаемые пункты формулы изобретения.
Наконец, следует особо указать, что описанный выше пример осуществления предлагаемой изобретением теории служит только для рассмотрения заявленной теории, однако не ограничивает ее этим примером осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Статор
2 Ось двигателя
3 Ротор
4 Опорная труба
5 Стенка (статора)
6 Корпус
7 Стенка (ротора)
8 Микропроцессор
9 Линия связи
10 Датчик, датчик влажности