УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ВЕНТИЛЯТОРА

Полезная модель относится к области автоматизированного электропривода, а именно к системам управления и может быть использована для управления режимом работы вентилятора, преимущественно с вентильным двигателем постоянного тока.
Известно устройство для управления вентилятором с двигателем постоянного тока (RU 23697 и 1 МПК 7 G05D 13/00 оп. 27.06.2002 г.)
Устройство для управления вентилятором с двигателем постоянного тока, преимущественно для вагонов железнодорожного транспорта, содержит двигатель с независимой обмоткой возбуждения, последовательно с которой включен балластный резистор, зашунтированный размыкающим контактом контактора, замыкающий контакт которого включен последовательно с якорем двигателя, и устройство регулирования тока якоря. В качестве устройства регулирования тока якоря использован транзистор, к коллектору которого подключен обратный диод, шунтирующий якорь двигателя, а к эмиттеру транзистора подключен датчик тока, управляющий работой транзистора.
Известно устройство управления вентиляторной установки (патент №206487, кл. E21F 1/00, 1996), содержащее программно управляемый блок согласования давлений, выполненный в виде цифрового регулятора, к первому входу которого подключен блок задания давления, а также установленные на выходе вентилятора датчик давления, датчик положения лопаток и частоты вращения рабочего колеса, выходы которых соединены с входами блока согласования давлений. Кроме того, устройство содержит блок питания, совмещенный с блоком плавного пуска и блоком торможения, а также блок питания электромагнитной муфты, соединяющей валы электродвигателя и вентилятора.
Недостатком данного устройства является функциональная сложность, низкая надежность управления режимом работы вентиляторной установки.
Известно устройство управления режимом работы вентиляторной установки (Патент №2146331, кл. E21F 1/00, 2000), содержащее программируемый блок управления, блок задания параметров, исполнительные механизмы поворота лопаток рабочего колеса, элементов шибера с датчиками их положения, при этом выходы датчиков соединены с соответствующими входами программируемого блока управления, связанного также с пультом управления и модулем плавного пуска электродвигателя вентилятора.
Недостатком данного устройства является невозможность его применения при использовании для привода вентилятора с синхронных электродвигателем, а также невозможность его использования при управлении параллельно работающими вентиляторными агрегатами и в режиме дистанционного управления от диспетчера или ЭВМ верхнего уровня.
Известно устройство управления режимом работы вентиляторной установки (патент RU 2402683, МПК E21F 1//00, 2006.01)
Устройство управления режимом работы вентиляторной установки содержит автономную подсистему управления отдельным вентиляторным агрегатом, включающую блок задания режимов, блок плавного пуска электродвигателя, блок управления, выходы которого соединены с входами исполнительных механизмов поворота лопаток рабочего колеса и шибера вентилятора, датчик положения лопаток рабочего колеса, положение шибера и датчик напряжения питания или тока возбуждения электродвигателя. Устройство снабжено дополнительными автономными подсистемами управления отдельными вентиляторными агрегатами, причем каждая автономная подсистема управления отдельным вентиляторным агрегатом содержит исполнительный механизм управления тормозом, вход которого соединен с выходом блока управления, датчики давления и тормоза, и микропроцессорный контроллер, включающий блок переключения режимов «ведущий-ведомый», модуль ввода-вывода и микропроцессорный модуль, причем выходы датчиков положения лопаток рабочего колеса, положения шибера, напряжения или тока возбуждения электродвигателя, давления и тормоза соединены с соответствующими входами модуля ввода-вывода, а блок плавного пуска электродвигателя каждой автономной подсистемы управления отдельным вентиляторным агрегатом выполнен в виде комбинированного блока плавного пуска-регулирования возбуждения (БПП/БРВ), который используется как блок плавного пуска с фазовым управлением в случае применения асинхронного электродвигателя, и как блок регулирования тока возбуждения в случае применения синхронного электродвигателя вентилятора, при этом микропроцессорный контроллер через модуль ввода-вывода и БПП/БРВ соединен с электродвигателем вентилятора.
Кроме того устройство снабжено микропроцессорным контроллером верхнего уровня, а каждая автономная подсистема управления отдельным вентилятором снабжена индивидуальным пультом управления, причем микропроцессорные контроллеры автономных подсистем управления отдельными вентиляторами соединены между собой через модули ввода-вывода, а также с микропроцессорным контроллером верхнего уровня.
Недостатком этого устройства является его функциональная сложность.
Наиболее близким по назначению является устройство для управления потоком вентилятора, приводимого в действие электродвигателем. (Патент RU 2310222 С2, МПК E05B 13/00, оп. 10.11.2007 г.)
Это устройство имеет электродвигатель для поддержания на выбранном уровне потока от вентилятора, причем указанный вентилятор имеет фильтр, размещенный на стороне всасывания вентилятора, управляющий блок для управления током, подаваемым в двигатель, первый датчик, представляющий собой последовательный резистор подсоединенный к двигателю и связанный с управляющим блоком для определения фактического значения тока, потребляемого двигателем, и второй датчик, связанный с управляющим блоком для определения фактической частоты вращения двигателя. Второй датчик соединен с указанным управляющим блоком и содержится в двигателе и выполнен с возможностью выработки импульсного сигнала, указывающего на положение ротора двигателя, причем управляющий блок преобразует указанный импульсный сигнал в сигнал, указывающий частоту вращения.
Указанный управляющий блок содержит запоминающее устройство, в котором хранятся множество кривых или таблиц, определяющие зависимость между частотой вращения и потребляемым двигателем током при заданном потоке вентилятора.
Указанный управляющий блок выполнен с возможностью циклического сравнения фактических значений тока и частоты вращения с выбранной заданной кривой или таблицей потока из множества таких кривых или таблиц памяти, и для управления в случае возникновения любого отклонения подачей тока к двигателю таким образом, чтобы уменьшить это отклонение и при отсутствии отклонения от заданной кривой или таблицы поддерживают выбранный поток.
Недостатком устройства является его функциональная сложность, недостаточная надежность управления режимом работы вентиляторной установки, а также его высокая стоимость вследствие наличия ряда сложных блоков и их избыточных связей.
Задачей полезной модели является создание нового устройства управления режимом работы вентилятора на основе вентильного двигателя постоянного тока в зоне максимально возможного аэродинамического КПД.
Технический результат состоит в стабилизации частоты вращения вентильного двигателя и удержания тока его в необходимых пределах для достижения требуемых значений давления (Р) и необходимой производительности (Q) с учетом их максимального произведения (P-Q)max.
Технический результат достигается тем, что устройство управления режимом работы вентилятора, преимущественно на основе вентильного двигателя постоянного тока содержит источник питания, один выход которого соединен со входом инвертора, а другой выход его соединен с датчиком тока. Первый выход инвертора соединен с электровентилятором, включающим синхронную электрическую машину, встроенную в вентиляторное колесо, а второй выход инвертора соединен со входом блока блока компараторов. Второй вход инвертора соединен с выходом драйвера. Вход драйвера соединен с выходом блока управления, входы которого соединены с выходом регулятора тока и выходами схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению. Первые входы схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению соединены с выходами датчика тока и датчика скорости, а вторые входы схемы сравнения по производительности и схемы сравнения по давлению соединены с выходами задатчика по призводительности и задатчика по давлению. Входы датчика скорости и датчика положения ротора соединены с выходами электровентилятора. Вход регулятора тока соединен с выходом схемы сравнения по току, первый вход который соединен с выходом датчика тока, а второй вход соединен с выходом регулятора скорости. Вход регулятора скорости соединен с выходом схемы сравнения по скорости, один вход которой соединен с выходом задатчика скорости, а другой ее вход соединен с выходами датчика скорости, датчика положения ротора и с выходом блока компараторов.
Устройство обеспечивает поддержание заданного значения давления и производительности воздушного потока вентилятора, причем их произведение должно быть на максимально возможном уровне для данного вентиляторного колеса и данного значения частоты вращения вентильного двигателя. Мощность потребления вентильного двигателя путем изменения частоты вращения и потребляемого тока минимизируется за счет сигналов с регуляторов скорости и регуляторов тока при сравнении их сигналов с заданными и измеренными в процессе настройки системы. Сигналы управления этой системы воздействуют управляющими сигналами на драйверы инвертора и выводит всю вентиляционную систему в зону минимально возможного тока при данной фиксированной скорости, что обеспечивает максимально возможный КПД всей вентиляционной установки при реально достижимых давлении и производительности воздушного потока. Новым в заявленной полезной модели являются новые связи между блоками.
max1
1
max2
2
max3
3
max1
1
max2
2
max3
3
i
i
i
i
max
i
max
i
i
i
1max
2max
3max
i
i
i
i
=
2
2
2
2
2
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлено устройство управления режимом работы вентилятора. На фиг.2а - представлены аэродинамические кривые вентилятора в трех режимах Q=ω1, Q=ω=0,75, Q=ω=0,5 При этом P=ω =1, P=ω =0,75=0,56, P=ω =0,5=0,25, где ω - частота вращения вентилятора и 3 кривые произведений (P·Q) - максимум которых соответствует (Q) и (P) (в относительных единицах). На фиг.2б в координатах I, ω и m построены механические характеристики для трех стабилизированных режимов ω=1, ω=0,75, ω=0,5  (в о.е.) в соответствие с фиг.2а, которые отсекаются токовой характеристикой Qi1max=l, Qi2max=0,75 и Qimax=0,5, причем Q≡m≡I≡ω.
На фиг.1 введены следующие обозначения:
- источник питания 1;
- инвертор 2;
- электровентилятор 3;
- синхронная электрическая машина 4;
- вентиляторное колесо 5;
- датчик 6 тока;
- драйвер 7;
- блок 8 компараторов;
- датчик 9 положения ротора;
- датчик 10 скорости;
- задатчик 11 скорости;
- схема 12 сравнения по скорости;
- регулятор 13 скорости;
- схема 14 сравнения по току;
- регулятор 15 тока;
- блок 16 управления;
- задатчик 17 по производительности;
- задатчик 18 по давлению;
- схема 19 сравнения по производительности;
- схема 20 сравнения по давлению.
Устройство выполнено на основе вентильного двигателя постоянного тока. Устройство содержит источник питания 1, один выход которого соединен с силовым входом инвертора 2, а другой выход его соединен с датчиком 6 тока. Первый выход инвертора 2 соединен с электровентилятором 3. Электровентилятор 3 содержит электрическую машину 4, встроенную в вентиляторное колесо 5. Второй выход инвертора 2 соединен со входом блока 8 компараторов. Второй управляющий вход инвертора 2 соединен с выходом драйвера 7. Вход драйвера 7 соединен с выходом блока 16 управления. Входы блока 16 управления соединены с выходами регулятора 15 тока и выходами схемы 19 сравнения по производительности и схемы 20 сравнения по давлению. Первые входы схемы 19 сравнения по производительности и схемы 20 сравнения по давлению соединены с выходами датчика 6 тока и датчика 10 скорости. Вторые входы схем сравнения 19 по производительности и схемы 20 сравнения по давлению соединены с выходами задатчика 17 по производительности и задатчика 18 по давлению. Входы датчика 10 скорости и датчика 9 положения ротора соединены с выходами электровентилятора 3. Вход регулятора 15 тока соединен с выходом схемы 14 сравнения по току. Первый вход схемы 14 сравнения по току соединен с выходом датчика 6 тока, а второй вход соединен с выходом регулятора 13 скорости. Вход регулятора 13 скорости соединен с выходом схемы 12 сравнения по скорости, один вход которой соединен с выходом задатчика 11 скорости, а другой вход ее соединен с выходом датчика 10 скорости, датчика 9 положения ротора и с выходом блока 8 компараторов.
На фиг.2а изображены аэродинамические характеристики работы вентилятора в осях P и Q (в относительных единицах), а на фиг.2б - механические характеристики вентильного (синхронного) двигателя: n=1, n=0.75, n=0.5 (в относительных единицах).
На фиг.2а обозначены:
1 - предельная аэродинамическая характеристика вентилятора P=f(Q), при n=1.
2 - промежуточная аэродинамическая характеристика вентилятора P=f(Q), при n=0.75.
3 - минимально возможная аэродинамическая характеристика вентилятора P=f(Q), при n=0.5. (из энергетических возможностей электровентилятора).
4, 5, 6 - полезная аэродинамическая мощность вентилятора при n=1; n=0.75; n=0.5.(Pad=P*Q).
A, B, C - оптимальные рабочие точки вентилятора (где Pad→max);
opt
opt
P и Q - значения P и Q в оптимальных точках A, B, C.
Предложенная полезная модель устройства управления режимом работы вентилятора с приводом от вентильного двигателя постоянного тока работает следующим образом:
н
н
н
н
н
н
н
н
н
u
u
н
max
н
н
н
н
н
н
н
н
н
н
н
н
max
н
max
max
max
max
дв
max пр
max дв
max пр
н
н
н
н
н
max
min
1
3
в.у.
д
в
в.у.
д
в
3
С источника питания 1 на инвертор 2 поступает напряжение питания U (номинальное) и ток I, соответствующий номинальному моменту m и номинальной скорости n, причем m соответствует значению Q - номинальной производительности, а  - номинальному P - номинальному давлению (точка A на фиг.2а). Значения Q и P заданы в виде сигналов в задатчике 17 по производительности и задатчике 18 по давлению (их оптимальные значения на предельной аэродинамической характеристике 1 фиг.2а). Блок 16 управления в этом случае (в случае выхода рабочей точки в точку A на графике 1 фиг.2а) вырабатывает соответствующий сигнал (скважность сигнала γ=t/T=1, где t - длительность импульса управления двигателем, а T - период импульсов управления, воздействующих на силовые ключи инвертора 2 сигналами, формируемыми драйвером 7 в определенной логике, заранее сформированной блоком 16 управления). Если же рабочая точка в силу определенных причин (неправильно рассчитан режим работы вентилятора, или мала мощность двигателя - перегревается двигатель, так как m≥m, или n не обеспечивает нужной величины P или Q) возникает режим рассогласования между заданными значениями P и Q и фактическими значениями, измеренными с датчика 6 тока, пропорциональных моменту m на валу двигателя и производительности Q, а также с датчика 10 скорости ω и датчика 9 положения ротора, пропорциональных давлению P, снимаемых с датчика 9 положения ротора и датчика 10 скорости, и с блока 8 компараторов, на которые приходят сигналы по противо ЭДС синхронной электрической машины 4, пропорциональных ω - номинальной частоте вращения синхронной электрической машины 4, а следовательно и электровентилятора 3. При этом регулятор 13 скорости, имея задатчик 11 скорости на уровне n, должен выдать сигнал на уменьшение скорости (так как увеличение скорости более n невозможен, так как это повлечет за собой увеличение требуемой мощности привода в (n/n) - что невозможно в силу нагрева двигателя и его перегрузочной способности). Будем исходить из того, что m, а следовательно и перегрев способности). Будем исходить из того, что m, а следовательно и перегрев машины T (°C) выбраны в соответствии с допустимыми нормами для данного вентильного двигателя и привода в целом по нагреву и моменту не менее 20% (m/m=1,2, где m, m - максимально допустимые моменты на двигателе и в приводе вентилятора соответственно). Тогда имеем возможность за счет изменения скважности γ≤1 уменьшить ток потребления I, а следовательно и P и Q с выходом на оптимальную кривую АВС (фиг.2а) с промежуточными значениями тока I и напряжения U, причем изменение скорости (фиг.2а) выбраны для диапазона n/n=n/n=2 (так как дальнейшее уменьшение приведет к нерациональному уменьшению мощности привода и рациональной замене его менее маломощным с условием исключения зоны прерывистых токов, где КПД двигателя резко уменьшается, что приводит к уменьшению КПД всей вентиляционной установки, так как η=η·η, где η, η, η - КПД вентиляционной установки, двигателя и вентилятора с учетом положения его рабочей точки). Уменьшение скорости в 2 раза приведет к уменьшению производительности в 2 раза, а давления в 4 раза, а мощности в 8 раз (фиг.2а). В этих пределах изменения скорости задатчик 11 скорости и регулятор 15 тока выдают сигналы на блок 16 управления, который формирует сигнал управления, поступающий на драйвер 7, управляющий инвертором 2.
max
min
max
max
opt I
opt I
i
i
opt
opt i
max i
opt i
max i1
min
max
max
min
3
max
1
max1
max2
max3
max1
max2
max3
max
max
max
i
2
Устройство управления режимом работы вентилятора выполнено на стандартных блоках. Так, например, источник питания применен типа Power Supply EA-9300-02, инвертор типа GB25RF120K, драйвера тип IR2214SS, блок компараторов и схемы сравнения построены на компараторах типа LM2390, задатчик скорости, производительности, давления выбираются в зависимости от типа вентилятора и двигателя (мощности, диапазона регулирования и т.д.). В данном случае диапазон регулирования (ω/ω=2 при мощности примерно от 600 Вт до 5000 Вт выбраны потенциометрического типа, по максимальному напряжению питания схем управления и схем драйверов (Uн=5÷15 В). Регулятор скорости типа ПИД и регулятор тока типа ПД стандартный с учетом выхода на блок управления, построенный на микропроцессоре PIC16F628A. Двигатель бесконтактный синхронный магнитоэлектрического типа с внешним ротором и обмоткой статора, выполненной на каждом зубце статора. Такой двигатель обладает большой перегрузочной способностью, лучшими условиями теплоохлаждения, при этом упрощается технология укладки обмотки в пазы статора и снижается вероятность пробоя изоляции в обмотках двигателя. Датчик тока, скорости и положения могут быть выполнены различными способами Например, датчик тока это обычное сопротивления малой величины, установленное в минусовой шине, питающей инвертор, датчик положения ротора - датчик Холла (TLE4935-2L), а датчик скорости может быть образован, например, за счет наложения обмотки тахогенератора на зубцы статора или любой другой тип тахогенера (например бесконтактная маломощная машина синхронного или асинхронного типа). Предложенное устройство позволяет поддерживать работу вентилятора в зоне максимально возможных значений аэродинамического КПД вентилятора за счет установки частоты вращения вентильного двигателя и удержания тока его в необходимых пределах для достижения требуемого значения давления (P±ΔP) и необходимой производительности (Q±ΔQ) с учетом их максимального произведения (P·Q). При наличие рассогласования, т.е. уходу параметров более величины установки (±ΔP и ±ΔQ) по давлению и производительности возникает сигнал рассогласования на выходе схем сравнения (компараторов) по производительности и давлению, корректирующих истинное положение рабочей точки в сторону уменьшения этого рассогласования (отрицательная обратная связь) и возвращающая рабочую точку в зону экстремального (максимального) значения (P·Q), которое хранится в памяти микропроцессора в блоке 16 управления синхронной электрической машины 4. Линия оптимального расположения рабочих точек вентилятора АВС (фиг.2а) приближенно описывается уравнением: P=√3·Q-⅓, при (P·Q)→max в пределах скорости, где P=⅔P; Q=Q/√3 от n=0,5n до n=1, где n=n, n=n. Принято Q=1, Q=0,75, Q=0,5, P=1, P=0,56, P=0,25 (в относительных единицах), m=1, I=1, n=1 (фиг.2б). Уравнение предельной аэродинамической характеристики: Pi=1-(Q), (кривая 1).