Способ и устройство для управления потоком от вентилятора с приводом от электродвигателя

Способ и устройство для управления потоком от вентилятора с приводом от электродвигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к управлению потоком от вентилятора, приводимого в действие от электродвигателя, а конкретнее касается поддержания постоянного потока от вентилятора, имеющего фильтр, расположенный на стороне всасывания.

Может существовать необходимость выполнения некоторых видов работ в условиях окружающей среды, опасных вследствие наличия дыма или ядовитых газов для здоровья человека, который должен выполнить эту работу. Одним из примеров работы такого типа является сварка. Для проведения такой работы без какого бы то ни было риска для здоровья были сконструированы вентиляционные установки. В них используется вентилятор с электроприводом для подачи чистого воздуха к защитному шлему, который носит человек во время выполнения такой работы. Установка может быть оборудована фильтром, например на стороне всасывания вентилятора, для отфильтровывания механических частиц и/или нежелательных газов из воздуха, используемого для дыхания. Эта установка может быть переносной и приводиться в действие от батарей.

Для обеспечения безопасности при эксплуатации такой установки, необходимо иметь возможность гарантировать, чтобы поток чистого воздуха не падал ниже определенного уровня, например, установленного стандартами охраны здоровья. Этот уровень должен поддерживаться, даже если во время эксплуатации установки загрязнение фильтра непрерывно увеличивается. Для комфортного использования установки также желательно, чтобы объем/мощность потока не причиняли неудобства в виде сквозняка, и чтобы обеспечивалась возможность использования установки в течение длительного периода, например в течение всего рабочего времени, без необходимости проведения каких-либо ручных регулировок или обслуживания. В частности, в установках с питанием от батарей является желательным, чтобы на работу установки практически не влияло напряжение батареи.

Изобретение базируется на знании того, что эти требования и пожелания могут быть удовлетворены, если поток может поддерживаться постоянным на установленном заданном уровне, и что для регулирования потока могут использоваться известные соотношения. Каждый вентилятор имеет индивидуальную вентиляторную характеристику, которая описывает соотношение между частотой вращения, потоком и выходной мощностью при различных перепадах давления. Таким образом, желаемый поток может быть достигнут при определенном перепаде давления, или поток может поддерживаться постоянным за счет изменения перепада давления, регулирования частоты вращения и/или выходной мощности. Кроме того, каждый вентилятор имеет определенный уровень кпд, который определяет соотношение между выходной мощностью и мощностью на валу. Выходная мощность является произведением частоты вращения и крутящего момента, который имеет определенную связь с потребляемым током для каждого электродвигателя. Это означает, что можно начертить набор графиков частота вращения/потребляемый ток для каждой комбинации вентилятор/электродвигатель, каждый из которых определяет заданный поток для различных перепадов давления, и набор графиков, каждый из которых определяет заданный перепад давления для различных потоков. За счет измерения частоты вращения и потребляемого электродвигателем тока можно определить действительный поток, и в случае несоответствия его желаемому потоку он может быть отрегулирован, например, за счет изменения напряжения питания электродвигателя.

Задачей данного изобретения является осуществление регулирования потока и, в частности, поддержания его постоянным, причем решение должно быть как надежным, так и экономичным.

В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается за счет реализации способа и устройства, которые показывают указанные характеристики в независимых пунктах формулы изобретения.

Пример изобретения более подробно описан со ссылкой на приложенные чертежи, в которых на фиг.1 в виде структурной блок-схемы показано регулирующее устройство для вентилятора с электроприводом, а на фиг.2 изображен график зависимости «частота вращения/потребляемый ток» для электродвигателя.

Бесколлекторный двигатель (2) постоянного тока, предпочтительно трехфазный двухполюсный двигатель, приводит в действие радиальный (центробежный) вентилятор (3), установленный в переносной установке подачи чистого воздуха к защитному шлему для сварки, который также выполняет функцию средства индивидуальной защиты органов дыхания. Фильтр (5), который может служить для фильтрации механических частиц и/или газов, установлен на стороне всасывания вентилятора (3). Установка подачи чистого воздуха и сварочный шлем могут иметь конструкцию, соответствующую, например, существующей технологии, и поэтому здесь подробно не показаны и не описаны.

На электродвигатель (2) ток подается по кабелю (6) от устройства (8) управления мощностью. Это устройство в свою очередь получает питание и регулируется по кабелю (10) от управляющего блока (12). Он содержит запоминающее устройство (14), в котором в виде характеристических кривых для заданных потоков хранятся значения числа оборотов и потребляемой мощности электродвигателя при различных падениях давления на фильтре (5) или на различных фильтрах (5).

Фиг.2 - это график, который показывает четыре различных зависимости между частотой вращения и потребляемым током двигателя (2) вентилятора. Две кривые А и В показывают зависимость при постоянных потоках 160 и 200 л/мин соответственно и таким образом при изменяющемся сопротивлении на стороне всасывания. Две другие кривые С и D показывают зависимость при постоянном сопротивлении и изменяющихся потоках. Кривая С, например, отображает зависимость при использовании чистого фильтра, а кривая D показывает зависимость для того же самого фильтра, частично загрязненного, или для более плотного фильтра.

Установка подачи чистого воздуха имеет панель (16) управления, на которой сварщик может установить желаемую величину потока чистого воздуха к шлему при помощи поворотного переключателя (18) выбора потока. Сигнал (q), соответствующий выбранному потоку, поступает по кабелю (20) в управляющий блок (12). Управляющий блок (12) получает питающее напряжение (V) по кабелю (22) от батареи (24).

Кабель (6) подачи питания содержит измерительный резистор (26), соединенный последовательно с электродвигателем (2). Сигнал (е), соответствующий падению напряжения на резисторе (26), снимается с конца резистора, соединенного с двигателем (2), и поступает по кабелю (28) к управляющему блоку (12). Падение напряжения пропорционально потребляемому двигателем току, и управляющий блок преобразовывает сигнал (е) в цифровой сигнал (I) тока. Двигатель (2) также имеет датчик (30), с помощью которого может быть определена фактическая частота вращения. В представленном примере датчик состоит из одного или более датчиков Холла, служащих для определения положения ротора. Сигнал (р) положения, вырабатываемый датчиком (30), поступает по кабелю (32) к управляющему блоку (12). Зная количество указателей положения на один полный оборот двигателя (2), управляющий блок (12) может преобразовать сигнал (р) положения в цифровой сигнал (n) частоты вращения. Управляющее устройство (34), содержащее управляющий блок (12) и устройство (8) управления мощностью, в предпочтительном варианте воплощения может быть полностью или частично встроено в двигатель (2).

Управляющее устройство действует следующим образом. Перед началом конкретной работы сварщик устанавливает соответствующий фильтр (5) на установку подачи чистого воздуха, например фильтр, соответствующий кривой С. Затем сварщик устанавливает значение желаемого потока чистого воздуха в сварочный шлем, используя поворотный переключатель (18) выбора потока, например 160 л/мин. Сигнал (q), который соответствует этому потоку, поступает по кабелю (20) к управляющему блоку (12), который выбирает из запоминающего устройства (14) соответствующую кривую А. Управляющий блок (12) тогда же сравнивает значения тока и частоты вращения, полученные из сигнала (е) напряжения по кабелю (28) и сигнала (р) положения по кабелю (32), с выбранной кривой. Вентилятор обеспечивает желаемый поток воздуха, когда обеим этим величинам будет соответствовать точка на кривой А. Если, однако, только одна из величин находится на кривой, а другая величина имеет отклонение, вентилятор подает слишком большой или слишком маленький поток воздуха, и управляющий блок путем сравнения может определить, какая из величин имеет отклонение. Если, например, величины тока и частоты вращения - 160 мА и 5300 об/минуту соответственно, частота вращения будет выше кривой А, которая устанавливает 5200 об/минуту для 160 мА. Это указывает на слишком малый поток, например вследствие частичного загрязнения фильтра. Значения для двигателя будут соответствовать в данном случае кривой D.

Действие двигателя должно, таким образом, увеличиваться для увеличения потока, поэтому управляющий блок (12) подает соответствующий сигнал по кабелю (10) на устройство (8) управления мощностью, которое в свою очередь увеличивает напряжение на питающем кабеле (6) к двигателю (2). Потребляемый ток растет. Новые значения тока и частоты вращения, полученные от новых сигналов напряжения и положения (е и р соответственно), снова сравниваются с кривой А, соответствующей выбранному потоку, и регулирующий процесс опять повторяется до тех пор, пока обе величины не будут лежать на кривой. Это соответствует точке пересечения кривых А и D, приблизительно при 185 мА и 5600 об/мин. Стабилизация произойдет около этой точки пересечения, и поток будет поддерживаться практически постоянным в соответствии с заданным значением. Если по какой-либо причине сварщик захочет иметь в течение некоторого периода другой поток, например, увеличенный до 200 л/мин, он должен установить поворотный переключатель (18) выбора потока в положение, соответствующее желаемому потоку, после чего управляющий блок (12) выберет соответствующую кривую, в этом случае кривую В, будет управлять через устройство (8) управления мощностью работой двигателя (2), таким образом настраивая вентилятор (3) на этот поток и поддерживая его на постоянном уровне.

Как показано на графике фиг.2, при низких значениях частоты вращения и потребляемого тока точки пересечения кривых не четко определены. Нижняя кривая С, в частности, изгибается вверх, потому что, пока фильтр чистый, падение давления на нем низкое. Двигатель в этом случае работает на холостом ходу, в то же время потребляемый ток соответствует в большей степени току холостого хода двигателя и только в гораздо меньшей степени сопротивлению фильтра. Чтобы управляющее воздействие не закончилось колебаниями, в состав управляющего блока включено средство защиты от минимальной частоты вращения, не позволяющее частоте вращения упасть ниже определенного уровня, который, например, установлен экспериментально значительно выше частоты вращения холостого хода. В показанном примере, например, не разрешено понижение частоты вращения ниже 4300 об/мин при потоке 160 л/мин и ниже 4900 об/мин при 200 л/мин соответственно.

Регулирование мощности двигателя (2) достигнуто использованием импульсной технологии для поддержания настолько низкого расхода энергии, насколько это возможно, что является очень важным для установки, питающейся от батареи. Из соображений безопасности предусмотрен также предупредительный сигнал о слишком низком напряжении батареи. С этой целью управляющий блок (12) определяет поступающее от батареи напряжение V. Если оно падает ниже заданного минимального уровня, управляющий блок (12) подает предупредительный сигнал Vs по кабелю (36) к блоку (38) аварийной сигнализации в установке подачи чистого воздуха. Предупредительный сигнал зажигает лампу (40) аварийной сигнализации, представляющую собой светоиспускающий диод (светодиод) в блоке (38) аварийной сигнализации, и активизирует аварийный зуммер (42) для предупреждения сварщика о том, что установка больше не может продолжать надежно работать.

Управляющий блок имеет дополнительное предохранительное устройство. В запоминающем устройстве (14) управляющего блока (12) имеется еще одна кривая, которая соответствует минимальному потоку, удовлетворяющему применяемому стандарту охраны здоровья. Через равные интервалы или непрерывно управляющий блок сравнивает фактические величины потребляемого тока и частоты вращения двигателя (2) с этой кривой минимального потока. Если сравнение показывает, что фактический поток слишком мал, управляющий блок (12) подает предупредительный сигнал (qs) по кабелю (44) к блоку (38) аварийной сигнализации для активизации лампы (40) аварийной сигнализации и аварийного зуммера (42).

1. Способ регулирования потока от вентилятора (3), приводимого в действие электродвигателем (2), для поддержания потока вентилятора на выбранном заданном уровне, причем вентилятор имеет фильтр (5), установленный на стороне всасывания вентилятора, причем определяют величины, представляющие фактическое потребление тока и фактическую частоту вращения двигателя (2) и при этом потребление тока двигателем определяют при помощи последовательно соединенного с электродвигателем резистора, отличающийся тем, что

определяют фактическую частоту вращения двигателя (2) посредством генерации в двигателе (2) импульсного сигнала (р), вырабатываемого датчиком положения ротора двигателя, причем указанный импульсный сигнал преобразуют в сигнал, указывающий на частоту вращения двигателя, сравнивают значения фактического потребления тока и фактической частоты вращения двигателя с заданной кривой или таблицей из множества кривых или таблиц, хранящихся в запоминающем устройстве (14) управляющего блока (12), причем кривые или таблицы определяют соотношение между потребляемым током и частотой вращения при заданных потоках вентилятора,

определяют отклонение значения фактического потребляемого тока в сравнении с заданным значением выбранной кривой или таблицы;

посредством управляющего блока (12) управляют изменением электрического тока, подаваемого к двигателю, в направлении уменьшения отклонения,

циклически выполняют этапы определения сравнения и управления в управляющем блоке (12) в отношении значений фактического потребления тока и фактической частоты вращения двигателя с выбранной заданной кривой или таблицей и при отсутствии отклонения от заданной кривой или таблицы поддерживают выбранный поток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя выбирают бесколлекторный двигатель (2) постоянного тока.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что фактические значения для частоты вращения и потребляемого тока циклически сравнивают в управляющем блоке (12) с минимальной кривой, представляющей заданный минимальный поток, и подают предупредительный сигнал (qs), если эти величины соответствуют потоку меньшему, чем упомянутый минимальный поток.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фактическое значение для частоты вращения сравнивают в управляющем блоке (12) с минимальным значением частоты вращения при различных уровнях потребляемого тока, сохраненных в запоминающем устройстве, причем регулирование двигателя (2) выполняют таким образом, чтобы предотвращалось падение частоты вращения двигателя ниже минимального значения, соответствующего текущему значению тока.

5. Устройство для управления потоком от вентилятора (3), приводимого в действие электродвигателем (2), для поддержания на выбранном заданном уровне потока от вентилятора, причем указанный вентилятор имеет фильтр (5), размещенный на стороне всасывания вентилятора, управляющий блок (12) для управления током, подаваемым в двигатель, первый датчик, представляющий собой последовательный резистор (26), подсоединенный к двигателю и связанный с управляющим блоком (12) для определения фактического значения тока, потребляемого двигателем, и второй датчик (30) связанный с управляющим блоком (12) для определения фактической частоты вращения двигателя (2), отличающееся тем, что второй датчик (30) соединен с указанным управляющим блоком (12) и содержится в двигателе и выполнен с возможностью выработки импульсного сигнала (р), указывающего на положение ротора двигателя, причем управляющий блок преобразует указанный импульсный сигнал (р) в сигнал, указывающий частоту вращения;

указанный управляющий блок (12) содержит запоминающее устройство (14), в котором хранятся множество кривых (А, В) или таблиц, определяющие зависимость между частотой вращения и потребляемым двигателем (2) током при заданном потоке вентилятора (3);

указанный управляющий блок выполнен с возможностью циклического сравнивания фактических значений тока и частоты вращения с выбранной заданной кривой или таблицей потока из множества таких кривых или таблиц в 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.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что двигатель является бесколлекторным двигателем (2) постоянного тока.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что вентилятор является радиальным вентилятором (3).

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что второй датчик (30) является датчиком Холла.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что вентилятор (3) является составной частью установки подачи чистого воздуха к респираторному средству, такому как защитный шлем (4).

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что управляющий блок (12) управляет предупреждающими средствами (40, 42), предпочтительно установленными в сигнальном блоке (38), для оповещения об уменьшении потока вентилятора (3) ниже заданного минимального уровня.