DE10004188A1 - Elektrischer Antrieb - Google Patents

Abstract

Elektrischer Antrieb, mit DOLLAR A - einer elektrischen Maschine (1), die zumindest einen Ständer und einen Läufer aufweist, DOLLAR A - einer Energieversorgung, DOLLAR A - zumindest einer Kühlvorrichtung (6), DOLLAR A - zumindest einer Heizung, DOLLAR A - wenigstens einem Messsensor (12, 13, 14, 15, 16) zur Erfassung betriebsrelevanter Daten, wobei die von den Messsensoren (12, 13, 14, 15, 16) aufgenommenen Daten zumindest einer Regeleinrichtung (17) zuführbar sind, die daraus, gemäß einer vorgebbaren, dem elektrischen Antrieb angepassten Parametrierung, für diesen Antrieb, dessen Aufstellungsort und dessen Betriebspunkt einen optimierten thermischen Zustand schafft.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, mit zumin­ dest einer elektrischen Maschine, die zumindest einen Ständer und einen Läufer aufweist, einer Energieversorgung, zumindest einer Kühlvorrichtung, zumindest einer Heizung und wenigstens einem Messsensor zur Erfassung betriebsrelevanter Daten.

Es ist bei den herkömmlichen Motoren bekannt, dass zur Ver­ meidung von Kondensatbildung aus der Luftfeuchtigkeit im In­ nern von elektrischen Maschinen oder Umrichtern mit geschlos­ sener Bauweise, sogenannte Stillstandsheizungen eingebaut werden. Dabei werden die Heizungen eingeschaltet, wenn der Antrieb abgeschaltet wird. Nachteilig dabei ist, daß die Stillstandsheizung dabei unnötig früh einschaltet, notwendig ist dabei meistens erst ein Zuschalten der Heizung nach eini­ gen Stunden der Stillsetzung, d. h., bis die Motor- oder Um­ richterinnenraumtemperatur auf die Umgebungstemperatur abge­ sunken ist.

Die meisten Elektromotoren arbeiten im Teillastbereich. Dabei wird in den meisten Fällen zuviel Kühlmedium gefördert, d. h., z. B. bei Luftkühlung ist ein zu großer Volumenstrom vorhan­ den, der mit höherem Geräusch und einem höheren Energie­ verbrauch verbunden ist. Bei einer Flüssigkeitskühlung wird eine zu große Kühlwassermenge zu- oder abgeführt, was eben­ falls zu einem höheren Wasserverbrauch und einem höheren E­ nergieverbrauch führt.

Luftgekühlte Motoren besitzen häufig Wellenlüfter, d. h. die Lüfterdrehzahl und damit der Kühlluftstrom sind abhängig von den Motorendrehzahl. Hochpolige Asynchronmotoren am Netz ha­ ben kleine Drehzahlen, z. B. 8-polig, 750 U/min und in Verbin­ dung mit Wellenlüftern wenig Kühlleistung. Als Folge aus die­ sem Dilemma wird bislang die Motorleistung zurückgesetzt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb zu schaffen, der sich unabhängig von der Betriebsweise und den Umgebungstemperaturen im optimalen Be­ triebszustand befindet.

Die Erfindung gelingt dadurch, dass die von den Messsensoren aufgenommenen Daten zumindest einer Regeleinrichtung zuführ­ bar sind, die daraus, gemäß einer vorgebbaren, dem elektri­ schen Antrieb angepassten Parametrierung, für diesen Antrieb, dessen Aufstellungsort und dessen Betriebspunkt einen opti­ mierten thermischen Zustand schafft.

Erfindungsgemäß nehmen die Messsensoren betriebsrelevante Da­ ten auf und führen sie einer Regeleinrichtung zu. Die Regel­ einrichtung schafft aufgrund einer Vorort oder bereits werks­ seitig angepaßten Parametrierung für diesen Antrieb optimale Betriebsbedingungen, d. h. es wird für eine ausreichende Küh­ lung und bei Bedarf ausreichende Heizung regelseitig gesorgt. Hilfsaggregate befinden sich an, in oder um die Maschine oder den Umrichter. Die Vorteile einer derartigen Regelung sind, dass die von thermischer Alterung betroffenen Teile länger haltbar sind, d. h. der Alterungsprozess aufgrund der wech­ selnden klimatischen Bedingungen verzögert wird. Dies be­ trifft z. B. Isolierungen, Schmiermittel. Außerdem wird Kon­ densatbildung und in Folge davon Korrosion von Metallteilen zuverlässig vermieden. Da die Maschine aufgrund einer derar­ tigen Regeleinrichtung immer in der Nähe ihres Betriebsopti­ mums läuft, sind gewisse Einsparungen an Material, sowohl bei Maschine als auch bei Umrichter möglich, da Leistungsreserven optimal ausgenützt werden können. Der bei Teillastbetrieb ge­ ringere Kühlmittelbedarf schont Resourcen und reduziert die Geräuschemission. Die Messdaten stehen vorzugsweise an einer definierten Schnittstelle zur Verfügung.

Vorteilhafterweise erfassen Messsensoren die Temperaturen der Antriebskomponenten, z. B. Motorwicklung, Motorlagerung, Um­ richterteile, der Umgebung und die Temperatur und/oder den Volumenstrom des gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Der sich daraus abzeichnende Istzustand kann nun mit einem vorge­ gebenen Sollzustand in Bezug gebracht werden. Je nach Bedarf wird dann der Kühlmitteleinsatz von einer Regeleinrichtung erhöht oder vermindert, Stillstandsheizungen ein- oder abge­ schaltet. Im einfachsten Fall geschieht die Anpassung der Kühlung bei luftgekühlten Motoren über eine Drehzahländerung des Lüfters.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich diese Regeleinrichtung direkt in oder am Antrieb. Dabei kann die Regeleinrichtung sowohl in der elektrischen Maschine als auch am oder im Umrichter sich befinden. Ebenso ist es mög­ lich, die Regeleinrichtung in einer Wartezentrale zu instal­ lieren und von dort aus den elektrischen Antrieb (elektrische Maschine und Umrichter) und deren Hilfsaggregate zu steuern oder neu zu parametrieren.

Die Datenübertragung der Messsensoren zur Regeleinrichtung und von der Regeleinrichtung zu Vorrichtungen, die den opti­ malen Betriebszustand herstellen wie z. B. Lüfter, kann lei­ tungsgebunden oder gegebenenfalls leitungsfrei z. B. über Inf­ rarot- oder Funkwellen erfolgen. Bei Auswahl der leitungs­ freien Datenübermittlung sind die jeweils dafür geeigneten Mittel im Hinblick auf Datenmenge und Energielevel zu berück­ sichtigen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung spricht die Re­ geleinrichtung nach Auswerten der über die Messsensoren zuge­ führten Daten die betriebsrelevanten datengesteuerten Vor­ richtungen an, z. B. Drehzahl und Anzahl der Lüfter, Heizung usw. Dabei können die einzelnen Vorrichtungen gestaffelt ein­ gesetzt bzw. linear angesteuert werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Ver­ fahren zur betriebsoptimalen Regelung eines elektrischen An­ triebs durch folgende Schritte:

• - Eingabe der Parameter wie Typ, Sollwerte für die Auswertung unter Berücksichtigung von Aufstellungsort, Umgebungsbedin­ gungen etc. im Werk und/oder am Aufstellungsort,
• - die durch die Messsensoren erfassten Betriebsdaten werden an die Regeleinrichtung weitergeleitet,
• - aufgrund der vorgegebenen Parametrierung werden bedarfs­ weise Hilfssysteme des elektrischen Antriebs angeregt oder kritische Betriebzustände erkannt und vermieden,
• - Absetzen einer Meldung und/oder aktiver Eingriff der Rege­ lung in Hilfsaggregate und/oder den Betrieb des Antriebs.

Die Eingabe der Parameter wird im Werk oder direkt am Auf­ stellungsort bei Inbetriebsetzung vorgenommen. Dabei wird ei­ ne Grobregelung bereits im Vorfeld der Inbetriebsetzung er­ reicht. Die durch die Messsensoren erfassten Betriebsdaten werden an die Regeleinrichtung weitergeleitet und bilden so­ mit eine Feinregelung des elektrischen Antriebs. Aufgrund der vorgegebenen Parametrierung werden bedarfsweise Hilfssysteme des elektrischen Antriebs angeregt bzw. kritische Betriebszu­ stände erkannt und vermieden. D. h. bei Kühlbedarf werden je nach der Menge des Kühlbedarfs Lüfter oder Pumpen stufenweise angesprochen, angefahren, geregelt oder Stillstandsheizungen aktiviert. Parallel dazu werden sämtliche Daten bedarfsweise an eine Warte weitergeleitet.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmale der Unteransprüche werden im folgen­ den anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiels in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 prinzipielle Darstellung eines Antriebs, der eine e­ lektrische Maschine und einen Umrichter aufweist, mit einer erfindungsgemäßen Regelung.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, die über einen Klem­ menkasten 2 über Leistungskabel 3 an einen Umrichter 4 ange­ schlossen ist. Der Umrichter 4 wird über eine weitere Leistungszuleitung 5 von der Sammelschiene mit Energie versorgt. Außerdem ist in prinzipieller Darstellung ein Kühllufterzeu­ ger 6 dargestellt, der einen Kühlluftstrom 7 für die elektri­ schen Maschine 1 erzeugt. Der erzeugte Kühlluftstrom 7 kann ebenso durch geeignete Vorrichtungen durch oder an dem Um­ richter 4 vorbeigeleitet werden. Ebenso sind zusätzliche nicht näher dargestellte Lüfter oder Kühlaggregate eigens für den Umrichter 4 vorsehbar. Flüssigkeitskühlung ist sowohl für die elektrische Maschine 1 als auch für den Umrichter 4 ein­ setzbar.

Der Kühlluftstrom 7 streicht über die elektrische Maschine 1 zwischen eigens dafür vorgesehenen Rippen 20 am Ständergehäu­ se oder auch durch das Motorinnere, z. B. das Läuferblechpaket 9. Alternativ dazu kann der Kühlluftstrom 7 auch einen ange­ bauten, nicht näher dargestellten, Wärmetauscher durchströ­ men. Bei einer Flüssigkeitskühlung befinden sich an Stelle der Kühlrippen im Ständergehäuse integrierte Kühlschlangen oder an der elektrischen Maschine 1 angebaute Wärmetauscher, die vom Kühlmedium durchströmt werden. Ebenso befinden sich in und oder an der elektrischen Maschine 1 und/oder in oder am Umrichter 4 Luftleitvorrichtungen 10, die zur Kühloptimie­ rung beitragen. Falls Luftkühlung der elektrischen Maschine 1 vorliegt, kann ein Lüfter 6 direkt mit der Rotorwelle 11 ver­ bunden werden und somit zur Eigenbelüftung der elektrischen Maschine 1 beitragen. Es kann auch ein separater Lüfter 21 vorgesehen sein, der zur Fremdbelüftung der elektrischen Ma­ schine 1 und/oder des Umrichters 4 dient. Um die elektrische Maschine 1 in ihrem optimalen Betriebspunkt bezüglich der Einsatzbedingungen zu halten, sind in oder an der elektri­ schen Maschine 1 und/oder am Umrichter 4 eine Vielzahl von Sensoren angeordnet. Messsensoren 12, 13, 14, 15 und 16 be­ finden sich in oder am Wickelkopf, in oder am Ständerblechpa­ ket 8, in oder am Läuferblechpaket 9, im Kühlluftstrom 7 zur Erfassung der Kühllufttemperatur als auch bei den Lagern. Die Übertragung der aufgenommenen Messdaten geschieht über Lei­ tungen und/oder leitungslose Mittel. Aufgrund einer vorgegebenen Parametrierung ermittelt die Regeleinrichtung 17 den optimalen Betriebszustand bei momentaner Belastung des elekt­ rischen Antriebs und steuert u. a. über die notwendige Kühl­ luftzufuhr eines luftgekühlten elektrischen Antriebs den Be­ triebspunkt optimal aus. Bei einem flüssigkeitsgekühlten e­ lektrischen Antrieb wird zur Erreichung des optimalen Be­ triebspunktes u. a. die Drehzahl einer nicht näher dargestell­ ten Pumpe variiert.

Bei Stillstand der elektrischen Maschine 1 erfassen die Mess­ sensoren 12 bis 16 weiterhin die Messgrößen der elektrischen Maschine 1. Dabei wird je nach Bedarf eine oder mehrere nicht näher dargestellte Heizungen im Gehäuse der elektrischen Ma­ schine 1 oder des Umrichters 4 zugeschaltet, um Kondensati­ onseffekte innerhalb des elektrischen Antriebs zu vermeiden. Aufgrund der Regeleinrichtung 17 mit den dafür erforderlichen Messsensoren 12 bis 16 kann zu jeder Zeit ein optimaler ther­ mischer Zustand der elektrischen Maschine 1 und/oder des Um­ richters 4 gewährleistet werden. Sämtliche Messdaten sind ü­ ber die Regeleinrichtung 17 auch in einer Warte abrufbar. Von dort aus ist auch die Parametrierung der Regeleinrichtung 17 gegebenenfalls zu verändern.

Claims (7)

1. Elektrischer Antrieb, mit

• - einer elektrischen Maschine (1), die zumindest einen Stän­ der und einen Läufer aufweist,
• - einer Energieversorgung,
• - zumindest einer Kühlvorrichtung (6),
• - zumindest einer Heizung,
• - wenigstens einem Messsensor zur Erfassung betriebsrelevan­ ter Daten,

dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messsensoren (12, 13, 14, 15, 16) aufgenommenen Daten zumin­ dest einer Regeleinrichtung (17) zuführbar sind, die daraus, gemäß einer vorgebbaren, dem elektrischen Antrieb angepassten Parametrierung, für diesen Antrieb, dessen Aufstellungsort und dessen Betriebspunkt einen optimierten thermischen Zu­ stand schafft.

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensoren (12, 13, 14, 15, 16) einen oder mehrere der folgenden Größen erfassen:

• - Temperaturen in und/oder am Antrieb,
• - Drehzahl der elektrischen Maschine (1),
• - Umgebungstemperatur,
• - Luftfeuchtigkeit innen und/oder außen,
• - Temperatur und/oder Volumendurchsatz des Kühlmediums,
• - Belastung des Antriebs.

3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Messsen­ soren (12, 13, 14, 15, 16) in und/oder an dem Antrieb verteilt angeordnet sind.

4. Elektrischer Antrieb nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass sich die Regeleinrichtung (17) direkt in und/oder am Antrieb befindet oder ein separat angeordnetes Bauteil ist.

5. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung zwischen Messsensoren (12, 13, 14, 15, 16) und Regeleinrichtung (17) und/oder die Leistungsübertragung des elektrischen An­ teils leitungsgebunden oder leitungsfrei ist.

6. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die Re­ geleinrichtung (17) nach Auswerten der zugeführten Daten, die die betriebsrelevanten Daten beeinflussenden Vorrichtungen (6) steuert.

7. Verfahren zur betriebsoptimalen Regelung eines elektri­ schen Antriebs nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Eingabe der Parameter wie Typ, Sollwerte für die Auswertung unter Berücksichtigung von Aufstellungsort, Umgebungsbedin­ gungen etc. im Werk und/oder am Aufstellungsort,
• - die durch die Messsensoren (12, 13, 14, 15, 16) erfassten Be­ triebsdaten werden an die Regeleinrichtung (17) weiterge­ leitet,
• - aufgrund der vorgegebenen Parametrierung werden bedarfswei­ se Hilfssysteme (6) des elektrischen Antriebs angeregt oder kritische Betriebzustände erkannt und vermieden,
• - Absetzen einer Meldung und/oder aktiver Eingriff der Rege­ lung in Hilfsaggregate (6) und/oder den Betrieb des An­ triebs.