DE10009861A1

DE10009861A1 - Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchronmotors

Info

Publication number: DE10009861A1
Application number: DE10009861A
Authority: DE
Inventors: Heiko Scheffler; Germar Mueller; Henry Gueldner; Marcel Fischer
Original assignee: VIGOR GES fur ENERGIESPARTECH
Current assignee: VIGOR GES fur ENERGIESPARTECH
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2001-09-13
Also published as: EP1269621A1; WO2001065678A1; AU4066101A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchronmotors, mit einer Spannungssteuerung, einer Strommeßeinrichtung und einer Steuereinrichtung für die Spannungssteuerung. Für eine verlustarme Steuerung der Maschine wird der Laststromwert der Maschine in einer Zuleitung gemessen und abhängig von diesem ein Wert für die Spannung eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchron motors.

Aus der US 5 592 062 ist eine Steuerung für Asynchronmotoren bekannt geworden, die einen Mikroprozessor in Verbindung mit einer Triacschaltung besitzt, um die Drehzahl zu steuern. Die Verlustleistung des Motors wird minimiert, indem die durch den Motor hervorgerufene Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung redu ziert wird. Zum Messen des Leistungsfaktors wird in der US 5 592 062 vorgeschla gen, den Nulldurchgang des Stroms relativ zu dem Nulldurchgang der Spannung zu messen. Diese Signale werden an einen Mikroprozessor weitergeleitet, der ein puls weitenmoduliertes digitales Ausgangssignal erzeugt, das in der Folge die Triacschaltung steuert, um die an dem Motor anliegende Spannung zu variieren. Diese Steue rung liefert keine zufriedenstellenden Ergebnisse für eine verlustarme Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verlusteinsparung bei Asynchronmaschinen bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln und bei geringem Aufwand eine zuverlässige Energieeinsparung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1.

Zur verlustarmen Steuerung ist bei Asynchronmotoren eine Spannungssteuerung, eine Strommeßeinrichtung und eine Steuereinrichtung für die Spannungssteuerung vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

Ablegen einer Kennlinie oder einer Tabelle in der Steuereinrichtung, die für gegebene Laststromwerte diejenigen Spannungswerte angibt, bei denen die Lastaufnahme des Asynchronmotors klein ist, Messen des aktuellen Laststrom-Werts des Motors, Aus lesen des Spannungswerts bei dem jeweils gemessenen Strom aus der Kennlinie oder der Tabelle und Ansteuern der Spannungssteuerung auf den ausgelesenen Wert für die Spannung. Bei diesem Verfahren wird der Effektivwert der Spannung für einen Be trieb mit möglichst großem Wirkungsgrad abhängig von dem jeweiligen Wert des Laststroms gesteuert. Die Steuerkennlinie oder Tabelle hierfür wird bestimmt und in der Steuereinrichtung abgelegt. Mit der Verwendung der beschriebenen Steuerkenn linie oder Tabelle ist eine Ansteuerung des Asynchronmotors möglich, bei der unab hängig vom Lastzustand ein größtmöglicher Wirkungsgrad und eine Schonung des Asynchronmotors erhalten wird.

In einer bevorzugten Weiterführung des Verfahrens werden die Werte der Kennlinie oder Tabelle maschinenspezifisch gemessen, indem bei verschiedenen Belastungen des Motors die Spannung variiert und zugehörige Lastströme gemessen werden und diejenigen Spannungen und Ströme ermittelt werden, bei denen der Verlust minimal ist. Die ermittelten Werte für Spannungen und Ströme werden in der Kennlinie oder einer Tabelle abgelegt. Ein solches Verfahren, bei dem die Steuerkennlinie punkt weise ermittelt wird, stellt sicher, daß zu einem gegebenen Wert des Laststroms die optimale Spannung eingestellt wird. Die Messung des Leistungseffektes des Asynchronmotors kann bei diesem Verfahren mit herkömmlichen Methoden, wie beispielsweise der Messung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, erfolgen.

In einer bevorzugten Weiterführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die Kennlinie oder Tabelle ermittelt, indem der Ständerstrom bei vorgegebenen Span nungen unter Verwendung der maschinenspezifischen Parameter als Funktion des Schlupfs berechnet wird, wobei bei den vorgegebenen Spannungen unter Verwendung der maschinenspezifischen Parameter der relative Verlust als Funktion des Schlupfs berechnet, wodurch die Werte für den Schlupf bestimmt werden, für die der relative Verlust ein Minimum aufweist: für den so bestimmten Wert des Schlupfs werden die entsprechenden Werte des Ständerstroms berechnet und die Spannungs- und Stromwerte in der Kennlinie oder Tabelle abgelegt. Bei diesem Verfahren ist kein Durchmessen des Asynchronmotors erforderlich. Vielmehr reicht es aus, von maschinenspezifischen Parametern auszugehen, die beispielsweise auf dem Typen schild des Asynchronmotors angegeben sind. Mit den motorspezifischen Angaben kann die Steuerkennlinie mit den vorstehenden Schritten berechnet werden. Die rela tiven Verluste sind hierbei der Quotient der Gesamtverluste bestehend aus der Summe der Wicklungsverluste des Ständers und des Läufers sowie dem Ummagnetisierungs- und Reibungsverluste dividiert durch den mechanischen Verlust als Differenz der aufgenommenen Wirkleistung und dem Gesamtverlust.

In einer vereinfachten Ausbildung des Verfahrens ist die Spannung als von dem Last strom linear abhängend angenähert. Wird der Effektivwert der Grundschwingung der Spannung des Asynchronmotors bezogen auf die der Netzspannung entsprechende Spannung gebildet, so nimmt dieser einen Wert zwischen 0 und 1 an. Der Effek tivwert der Grundschwingung des Strangstroms wird durch den Strangstrom im Be messungsbetrieb dividiert. Diese so normierten Größen können mit einer Propor tionalitätskonstante von 1 miteinander in Beziehung gesetzt werden, um eine Nährung der Kennlinie für die Spannung zu erhalten.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätz lich die Spannung des Motors gemessen und diese auf die Steuereinrichtung gegeben. Hierdurch wird es möglich, die Spannungssteuerung zu regeln und so zuverlässig die gewünschte Spannung einzustellen. Auch kann die Spannungsmessung dazu verwen det werden, bei sich ändernder Last eine stabile Steuerung des Asynchronmotors vor zunehmen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist die Spannungssteuerung in jeder Zuleitung jeweils ein antiparalleles Thyristor paar für eine Anschnittssteuerung auf, wobei die Steuerelektroden der Thyristoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Verwendung einer solchen Anschnitts steuerung ermöglicht es, vergleichsweise einfach die Spannung einzustellen. Als Spannungsstellgröße dient bei der Anschnittssteuerung der Zündwinkel, der zwischen 0 und π verstellt werden kann.

Zweckmäßigerweise weist die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor auf, der die Tabelle oder Kennlinie speichert und die entsprechenden Steuervorgänge auslöst.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Ein- und Ausgabegerät vorgesehen, das mit der Steuereinheit verbunden ist. Über das Ein- und Ausgabegerät können Parameter für die Steuerung eingegeben werden und Größen des Motorbetriebs können angezeigt werden. Insbesondere bei dem oben beschriebenen Steuerverfahren, das ausgehend von motorspezifischen Daten die optimale Steuerkennlinie berechnet, ist ein solches Ein- und Ausgabegerät vorteilhaft, um die motorspezifischen Kenndaten vom Typen schild des Motors in einfacher Weise eingeben zu können.

Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Asynchronmotor 10 in dessen Zuleitung 12 der Last strom gemessen wird. Der gemessene Laststrom wird an den Controller 16 weiterge leitet. Der Controller 16 bestimmt abhängig von dem über 14 anliegenden gemessenen Laststrom die Steuersignale für die Thyristoren 18 und 20.

In jeder Zuleitung zu dem Asynchronmotor 10 ist ein antiparalleles Thyristorpaar 18, 20 angeordnet, das eine entsprechende Anschnittssteuerung der an dem Verbraucher anliegenden Spannung vornimmt. Die Kurvenform der resultierenden Spannung ist im Gegensatz zur Verwendung eines Stelltransformators nicht mehr sinusförmig, sondern enthält Oberschwingungen.

Der Controller 16 ist mit einem Ein- und Ausgabegerät 22 verbunden, das eine Ein gabe von maschinenspezifischen Parametern erlaubt. Ebenfalls können dort auch den Betrieb des Motors betreffende Größen angezeigt werden.

Zusätzlich zu der Strommessung 14 ist eine Spannungsmessung 24 vorgesehen, die die Spannung zwischen zwei Zuleitungen mißt und an die Steuereinrichtung 16 wei terleitet.

In dem Controller 16 ist eine Spannungs-Stromkennlinie oder eine Tabelle für den optimalen Betrieb der Spannungssteuerung abgelegt. Die Daten der Kennlinie können anhand von motorspezifischen Daten berechnet werden. Bei einem bevorzugten Ver fahren der Berechnung werden folgende Angaben für den betrachteten Motor verwen det:
Bemessungsspannung = U_n
Bemessungsstrom = I_n
Bemessungsleistung = P_mechn
Bemessungsleistungsfaktor = cosϕ_n
Bemessungsfrequenz = f_n
Bemessungsdrehzahl = n_n
Bemessungswirkungsgrad = η_n
Relativer Anzugsstrom = i_an
Widerstand eines Ständer strangs bei 20°C = R_1strk
Stern- oder Dreieckständerwicklung.

Ausgehend von diesen Parametern kann ein Maschinenmodell wie folgt berechnet werden. Zunächst wird die Bemessungsscheinleistung

bestimmt. Die Bemessungswerte von Strangspannung U_strn und Strangstrom I_strn aus U_n und I_n werden nach Maßgabe der vorliegenden Schaltung der Ständerwicklung er mittelt. Es gilt bei Sternschaltung:

und bei Dreieckschaltung

Die Bezugsimpedanz für einen Strang bestimmt sich zu

Die Polpaarzahl p wird als kleinste ganze Zahl unterhalb des Koeffizienten

be stimmt. Die synchrone Drehzahl ergibt sich damit zu

Der Schlupf im Bemessungsbetrieb ergibt sich zu

Der Ständerwiderstand ergibt sich hierbei zu

wobei die Werte für den Faktor k_ζ in Abhängigkeit von der Referenztemperatur der Wärmeklasse sich ergeben zu

Mit diesen Größen ergehen sich die Gesamtverluste als

und die Wicklungsverluste im Ständer als

Die Reibungsverluste als

Die Wicklungsverluste im Läufer bestimmen sich zu

und die Ummagnetisierungsverluste ergeben sich zu

Ausgehend von den oben bestimmten Ausdrücken können die Parameter des Maschi nenmodels aus den verfügbaren Angaben wie folgt bestimmt werden:

Der komplexe Strom im Durchmesserpunkt des Kreisdiagramms ergibt sich als

I_1kn = -ji_an.

Der komplexe Strom im Bemessungspunkt des Kreisdiagramms ergibt sich zu

Der Magnetisierungsstrom im Kreisdiagramm ergibt sich zu

wobei der Hilfsstrom I_h gegeben ist zu

I_h = i_he^jϕih = I_kn - I_!N

und der Winkel ϕ_h sich ergibt aus

Der Strom i_1vun, der den Ummagnetisierungsverlusten im Bemessungsbetrieb zuge ordnet ist, ergibt sich zu

Der Leerlaufstrom stellt sich dar als

I_10n = I_1µn + I_1vun

Die Rückwirkung des Läufers auf die zugeordnete Komponente des Ständerstroms stellt sich dar als

I_12n = I_1n - I_10n

Der Läuferwiderstand rechnet sich hieraus als

Die Gesamtstreureaktanz als

Zusätzlich zu den obigen Parametern müssen zusätzliche Parameter für das Maschi nenmodel festgelegt werden. Das Maschinenmodel berücksichtigt näherungsweise zwei Nichtlinearitäten, die mit dem Übergang zu Betriebszuständen, die außerhalb des Bemessungsbetriebs liegen, wirksam werden: Die Nichtlinearität der Magnetisie rungskennlinie und der Einfluß der Erwärmung auf die Wicklungswiderstände.

Die Magnetisierungskennlinie i_1µ = f(U₁) wird durch eine Funktion der Spannung U₁ angenähert, die außer einem linearen Glied ein zweites enthält, das mit U 6|1 geht und nach Maßgabe eines Sättigungsfaktors F_sat wirksam wird, der zwischen 0,5 und 1,0 liegt und das Verhältnis des Luftspaltanteils zum gesamten magnetischen Spannungs abfall bei Bemessungsspannung angibt.

Die Widerstände von Ständer und Läufer ändern sich gegenüber dem Wert, der im Bemessungsbetrieb vorliegt, nach der Maßgabe der Änderung des Erwärmungszu stands. Dazu gelten folgende Beziehungen:

Die Werte für

ergeben sich abhängig von der Referenztemperatur der Wärmeklasse. Der Faktor W_ζ bringt zum Ausdruck, in welchem Maße sich die Ände rung der Verluste der jeweiligen Wicklung auf ihre Übertemperatur auswirkt. Es wird zwischen 0,5 und maximal 1,0 liegen, wenn die Verluständerung zu einer proportio nalen Änderung der Übertemperatur führt.

Von diesen Werten ausgehend kann die Steuerkennlinie i 1|1min = f(u₁) für die optimale Steuerung der Asynchronmaschine mit folgenden Formeln berechnet werden:

Der Ständerstrom als Funktion des Schlupfs stellt sich mit den obigen Parametern dar als

Für die Komponente des Ständerstroms, die der Rückwirkung des Läuferstroms zuge ordnet ist,

Die einzelnen Verluste ergeben sich in diesem Maschinenmodel wie folgt:

- Die Wicklungsverluste des Ständers
p_vw1 = r₁ . |I₁|²
- Die Wicklungsverluste des Läufers
p_vw2 = r₂ . |I₁₂|²
- Die Ummagnetisierungsverluste
p_vu = p_vun . u 2|1

mit

- mit den Reibungsverlusten

Die Gesamtverluste ergeben sich als Summe der Einzelverluste, so daß

p_v = p_vw1 + p_vw2 + p_vu + p_vrb

Für die aufgenommene Wirkleistung gilt

p_1w = Re{u₁ . I *|1}.

Hieraus ergibt sich die abgegebene mechanische Leistung

p_mech = p_1w - p_v,

so daß sich die relativen Verluste ergeben zu

und der Wirkungsgrad sich berechnet als

Mit den vorstehenden Formeln läßt sich für eine vorgegebene Spannung u₁ die Ströme, Leistungen und Verluste sowie die relativen Verluste als Funktion des Schlupfs bestimmen. Die relativen Verluste durchlaufen bei einem bestimmten Wert des Schlupfes ein Minimum. Für diesen Wert des Schlupfes gehört ein Ständerstrom i '|1min. Das Wertepaar u₁ und i^' _1min liefert einen Punkt auf der gesuchten Kennlinie i '|1min = f(u₁). Durch Variation von u₁ im interessierenden Bereich läßt sich die gesamte Kennlinie bestimmen.

Claims

1. Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchronmotors, der eine Span nungssteuerung, eine Strommeßeinrichtung und eine Steuereinrichtung für die Spannungssteuerung aufweist, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

- Ablegen einer Kennlinie oder einer Tabelle in der Steuereinrichtung, die für gege bene Laststromwerte diejenigen Spannungswerte angibt, bei denen die Lastauf nahme des Asynchronmotors klein ist,
- Messen der aktuellen Laststrom-Werte,
- Auslesen des Spannungswertes bei dem jeweils gemessenen Strom aus der Kenn linie oder der Tabelle und
- Ansteuern der Spannungssteuerung über die Steuereinrichtung zur Einstellung auf den ausgelesenen Wert für die Spannung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie oder die Tabelle maschinenspezifisch mit folgenden Schritten ermittelt wird:

- für verschiedene Belastungen des Motors wird die Spannung des Motors variiert und es werden die zugehörigen Lastströme gemessen
- und diejenigen Spannungen und Ströme ermittelt, bei denen der Verlust minimal ist,
- die minimalen Werte für Spannungen, Lastströme und Strangspannung werden in der Kennlinie oder der Tabelle abgelegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie oder die Tabelle maschinenspezifisch mit folgenden Schritten ermittelt wird:

- der Ständerstrom wird bei vorgegebenen Spannungen unter Verwendung der ma schinenspezifischen Parameter als Funktion des Schlupfs berechnet,
- bei den vorgegebenen Spannungen werden unter Verwendung der maschinenspe zifischen Parameter die relativen Verluste als Funktion des Schlupfs berechnet,
- es werden Werte für den Schlupf bestimmt, für die der Verlauf der relativen Ver luste ein Minimum aufweist, und
- zu den bestimmten Werten des Schlupfs wird der entsprechende Stromwert des Ständerstroms berechnet,
- die Spannungs- und Stromwerte werden in der Kennlinie oder der Tabelle abge legt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Spannung und den Laststrom durch Annäherung eine lineare Abhängigkeit er halten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- zusätzlich die Spannung an der Maschine gemessen und
- auf die Steuereinrichtung gegeben wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Spannungssteuerung in jeder Zuleitung jeweils ein antiparalleles Thyristorpaar für eine Anschnittssteuerung aufweist, wobei die Steuerelektroden der Thyristoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich tung einen Mikroprozessor enthält, in den die Kennlinie oder die Tabelle gespei chert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein- und Ausgabegerät mit der Steuereinrichtung verbunden ist.