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Die
Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Steigerung der Effizienz eines Elektromotors, umfassend eine Regelung
mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf
wenigstens eine Motorspannung.
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Stand der Technik
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Nach
einem in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 61 293 A1 offenbarten
Prinzip kann die Effizienz eines Asynchronmotors dadurch gesteigert werden,
dass dessen Schlupf auf einen optimalen Wert geregelt wird, der
vom Motortyp abhängig
ist. Der Wert des optimalen Schlupfes muß dabei vorgegeben werden;
die Schaltung kann diesen nicht selbst bestimmen. Der Asynchronmotor
wird aus einem Wechselrichter gespeist, dessen Spannung und Strom
im Gleichspannungskreis gemessen werden, um daraus bspw. die aufgenommene
Wirkleistung bestimmen zu können
und Rückschlüsse auf
den Belastungsfall zu erhalten. Durch zusätzliche Erfassung des Stroms
in einer Motorphase können
weitere Erkenntnisse gewonnen werden, bspw. über den Leistungsfaktor. Aus
diesen Werten wird sodann ein geschätzter, tatsächlicher drehmomenterzeugender Stromwert
berechnet und mit dem anhand des optimalen Schlupfes ebenfalls geschätzten, optimalen drehmomenterzeugenden
Stromwert verglichen. Sind beide gleich, so wird die Motorspannung
konstant gehalten; ansonsten wird sie verstellt, um den tatsächlichen
drehmomenterzeugenden Stromwert dem geschätzten, drehmomenterzeugenden
Stromwert bei optimalem Schlupf nachzuführen.
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Diese
Vorgehensweise leidet an einer Reihe von Nachteilen. Erstens ist
der optimale Schlupf eines Motors meistens nicht bekannt. Der optimale Schlupf
ist kein Motorparameter, wie er in Datenblättern auftaucht, sondern muß durch
aufwendige Messungen ermittelt werden. Solche Messungen können nur
von Spezialisten vorgenommen werden, was sehr kostenintensiv ist,
so dass die Nachrüstung
bestehender Motoren ebenso wenig möglich ist wie das Anbieten
eines universellen Steuergerätes,
welches in der Lage wäre,
sich selbst auf den jeweils angeschlossenen Motor einzustellen.
Darüber
hinaus benötigt
das vorbekannte Verfahren Informationen über die aufgenommene Wirkleistung,
was sich nur über eine
Messung entsprechender Parameter des Gleichstromkreises erreichen
läßt.
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Damit
sind nicht nur eine Vielzahl von teuren Meßeinrichtungen erforderlich,
sondern auch ein Wechsel- oder gar Umrichter, also ein teures Gerät, das sich überdies
aus, Platzgründen
mit einem Motor nicht integrieren läßt, so dass eine bauliche Vereinigung
eines solchen Steuergerätes
mit einem Motor nicht möglich
ist. Aus allen diesen Gründen
folgt, dass die vorbekannte Motoreffzienzschaltung sehr hohe Kosten
mit sich bringt, so dass der Stromspareffekt zunichte gemacht wird.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 32 45 395 A1 offenbart ein Verfahren zum
Verringern der Leistungsaufnahme eines zum Antrieb veränderlicher
Lasten dienenden elektrischen Antriebssystems, vorzugsweise mindestens
einer Asynchronmaschine, wobei die Speisespannung des Antriebssystems
selbsttätig
so verstellt wird, dass der Speisestrom des Antriebssystems entsprechend
der momentanen Last im wesentlichen seinen kleinstmöglichen
Wert erreicht. Zu diesem Zweck ist zur Regelung eines Motors an
einem 3-phasigen Netz ein Minimalstromregler vorgesehen, der einen
Eingang für den
von einem Stromfühler
gefühlten
Istwert des Speisestroms des Motors aufweist. Dieser Istwert wird
mittels eines Meßumformers
gleichgerichtet und sodann dem Regler zugeführt. Damit wird die Phaseninformation
des Stroms vernichtet, und es ist – selbst in Kenntnis der Motorspannung – nicht
mehr möglich,
die Aufteilung der aufgenommenen Motorleistung in Wirk- und Blindleistung
zu ermitteln. Demzufolge kann mit einem solchen Verfahren zwar der aufgenommene
Motorstrom minimiert werden, nicht aber die aufgenommene Wirkleistung,
welche maßgebenden
Einfluß auf
die Effizienz eines Elektromotors hat.
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Ähnliches
gilt für
die Lehre gemäß der
DE 693 18 126 T3 ,
einer deutschen Übersetzung
der geänderten
Patentschrift
EP 0 605 328
62 . Diese betrifft ein ähnliches
Regelverfahren wie die
DE
32 45 395 A1 , läßt aber
offen, welcher Motorparameter erfaßt und zu Regelungszwecken
herangezogen werden soll. Stets ist jedoch das Ziel der Regelung
eine Minimierung der von der Last, also vorzugsweise einem Motor,
aufgenommenen Leistung, nicht jedoch eine gezielte Minimierung der
aufgenommenen Wirkleistung. Damit kann die Effizienz eines Motors,
nämlich dessen
Verhältnis
von abgegebener Wirkleistung zu aufgenommener Wirkleistung, nicht
gezielt optimiert werden; allenfalls wird die Gesamtleistung minimiert. Die
Wirkleistung muß jedoch
in dem solchermaßen angepeilten
Arbeitspunkt keineswegs minimal sein.
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Aufgabenstellung
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Aus
diesen Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert
das die Erfindung initiierende Problem, durch eine geeignete Maßnahme die
Effizienz eines Elektromotors so weit als möglich zu steigern, vorzugsweise
derart, dass bei einem gegebenen Belastungsfall die verbrauchte
Wirkleistung minimal ist, gleichzeitig sollen die mit dieser Maßnahme einhergehenden
Kosten möglichst
gering sein, so dass der Strom- bzw. Energiespareffekt auch unter den
wirtschaftlichen Gesichtspunkten einer Gesamtbetrachtung zu einem
Spareffekt führt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors, anhand einer Regelung
mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf
wenigstens eine Motorspannung zeichnet sich aus durch folgende Verfahrensschritte:
- a) Ermittlung von zwei verschiedenen Motorgrößen, welche
beide unterschiedlichen Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder
Blindleistung (PW, PB)
haben, wobei die eine der ermittelten Motorgrößen dem Effektivwert (Ieff) oder der Amplitude (Ï) des Stroms oder dem Betrag
(|I|) des komplexen Stromzeigers
entspricht, und die andere der ermittelten Motorgrößen der
Phasenlage (φ)
oder dem Leistungsfaktor (cos φ)
des Stroms oder des komplexen Stromzeigers;
- b) Bestimmung der zeitlichen Änderung einer ermittelten Motorgröße;
- c) Verstellung der Motorspannung derart, dass eine Motorgröße mit Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (PW, PB) derart verändert wird,
dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung
(PW, PB) minimal
wird,
- d) wobei in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht oder nur gering geändert hat,
die jeweils andere als Regelgröße herangezogen
wird.
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Dieses
Verfahren ist für
die praktische Anwendung optimal geeignet: Es ist nicht erforderlich, irgendeinen
Motorparameter zu kennen oder vorab zu ermitteln; der Absolutwert
der Wirkleistung PW ist ebenfalls nicht
erforderlich, so dass keinerlei Einschränkungen hinsichtlich des Stellgliedes
zu beachten sind und vielmehr die einfachste und preiswerteste Ausführungsform
realisiert werden kann; dennoch wird für jeden beliebigen Belastungsfall
die jeweils günstigste,
d. h. energiesparendste und/oder motorschonendste Einstellung gefunden.
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Sowohl
bei Wechselstrom- als auch bei Drehstrommotoren ist sowohl die (quadratische) Summe
der Teilleistungen als auch deren Verhältnis keineswegs konstant,
sondern stets von dem betreffenden Arbeitspunkt bzw. Belastungsfall
abhängig. Der
Arbeitspunkt ist daher immer nur durch zwei Parameter bzw. Motorgrößen eindeutig
beschrieben. Deshalb werden zwei verschiedene Motorgrößen ermittelt,
welche beide Einfluß auf
die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung PW, PB oder Gesamtleistung
P haben. Dabei hat es sich bewährt,
dass die eine der ermittelten Motorgrößen dem Effektivwert Ieff oder der Amplitude Î des Stroms oder dem Betrag
|I| des (komplexen) Stromzeigers entspricht,
und die andere der ermittelten Motorgrößen der Phasenlage φ und/oder
dem Leistungsfaktor (cos φ)
des (komplexen) Stromzeigers, denn wie weiter oben bereits ausgeführt, verhalten
sich die strom- und
phasenabhängigen
Motorgrößen unterschiedlich,
weil der komplexe Stromzeiger sich einerseits in seiner Länge verändern kann
und – völlig unabhängig davon – andererseits
auch in seiner Richtung. Die Ermittlung zweier (oder mehrerer) Motorgrößen bietet
den Vorteil, dass in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht
oder nur wenig geändert
hat, die jeweils andere (oder eine der anderen) Motorgröße(n) als
Regelgröße herangezogen
werden kann. Da sich derart verschiedene Motorgrößen teilweise völlig unterschiedlich
verhalten, d. h., wenn eine Motorgröße konstant geblieben ist,
muß dies
für die
andere überhaupt
nicht gelten, kann anhand der letzteren dann eine weitere Optimierung
vorgenommen werden mit dem Ziel, nicht nur einen relativ optimalen
Arbeitspunkt einzustellen, sondern den bei der betreffenden Belastung
absolut optimalsten.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, dass das/die Strom- und/oder Spannungsmeßsignal(e)
in Digitalwerte gewandelt werden. Eine digitale Verarbeitung hat
gegenüber
der durchaus auch möglichen Realisierung
im Rahmen einer Analogschaltung den Vorteil einer größeren Präzision und
geringerer Störanfälligkeit.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der digitalen Signalverarbeitung ist, dass jede beliebige
Motorgröße mit Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder
Blindleistung aus einem oder mehreren Meßwerten ggf. auch unter Zuhilfenahme
komplizierter Formeln berechnet werden kann.
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Weiterhin
kann die berechnete Motorgröße mit Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung gespeichert
werden, vorzugsweise als Digitalwert in einem Digitalspeicher. Diese
Maßnahme
schafft die Grundlage für
vergleichende Betrachtungen zwischen verschiedenen Arbeitspunkten
des Motors.
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Durch
einen solchen Vergleich des aktuell berechneten Wertes der Motorgröße mit einem
zuvor berechneten und abgespeicherten Wertes derselben Motorgröße ergibt
sich die (zeitliche) Änderung
einer Motorgröße. Hierbei
ist jedoch der Absolutwert der verglichenen Größen ebensowenig von Bedeutung wie
der Absolutwert der Änderung
bzw. deren Schnelligkeit. Wichtig ist vielmehr, ob sich die Motorgröße überhaupt
geändert
hat und in welcher Richtung.
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Um
die richtige Verstellung vorzunehmen, also eine solche Verstellung,
welche sich minimierend auf die Wirk- und/oder Blindleistungsaufnahme auswirkt,
wird eine Relation zwischen der Änderung einer
Motorgröße einerseits
und der Änderung
des Ansteuersignals für
das Stellglied andererseits gebildet. Daran läßt sich erkennen, ob sich die
Regelstrecke regelungstechnisch eher proportional, d. h. wie eine
Mitkopplung verhält
(gleichphasige Änderungen von
Stell- und Motorgröße) oder
invertierend, d. h. wie eine Gegenkopplung (entgegengesetzte Änderungen),
oder ob sich die Regelstrecke – bezüglich der
betrachteten Motorgröße – (näherungsweise)
in einem Gleichgewichtszustand befindet (keine oder nur geringe
Veränderung
der Motorgröße).
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Ferner
entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die Ansteuerung des
Stellgliedes nach Art einer Phasenanschnittsteuerung erfolgt. Dieses
Schaltprinzip erfordert keine Wechsel- oder Umrichtung mit einem
Gleichstromzwischenkreis, sondern schaltet die primäre Versorgungsspannung
ggf. direkt zum Motor durch. Dadurch ist der konstruktive Aufwand minimal.
Die damit erzielbaren Ergebnisse sind im Rahmen des vorliegenden
Regelungsprinzips völlig ausreichend.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Lösung
des gestellten Problems umfaßt
folgende Bausteine:
- a) einen oder mehrere Bausteine)
zur Ermittlung von zwei Motorgrößen, welche
beide unterschiedlichen Einfluß auf
die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (PW, PB), haben, welcher
(welche) Bausteine) derart ausgebildet ist (sind), dass der Effektivwert
(Ieff) oder die Amplitude (Ï) des Stroms
oder der Betrag (|I|) des komplexen
Stromzeigers einerseits gebildet wird, sowie die Phasenlage (φ) oder der
Leistungsfaktor (cos φ)
des Stroms oder des komplexen Stromzeigers andererseits;
- b) einen Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung
einer ermittelten Motorgröße;
- c) einen Regelbaustein (11), der auf das Stellglied derart
einwirkt, dass eine Motorgröße mit Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder
Blindleistung (PW, PB)
derart verändert wird,
dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung
(PW, PB) minimal wird;
- d) wobei ein Baustein vorgesehen ist zur Umschaltung der Regelung
von einer Motorgröße auf eine
andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
benötigt also
keinerlei Informationen über
den angeschlossenen Motor wie etwa einen optimalen Schlupfwert. Vielmehr
ermittelt sie aus ihr zur Verfügung
stehenden Meßwerten
ein Kriterium für
eine Zu- oder Abnahme der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung.
Der aktuelle Wert dieses Kriteriums wird mit dem vorangehend ermittelten
Wert des selben Kriteriums verglichen, um Rückschlüsse darüber zu erhalten, ob die aufgenommene
Wirk- und/oder Blindleistung
zu- oder abgenommen hat. Sodann wird ermittelt, wie die Motorspannung
verstellt werden muß,
um durch Minimierung des Kriteriums eine weitere Abnahme der Wirk-
und/oder Blindleistung zu erzielen. Dabei werden mehrere Kriterien, d.
h. Motorgrößen ermittelt,
so dass bei Erreichen eines etwa konstanten Wertes eines Kriteriums,
wo dieses sich für
eine weitere Regelung nicht mehr eignet, auf ein anderes, in dem
betreffenden Arbeitspunkt deutlicher beobachtbares Kriterium umgeschaltet
werden kann. Dabei sollte wenigstens ein Baustein zur Motorgrößen-Ermittlung
derart ausgebildet sein, dass der Effektivwert Ieff,
die Amplitude Î oder
der Betrag |I| des (komplexen)
Stromzeigers gebildet wird. Gemäß der Formel
PW = U·I·cos φ und PB = U·I
sin φ,
wobei P2 = PW 2 + PB 2 geht
der Strom I sowohl in die aufgenommene Wirkleistung PW als
auch in die aufgenommene Blindleistung PB ein
und eignet sich daher aufgrund dieses starken Einflusses sehr gut
für die
erfindungsgemäße Regelung.
Dabei ist die Auswirkung des Motorstroms I auf die Wirk- und Blindleistungen
PW, PB gleichsinnig,
d. h., steigender Strom erhöht
sowohl die Wirk- als auch die Blindleistung und damit insbesondere
auch die Gesamtleistung P. Hierbei ist zu bedenken, dass der Betrag
|I| des komplexen Stromzeigers
dem (radialen) Abstand der auf dem Osannakreis liegenden Stromzeigerspitze
vom Ursprung des komplexen Stromdiagramms entspricht; eine reine
Veränderung
von |I| folgt daher einem Radialstrahl
durch den Ursprung. Ferner ist wenigstens ein Baustein zur Motorgrößen-Ermittlung derart
ausgebildet, dass die Phasenlage φ oder der Leistungsfaktor (cos φ) des (komplexen)
Stromzeigers gebildet wird. Aufgrund der obigen Beziehungen beeinflussen
diese Größen zwar
nicht den Absolutwert der Gesamtleistung P, wohl aber deren Aufteilung
in Wirk- und Blindleistung PW, PB. Wenn daher – bspw. anhand des Motorstroms
I – die
Gesamtleistung P minimiert wurde, kann – ggf. in einem zweiten Schritt – gezielt
noch die Blindleistung PB minimiert werden,
insbesondere durch Minimierung von φ bzw. Maximieren des Leistungsfaktors
(cos φ).
Natürlich könnte auch
nur eine Minimierung der Blindleistung PB erfolgen
ohne Betrachtung der Gesamtleistung P. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass der Phasenwinkel φ dem
Winkel zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem (vertikalen) Spannungszeiger
des komplexen Zeigerdiagramms entspricht; bei einer reinen Veränderung
von φ folgt
die Spitze des Stromzeigers daher einem Kreisbogen um den Ursprung.
Dabei dient ein Baustein zur Umschaltung der Regelung von einer
Motorgröße auf eine
andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist. Wäre also bspw.
|I| näherungsweise konstant geblieben,
so kann entweder der optimale Regelungspunkt gefunden sein, oder
aber es ist eine weitere Verstellung des Phasenwinkels φ möglich, um – bei konstantem |I| – eine zusätzliche Optimierung vorzunehmen,
insbesondere den Anteil der Blindleistung PB an
der Gesamtleistung P zu minimieren. Der Schlupf des Motors ist für eine solche
Regelung völlig
unbeachtlich, so dass keine kostenintensiven Messungen an dem betreffenden
Motor durchzuführen
sind. Vielmehr werden insbesondere aus einem erfaßten Motor strom
von der erfindungsgemäßen Motoreffizienzschaltung
selbst leicht bestimmbare Kriterien verwendet, welche einen Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung haben und
daher eine Abschätzung
der zeitlichen Entwicklung dieser Leistungen) erlauben. Infolge
des Vergleichs mit einer oder mehreren vorangehenden Berechnungen
kann die Erkenntnis, welcher Arbeitspunkt der bessere ist/war und
in welche Richtung daher ggf. die Motorspannung zu verstellen ist,
ohne genaue Bestimmung der aufgenommenen Wirkleistung erfolgen,
so dass Messungen in einem Gleichstromkreis und damit ein Gleichstromkreis überhaupt entbehrlich
sind. Daher kann die Ansteuerschaltung erheblich vereinfacht werden,
wodurch sich die Herstellungskosten drastisch senken lassen. Insgesamt ergibt
sich eine billige und universelle Schaltung, die einfach zwischen
Stromversorgung (Dreh- oder Wechselstromnetz) und einem dafür geeigneten
Motor (Drehstrom- oder Wechselstrommotor) geschalten wird und die
dem Motor zugeführte
Spannung derart beeinflußt,
dass dieser stets unter optimalen Bedingungen, d. h., mit größtmöglicher
Effizienz, arbeitet. Geeignet ist eine solche Schaltung vor allem für einfache
Antriebe ohne Drehzahl- oder Lageregelung. Dabei kann sich der Schlupf
des Motors je nach Belastungsfall frei einstellen und gewährleistet
daher aufgrund der statischen Drehmomentkurve, dass mit zunehmender
Belastung auch die abgegebene Leistung entsprechend nachgeführt wird.
Eine dabei evtl. leicht nachgebende Drehzahl ist in vielen derartigen Anwendungsfällen unerheblich.
Zu denken ist bspw. an die Antriebsmotoren der Kompressoren von
Kühlaggregaten,
an Lüftermotoren,
Umwälzpumpen,
etc. Die eingesparte Energie kann je nach Belastungsfall bei bis
zu 70% liegen; die größte Einsparung
ergibt sich im Leerlauf; selbst bei voller Belastung werden immer
noch etwa 4% Energie gespart. Damit werden nicht nur die Energiekosten
gesenkt; als positiver Nebeneffekt wird dabei auch ein Beitrag zur
Einsparung von Energie geleistet und somit die Umwelt entlastet, insbesondere
von den mit der Stromerzeugung einhergehenden Treibhausgasen. Außerdem wird
der Blindstromanteil erheblich reduziert und speziell im Leerlauf
werden Vibrationen minimiert, so dass der Entstehung von Lagerschäden vorgebeugt
wird und damit die Betriebsdauer des Motors erhöht wird.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, dass der Elektromotor ein Asynchronmotor ist. Insbesondere Asynchronmotoren
mit Käfigläufer haben
einen sehr einfachen Aufbau; sie sind robust, preiswert und benötigen neben
der ständerseitigen
Speisung keine zusätzliche
Hilfsenergie oder Steuerung. Zusammen mit der ebenfalls robusten
und preiswerten Motoreffizienzschaltung gemäß der Erfindung ergibt sich
damit ein in der Anschaffung, gerade aber auch im Betrieb äußerst preiswerter
Antrieb.
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Obzwar
die Erfindung auch bei Linearmotoren mit Erfolg eingesetzt werden
kann, liegt der hauptsächliche
Anwendungsbereich bei den in der Praxis weitaus häufigeren
Elektromotoren mit einem Rotor als Abtrieb.
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Besondere
Vorteile bietet eine Meßeinrichtung
zur Erfassung des Stroms in einer Motorphase. Hierbei handelt es
sich um einen Anschluß,
der mit der Stelleinrichtung verbunden ist und daher dem erfindungsgemäßen Steuergerät ohnehin
zur Verfügung
steht. Außerdem
kann – auch
bei einem intakten Drehstrommotor – hieraus ohne weiteres auf
alle Ströme
in einem Motor geschlossen werden, weil die Stromverteilung auf
die verschiedenen Phasen üblicherweise
symmetrisch ist (Phasenverschiebung von 120°).
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Eine
Meßeinrichtung
zur Erfassung der Spannung zwischen zwei Motorphasen erlaubt die Erkennung
der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und damit die
Unterscheidung von Wirk- und Blindstromkomponente.
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Zur
Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors hat es sich bewährt, dass
die Meßeinrichtung
zur Erfassung des Stroms an einer Motorphase angeschlossen ist und
die Meßeinrichtung
zur Erfassung der Spannung zwischen den beiden anderen Motorphasen.
Die verkettete Spannung zwischen zwei Phasen hat gegenüber der
Mittelpunktspannung an der dritten Phase eine Phasenverschiebung von
90°. Daraus
läßt sich
bei symmetrischen Komponenten sehr einfach die Mittelpunktspannung
an derjenigen Phase bestimmen, wo der Motorstrom gemessen wird,
und demzufolge auch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.
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Die
Meßeinrichtung(en)
zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung und/oder zur
Weiterleitung der gemessenen Größen sollten
als Meßwandler,
Hallgeneratoren, Optokoppler, etc. ausgebildet sein, weil dadurch
hohe Spannungen von einer Regelelektronik ferngehalten werden und
damit einerseits Fehlfunktionen ausgeschlossen werden, wie auch
die Gefahr der Verletzung von Personen.
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Eine
galvanische Entkopplung läßt sich
bevorzugt dadurch realisieren, dass der/die Meßwandler eine Primärwicklung
und eine induktiv angekoppelte Sekundärwicklung aufweist (-en), wo
eine zu der/dem Primärspannung/-strom
proportionale Ausgangsspannung abgegriffen werden kann.
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Wenigstens
ein Stellglied findet seinen Platz zwischen wenigstens einem Anschluß einer
Stromversorgung bzw. wenigstens einem äußeren Motoranschluß einerseits
und wenigstens einem (inneren) Motoranschluß andererseits, wo es vorzugsweise nach
Art eines Schalters verwendet werden kann, um nach dem erfindungsgemäßen Regelalgorithmus
die Versorgungsspannung an die betreffende(n) Motorphase(n) durchzuschalten
oder abzutrennen.
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Die
Effizienz eines Drehstrommotors läßt sich dadurch steigern, dass
als Stellglied zwischen jeder Phase einer Stromversorgung bzw. jedem äußeren Motorphasenanschluß einerseits
und je einem (inneren) Motorphasenanschluß wenigstens je ein steuerbares
Schaltelement eingeschalten ist. Damit läßt sich jede Phase des Motors
in die erfindungsgemäße Regelung
mit einbeziehen, so dass dessen Verhalten nach wie vor symmetrisch
ist (Phasenverschiebung von 120°)
und daher die statischen Charakteristika anwendbar bleiben.
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Wenigstens
ein Schaltelement des Stellgliedes kann eine von der anliegenden
Spannungsrichtung abhängige
Schaltcharakteristik aufweisen, d. h., dass es – ähnlich einer Diode – nur einen
Stromfluß in
einer Richtung bzw. bei einer bestimmten Spannungspolarität zuläßt. Damit
kann ein Schaltvorgang – wahlweise
Ein- oder Ausschalten bzw. Durchschalten oder Sperren – den Ventilen
selbst überlassen
erden, wodurch sich die Ansteuerelektronik wesentlich vereinfacht:
Indem
wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes selbstsperrend ausgebildet
ist, d. h. mit einem hochohmigen Schaltausgang bei fehlender Steuerspannung,
erfolgt spätestens
nach je einer Halbwelle automatisch ein Sperren des Ventils und
die Schaltung ist dadurch äußerst stabil,
weil bspw. beim Wegfall von Ansteuerimpulsen die Ventile selbst
den Stromfluß löschen.
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Im
Rahmen des Stellgliedes haben sich ein oder mehrere aktive, d. h.
steuerbare Halbleiterschalter bewährt. Diese sind schnell genug,
um pro Periode der Netzspannung wenigstens einmal betätigt werden
zu können.
Moderne Halbleiterventile sind sogar so schnell, dass die durch
den Schaltvorgang, während
dem Strom und Spannung in dem Ventil gleichzeitig von Null deutlich
verschieden sind, in dem Ventil in Wärme umgesetzte Verlustleistung sehr
gering ist.
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Die
Erfindung läßt sich
dahingehend weiterbilden, dass wenigstens ein Schaltelement des
Stellgliedes als Thyristor oder Triac ausgebildet ist. Dadurch genügt ein kurzer
Zündimpuls,
und das Stellglied bleibt anschließend offen bis zur nächsten Halbwelle
der Spannung. Die Ansteuerleistung ist daher sehr gering und belastet
die Steuerelektronik kaum. Zusätzlich
kann eine derart geringe Leistung leicht über induktive Übertrager
od. dgl. geführt
werden, so dass sich mit geringem Aufwand auch zwischen den Stellgliedern
und der Steuerelektronik eine galvanische Trennung realisieren läßt.
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Vorzugsweise
ist der Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die
von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart ausgebildet,
dass zu je einer (Halb-)Periode der Versorgungsspannung pro Motorgröße je ein Wert
ermittelt wird. Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere dann
vorteilhaft, wenn pro (Halb-)Periode nur ein einziger Eingriff an
dem Stellglied stattfindet, bspw. das (verzögerte) öffnen eines Ventils. Die Ansteuerungen
für die
anderen beiden Phasen eines Drehstrommotors können ggf. nach den selben Kriterien
verstellt werden, nur um 120° zeitversetzt,
so dass alle drei Motorphasen nach einem Regelzyklus sich wieder
in einem symmetrischen Zustand (Phasenverschiebung jeweils 120° bzw. 240°) befinden. Da
solchenfalls bei einem 50 Hz-Motor das Regelprogramm 50 mal pro
Sekunde abgearbeitet wird, also nach jeweils 20 ms, kann dabei – unter
Vernachlässigung
von dynamischen Übergängen – von jeweils statischen
Verhältnissen
ausgegangen werden, so dass die Motorwerte aus dem letzten Regelzyklus durchaus
noch typisch für
den gegenwärtigen
Belastungsfall sind und mit den aktuellen Motorwerten verglichen
werden können.
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Dies
wird bewerkstelligt, indem der Baustein zur Bestimmung der zeitlichen Änderung
der ermittelten Motorgröße derart
ausgebildet ist, dass die Änderung
einer Motorgröße während einer
(Halb-)Periode der Versorgungsspannung gegenüber der vorangehenden (Halb-)Periode
der Versorgungsspannung bestimmt wird. Für die erfindungsgemäße Regelung ist
diese Änderung
weitaus wichtiger als die jeweiligen Absolutwerte der Motorgrößen, welche
sich je nach Belastungsfall völlig
unterschiedlich einstellen können.
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Der
auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein sollte eine Einrichtung
aufweisen zur Bildung der Relation zwischen der zeitlichen Änderung der
ermittelten Motorgröße und der
zeitlichen Änderung
der Stellglied-Ansteuerung. Dadurch läßt sich zu jedem Zeitpunkt
neuerlich feststellen, ob in dem gegenwärtigen Arbeitspunkt die Strecke
ein gleichsinniges oder gegensinniges Verhalten zwischen Eingang
(Stellglied) und Ausgang (Motorgröße) zeigt. Daraus läßt sich
die Erkenntnis ableiten, wie das Stellglied ggf. verstellt werden
muß, um
eine weitere Reaktion der Motorgröße in dem gewünschten Sinn
zu erhalten.
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Bevorzugt
verfügt
der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein über eine
Einrichtung, die anhand der Änderung
der Stellglied-Ansteuerung und der aus der entsprechenden Veränderung
der ermittelten Motorgröße resultierenden
Veränderung der
von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung feststellt,
welche Art der Stellglied-Ansteuerung (Vergrößern oder Verkleinern wenigstens einer
Motorspannung) einen minimierenden Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene
Wirk- und/oder Blindleistung
hat. Zu diesem Zweck genügt die
Vorgabe, ob eine besstimmte Motorgröße minimiert (bspw. |I|) oder maximiert (bspw.
(cos φ))
werden soll, je nach dem Einfluß der
betreffenden Motorgröße auf die
Wirk- und/oder Blindleistung PW, PB.
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Der
Regelbaustein wirkt auf das Stellglied ein mittels einer Einrichtung,
die ein Steuersignal erzeugt, das einer Stellglied-Ansteuerung (Vergrößerung oder
Verkleinerung wenigstens einer Motorspannung) mit einer prognostizierten
Minimierung der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung
entspricht. Die Art der Ansteuerung richtet sich einerseits nach
dem Typ des Stellgliedes – vorzugsweise
Halbleiterschalter – sowie
nach der Art (Schaltungsanordnung) des Stellgliedeingrifts.
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Eine
besonders einfache Schaltungsanordnung des Stellgliedes ergibt sich
bei Realisierung einer Phasenanschnittsteuerung. Solchenfalls ergibt sich
der Grad der Verstellung durch die zeitliche Verzögerung des
Ansteuersignals. Zu diesem Zweck weist der auf das Stellglied einwirkende
Regelbaustein ein Verzögerungsglied
auf, welches das Einschalt- bzw. Ansteuersignal wenigstens eines
Schaltelements des Stellgliedes gegenüber dem Nulldurchgang der betreffenden
Phasenspannung verzögert,
vorzugsweise entsprechend dem aktuellen Steuersignal für die Stellglied-Ansteuerung.
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Ausführungsbeispiel
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt
ein Blockschaltbild der Erfindung.
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Darin
sind eine dreiphasige Netzspannung 1 mit den Phasen L1,
L2, L3 zu erkennen, ferner ein ebenfalls dreiphasiger Hauptschalter 2,
an dessen sekundärseitigen
Anschlüssen
die Eingänge 3 einer ebenfalls
dreiphasigen Motoreffizienzschaltung 4 gemäß der Erfindung
angeschlossen sind. An den drei Ausgängen 5 dieser Motoreffizienzschaltung 4 ist
je eine Phase M1, M2, M3 des Drehstrommotors 6 angeschlossen.
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Die
Motoreffizienzschaltung 4 hat die Struktur einer Regelschaltung.
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Ein
erster induktiver Meßwandler 7 ist
primärseitig
in die zur Motorphase M2 führende
Leitung eingeschleift und liefert an seinem Sekundärausgang 8 ein
zu dem Strom i2 in der Motorphase M2 proportionales
Ausgangssignal, das galvanisch von der Phase M2 entkoppelt ist.
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Ein
zweiter Meßwandler 9 ist
primärseitig zwischen
den mit den anderen beiden Motorphasen M1 und M3 verbundenen Leitungen
angeschlossen und liefert an seinem Sekundärausgang 10 ein zu
der verketteten Spannung u13 zwischen den
Motorphasen M1 und M3 proportionales Ausgangssignal, das galvanisch
von den Phasen M1 und M3 entkoppelt ist.
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Die
Meßsignale 8, 10 verarbeitet
ein Regelbaustein 11, der mit seinen Steuerausgängen 12 auf eine
Stelleinrichtung 13 einwirkt. Diese besteht aus insgesamt
sechs Thyristoren 14, wovon jeweils zwei zwischen eine
Netz-Phase L1, L2, L3 und die betreffende Motorphase M1, M2, M3
eingeschleift sind. Die beiden jeweils der selben Phase M1, M2,
M3 zugeordneten Thyristoren 14 sind jeweils antiparallel
nebeneinander geschalten, so dass der Strom i1,
i2, i3 in jeder
Motorphase M1, M2, M3 in beiden Stromrichtungen fließen kann
und dabei jeweils von unterschiedlichen Thyristoren 14 geleitet
wird.
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Die
Steueranschlüsse
je eines einer gemeinsamen Motorphase M1, M2, M3 zugeordneten Thyristorpaares 14 können miteinander
verbunden sein, so dass sich jeweils die Struktur eines Triacs ergibt; dies
ist allerdings nicht zwingend.
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Mit
der Stelleinrichtung 13 lassen sich die Motorspannungen
u12, u13, u23 und damit die Motorströme i1,
i2, i3 beeinflussen,
indem die Thyristoren 14 erst mit einer steuerbaren Verzögerung gegenüber dem
betreffenden Nulldurchgang einer Spannung ein-, d. h. durchgeschalten
werden, so dass der Effektivwert der Spannung(sgrundwelle) mehr
oder weniger stark reduziert wird (Phasenanschnittsteuerung).
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Die
Ansteuersignale 12 werden von dem Regelbaustein 11 wie
folgt erzeugt:
Die Meßsignale 8, 10 werden
zunächst über einen Zeitraum
hinweg – bspw.
eine (Halb-)Periode der Spannung – aufgezeichnet. Sodann wird
daraus je ein für
die jeweilige Grundwelle charakteristischer Wert generiert, bspw.
durch Aufladen eines Kondensators entsprechend eines zu dem betreffenden Meßsignal
proportionalen Stroms, oder durch Integration der digital gewandelten
Meßsignale 8, 10.
Damit kann ein stromproportionaler Wert, bspw. Ieff,
erzeugt erzeugt werden als erste charakteristische Motorgröße.
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Anhand
der Zeitverschiebung zwischen den Nulldurchgängen von Strom i2 und
Spannung u13 wird als zweite charakteristische
Motorgröße ein phasenabhängiger Wert
ermittelt, bspw. φ oder
(cos φ).
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Diese
Motorgrößen werden
zusammen mit dem betreffenden Steuersignal 12 bzw. der
daraus resultierenden Motorspannung(samplitude) gespeichert, entweder
als Ladung in je einem Kondensator oder als Digitalwert in einem
Digitalspeicher.
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Für eine folgende
Regelsequenz wird das Steuersignal 12 verstellt, bspw.
in Richtung zu einer niedrigeren Motorspannung(samplitude), und
abermals werden der Motorstrom i2 und die
verkettete Spannung u13 gemessen.
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In
einem weiteren Schaltungs- oder Programmteil werden die Änderungen
der berechneten Motorgrößen ermittelt
sowie die Änderung
der Motorspannung(samplitude) bzw. des jeweils vorgegebenen Steuersignals 12.
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Im
Rahmen einer hardwaremäßig oder
programmtechnisch nachgeschalteten Auswertung wird der Einfluß der Verstellung
des Steuersignals 12 bzw. der Motorspannung(samplitude)
auf die berechneten Motorgrößen ermittelt.
Anhand des bekannten Einflusses der betrachteten Motorgrößen auf
die zu optimierende Wirk- und/oder Blindleistung PW,
PB des Motors 6 wird sodann das
Steuersignal 12 derart verstellt, dass die Wirk- und/oder
Blindleistung PW, PB des
Motors 6 in dem gewünschten
Sinne beeinflußt, d.
h., minimiert werden.
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Zum
Abschluß einer
Regelsequenz werden die bisher gespeicherten Werte der Motorgrößen und der
Steuerspannung durch die zuletzt aktuellen Werte überschrieben,
um Vergleichswerte für
die anschließend
folgende Regelsequenz zu erhalten.
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Der
Regelbaustein 11 ist zur Ein- und Ausgabe mit einem Kommunikationsbaustein 15 gekoppelt, dessen
Aufgabe darin besteht, einen Informationsaustausch zwischen dem
Regelbaustein 11 und weiteren Einheiten, bspw. einer übergeordneten
Steuerungs- oder Beobachtungseinrichtung zu ermöglichen. Damit kann bspw. von
außen
die Motoreffizienzschaltung 4 abgeschalten werden, so dass
dann die Thyristoren 14 jeweils unverzögert gezündet werden und sich die selben
Verhältnisse
ergeben, als ob die Motorphasen M1, M2, M3 direkt an die Netzspannung
L1, L2, L3 angeschlossen wären.
Dies kann vorteilhaft sein, wenn vorübergehend – bspw. während eines Hochlaufs – der Motor 6 mit
seiner maximalen Leistung betrieben werden soll.
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Die
Information, dass der Motor 6 sich in einem Hochlauf befindet
und daher mit maximaler Leistung betrieben werden soll, kann der
Regelbaustein 11 aber auch durch seine eigene Spannungsversorgung
erhalten, indem diese direkt an die Eingänge 3 der Motoreffizienzschaltung 4 angeschlossen
ist. Der Einschalt- und Hochlaufmoment kann dann an dem Anstieg
der Stromversorgungsspannung der Elektronik verfolgt werden. Dabei
läßt sich
ein Zeitglied starten, das vorübergehend
die Steuerimpulse 12 in die Nulldurchgänge der betreffenden Spannungen
verschiebt.
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Schließlich kann
der Kommunikationsbaustein 15 auch verwendet werden, um
Daten aus dem Regelbaustein 11 auszulesen, bspw. aktuelle
Werte und/oder Durchschnittswerte von Meß- und/oder Motorgrößen, Fehlermeldungen,
etc. Dieser Kommunikationsbaustein 15 kann auch für eine Datenfernübertragung
geeignet sein, um bspw. über
das Internet zu kommunizieren.