DE102009012488A1 - Method for energy demand determination, method for component selection and data carrier - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem einen Elektromotor (20), einen Umrichter (10) zur Ansteuerung des Elektromotors (20), eine anzutreibende Komponente (40) und ein Getriebe (30), das zwischen den Elektromotor (20) und die anzutreibende Komponente (40) eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente (40) ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt. Es wird ein Verlustmodell (20a) für den Elektromotor (20), ein Verlustmodell (10a) für den Umrichter (10) und ein Verlustmodell (30a) für das Getriebe (30) bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) verschiedene Betriebszustände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen, und der elektrische Energiebedarf des Antriebssystems wird während einer vorgegebenen Zeitdauer unter Verwendung der Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) und des vorgegebenen kinematischen Profils bestimmt.In a method for the automated determination of the electrical energy requirement of a drive system, the drive system comprises an electric motor (20), a converter (10) for driving the electric motor (20), a component (40) to be driven, and a transmission (30) connected between the electric motor (20) and the driven component (40) is looped, wherein the component to be driven (40) performs a predetermined kinematic profile. A loss model (20a) for the electric motor (20), a loss model (10a) for the converter (10) and a loss model (30a) for the transmission (30) are determined, the respective loss models (10a, 20a, 30a) being determined. consider various operating conditions that are due to the given kinematic profile, and the electrical energy requirement of the drive system is determined during a predetermined period of time using the loss models (10a, 20a, 30a) and the given kinematic profile.
Description
Technologischer HintergrundTechnological background
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems, ein Verfahren zur Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems sowie einen Datenträger.The The invention relates to a method for automated determination the electrical energy demand of a propulsion system, a procedure for selecting components of a drive system and a data carrier.
Bei der Planung bzw. Dimensionierung von elektrischen Antriebssystemen sind unterschiedliche Randbedingungen zu berücksichtigen. Beispielsweise sind ein Elektromotor, ein Umrichter und ein Getriebe, die üblicherweise einen Antriebsstrang des Antriebssystems bilden, derart auszuwählen, dass diese den elektromechanischen Dimensionierungsvorschriften genügen, die unter anderem von einem kinematischen Profil einer anzutreibenden Komponente abhängen.at the planning and dimensioning of electric drive systems Different boundary conditions have to be considered. For example are an electric motor, an inverter and a gearbox that is usually form a drive train of the drive system, to select such that these satisfy the electromechanical dimensioning requirements, the among other things, a kinematic profile of a driven Depend on component.
Steigende Energiekosten, Klimawandel und gesetzliche Bestimmungen erfordern zunehmend, dass bei der Dimensionierung des Antriebssystems auch dessen Energiebedarf als weiteres Dimensionierungskriterium berücksichtigt wird.increasing Energy costs, climate change and legal requirements require increasingly, that in sizing the drive system as well whose energy requirements are considered as a further dimensioning criterion becomes.
Aufgabe und LösungTask and solution
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems zur Verfügung zu stellen, das eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems ermöglicht, ein Verfahren zur Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems zur Verfügung zu stellen, das bei der Auswahl den bestimmten elektrischen Energiebedarf berücksichtigt, sowie einen Datenträger zur Verfügung zu stellen, der Programme umfasst, die zur Ausführung der Verfahren geeignet sind.Of the The invention is therefore based on the object, a method for automated Determination of the electrical energy requirement of a drive system to disposal to make that a reliable one Determining the electrical energy requirement of the drive system allows a method for selecting components of a drive system to disposal to put that in the selection of the specific electrical energy needs considered, as well as a data carrier to disposal which includes programs suitable for carrying out the procedures are.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Anmeldung gemacht werden, um Wiederholungen zu vermeiden.preferred embodiments are the subject of the subclaims, hereby incorporated by reference into the subject of the application to avoid repetition.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem einen Elektromotor, beispielsweise einen Synchronmotor oder einen Asynchronmotor, einen Umrichter bzw. Frequenzumrichter zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei der Umrichter bzw. Frequenzumrichter aus einem Wechselstrom bzw. Drehstrom mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderliche bzw. umgerichtete Spannung erzeugt, mit der der Elektromotor beaufschlagt wird, eine anzutreibende Komponente und ein Getriebe, das zwischen den Elektromotor und die anzutreibende Komponente eingeschleift ist. Es versteht sich, dass das Antriebssystem weitere Komponenten umfassen kann, beispielsweise Versorgungs-/Rückspeisemodule, die im Generatorbetrieb des Motors Energie in das Netz zurückspeisen können, und/oder so genannte Bremschopper. Eine dem Antriebssystem zugrunde liegende Antriebsaufgabe, beispielsweise eine Förderanwen dung mit einem Radantrieb, bei der zu transportierende Gegenstände mit vorgegebenem Maximalgewicht zunächst beschleunigt, dann mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und anschließend wieder abgebremst werden, gibt ein kinematisches Profil der anzutreibenden bzw. angetriebenen Komponente vor. Zur Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs wird ein Verlustmodell für den Elektromotor, ein Verlustmodell für den Umrichter und ein Verlustmodell für das Getriebe bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle verschiedene Betriebszustände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen. Mit anderen Worten werden die Verlustmodelle nicht nur für einen konstanten Arbeitspunkt bestimmt, sondern berücksichtigen alle Arbeitspunkte bzw. Betriebszustände, die bei der konkreten Antriebsaufgabe auftreten können. Schließlich wird der elektrische Energiebedarf des Antriebssystems während einer vorgegebenen Zeitdauer, beispielsweise während eines Antriebszyklus und/oder während der projektierten Betriebsdauer des Antriebssystems, unter Verwendung der Verlustmodelle und des vorgegebenen kinematischen Profils bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems unter Berücksichtigung der zugrunde liegenden Antriebsaufgabe bzw. des vorgegebenen kinematisches Profils, da nicht nur stationäre Betriebspunkte der Komponenten des Antriebssystems sondern dynamische, d. h. die tatsächlich auftretenden, Betriebspunkte der Komponenten des Antriebssystems bei der Bestimmung des Energiebedarfs berücksichtigt werden. Weiter besteht die Möglichkeit, den bestimmten Energiebedarf als so genannten Energiepass des Antriebssystems auszugeben, auf dem beispielsweise Energiebedarfsanteile von Komponenten des Antriebssystems getrennt aufgeführt sind.at the method according to the invention for the automated determination of the electrical energy requirement of a Drive system, the drive system includes an electric motor, for example a synchronous motor or an asynchronous motor, a converter or Frequency converter for controlling the electric motor, wherein the inverter or frequency converter from an alternating current or three-phase current with certain frequency variable in amplitude and frequency or converted voltage generated, which is applied to the electric motor is a component to be driven and a transmission that between the electric motor and the component to be driven looped is. It is understood that the drive system other components may include, for example, regenerative power supply modules operating in generator mode of the engine can feed energy back into the grid, and / or so-called Brake chopper. A drive task underlying the drive system, For example, a Förderanwen training with a wheel drive, with the objects to be transported with predetermined maximum weight first accelerated, then moved at a constant speed and then again be decelerated, gives a kinematic profile of the driven or driven component before. For the determination of the electrical Energy demand becomes a loss model for the electric motor, a loss model for the Inverter and a loss model intended for the transmission, where the respective loss models take into account different operating states, which adjust due to the given kinematic profile. In other words, the loss models are not just for one constant operating point, but take into account all operating points or operating states, which can occur in the concrete drive task. Finally will the electrical energy requirement of the drive system during a predetermined period of time, for example during a drive cycle and / or during the configured operating time of the drive system, using the loss models and the given kinematic profile. The inventive method allows a reliable one Determination of the electrical energy requirement of the drive system under consideration the underlying drive task or the given kinematic Profils, since not only stationary Operating points of the components of the drive system but dynamic, d. H. actually occurring, operating points of the components of the drive system be taken into account when determining the energy requirement. Next exists the possibility, the specific energy requirement as the so-called energy pass of the drive system on the example, energy demand shares of components of the drive system are listed separately.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor die Eigenträgheit des Elektromotors, Wicklungsverluste im Stator des Elektromotors, Eisenverluste und/oder Reibverluste be rücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.In a development to determine the loss model for the electric motor, the self-supporting unit of the electric motor, winding losses in the stator of the electric motor, iron losses and / or friction losses be taken into account. It is understood that in addition to the sizes mentioned, other variables can be included in the loss model.
In einer Weiterbildung ist der Elektromotor ein Asynchronmotor, wobei zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor Rotorwicklungsverluste berücksichtigt werden.In In a further development, the electric motor is an asynchronous motor, wherein for determining the loss model for the electric motor rotor winding losses considered become.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für den Umrichter stromabhängige Verluste, konstante Verluste, Lüfterverluste und/oder Kondensatorverluste berücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.In Further training is used to determine the loss model for the inverter current-dependent losses, constant losses, fan losses and / or capacitor losses taken into account. It is understood that in addition to the sizes mentioned, other sizes in the Incorporate loss model can.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für das Getriebe eine Eigenträgheit des Getriebes, leistungsabhängige Verluste, drehzahlabhängige Verluste und/oder Reibverluste berücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.In a training to determine the loss model for the transmission an inertia of the Transmission, power-dependent Losses, speed-dependent Losses and / or friction losses taken into account. It goes without saying that in addition to the sizes mentioned above more sizes in the Loss model can be incorporated.
In einer Weiterbildung umfasst das kinematische Profil einen Verfahrweg der anzutreibenden Komponente, d. h. deren Ortsänderung, eine Geschwindigkeit der anzutreibenden Komponente und/oder eine Beschleunigung der anzutreibenden Komponente.In In a further development, the kinematic profile comprises a travel path the component to be driven, d. H. their change of location, a speed the component to be driven and / or an acceleration of the driven Component.
In einer Weiterbildung ist die anzutreibende Komponente ein Förderband, ein Stetigförderer, ein Spindelantrieb und/oder ein Hubwerk.In In a further development, the component to be driven is a conveyor belt, a continuous conveyor, a spindle drive and / or a hoist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur, insbesondere automatisierten, Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem folgende Komponenten: einen Elektromotor, einen Umrichter zur Ansteuerung des Elektromotors, eine anzutreibende Komponente und ein Getriebe, das zwischen den Elektromotor und die anzutreibende Komponente eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt. Der Elektromotor, der Umrichter und das Getriebe werden aus einer vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, insbesondere automatisiert, ausgewählt, dass eine von dem kinematischen Profil abhängige Dimensionierungsvorschrift erfüllt ist. Die vorgegebene Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben kann beispielsweise in einer Datenbank gespeichert sein, die Teil eines Expertensystems zur Antriebssystemauslegung ist. Ein derartiges Expertensystem zur Antriebssystemauslegung ist beispielsweise das System Drive-Solution-Designer (DSD) der Lenze AG, auf das vorliegend hinsichtlich der Komponentenauswahl unter Berücksichtigung von Dimensionierungsvorschriften Bezug genommen wird, sodass auf eine umfangreiche Beschreibung der Komponentenauswahl unter Berücksichtigung von Dimensionierungsvorschriften verzichtet werden kann. Zur Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems wird das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs unter Berücksichtigung des ausgewählten Elektromotors, des ausgewählten Umrichters und des ausgewählten Getriebes durchgeführt, wodurch für eine Antriebssystemvariante, die den Dimensionierungsvorschriften genügt, automatisiert der Energiebedarf bestimmt bzw. berechnet wird. Dies ermöglicht die Bewertung der ausgewählten Antriebssystemvariante auch hinsichtlich ihres Energiebedarfs bzw. ihrer Energieeffizienz.at the method according to the invention for, in particular automated, selection of components of a Drive system, the drive system includes the following components: an electric motor, a converter for controlling the electric motor, a driven component and a transmission that between the Electric motor and the component to be driven is looped, wherein the component to be driven a predetermined kinematic Profile. The electric motor, the inverter and the gearbox are made of one given quantity of electric motors, converters and gearboxes such, in particular automated, selected that one of the kinematic Profile dependent Sizing rule met is. The specified quantity of electric motors, converters and gearboxes For example, it can be stored in a database that is part of an expert system for drive system design. Such an expert system For drive system design, for example, the system Drive-Solution-Designer (DSD) of Lenze AG, in this case with regard to component selection considering of sizing rules, so on a comprehensive description of component selection under consideration can be dispensed with dimensioning. For determination the electrical energy requirement of the drive system is the method of the invention for the automated determination of the electrical energy requirement under consideration of the selected Electric motor, of the selected Inverter and the selected one Geared, which for a drive system variant that meets the dimensioning requirements enough, automatically the energy demand is determined or calculated. This allows the rating of the selected Drive system variant also in terms of their energy needs or their energy efficiency.
In einer Weiterbildung umfasst die Dimensionierungsvorschrift eine Nennleistung des Elektromotors, ein Nennmoment des Elektromotors, ein über das Getriebe übertragbares Drehmoment, eine über das Getriebe übertragbare Leistung, thermische Randbedingungen, Kompatibilitätseigenschaften der Komponenten und/oder eine Nennleistung des Umrichters. Es versteht sich, dass die Dimensionierungsvorschrift weitere Größen umfassen kann.In a further training includes the sizing one Rated power of the electric motor, a rated torque of the electric motor, one over the transmission transmissible Torque, one over the transmission is transferable Performance, thermal boundary conditions, compatibility properties components and / or rated power of the drive. It understands that the sizing rule includes more sizes can.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren die Schritte: Auswählen, insbesondere automatisiertes Auswählen, einer ersten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Getriebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungsvorschrift erfüllt ist, Auswählen, insbesondere automatisiertes Auswählen, mindestens einer zweiten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Getriebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungsvorschrift ebenfalls erfüllt ist, wobei sich mindestens eine Komponente der zweiten Antriebssystemvariante von einer entsprechenden Komponente der ersten Antriebssystemvariante unterscheidet, automatisiertes Bestimmen des elektrischen Energiebedarfs für die erste Antriebssystemvariante und die zweite Antriebssystemvariante und Auswählen einer Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante in Abhängigkeit vom Energiebedarf der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante. Bevorzugt wird diejenige Antriebssystemvariante ausgewählt, die den geringsten Energiebedarf aufweist.In a further development, the method comprises the steps of: selecting, in particular automatically selecting, a first drive system variant comprising an electric motor, an inverter and a transmission from the predefined set of electric motors, converters and transmissions such that the dimensioning rule is met, selecting, in particular automated selection at least one second drive system variant comprising an electric motor, a converter and a transmission from the predetermined set of electric motors, converters and transmissions such that the dimensioning rule is also met, wherein at least one component of the second drive system variant differs from a corresponding component of the first drive system variant, automated determination of the electrical energy requirement for the first drive system variant and the second drive system variant and selecting a drive system variant from the first and the second drive system variant depending on the energy requirements of the first and the second drive system variant. The drive system is preferred Temvariante selected, which has the lowest energy consumption.
In einer Weiterbildung wird die Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante in Abhängigkeit vom Energiebedarf und den Kosten der Antriebssystemvarianten ausgewählt. Hierbei kann eine Gewichtung zwischen dem Entscheidungskriterium Energiebedarf und dem Entscheidungskriterium Kosten erfolgen.In In a further development, the drive system variant of the first and the second drive system variant depending on the energy requirement and the cost of the drive system variants selected. in this connection can be a weighting between the decision criterion energy demand and the decision criterion costs.
Der erfindungsgemäße Datenträger speichert ein Programm, das bei seiner Ausführung ein vorgenanntes Verfahren ausgeführt.Of the Inventive disk stores a program that, when executed, is a method as described above executed.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigt:advantageous embodiments The invention are shown schematically in the drawings and will be described below. Hereby shows:
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description the drawings
Die
anzutreibende Komponente
Zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems werden ein Verlustmodell für den Elektromotor, ein Verlustmodell für den Umrichter und ein Verlustmodell für das Getriebe bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle verschiedene Betriebszustände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen.to automated determination of the electrical energy requirement of the drive system become a loss model for the electric motor, a loss model for the inverter and a loss model for the Gear determines, with the respective loss models different operating conditions consider, which adjust due to the given kinematic profile.
Bei
der Antriebssystemanwendung werden Reibkomponenten, Beschleunigungskomponenten,
konstante Lasten und Wirkungsgrade berücksichtigt. Beim Getriebe
Bei
der Antriebssystemanwendung kann zusätzlich die Temperaturabhängigkeit
der Reibung einbezogen werden. Beim Getriebe
Weiter kann ein gegebenenfalls vorhandenes Versorgungs- bzw. Versorgungs-/Rückspeise-Modul in die Verlustmodelle bzw. eine Energiebetrachtung einfließen. Berücksicht werden können auch ein gegebenenfalls vorhandener Bremschopper, Verluste in einem Bremswiderstand sowie Verluste auf Motorleitungen und Filtern.Further may be an optional supply or regenerative module into the loss models or an energy consideration. Berücksicht can be also an optional brake chopper, losses in one Braking resistor and losses on motor cables and filters.
Für die Antriebssystemaufgabenstellung
wird die erforderliche Leistung aus den konstanten, den variablen
und den dynamischen Anteilen berechnet. Hierzu werden aus den kinematischen
Randbedingungen das Drehmoment der Anwendung MApp(t)
und die Winkelgeschwindigkeit ωApp(t) bestimmt und daraus die Leistung ermittelt:
Die
für die
Beschleunigung der Massenträgheit
benötigte
Leistung berechnet sich zu:
Der Energiebedarf der Anwendung zum Zeitpunkt t innerhalb des Zyklus ergibt sich somit zu: The energy demand of the application at time t within the cycle thus results in:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.Of the Energy demand of the entire cycle is through the integral over the entire cycle time T formed.
Die in der Trägheit gespeicherte Energie ist: The energy stored in the inertia is:
Für ein gegebenenfalls
vorhandenes zusätzliches
Antriebselement ist zunächst
das Maximalmoment der Anwendung zu bestimmen, da dies maßgeblich
für den
konstanten Anteil der Verluste ist.
Für die Berechnung wird des Weiteren das konstante Reibmoment des Antriebselements Mμ,K verwendet. Aus dem Drehmomentverlauf der Anwendung wird das Antriebsmoment für das zusätzliche Antriebselement berechnet: Furthermore, the constant friction torque of the drive element M μ, K is used for the calculation. From the torque curve of the application, the drive torque for the additional drive element is calculated:
Die Verlustleistung des Antriebselements berechnet sich somit zu: The power loss of the drive element is thus calculated as:
Die
in den Massenträgheiten
des Antriebselements gespeicherten Energien berechnen sich mit der Beschleunigungsleistung
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.Of the Energy demand of the entire cycle is through the integral over the entire cycle time T formed.
Die
Gesamtleistung an der Antriebswelle des Antriebselements errechnet
sich zu:
Im
Folgenden wird die Bestimmung des Getriebeverlustmodells unter Bezugnahme
auf
- • Leistungsabhängige Verluste Pth,N,G(Min,G; n = const)
- • Drehzahlabhängige Verluste Pth,N,G(Mi = const; nin,G)
- • Gesamtleistung am Getriebeeingang Psum,in,G
- • Abgegebene Leistung Psum,in,K
- • Power-dependent losses P th, N, G (M in, G ; n = const)
- • Speed-dependent losses P th, N, G (M i = const; n in, G )
- • Total power at the transmission input P sum, in, G
- • Delivered power P sum, in, K
Aus
den Daten für
die Belastungsgrößen am Getriebeausgang
des Getriebes sind die Eingangsgrößen bezüglich Drehzahl und Drehmoment
zu bestimmen.
Für die Berechnung
der Getriebeverluste werden zunächst
die Verluste im Bemessungspunkt bestimmt. Dabei ist der Wirkungsgrad
für das
Getriebe im Punkt (nin,N,G = 1400 min–1;
MN,G) je Stufe definiert. Der Bemessungswirkungsgrad
ergibt sich für
ein n-stufiges Getriebe:
Die Verlustleistung im Bemessungspunkt kann dann ermittelt werden zu: The power loss at the design point can then be determined as:
Für die Getriebeverluste werden 40% der Verluste proportional der übertragenen Leistung angesetzt (Zahnreibungsverluste) und 60% als drehzahlabhängige Planschverluste angenommen.For the transmission losses 40% of the losses are calculated in proportion to the transferred power (tooth friction losses) and 60% as speed-dependent Splash losses assumed.
Die
Beschleunigungsleistung für
die Getriebekomponenten berechnet sich zu:
Der Energiebedarf des Getriebes ergibt sich somit zu: The energy requirement of the transmission thus results in:
Der
Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die
gesamte Zykluszeit T gebildet. Für
den Getriebeeingang kann jetzt die Gesamtleistung bestimmt werden.
Im
Folgenden wird die Bestimmung des Motorverlustmodells unter Bezugnahme
auf
- • Wicklungen (Stator) PR,N,S
- • und bei ASM (Rotor) PR,N,R
- • Eisenkreise PFe,N
- • Reibung Pμ,N,M
- • Zusatzverluste Padd,N,M
- • Windings (stator) P R, N, S
- • and at ASM (rotor) P R, N, R
- Iron circles P Fe, N
- • friction P μ, N, M
- • Additional losses P add, N, M
Für die Verluste des Motors sind zunächst die Verluste gemäß Ihren Ursachen im Bemessungsbetrieb aufzuteilen. Für Standard-Asynchronmaschinen wird eine Wicklungsübertemperatur von Δϑmax,M = 80 K, für Servomotoren von Δϑmax,M = 105 K angesetzt.For the losses of the motor, the losses must first be divided according to their causes in the rated operation. For standard asynchronous machines, a winding overtemperature of Δθ max, M = 80 K, for servomotors of Δθ max, M = 105 K is used.
Die Polpaarzahl der Maschine wird aus der Drehfeldfrequenz und der Drehzahl ermittelt: The pole pair number of the machine is determined from the rotating field frequency and the speed:
Die synchrone Drehzahl lässt sich somit errechnen zu: The synchronous speed can thus be calculated to:
Damit ergibt sich der Schlupf zu: This results in the slip to:
Für die Berechnung
der Statorwicklungsverluste wird der Wicklungswiderstand benötigt. Dieser
wird aus dem Strangwiderstand bei 20°C ermittelt:
Für die betriebswarme Maschine wird der Wicklungswiderstand mit der Auslastung hochgerechnet: For the warm machine, the winding resistance is extrapolated with the load:
Die
Gesamtverluste der Maschine im Bemessungsbetrieb lassen sich aus
der Differenz der elektrisch aufgenommenen Leistung und der mechanisch
abgegebenen Leistung ermitteln.
Die
Wicklungsverluste im Bemessungsbetrieb lassen sich somit für die in
Stern geschaltete Maschine bestimmen zu:
Für die in
Dreieck geschaltete Maschine gilt:
Es
werden zunächst
die Zusatzverluste bestimmt, diese werden mit 0,5% der elektrisch
aufgenommenen Leistung angenommen.
Für die weitere Berechnung wird davon ausgegangen, dass sich die Differenz der Gesamtverluste und der Stator-, Rotorwicklungs- und Zusatzverluste zu 90% in den Eisenverlusten und zu 10% in den Reibungsverlusten niederschlägt. Die Reibungsverluste sind für die Aufteilung der Luftspaltleistung Pδ der mechanischen Leistung zuzuschlagen.For further calculation, the difference between the total losses and the stator, rotor winding and additional losses is assumed to be 90% in the iron losses and 10% in the friction losses. The friction losses are to be added for the division of the air gap power P δ of the mechanical power.
Die Rotorverluste lassen sich dann über das Gesetz zur Aufspaltung der Luftspaltleistung bestimmen. Sie werden bei Synchronmaschinen zu Null gesetzt.The Rotor losses can then be over Determine the law for splitting the air gap performance. she are set to zero in synchronous machines.
Für die Eisenverluste
im Bemessungsbetrieb ergibt sich somit:
Die
Reibungsverluste bestimmen sich dann zu:
Im
Weiteren werden die Belastungsgrößen im Betrieb
der Maschine bestimmt. Dazu wird zunächst das innere Drehmomentprofil
der Maschine ermittelt:
Fällt die mechanische Bremse im Stillstand ein, so wird das Drehmoment zu Null gesetzt.Does that fall? mechanical brake at a standstill, so the torque is too Zero set.
Für die Berechnung der Eisenverluste wird der Verlauf der Drehfeldfrequenz benötigt.For the calculation The loss of iron requires the course of the rotating field frequency.
Dabei wird die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der Abtriebsdrehzahl des Motors als proportional zum Belastungsmoment vorausgesetzt: The difference between the synchronous speed and the output speed of the motor is assumed to be proportional to the load torque:
Für die Ermittlung der Stromwärmeverluste wird der Motorstrom benötigt. Dieser wird mit einem vereinfachten Modell berechnet, wobei das Modell für die Synchronmaschine nur für den Grundstellbereich geeignet ist.For the investigation the current heat losses the motor current is needed. This is calculated using a simplified model, where the Model for the synchronous machine only for the basic setting range is suitable.
Der
Motorstrom wird in zwei Komponenten aufgeteilt, den Strom in der
Längsachse
und dem Strom in der Querachse. Für die Synchronmaschine wird
der Strom in der Längsachse
zu Null gesetzt. Der Strom in der Längsachse berechnet sich für die Asynchronmaschine
im Grundstellbereich zu:
Der Querstrom ist im Grundstellbereich belastungsabhängig und berechnet sich zu: The cross-flow is load-dependent in the basic setting range and is calculated as:
Unter Vernachlässigung der Flussverkettung in der Querachse wird für den Feldschwächbereich der Querstrom berechnet zu: Neglecting the flux linkage in the transverse axis, the transverse current is calculated for the field weakening range as follows:
Für die Drehfeldfrequenz der Asynchronmaschine ergibt sich ebenfalls eine Belastungsabhängigkeit: For the rotating field frequency of the asynchronous machine also results in a load dependence:
Für den Feldschwächbereich wird die Frequenz berechnet zu: For the field weakening range, the frequency is calculated as:
Aus der Längskomponente und der Querkomponente des Stroms lässt sich dann der Gesamtstrom berechnen.Out the longitudinal component and the transverse component of the current can then be calculated as the total current.
In den Phasen der Reglersperre wird der Motorstrom zu Null gesetzt. Mit diesen Vorberechnungen können nun die Motorverluste bestimmt werden.In the phases of the controller inhibit, the motor current is set to zero. With these precalculations can now the engine losses are determined.
Statorwicklungsverluste: Statorwicklungsverluste:
Reibungsverluste: Friction losses:
Für die Berechnung
der Rotorverluste wird nach dem Gesetz über die Aufteilung der Luftspaltleistung der
Schlupf und die Beschleunigungsleistung des Motors benötigt:
Die Wicklungsverluste im Rotor ergeben sich dann aus der folgenden Gleichung, dabei wird von einer mit dem Stator identischen Widerstandserhöhung aufgrund der Temperatur ausgegangen.The Winding losses in the rotor then result from the following equation, This is due to an identical with the stator resistance increase the temperature went out.
Für den Fall das die Formel nicht mehr berechenbar ist wird folgende Näherung getroffen: In case the formula is no longer computable, the following approximation is made:
Die Eisenverluste werden im Grundstellbereich bestimmt zu: The iron losses are determined in the base range to:
Im Feldschwächbereich werden die Eisenverluste berechnet mit da dann das Feld linear mit der Frequenz abnimmt.In the field weakening range, the iron losses are calculated with because then the field decreases linearly with the frequency.
Die Zusatzverluste werden mit 0,5% der elektrisch übertragenen Leistung angenommen.The Additional losses are assumed to be 0.5% of the electrical power transmitted.
Aus
den Teilleistungen berechnet sich die Gesamtverlustleistung für den Motor.
Mit der Verlustleistung kann anschießend der Energiebedarf des Motors berechnet werden.With The power loss can then be reduced by the energy demand of the Motors are calculated.
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.Of the Energy demand of the entire cycle is through the integral over the entire cycle time T formed.
Die
Leistung am Motor ergibt sich dann aus der Summe der Leistungen:
Im
Folgenden wird die Bestimmung des Umrichterverlustmodells unter
Bezugnahme auf
- • Verluste auf einer Masterplatine MP P0,th,I
- • Stromabhängige Verluste im GR,WR PI,th,I
- • Ohmsche Verluste einer Leistungsplatine LP und der Kondensatoren PR,th,I
- • losses on a master board MP P 0, th, I
- • Current-dependent losses in GR, WR P I, th, I
- Ohmic losses of a power board LP and the capacitors P R, th, I
Die Verluste im Umrichter teilen sich auf in Verluste, die bei der Versorgung der Steuerelektronik entstehen, in Verluste im Gleichrichter, Verluste in den Kondensatoren, Verluste in der Leistungsplatine und Verluste im Wechselrichter.The Inverter losses are divided into losses in supply the control electronics, in losses in the rectifier, losses in the capacitors, losses in the power board and losses in the inverter.
Das Verlustmodell stützt sich auf die Berechnung der Verluste über die stromabhängigen Kühlkörperverluste PI,th,I,, die Verluste bei Reglersperre P0,th,I und die Gesamtverluste Pth,N,I. Sind keine Verlustangaben verfügbar, so werden die Verluste im Bemessungsbetrieb nach der folgenden Gleichung bestimmt: The loss model is based on the calculation of the losses via the current-dependent heat sink losses P I, th, I ,, the losses in controller inhibit P 0, th, I and the total losses P th, N, I. If no loss data are available, the losses in the rated operation are determined according to the following equation:
Sind
die Kühlkörperverluste
gegeben, jedoch nicht die Gesamtverluste, so gilt:
Sind keine Verluste mit bei Reglersperre angegeben, so wird ein konstanter Verlust von 0,010 kW angenommen.are no losses with indicated with controller lock, so becomes a constant Loss of 0.010 kW assumed.
Sind
die Gesamtverluste sowie die Kühlkörperverluste
als auch die Verluste bei Reglersperre angegeben, so werden die
eventuell verbleibenden Verlustdifferenzen in 30% konstante Verluste
für den
Lüfterbetrieb und
70% Verluste für
die Kondensatoren und Leiterbahnen proportional zu I2 angenommen.
Die Verluste in Gl. 46 werden bei Reglersperre zu Null gesetzt.The Losses in eq. 46 are set to zero at controller inhibit.
Für die belastungsabhängigen Verluste ergibt sich dann: For the load-dependent losses then follows:
Die
Gesamtverluste ergeben sich dann aus der Summe:
Daraus
lässt sich
die Gesamtleistung am Umrichtereingang bestimmen zu:
Der Eigenverbrauch des Umrichters ergibt sich aus: The self-consumption of the inverter results from:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.Of the Energy demand of the entire cycle is through the integral over the entire cycle time T formed.
Aus der Leistung Psup,I lässt sich durch den positiven Anteil der Leistung die aufgenommene Energie für einen Zyklus und für den negativen Anteil die rückspeisbare Energie ermitteln.From the power P sup, I can be determined by the positive portion of the power absorbed energy for a cycle and for the negative portion of the energy recoverable.
Aus der Betrachtungsdauer in Jahren, der Anzahl der Betriebswochen im Jahr, der Anzahl der Betriebstage pro Woche und der Betriebsstunden pro Tag lässt sich mit der Zykluszeit die Anzahl der Zyklen berechnen.Out the period of observation in years, the number of operating weeks in Year, the number of operating days per week and operating hours per day calculate the number of cycles with the cycle time.
Durch
einen frei wählbaren
Energiepreis und einen mit 550g/kWh vorgegebenen CO2-Äquivalent
können
abschließend
die Energiekosten und der CO2-Anteil ermittelt
werden.
Die beschriebene Bestimmung der Verlustmodelle ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems in interessierenden Zeitintervallen. Dies ermöglicht die Optimierung eines Antriebssystems im Hinblick auf eine effiziente Energieausnutzung.The described determination of the loss models allows a reliable determination of the electrical energy demand of the drive system in interest Time intervals. this makes possible the optimization of a drive system with a view to efficient Energy utilization.
Dabei werden die konkrete Antriebsaufgabe sowie die Antriebskomponenten Motor, Getriebe, Umrichter und gegebenenfalls weitere mechanische Komponenten, beispielsweise Bremse, Kupplung, Übertragungselemente, etc., und elektrische Komponenten, beispielsweise Bremschopper, Bremswiderstände, Versorgungs- und Rückspeisemodule, etc., berücksichtigt.there become the concrete drive task as well as the drive components Engine, gearbox, inverter and possibly other mechanical Components, such as brake, clutch, transmission elements, etc., and electrical components, such as brake choppers, braking resistors, power and regenerative modules, etc., taken into account.
Die
Bestimmung bzw. Berechnung des Energiebedarfs erfolgt hierbei nicht
nur im Hinblick auf eine einzelne Komponente des Antriebsystems
an einem konstanten Betriebspunkt. Erfindungsgemäß wird das gesamte Antriebssystem
in dem bei der Antriebsaufgabe auftretenden Betriebsbereich unter
Berücksichtigung des
individuellen Bedarfs der Anwendung (Maschine) beurteilt. Anhang: Verzeichnis der Formelzeichen
mit Einheiten
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