DE102010021488A1 - Verfahren zur (kupfer-)verlustoptimalen Regelung einer Asynchronmaschine mit einem Frequenzumrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vefahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Asynchronmaschine mit oder ohne Drehzahlrückführung, wobei der Asynchronmotor dur) geregelt wird. Zuerst wird ein mit einer Drehfeldfrequenz drehender Spannungsvektor vorgegeben und eingeprägt, wobei sowohl die Drehfeldfrequenz als auch der Spannungsvektor mit einer auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierenden Steuerung oder Regelung ermittelt und der Spannungsvektor über eine cos φ-Regelung angepasst wurde. Es werden Soll-Werte des cos φ anhand von Typenschild- und Ersatzschaltbilddaten für einen verlustoptimalen oder verlustoptimierten Betrieb der Asynchronmaschine zur Berechnung von cos φberechnet, was zu einem verlustoptimierten Betrieb führt. Danach wird ein Wert für cos φanhand des eingeprägten Spannungsvektors und eines Stromvektors oder anhand der Wirk- und Scheinleistung ermittelt. Darauf folgt die Berechnung der Differenz zwischen cos φund cos φsowie die Speisung einer Regelung auf cos φ mit diReglers für cos φ berechnet und begrenzt und der Spannungsvektor über den Stellwert der Regelung auf cos φ angepasst.

Description

• Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarte Verfahrenserfindung dient zur last- und drehzahlabhängigen Optimierung des Wirkungsgrads einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine.
• Das Verfahren findet Verwendung bei Asynchronmaschinen, die nicht mit einer feldorientierten Regelung, sondern mit einer kennlinien-basierten Steuerung oder Regelung betrieben werden. Von dem Verfahren wird der Fluss der Maschine an die aktuelle Last und Drehzahl bzw. Drehfeldfrequenz so angepasst, dass die im Kupfer auftretenden Verluste im Stator und Rotor, welche den größten Anteil an den Gesamtverlusten der Asynchronmaschine ausmachen, für den stationären Betriebszustand herabgesetzt, insbesondere sogar minimiert werden.
• Die heute gängigen elektrischen Antriebssysteme bestehend aus einem Frequenz- oder Servo-Umrichter und einer Asynchronmaschine werden im Allgemeinen über eine kennlinien-basierte oder eine feldorientierte Steuerung bzw. Regelung betrieben. In beiden Fällen wird versucht, den Fluss der Maschine im Spannungsstellbereich konstant auf seine Bemessungsgröße einzustellen, vgl. Quang, Dittrich, "Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen", 2. Auflage 1999 Expert Verlag. Dies ermöglicht ein dynamisches Verhalten bei Last- oder bei gewünschten Drehzahländerungen sowie eine gute Kippstabilität der Asynchronmaschine. Nachteilig ist bei einer derartigen Lösung, dass insbesondere im Teillastbereich zwischen 0% und ca. 50% des Nennmoments der konstant gehaltene Fluss größer ist, als dies aus energetischer Sicht für einen stabilen Betrieb notwendig ist. Durch eine gezielte Flussabsenkung kann im Teillastbereich eine Reduzierung des Ständerstroms der Asynchronmaschine erzielt und damit eine Wirkungsgradoptimierung erreicht werden. Eine derartige Funktion ist für viele Anwendungen, bei denen nur eine geringe Dynamik erforderlich ist und die über längere Zeiträume im Teillastbereich betrieben werden, wünschenswert. Beispielhaft können hier Anwendungen im Bereich der Lüfter- und Pumpentechnik oder im Bereich der Fördertechnik genannt werden.
• Zur Minimierung der Verluste einer Asynchronmaschine sind mehrere unterschiedliche Verfahren aus verschiedenen Publikationen bekannt. Allgemein können diese in modell-basierende Lösungsansätze und algorithmen-basierte Lösungsansätze, welche nach einem effizienten Betriebspunkt suchen, unterteilt werden. Die modell-basierenden Lösungsansätze setzen hierbei im Allgemeinen auf das feldorientierte Modell der Asynchronmaschine auf.
• Ein großer Teil der Publikationen befasst sich mit unterschiedlichen Varianten der sogenannten cosφ Regelung. Bei diesem Verfahren wird über die Regelung des cosφ (als 'Leistungsfaktor' bekannt) der Wirkungsgrad der Maschine optimiert.
• In EP 330 477 A2 wird ein Verfahren vorgestellt, welches anhand der Phasenspannungen U_u, U_v und U_W sowie der gemessenen Phasenströme I_u, I_v und I_w den Spannungs- bzw. Stromzeiger berechnet und anschließend den Differenzwinkel zwischen den Zeigern bzw. den cosphi_ist (gleichermaßen als cosφ_ist) ermittelt. In der Motorsteuerung ist hierbei eine Tabelle zugeordnet, welche jedem cosphi_ist eine eigene U/f-Kennlinie zuordnet. Die Kennlinien sind hierfür motorspezifisch mit jeweils konstantem Lastmoment über einen gewissen Drehzahlbereich im Vorfeld zu ermitteln. Der cosphi_ist weist in diesem Verfahren somit auf das anliegende Lastmoment hin. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Aufwand, der mit der notwendigen Kennlinienmessung einhergeht.
• Eine alternatives cosφ Regelungskonzept ist mit einer Reihe von Schriften EP 556 013 B1 , US 5 442 271 und US 5 500 581 von Takefumi Hatanaka und Naruto Kuwahara eingeführt worden. Der Leistungsfaktor cosphi_ist wird hier mit Hilfe des Quotienten aus Wirkleistung P und Scheinleistung S gebildet. Zur Berechnung der Leistungen werden ebenfalls die Phasenspannungen und -ströme verwendet. Bei diesem Verfahren wird in Abhängigkeit der Motorspannung und der Solldrehzahl ein Kompensationswert ermittelt, der vom Leistungsfaktor cosφ_ist abgezogen wird. Das Ergebnis wird mit einem für den optimalen Betriebspunkt ermittelten Faktor multipliziert und als Spannung von der auszugebenden Motorspannung abgezogen. Auf diese Weise wird indirekt der Fluss last- und drehzahlabhängig derartig minimiert, dass sich ein guter Wirkungsgrad an der Asynchronmaschine einstellt. Die Ermittlung des Kompensationswerts erfolgt anhand von Kurvenscharen, die motorspezifisch im Vorfeld aufzunehmen sind.
• Ein wesentliches Merkmal der bisher genannten Verfahren ist es, dass im Vorfeld der Anwendung der Verfahren eine motorspezifische, messtechnische Ermittlung der Kennlinien bzw. der Kompensationskurvenscharen notwendig ist. Aufgrund des dadurch resultierenden Aufwands wird eine allgemeine Serienanwendung deutlich erschwert.
• Aus der Literatur ist ein weiterer algorithmen-basierter Ansatz bekannt, vgl. Kirschen, Novotny, Lipo, "On-Line Efficiency Optimization of a Variable Motor Drive", IEEE Trans. Industry Appl., Vol. 21, Nr. 4, Mai/Juni 1985 Seiten 610 bis 615. Dort wird ein Such-Algorithmus vorgeschlagen, der den optimalen Rotorfluss zu jedem Betriebspunkt einer Asynchronmaschine finden soll. Bei diesem iterativen Verfahren wird in festgelegten Zeitintervallen der Rotorfluss reduziert. Nach jeder Reduzierung wird nach einer gewissen Einschwingzeit die Wirkleistungsänderung analysiert. Unterschreitet die Wirkleistungsänderung eine definierte Schwelle, so ist gemäß Algorithmus das verlustoptimale Minimum nahezu gefunden. In diesem Falle wird die Schrittweite der Rotor-Flussänderung halbiert und der Fluss erhöht. Überschreitet die Wirkleistungsänderung wieder die definierte Schwelle, wird wieder der Rotorfluss reduziert. Durch die zyklische Anpassung des Flusses in positiver und negativer Richtung kann das Verfahren auch bei sich ändernden Lasten einen stabilen und verlustoptimierten Arbeitspunkt ermitteln. Nachteilig ist, dass bei dynamischen Änderungen das Verfahren nur eingeschränkt. arbeiten kann. Weiterhin ist aufgrund der permanenten Anpassung des Flusses eine leichte Drehmomenten-Schwingung auf der Abtriebswelle der Asynchronmaschine feststellbar. Ein Vorteil der Verfahren ist, dass keine Kenntnisse über die Parameter des Motors notwendig sind.
• Abweichend von den bisher beschriebenen algorithmen-basierten Ansätzen sind auch modell-basierende Ansätze bekannt. In DE 196 15 095 C1 wird eine Verlustminimierung dargestellt, die bei feldorientiert geregelten Asynchronmaschinen eine Anwendung findet. Hierbei wird der Flusssollwert aus dem Verhältnis des Flusswertes am Nennpunkt zum Nennmoment bestimmt. Diese Kennzahl wird noch mit dem gewünschten Sollmoment multipliziert. Somit erhält man einen Sollfluss, der mit dem Sollmoment im selben Verhältnis steht, wie jenes, das am Nennbetriebspunkt herrscht. Alternativ zum Sollmoment kann auch das berechnete Istmoment verwendet werden.
• 
• Mit dem genannten Verfahren wird der Fluss last-proportional im Teillastbereich abgesenkt. Zur Verwendung des Verfahrens ist eine feldorientiert arbeitende Regelung notwendig.
• In der Literatur sind weitere Ansätze zu finden, mit denen eine Wirkungsgrad-optimierte Regelung ermöglicht wird, vgl. Abrahamsen, "Energy Optimal Control of Induction Motor Drives", Institute of Energy Technology, Alborg University, Thesis Februar 2000. Zusätzlich zu den bereits erläuterten Energie-Optimierungsansätzen werden dort noch weitere Varianten angeführt. Eine dieser Varianten sieht eine Addition eines Spannungskorrekturwerts in Abhängigkeit der ermittelten Schlupffrequenz vor. Des Weiteren werden mehrere Lösungsansätze unter dem Sammelbegriff ”Modell basierende Optimierungsansätze” zusammengefasst. Dazu gehört unter anderem ein Vorschlag, bei dem der für die jeweils anliegende Last eine optimale Ständerfrequenz f_s mit Hilfe eines Modells berechnet werden soll. Ein anderer Vorschlag sieht vor, ebenfalls mittels eines Modells abhängig von der aktuellen Motorbelastung eine optimierte Spannung u_s zu berechnen.
• Chang, Kim, "Minimum-Time Minimum-Loss Speed Control of Induction Motors under Field-Oriented Control", IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 44, Nr. 6, Dez. 1997 Seiten 809 bis 815, schlägt ein modellbasiertes Verfahren vor, welches gezielt Kupferverluste im Motor reduziert. Da die in dieser Quelle dargestellte Theorie für die hier vorgeschlagene Erfindung von zu beachtender Bedeutung ist, wird dieser bekannte Ansatz näher ausgeführt. Grundsätzlich wird hierbei der Versuch unternommen, das Kupferverlustminimum eines feldorientiert geregelten Systems in Abhängigkeit des Rotorflusses sowie des Lastmomentes für den stationären Betriebsfall zu ermitteln. Hierfür werden die einzelnen Kupferverluste, die im Stator und im Rotor anfallen, P_Cu,s = R_si 2 / s (2) P_Cu,r = R_ri 2 / r (3) als Summe betrachtet. Nach einer Zerlegung der Ströme in zwei orthogonale Anteile (als d,q-Anteile) erhält man für die gesamten Kupferverluste folgende Gleichung P_Cu = R_s(i 2 / sd + i 2 / sq) + R_r(i 2 / rd + i 2 / rq) (4)
• Wird die d-Abszisse des Rotor-Koordinatensystems auf dem Vektor des Rotorflusses ψ_r gelegt, so erhält man im eingeschwungenen Zustand für die Stromkomponenten die folgenden Ausdrücke:

  
• Setzt man Gleichung (5 bis 8) in die Gleichung (4) ein und führt weiterhin

  

  ein, so können die Kupferverluste wie folgt in Abhängigkeit des Rotorflusses und des Lastmomentes beschrieben werden:

  
• Leitet man die Kupferverluste (10) nach dem Fluss ψ'_rd ab und setzt die Ableitung zu Null (Nullstelle der Steigung), so lässt sich zu jedem Lastmoment ein Fluss berechnen, bei dem die Kupferverluste P_Cu minimal sind.
• 
• Die Gleichung belegt, dass zu jedem Lastmoment ein Rotorflusssollwert ermittelt werden kann, mit dem die Kupferverluste minimiert werden können. Dieser Lösungsweg ermöglicht somit eine verlustoptimale Regelung bei feldorientiert geregelten Systemen. Anzumerken ist hierbei, dass der optimale Rotorfluss bei steigenden Lastmomenten auch Größenordnungen annehmen kann, welche aufgrund der Sättigung nicht angefahren oder erreicht werden können und damit über dem Bemessungsfluss liegen. Der Rotorfluss ist daher auf einen sinnvollen Maximalwert, z. B. den Bemessungsfluss zu begrenzen.
• Ein Großteil der bestehenden Veröffentlichungen setzen entweder einen feldorientiert geregelten Antrieb oder eine mit einem erheblichen Aufwand verbundene motorspezifische Messung von Kennlinien oder Korrekturwerten oder einen iterative Flussanpassung mit begrenzter Dynamik voraus. Ferner weisen viele Verfahren den Nachteil auf, dass eine nachweisbar optimale Verlustminimierung nicht in jedem Falle möglich ist. Eine Ausnahme bildet hierbei das letztgenannte Verfahren von Chang, Kim, wo eine exakte Herleitung eines kupferverlustoptimalen lastabhängigen Rotorflusses zu finden ist.
• Die hier vorgeschlagene Erfindung soll eine auf einer Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierende Steuerung bzw. Regelung ermöglichen, welche ohne eine Feldorientierung die Kupferverluste in der Asynchronmaschine reduziert und so – insbesondere im Teillastbereich – zu einer nennenswerten Wirkungsgradoptimierung beiträgt. Das Verfahren soll darüber hinaus eine ausreichende Dynamik und Kippschutz bei begrenztdynamischen Vorgängen aufweisen. Bezüglich der Struktur soll eine cosφ Regelung verwendet werden, welche einen drehzahl- oder drehfeldfrequenzabhängig ermittelten cosphi Sollwert nutzt, welcher deterministisch aus den Motorbemessungs- und Ersatzschaltbilddaten ermittelt wird. Mittels dieses Sollwerts soll ein kupferverlust-minimierter Betrieb erreicht werden. Darin sieht die beanspruchte Erfindung ihre Aufgabe.
• Zur Lösung wird auf die Ansprüche 1, 6 oder 11 verwiesen.
• Im Folgenden wird die beanspruchte Erfindung erläutert. Das Verfahren setzt auf die Berechnung des kupferverlustoptimalen Rotorflusses gemäß Gleichung (11) aus vorgenannter Quelle. Da bei einer kennlinienbasierten Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine keine Feldorientierung vorliegt und demzufolge der Magnetisierungsstrom bzw. Rotorfluss ψ'_rdopt nicht direkt auf seinen optimalen Wert geregelt werden kann, kann als Stellwert nur eine Anpassung der einzuprägenden Motorfrequenz oder der Motorspannung verwendet werden. Gemäß der Idee (der Erfindung) wird die Motorspannung so angepasst, dass sich ein kupferverlust-optimaler Fluss einstellt. Zur Anpassung der Motorspannung wird eine cosphi Regelung verwendet, die – im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren – den drehzahl- oder drehfeldfrequenzabhängigen Sollwert der Regelung kupferverlustoptimal und deterministisch nur aus den Ersatzschaltbild- und Typenschilddaten der Asynchronmaschine ermittelt.
• Für die Ermittlung des Sollwerts wird zunächst eine feldorientierte Betrachtung durchgeführt. Wie in Gleichung (11) gezeigt hängt der optimale Magnetisierungsstrom nur vom Lastmoment und den Ersatzschaltbilddaten der Asynchronmaschine ab, vgl. 1. Geht man davon aus, dass die Ersatzschaltbilddaten der Asynchronmaschine sowie der Nennmagnetisierungsstrom bekannt sind, i_MR,Nenn = ψ'_rd,Nenn (12) so kann gemäß Gleichung (11) das Drehmoment m_Opt,ECk berechnet werden, welches bei dieser Magnetisierung kupferverlustoptimal der Maschine entnommen werden kann.
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• Anhand dieses Drehmoments kann auf den feldorientierten Querstrom geschlossen werden, der zur Erzeugung des Drehmoments führt.
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• Anhand der bekannten orthogonalen Stromkomponenten können die dazugehörigen Spannungskomponenten ermittelt werden.
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• Durch Vereinfachung können die Spannungsgleichungen wie folgt abgebildet werden.
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• Den Gleichungen (18) und (19) kann entnommen werden, dass die Spannungen nur von den Strömen und der Ständerfrequenz abhängen. Aus den orthogonalen Strom- und Spannungsgleichungen können der Spannungs- und der Stromwinkel ermittelt werden.
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• Setzt man in die Gleichungen (20) und (21) die Gleichungen (18), (19), (13), (14) und (15) sowie (13) ein, so kann gezeigt werden, dass der Winkel des Stroms nur von den Ersatzschaltbilddaten des Motors und der Winkel der Spannung bei einer konstanten Drehfeldfrequenz ebenfalls für alle Magnetisierungsströme konstant ist.
• 
• Gleichung (22) kann weiter vereinfacht werden, in dem der Nennmagnetisierungsstrom herausgekürzt wird. Fasst man alle nur parameterabhängigen Größen durch Konstanten K_x zusammen, so ergeben sich für die Winkel folgende Gleichungen:

  

  ∠i_s = φ_I = arctan(K₂) (25) mit

  
• Hiermit kann gezeigt werden, dass der Strom- und Spannungswinkel für einen kupferverlustoptimalen Betrieb sowohl last- als auch flussunabhängig berechnet werden können. Lediglich der Spannungswinkel ist von der Drehfeldfrequenz abhängig.
• Aus dieser Erkenntnis wird abgeleitet, dass der aus der Winkeldifferenz berechenbare cosφ bei einer konstanten Drehfeldfrequenz konstant sein muss, wenn der Fluss kupferverlust-optimal geregelt werden soll. cosφ_soll(ω_s) = cos(φ_U(ω_S) – φ_I) (29)
• Über diese Herleitung kann demzufolge ein cosphi für jede Drehfeldfrequenz ermittelt werden, welches – wenn man es über eine geeignete Regelungsstruktur einstellt – minimale Kupferverluste in der Asynchronmaschine und damit eine hohe Energieeffizienz auch bei kennliniengestützten Steuerungen oder Regelungen erreicht.
• Die Erfindung sieht daher ein Regelsystem vor, welches über einen cosphi Regler drehfrequenzabhängig ein optimales cosphi einstellt. Die Sollwerte cosphi_Soll der Regelung können bei bekannten Typenschild- und Ersatzschaltbilddaten der Maschine im Vorfeld berechnet und im Umrichter als Kennlinie hinterlegt werden.
• Das Verfahren setzt keine Feldorientierung voraus und kann sowohl für beliebige Spannungs-Frequenz-Kennliniensteuerung mit oder ohne Rückführung einer Drehzahl bzw. mit oder ohne Schlupfkompensation angewendet werden. Prinzipiell ist eine Erweiterung aller bestehenden Kennliniensteuerungen um eine cosφ_Soll. Regelung möglich.
• Beispiele erläutern die Erfindung
• 1: Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine.
• 2: prinzipieller Aufbau eines Frequenz-Umrichters.
• Bezugszeichenliste

1

speisendes Netz,

2

Gleichrichter,

3

Wechselrichter,

4

zwei- bzw. drei-phasige Stromerfassung,

5

Asynchronmaschine,

6

Messsignalaufbereitung und gegebenenfalls Transformation,

7

Regelung.

• 3: prinzipielle Darstellung der Winkeldifferenz-Regelung.
• 4: Vergleich der Wirkungsgrads einer herkömmlichen U/f-Kennliniensteuerung mit einer U/f-Kennliniensteuerung mit einem Beispiel einer erfindungsgemäßen cosphi Regelung in Abhängigkeit des Lastmoments bei unterschiedlichen Solldrehzahlen bzw. Sollfrequenzen (Simulation an einem 750 W Normmotor unter Vernachlässigung der Reib- und Eisenverluste).
• 5: Eine beispielhafte Darstellung des cosphi_Soll in Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz.
• Die 2 zeigt in prinzipieller Weise eine Vorrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Beispiel. Darin wird über einen Gleichrichter 2 die Netzspannung 1 zu einer Gleichspannung gleichgerichtet, welche dem Wechselrichter 3 als Zwischenkreisspannung zugeführt wird. Der Asynchronmotor 5 ist mit den Ausgangsklemmen des Wechselrichters verbunden. Die Ansteuerung der Ventile des Wechselrichters erfolgt über eine Steuerschaltung. Es werden mindestens zwei der drei Motorphasenströme erfasst (bei 4 sowie 6) und dem Regelsystem 7 zugeführt.
• Innerhalb des Regelsystems wird aus den erfassten Motorströmen der Ständerstromvektor bestimmt. Der Ständerspannungsvektor kann messtechnisch über eine Messung der Spannung an den Ausgangsklemmen des Wechselrichters ermittelt oder aus der erfassten Zwischenkreisspannung und dem Schaltzustand des Wechselrichters rekonstruiert werden. Ferner kann die Zwischenkreisspannung messtechnisch erfasst oder geschätzt werden.
• Ein Teil des Regelsystems ist in der 3 dargestellt. Die Struktur baut auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennliniensteuerung auf. Diese wird um die wirkungsgradoptimierte cosphi Regler erweitert. Anhand der Ausgangs- bzw. Drehfeldfrequenz f_Modulator, die entweder direkt aus der Sollfrequenz bzw. Solldrehzahl gewonnen oder z. B. über eine Schlupfkompensation, einen Maximalstromregler oder einer Drehzahlregelung angepasst werden kann, wird über eine Kennlinie ein Sollwert cosphi_Soll der cosphi Regelung ermittelt.
• In der 5 ist beispielhaft eine derartige Kennlinie dargestellt.
• Der Istwert der cosphi Regelung kann, z. B. aus der Winkeldifferenz zwischen dem Spannungsvektor und dem Stromvektor ermittelt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den cosphi_ist anhand der Wirk- und Scheinleistung oder anhand der gemessenen DC-Zwischenkreisstroms zu ermitteln. Über einen Regler, der z. B. als PI-Regler ausgeführt sein kann, wird eine Spannung U_Add ermittelt, mit der anschließend die Ausgangsspannung U_Modulator des Umrichters beeinflusst wird. Um eine Übermagnetisierung des Motors zu vermeiden, wird am Ausgang der cosphi Regelung eine Begrenzung empfohlen, die eine Erhöhung der Ausgangsspannung U_Modulator durch eine Begrenzung von U_Add auf ausschließlich positive Werte vermeidet. Ferner kann das regelungstechnische Verhalten verbessert werden, wenn die positive Begrenzung des Reglerausgangs U_Add in Abhängigkeit der aktuellen Ausgangsfrequenz f_Modulator angepasst wird.
• Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens ist weiterhin empfohlen, bei generatorischen Lasten die Eingangsdifferenz der cosphi Regelung auf Null zu setzen und so den für den motorischen Betrieb optimierten cosphi Regler am Eingriff zu hindern.
• Ferner wird bei Verwendung einer PI-Reglerstruktur für den cosphi Regelung eine Anpassung der Proportionalverstärkung in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz empfohlen.
• Die Ausgangsfrequenz f_Modulator und die Ausgangsspannung U_Modulator werden an den Pulsbildungssatz übergeben, welcher unter Kenntnis der Zwischenkreisspannung die Steuersignale für die Ventile der Endstufe ermittelt. Der Pulsbildungssatz kann entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt werden, z. B. in einer Zweischalter-Modulation, Raumzeigermodulation oder Sinus-Dreieck-Modulation. Zur Optimierung des Verhaltens kann bei der Berechnung des Aussteuergrads kann die Wechselrichterfehlerkennlinie Berücksichtigung finden.
• Der Effekt der Wirkungsgradverbesserung ist exemplarisch in der 4 dargestellt. Der Abbildung ist zu entnehmen, dass insbesondere im Teillastbereich (0...0,4 m_Nenn) durch die beschriebene neue cosφ Regelung eine deutliche Wirkungsgradoptimierung erzielt werden kann.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 330477 A2 [0006]
• EP 556013 B1 [0007]
• US 5442271 [0007]
• US 5500581 [0007]
• DE 19615095 C1 [0010]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Quang, Dittrich, ”Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen”, 2. Auflage 1999 Expert Verlag [0003]
• Kirschen, Novotny, Lipo, ”On-Line Efficiency Optimization of a Variable Motor Drive”, IEEE Trans. Industry Appl., Vol. 21, Nr. 4, Mai/Juni 1985 Seiten 610 bis 615 [0009]
• Abrahamsen, ”Energy Optimal Control of Induction Motor Drives”, Institute of Energy Technology, Alborg University, Thesis Februar 2000 [0012]
• Chang, Kim, ”Minimum-Time Minimum-Loss Speed Control of Induction Motors under Field-Oriented Control”, IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 44, Nr. 6, Dez. 1997 Seiten 809 bis 815 [0013]

Claims (20)

1. Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Asynchronmaschine mit oder ohne Drehzahlrückführung, wobei der Asynchronmotor durch ein Steuergerät (Umrichter oder Servo-Umrichter) durch das aus folgenden Schritten bestehende Verfahren geregelt wird a. Vorgabe und Einprägen eines mit einer Drehfeldfrequenz (f_Modulator) drehenden Spannungsvektors, wobei sowohl die Drehfeldfrequenz als auch der Spannungsvektor mit einer auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierenden Steuerung oder Regelung ermittelt und der Spannungsvektor (U _S) über eine cosφ-Regelung angepasst wurde; b. Berechnung von Soll-Werten des cosφ anhand von Typenschild- und Ersatzschaltbilddaten für einen verlustoptimalen oder verlustoptimierten Betrieb der Asynchronmaschine gemäß den Gleichung (22) bis (26) oder gemäß einer Vereinfachung dieser Gleichungen zur Berechnung von cosφ_Sollwert, welche zu einem verlustoptimierten Betrieb führen; c. Ermittlung eines Werts für cosφ_Ist anhand des eingeprägten Spannungsvektors (U _S) und eines Stromvektors (I _S) oder anhand der Wirk- und Scheinleistung oder anhand von anderen, geeigneten Verfahrens; d. Berechnung der Differenz zwischen cosφ_Sollwert und cosφ_Ist sowie Speisung einer beliebig ausgeführten Regelung auf cosφ mit dieser Eingangsdifferenz; e. Berechnung und Begrenzung eines Stellwerts (U_Add) des Reglers für cosφ und Anpassung des Spannungsvektors (U _S) über den Stellwert der Regelung auf cosφ.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerverstärkung des Reglers für cosφ in Abhängigkeit von Solldrehzahl oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz der Asynchronmaschine angepasst wird.
3. Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausgangssignal des Reglers zu cosφ in Abhängigkeit von Soll- oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz begrenzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einem generatorischen Betrieb der Regler von cosφ sich abweichend vom motorischen Betrieb verhält, z. B. mit einem Einfrieren des Reglerausgangssignals.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Regeldifferenz des Reglers von cosφ auf einen maximalen Wert in positiver und/oder negativer Richtung begrenzt wird.
6. Verfahren zur kupferverlust-optimalen Steuerung bzw. Regelung einer Asynchronmaschine mit oder ohne Drehzahlrückführung, wobei der Asynchronmotor durch ein Steuergerät mit den folgenden Verfahrensschritten geregelt wird a. Vorgabe und Einprägen eines mit einer Drehfeldfrequenz (f_Modulator) drehenden Spannungsvektors U _S, wobei sowohl die Drehfeldfrequenz als auch der Spannungsvektor mit einer auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierenden Steuerung oder Regelung ermittelt und der Spannungsvektor (U _S) über eine cosphi Regelung angepasst wurde, b. Berechnung von cosphi Sollwerten anhand der Typenschild- und Ersatzschaltbilddaten für einen verlustoptimalen oder verlustoptimierten Betrieb der Asynchronmaschine gemäß den Gleichung (22) bis (26) oder gemäß Vereinfachungen dieser Gleichungen zur cosphi_Soll Werte Berechnung, welche zu einem verlustoptimierten Betrieb führen, c. Ermittlung eines cosphi_Ist Werts anhand des eingeprägten Spannungsvektors U _S und des Stromvektors I _S oder anhand der Wirk- und Schienleistung oder anhand eines anderen, geeigneten Verfahrens, d. Berechnung der Differenz zwischen cosphi_Soll und cosphi_Ist sowie Speisung einer beliebig ausgeführten cosphi Regelung mit dieser Eingangsdifferenz, e. Berechnung und Begrenzung des Stellwerts U_Add der cosphi Regelung und Anpassung des Spannungsvektors U _S mittels des Stellwerts U_Add einer cosphi Regelung.
7. Verfahren nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerverstärkung des cosphi Reglers in Abhängigkeit der Soll- oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz angepasst wird.
8. Verfahren nach dem Anspruch 6 oder 7, wobei der Ausgang des cosphi Reglers in Abhängigkeit der Soll- oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz begrenzt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 8, wobei bei einem generatorischen Betrieb sich der cosphi Regler abweichend vom motorischen Betrieb verhält, insbesondere Einfrieren des Reglerausgangs.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 9, wobei die Regeldifferenz des cosphi Reglers auf einen maximalen Wert in positiver und/oder negativer Richtung begrenzt wird.
11. Verfahren zur Beeinflussung einer Asynchronmaschine, wobei die Asynchronmaschine von einem Steuergerät ausgehend mit den Schritten beeinflusst wird a. Vorgabe oder Einprägen eines mit einer Drehfeldfrequenz (f_Modulator) drehenden Spannungsvektors (U _S) für die Maschine, wobei sowohl die Drehfeldfrequenz als auch der Spannungsvektor einer auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierenden Steuerung oder Regelung ermittelt wurde, um den Spannungsvektor (U _S) im Betrieb über eine cosφ Regelung wie folgt nachzuführen; ba. Berechnung von Soll-Werten von cosφ anhand zumindest elektrischer Daten der Asynchronmaschine, wie Typenschild- oder/und Ersatzschaltbilddaten; bb. Ermittlung von Werten von cosφ_Ist unter Beteiligung von physikalischen Daten, welche den vorgegebenen oder eingeprägten Spannungsvektor (U _S) und einen Stromvektor (I _S) umfassen, insbesondere anhand von Wirk- und Scheinleistung; bc. Bestimmen einer Differenz zwischen den Werten für cosφ_Soll und cosφ_Ist sowie einer Regelung auf cosφ mit diesen Differenzen als Eingangsgröße; bd. Berechnen der Ausgangsgröße des Reglers als Stellwert (U_Add) für das Steuergerät; be. Begrenzung des Stellwerts (U_Add) und Anpassung des Spannungsvektors (U _S) über den Stellwert (U_Add); b. für einen verlustoptimierten Betrieb der Asynchronmaschine.
12. Verfahren nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerverstärkung des cosφ Reglers in Abhängigkeit der Soll- oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz angepasst wird.
13. Verfahren nach dem Anspruch 11 oder 12, wobei der Ausgang des cosφ Reglers in Abhängigkeit der Soll- oder Istdrehzahl oder in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz begrenzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei bei einem generatorischen Betrieb sich der cosφ Regler abweichend vom motorischen Betrieb verhält, insbesondere Einfrieren des Reglerausgangs.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Regeldifferenz des cosφ Reglers auf einen maximalen Wert in positiver und/oder negativer Richtung begrenzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt ((ba) unter Verwendung der Gleichungen (22) bis (26) erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei kupferverlust-optimal beeinflusst wird.
18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei mit oder ohne Drehzahlrückführung gearbeitet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Steuergerät ein Umrichter oder ein Servo-Umrichter ist.
20. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Beeinflussung der Asynchronmaschine eine Steuerung oder eine Regelung ist.

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