DE102011121154A1

DE102011121154A1 - Verfahren zum Optimieren des Betriebs eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102011121154A1
Application number: DE102011121154A
Authority: DE
Inventors: Walter Trümpler; Michael Koch
Original assignee: MICHAEL KOCH GmbH
Current assignee: MICHAEL KOCH GmbH
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: EP2618478A2; ES2664504T3; EP2618478A3; DK2618478T3; EP2618478B1; DE102011121154B4

Abstract

Zur Optimierung des Betriebs eines Energiespeichers, insbesondere zur Optimierung des Zwischenspeicherns elektrischer Energie eines an einem Wechselrichter betriebenen Elektromotors während der Bremsphase in einem Energiespeicher sieht die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem die während einer Bremsphase erreichte Spitzenspannung Ucs am Energiespeicher bestimmt und festgehalten wird, die Spitzenspannung Ucs mit der regulären zulässigen Maximalspannung des Energiespeichers Ucmax verglichen wird, und die Minimalspannung des Energiespeichers Ucmin, auf die dieser in seiner folgenden Entladephase entladen werden darf und ab der das Laden in einer folgenden Bremsphase des Elektromotors erfolgt, erhöht wird, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher Ucs gleich oder kleiner als die reguläre zulässige Maximalspannung des Energiespeichers Ucmax ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs eines Energiespeichers, insbesondere zum Optimieren des Zwischenspeicherns elektrischer Energie eines an einem Wechselrichter betriebenen Elektromotors in der Bremsphase.
Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik, wie er durch die EP 2 372 892 A1 vorbekannt war, die insbesondere eine Energiespeichereinrichtung zum Anschluss an einen Zwischenkreis eines Wechselrichters und zur Zwischenspeicherung elektrischer Bremsenergie eines an dem Wechselrichter betriebenen Motors sowie ein Verfahren zum Zwischenspeichern elektrischer Bremsenergie eines an einem Wechselrichter mit Zwischenkreis betriebenen Motors beschreibt und deren Offenbarungsgehalt auch vollumfänglich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Während dort im konkreten Ausführungsbeispiel im Zwischenkreis des Umrichters ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist, ist ein solcher nicht unabdingbar, insbesondere nicht für das erfindungsgemäße Verfahren, da eine Zwischenkreisspannung des Zwischenkreises zur Überwachung, Steuerung und Regelung auch selbstverständlich ohne einen solchen abgenommen und erfasst werden kann.
Ein solcher Energiespeicher, wie er in der genannten Druckschrift beschrieben ist, dient zur Aufnahme und Zwischenspeicherung von Bremsenergie eines Elektromotors, um diese nicht beispielsweise über einen Bremswiderstand vollständig (durch Umwandlung in Wärme) zu verlieren, sondern zumindest zum Teil in der motorischen Arbeitsphase des Elektromotors diesen wieder zur Verfügung zu stellen, um so den gesamten Energieeinsatz – gegenüber dem vollständigen Verlust der Bremsenergie durch Umwandlung in Wärme in einem Widerstand – zu reduzieren.
Die Energieaufnahme eines Energiespeichers steigt quadratisch mit der Spannung desselben. Das maximale Speichervermögen wird bei voller Aufladung des Speichers und der Spannung Null bis zur regulären höchst zulässigen Spannung oder maximalen Speicherspannung erreicht, die so ausgelegt ist, dass sie ohne Zerstörung des Speichers kurzzeitig überschritten werden darf, wobei allerdings eine absolute Speichermaximalspannung, bei der die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung gegeben ist, auf keinen Fall erreicht werden darf.
Allerdings kann ein solches maximales Speichervermögen nicht voll ausgenutzt werden, da eine gewisse Anfangsspannung und damit eine Anfangsladung erforderlich ist. Die Anfangsspannung bestimmt nämlich in Verbindung mit dem Maximalwert des Stromes die maximal mögliche Anfangsleistung des Bremsvorganges, wobei der Strom durch die verwendeten elektrischen und elektronischen Bauteile konstruktiv begrenzt ist. Aus diesem Grunde sieht die EP 2 372 892 A1 schon vor, dass der Energiespeicher auf 25 bis 50% seiner regulären Maximalspannung vorgeladen und nicht unter einem solchen fest vorgegebenen Wert entladen wird. Dieser kann nach der Druckschrift für jedes Wechselrichter-Motor-System durch dieses fest vorgegeben sein.
Es kann keine Optimierung des Betriebs des Energiespeichers und damit des angeschlossenen Motors in energetischer Hinsicht erreicht werden, da eine solche vom Arbeitsverhalten und insbesondere dem Bremsverhalten, das sich auch bei einem Wechselrichter-Motor-System im Betrieb verändern kann, beeinflusst wird.
Darüber hinaus ist auch die Aufnahme von Bremsenergie eines Antriebs bei gegebener Leistung durch einen Energiespeicher im unteren Spannungsbereich mit höheren Verlusten verbunden als in einem höheren Spannungsbereich. Dies ist bedingt durch den höheren Ladestrom bei kleiner Spannung und insbesondere auch bei Kondensatoren, die als Zwischenenergiespeicher zumindest in der Regel eingesetzt werden, durch deren spezifisches Verhalten. Auch unter diesem Gesichtspunkt des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft die Energiespeicherung und die Rückspeisung und damit auch den Einsatz der Energieaufnahme beim Speichern auf einem möglichst hohen Spannungsniveau stattfinden zu lassen. Dies gilt insbesondere bei einer schnellen Folge von Bremszyklen. Insofern stehen auch Speichervermögen und Wirkungsgrad konträr zueinander, womit Aufnahmeleistung und Wirkungsgrad gleichsinnig verlaufen, allerdings nichtparallel; während die maximale linear mit der Anfangsspannung ansteigt, zeigt der Wirkungsgrad ein nicht lineares, degressives Verhalten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Beachtung der konstruktiven Randbedingungen, insbesondere des eingesetzten Energiespeichers, eine selbsttätige optimale Anpassung des Speicherbereichs, in dem die Speicherung erfolgt, vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dass die während einer Bremsphase erreichte Spitzenspannung U_cs am Energiespeicher bestimmt und festgehalten wird, dass die Spitzenspannung U_cs mit der regulären zulässigen Maximalspannung des Energiespeichers U_cmax verglichen wird, und dass die Minimalspannung des Energiespeichers U_cmin, auf die dieser in seiner folgenden Entladephase entladen werden darf und ab der das Laden in einer folgenden Bremsphase des Elektromotors erfolgt, erhöht wird, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher U_cs gleich oder kleiner als die reguläre zulässige Maximalspannung des Energiespeichers U_cmax ist.
Soweit nicht anders gesagt, beziehen sich alle Angaben zu Spannungen auf am Energiespeicher gegebene und gemessene Spannungen. Der Energiespeicher kann bevorzugt ein Kondensator sein.
Liegt die während einer Bremsphase gemessene Spitzenspannung U_cs am Energiespeicher unterhalb einer vorgegebenen regulären Maximalspannung U_cmax des Energiespeichers, so wird in der beschriebenen Weise die Minimal-Energiespeicher-Spannung U_cmin des Energiespeichers oder seine Anfangsladespannung angehoben; die Minimalspannung ist die – dynamisch veränderliche – Spannung, die bei einer nach einer generatorischen oder Bremsphase des Motors folgenden motorischen oder Rückspeisephase nicht unterschritten wird und die also unter den genannten Bedingungen in der beschriebenen Weise gegenüber ihrem Ausgangswert erhöht wurde. Dies bedingt, dass beim nächsten Bremsvorgang sowohl eine höhere Anfangsleistung durch den Zwischenenergiespeicher aufgenommen werden kann als auch der Wirkungsgrad der Speicherung verbessert wird. Dies kann so lange fortgesetzt werden, solange der während einer Bremsphase gemessene Spitzenspannungswert unterhalb des regulären zulässigen Maximalspannungswerts U_cmax des Energiespeichers liegt. Die reguläre zulässige Maximalspannung U_cmax ist eine in Relation zur Neuspannung des Energiespeichers in geeigneter oder gewünschter Weise festgesetzter Spannungswert. Die Neuspannung ist ein beispielsweise für einen bestimmten Kondensator am Energiespeicher vorgegebener Wert, der allerdings kurzzeitig – auch erheblich – überschritten werden kann – bis unterhalb einer absoluten Maximalspannung U_cmaxabs, bei deren Erreichen eine Zerstörung des Kondensators droht. Die zulässige Maximalspannung U_cmax wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise auf den Wert der Neuspannung gesetzt, kann aber auf einen Wert unterhalb derselben gesetzt werden, beispielsweise 10 Volt unterhalb, sollte aber vorzugsweise nicht die Neuspannung überschreiten.
Wird während der Abfolge mehrerer Bremsungen aufgrund unterschiedlicher Bremsmuster die regulär zulässige Maximalspannung U_cmax überschritten, die, wie gesagt, derart bestimmt bzw. ausgelegt ist, dass sie kurzzeitig ohne Beschädigung oder Zerstörung überschritten werden darf, so ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Minimalspannung des Energiespeichers U_cmin vermindert wird, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher U_cs während einer Bremsphase größer als die reguläre maximale Kondensatorspannung U_cmax ist.
Sowohl bei der dynamischen Erhöhung der Absolut-Energiespeicher-Spannung oder Anfangsladespannung bei einem Bremsvorgang als auch der Reduzierung dient das Maß des Unterschreitens bzw. Überschreitens der regulär zulässigen Maximalspannung des Energiespeichers als Maß zur Bestimmung des positiven bzw. negativen Korrekturwerts für die untere Lade spannungsgrenze.
Die Erhöhung der unteren Ladespannungsgrenze oder der dynamisch veränderlichen minimalen Energiespeicher-Spannung geschieht in kleinen Schritten und zwar gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens derart, dass die Minimalspannung am Energiespeicher U_cmin, um einen Faktor a = 0,05 bis 0,2 der Differenz der regulären maximalen Kondensatorspannung und der während der Bremsphase gemessenen Spitzenspannung am Kondensator erhöht wird: U_cmin = U_cmin + (U_cmax – U_cs)·a, wobei 0,01 ≤ a ≤ 0,2 insbesondere um einen Faktor a = 1/32 der genannten Differenz erhöht wird: U_cmin = U_cmin + (U_cmax – U_cs)/32, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher U_cs gleich oder kleiner als die reguläre zulässige Maximalspannung des Energiespeichers U_cmax ist. Dieses Vorgehen wird auch einer Folge von unregelmäßigen stärkeren Bremsungen gerecht, ohne dass zu oft eine Absenkung der unteren Ladespannungsgrenze gemäß dem vorstehenden Absatz notwendig ist.
Demgegenüber erfolgt die gegebenenfalls notwendige Absenkung der minimalen Energiespeicher-Spannung oder der unteren Ladegrenze vorzugsweise mit höherer Gewichtung, also in größeren Schritten und insbesondere dadurch, dass die Minimalspannung des Energiespeichers U_cmin um einen Faktor b = 1 bis 3 der Differenz zwischen während der Bremsphase gemessener Spitzenspannung am Energiespeicher U_cs und regulärer maximaler Spannung des Energiespeichers U_cmax vermindert wird: U_cmin = U_cmin – (U_cs – U_cmax)·b, wobei 1 ≤ b ≤ 3, insbesondere um einen Faktor b = 2 der genannten Differenz vermindert wird: U_cmin = U_cmin – (U_cs – U_cmax)·2, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher U_cs während einer Bremsphase größer als die reguläre Maximalspannung U_cmax des Energiespeichers ist.
Hierdurch wird erreicht, dass bei Überschreiten der regulär zulässigen Maximalspannung die Anfangsspannung schnell wieder auf einen Wert zurückgeführt wird, der erwarten lässt, dass die reguläre zulässige Maximalspannung bei folgenden Bremsphasen nicht mehr überschritten wird.
In bevorzugter Ausgestaltung kann dabei weiterhin vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Veränderungsfaktoren a zu b bei Erhöhung bzw. Verminderung der dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin am Energiespeicher zwischen 1:10 und 1:160, vorzugsweise bei 1:64 liegt, also 1:10 ≥ a:b ≥ 1:100, vorzugsweise a:b = 1:64.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass während einer Bremsphase ein gesetzter und gespeicherter Spitzenspannungswert U_cs auf den höchsten während der Bremsphase gemessenen Wert der Spannung U_c am Energiespeicher gesetzt wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten, dass ein Bremsvorgang erst angenommen wird und damit die vorstehende Anpassung des Spannungsbereichs, in dem das Laden des Energiespeichers während des Bremsvorgangs erfolgt, erst angenommen wird, wenn die – während einer Bremsphase – am Energiespeicher gemessene Spannung die gesetzte Minimalspannung oder Anfangsladespannung des Energiespeichers um einen erheblichen Wert überschreitet, und dass ein Ende des Bremsvorgangs angenommen wird, wenn die aktuell gemessene Spannung zwar auch oberhalb der gesetzten Minimal- oder Anfangsladespannung, aber unterhalb eines niedrigeren Werts als vorstehend angegeben liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann dies dadurch erfolgen, dass Eintritt und/oder Ende einer Bremsphase des Motors am Wechselrichter bestimmt und festgehalten werden, insbesondere der Eintritt der Bremsphase bzw. das Ende der Bremsphase jeweils durch Setzen eines Merkers.
Die Bremsphase wird insbesondere derart bestimmt, dass der Eintritt der Bremsphase bei Überschreiten der geltenden dynamisch veränderlichen Minimalspannung am Energiespeicher U_cmin um einen Wert U_a zwischen 30 und 90 Volt, vorzugsweise 40 bis 70 Volt, und/oder das Ende der Bremsphase bei Unterschreiten der gesetzten dynamisch veränderlichen minimalen Spannung am Energiespeicher U_cmin zuzüglich eines Werts U_b von höchstens 10 bis 30 Volt, vorzugsweise 20 Volt durch die aktuell anliegende Spannung U_c detektiert wird, wobei insbesondere der Grenzwert U_a des Überschreitens der gesetzten dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin des Energiespeichers zum Bestimmen des Eintritts der Bremsphase größer, insbesondere wesentlich größer, als der Grenzwert U_b über der gesetzten dynamisch veränderlichen Minimalspannung am Energiespeicher U_cmin gemäß U_a >> U_b, insbesondere U_a > U_b + 30 Volt ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Unterschreiten einer vorgegebenen absoluten Minimalspannung oder Absolut-Minimalspannung des Energiespeichers U_cminEE durch die während der Bremsphase gesetzte dynamisch veränderliche Minimalspannung des Energiespeichers U_cmin überwacht wird, woraufhin die dynamisch veränderliche Minimalspannung des Energiespeichers U_cmin auf den absoluten Minimalwert U_cminEE gesetzt wird.
Darüber hinaus sehen bevorzugte Ausgestaltungen vor, dass am Ende einer Bremsphase der gesetzte Spannungsspitzenwert U_cs für die nächste Bremsphase auf den Wert der dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin des Energiespeichers U_cmin gesetzt wird und insbesondere dass zum Ende einer Bremsphase der Wert einer dynamisch veränderlichen Maximalspannung U_cabs auf einen oberhalb der regulären Maximalspannung U_cmax liegenden Wert gesetzt wird, insbesondere auf einen um einen Erhöhungswert U_e oberhalb von U_cmax liegenden Wert.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Erhöhungswert ein Bruchteil der Differenz zwischen der gesetzten Minimalspannung des Energiespeichers und dessen Absolut-Minimalspannung U_cminEE ist vorzugsweise ein Bruchteil c zwischen 1 und 3 dieser Differenz: U_cabs = U_cmax + U_e = U_cmax + (U_cmin – U_cminEE)/c, wobei 1 ≤ c ≤ 3, insbesondere c die Hälfte dieser Differenz ist: U_cabs = U_cmax + U_e = U_cmax + (U_cmin – U_cminEE)/2
Wie schon eingangs gesagt, wird beim Gerätestart mit einer vorgegebenen, gegebenenfalls systemspezifischen absoluten unteren Ladespannung oder Absolut-Minimalspannung U_cminEE des Energiespeichers gestartet. Wenn dann insbesondere in der Anfangsphase, bei der die jeweilige Anfangsladespannung noch nicht in der oben beschriebenen Weise dynamisch angepasst wurde, Bremsvorgänge mit Leistungsspitzen auftreten, die nicht durch den Energiespeicher aufgenommen werden können, weil dessen Anfangsspannung – noch – zu klein ist, so übernimmt in bevorzugter Ausgestaltung ein Ballastwiderstand den überschüssigen Anteil der Leistung, so dass kein unzulässiger Spannungsanstieg der Eingangsspannung oder Zwischenkreisspannung des Umrichters entsteht.
Gleiches geschieht, wenn im weiteren Verlauf aufgrund des dynamischen Ansteigens der Minimalspannung U_cmin des Energiespeichers oder unteren Ladespannungsgrenze aufgrund starker Bremsungen die Energieaufnahme des Energiespeichers nicht mehr ausreichen kann, so dass auch dann der Ballastwiderstand die überschüssige Energie übernimmt. Dies ist für das System kein Nachteil, weil der Fall nur in größeren Zeitabständen auftritt und in der Zwischenzeit alle anderen Bremsungen mit optimiertem Wirkungsgrad und erhöhter Anfangsleistungsaufnahme stattfinden können.
Das Zu- und Abschalten des Energiespeichers zum bzw. vom Zwischen- oder Gleichstromkreis des Umrichters erfolgt bevorzugt durch einen DC-DC-Steller.
Die Erfindung bietet insgesamt eine optimale Anpassung der Betriebsbedingungen des Energiespeichers an die durch effektive Speicherkapazität, Anfangsleistung und Wirkungsgrad gegebenen Anforderungen. Dabei ist die vorzugsweise vorgesehene langsame Anpassung der Anfangsladespannung oder dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin des Energiespeichers technisch unkritisch. Der Nutzen durch die bessere Effizienz im oberen Spannungsbereich bleibt nämlich bestehen, weil der zeitliche Anteil des Anpassungsvorganges im Verhältnis zur gesamten Betriebszeit der Last (Motor) vernachlässigbar ist. Mit der langsameren Anpassung der unteren Grenze zu höheren Werten hin wird aber, wie gesagt, Anwendungen mit unterschiedlich energiereichen Bremsvorgängen Rechnung getragen. Demgegenüber ist, wie ebenfalls schon ausgeführt, die Anpassung der unteren Spannungsgrenze oder Anfangsladespannung U_cmin in zu niedrigeren Werten hin stärker gewichtet, um bei einem höheren Anteil stärkerer Bremsungen mit größerer Energieabgabe wieder genügend Speichervermögen zur Verfügung zu halten und damit weniger häufig die Unterstützung eines Ballastwiderstandes zu benötigen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
1 die schematische Darstellung eines dynamischen Energiespeichers und seine Zuordnung zu einem Wechselrichter eines Elektromotors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine konkrete Ausgestaltung eines Energiespeichers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Diagramm mit der Darstellung der Speicherkapazität E_c und der Anfangsleistung P_max eines Kondensators in Abhängigkeit von der Ausgangskompensatorspannung bzw. der minimalen Kondensatorspannung eines Kondensators beim Beginn des Ladens;
4 ein Diagramm wiederum der Speicherkapazität E_c sowie des Wirkungsgrads eines Kondensators in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung bzw. Minimalspannung am Anfang eines Ladevorgangs;
5 Anfangsleistung und Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Anfangsspannung bzw. Minimalspannung bei Beginn eines Bremsvorganges;
6 eine Darstellung des Verlaufs der Spannung an einem Speicherkondensator während des Bremsvorgangs eines Elektromotors mit Angabe verschiedener charakteristischer Spannungen; und
7 ein Ablaufdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren.
Wie in 1 dargestellt ist, wird ein eine Last 1.1 bewegender Elektromotor 1.2 aus einem Versorgungsnetzwerk über einen Umrichter 1 angetrieben, der einen mit einem netzseitigen Gleichrichter 1.3 und einen motorseitigen Wechselrichter 1.4 sowie zwischen diesen ein Zwischen- oder Gleichstromzweig aufweist. Dabei richtet der Gleichrichter 1.3 die Wechsel- oder Drehspannung des Netzes in eine Gleichspannung und der Wechselrichter 1.4 diese in eine für den Motor geeignete Wechselspannung um. Im Gleichstromzweig oder Zwischenkreis 1.3.1 zwischen Gleichrichter 1.3 und Wechselrichter 1.4 ist eine dynamischer Energiespeichereinheit 2 über zwei Leistungsleitungen angeschlossen, der darüber hinaus mit über einen Schalter 2.1 mit einem Brems-Chopper-Ausgang 1.4.1 des Wechselrichters 1.4 verbunden sein kann.
Die dynamische Energiespeichereinheit 2, die auch als dynamische Energieversorgung fungieren kann, weist einerseits einen DC-DC-Steller 2.2 und andererseits einen Energiespeicher 2.3 auf. Dieser kann in verschiedener Weise ausgestaltet sein, es kann sich beispielsweise um einen Akku oder auch einen mechanischen Speicher handeln. Bevorzugt ist der Speicher 2.3, wie im Folgenden beschrieben, ein Kondensatorspeicher mit ein oder mehreren Kondensatoren 13.
Die dynamische Energiespeichereinheit 2 ist genauer in der 2 dargestellt. Sie ist entsprechend der 1 im Zwischenspannungskreis zwischen der positiven Zwischenkreisspannung +Uz und der unteren Zwischenkreisspannung –Uz eingebunden, die letztere auf Masse gelegt ist. Der Speicherkondensator 13 ist mit letzterer über einen Strom-Shunt 12 und andererseits über eine Speicherdrossel mit einem Hoch-Tief-Setzsteller 5 als eine konkrete Ausgestaltung eines DC-DC-Stellers, wobei grundsätzlich auch andere Schaltungen maßgeblich sind, verbunden. Der Speicherkondensator ist weiter über dem Hoch-Tief-Setzsteller mit der oberen Zwischenkreisspannung +Uz verbunden, wobei der Hoch-Tief-Setzsteller entsprechend der EP 2 372 892 A1 ausgebildet ist, so dass zu seiner genauen Ausgestaltung und Funktionalität auf die Ausführungen in dieser Druckschrift, insbesondere ab Absatz [0037] verwiesen wird, die vollauf zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden.
Weiterhin weist die Schaltung in an sich bekannter Weise einen Mikrocontroller 3 sowie Spannungsteiler 1 und 2, zum einen zur Messung der Zwischenkreisspannung Uz des Umrichters, zum anderen zur Messung der Spannung des U_c des Energiespeichers auf, wobei die Messungen in den Mikrocontroller 3 eingehen. Über einen weiteren Spannungsteiler 4 wird der Brems-Chopper-Ausgang 1.4.1 (1) des Wechselrichters 1.4 entsprechend seinem Einschaltzustand Wert -BW erfasst und als Trigger-Bremswert an den Mikrocontroller 3 übergeben. Zwischen Speicherkondensator 13 und Strom-Shunt 12 wird von einem Differenzverstärker 9 die Shunt-Spannung erfasst, die einerseits über einen Pegelanpasser zur Pegelanpassung für den Strom Istwert I_s dient. Andererseits wird hierüber mittels einer Überstromerfassung 8 das Überschreiten eines absoluten Stromlimits erfasst und führt gegebenenfalls über den Eingang Trip I max des Mikrocontrollers 3 zur autarken Abschaltung.
Mit 17 ist ein an sich bekannter Bremswiderstand bezeichnet, der als selbstbegrenzender Widerstand (PTC) ausgebildet sein kann. Wird der Motor gebremst und arbeitet demgemäß als Generator, steigt die Spannung im Zwischen- oder Gleichstromkreis 1.3.1 an, was eine Auslösung des Brems-Choppers bewirkt, wodurch der Brems-Chopper-Ausgang 1.4.1 auf die Spannung der Leitung –Zu des Zwischenkreises 1.3.1 gesetzt wird. Über ein Schaltnetzteil 18 wird die Spannungsversorgung V1 und V2 zur Spannungsversorgung des dynamischen Energiespeichers, wie beispielsweise der beiden Gate-Treiber des Hoch-Tief-Setzstellers, der Pegelanpassung 7, der Überstromerfassung 8 und des Differenzverstärkers 9 sowie des Mikrocontrollers 3, wobei insbesondere letzterer gegebenenfalls über weitere Regler abgenommen werden kann. Aus dem Diagramm der 3 ist für ein konkretes Ausführungsbeispiel ersichtlich, dass, während die Speicherkapazität des Kondensatorenergiespeichers mit steigender Ausgangs- oder Minimalspannung U_cmin am Energiespeicher progressiv abfällt. Die aufnehmbare Anfangsleistung P_max zum Zeitpunkt t0, d. h. den Beginn des Speichervorganges linear ansteigt.
Die gleiche gegenläufige Tendenz gilt, wie sich quantitativ aus 4 ergibt, für Speicherkapazität und Wirkungsgrad, der letzterer sich mit höherer Startspannung U_cmin ebenfalls erhöht, allerdings degressiv.
Der 5 sind zur Erläuterung die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren maßgeblichen Spannungen am Energiespeicher bzw. am Kondensator bei einem schematisch dargestellten Spannungsverlauf über die Zeit dargestellt. Ein Speicherkondensator hat eine absolute Maximalspannung U_maxabs (Absolut-Maximalspannung), die unter Strafe der Zerstörung des Kondensators auf keinen Fall erreicht werden darf. Unterhalb dieser absoluten Maximalspannung liegt eine für den Betrieb maßgebliche reguläre Maximalspannung des Energiespeichers bzw. Kondensators, die allerdings kurzzeitig überschritten werden darf und im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer zu erfassenden dynamisch veränderlichen absoluten Kondensatorspannung oder U_cabs auch dynamisch Absolut-Spannung kurzzeitig überschritten werden kann. Die fest vorgegebene absolute untere Minimalspannung des Kondensators, die im Verfahren nicht unterschritten wird, d. h. unterhalb derer keine Energie vom Kondensator abgegeben wird, ist mit U_cminEE bezeichnet. U_cmin bezeichnet die dynamisch veränderliche minimale Kondensatorspannung oder dynamisch veränderliche Minimalspannung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des Arbeitsprozesses des Stromverbrauchers, also des Elektromotors, geregelt wird und zwar auf einem höheren Wert als U_cminEE.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass zunächst eine absolute Minimalspannung U_cminEE größer als 0 gesetzt ist. Diese kann entweder bis zum Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen bestimmten Wert festgelegt sein, wie dies beispielsweise in der EP 2 372 892 A1 unter [0039] beschrieben ist oder aber ausgehend hiervon dem jeweiligen Motor-Umrichter-System angepasst sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass der dynamische Energiespeicher die Anfangsleistung aufnimmt, damit ein übermäßiges Ansteigen der Zwischenkreisspannung mit Abschalten des Wechselrichters vermieden wird.
Hiervon ausgehend ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens während einer Bremsphase, deren eine durch eine Peak (Spitze) im Diagramm der 7 repräsentiert ist, im Ablaufdiagramm der 6 an einem konkreten Beispiel dargestellt.
Zunächst erfolgt im Schritt A die Überprüfung, ob die aktuelle Spannung U_c am Kondensator eine gesetzte (Spitzen-)Spannung U_cs überschreitet, in diesem Falle wird die gesetzte Spannung U_cs auf die aktuelle Spannung U_c gesetzt (Schritt B).
Im folgenden Schritt C wird überprüft, ob die Bremsphase schon erkannt und ein entsprechendes Bremsbit auf den Binärwert ”1” gesetzt wurde. Ist dies nicht der Fall, so wird im Schritt D überprüft, ob die aktuelle Kondensatorspannung die dynamisch veränderliche, gesetzte Minimalspannung U_cmin, die in ihrer dynamischen Veränderlichkeit in der 7 durch die dortigen unteren Spannungswerte (oder deren Einhüllende) gegeben ist, um einen vorgegebenen Wert, hier 70 Volt, überschreitet; ist dies der Fall, so wird hierdurch der Bremsvorgang erkannt und das Bremsbit auf den Binärwert 1 gesetzt (Schritt E).
War das Bremsbit gesetzt, liegt die aktuelle Spannung aber nur noch um einen gegenüber dem im Schritt D herangezogenen geringeren Wert von beispielsweise 20 Volt über der gesetzten dynamisch veränderlichen Minimalspannung, wird mit dem Schritt F das Ende des Bremsvorgangs erkannt und der Binärwert des Bremsbits auf ”0”, der Binärwert einer Kennung für das Bremsende auf den Binärwert ”1” gesetzt (Schritt G). Diese Überwachungen werden während einer Bremsphase wiederholt, insbesondere die Anpassung von U_cs an den – während der Bremsphase erzielten – maximalen Wert der Kondensatorspannung U_c.
Im Folgenden (Schritt H) erfolgt nun die Auswertung der Messung und die dynamische Anpassung der veränderlichen Minimalspannung U_cmin, wenn das Bremsende, wie vorstehend erläutert, erreicht ist. Es wird zunächst im Schritt I überprüft, ob die vorher erreichte gesetzte Spitzenspannung U_cs größer als die für den Regelbetrieb vorgegebene Maximalspannung U_cmax ist, die kurzfristig überschritten werden kann (5 und Erläuterung hierzu).
Ist dies nicht der Fall, so kann die dynamisch veränderliche Minimalspannung U_cmin vorsichtig, d. h. in kleinen Schritten erhöht werden. Dies geschieht im konkreten Ausführungsbeispiel dadurch, dass im Schritt J die genannte Spannung U_cmin auf einen Wert gesetzt wird, der um ein Zehntel (Faktor a = 0,1) der Differenz zwischen der regulären Maximalspannung und der im Verfahrensablauf der gegebenen Bremsphase aufgrund der Messungen gesetzten Spitzenspannung U_cs größer ist als die in der vorherigen Bremsphase gesetzte dynamisch veränderliche Minimalspannung U_cmin, also U_cmin = U_cmin + (U_cmax – U_cs)/10 Bei dem nach der Bremsphase gegebenen motorischen Betrieb der Last erfolgt eine Entladung des dynamischen Energiespeichers dann nicht mehr auf die absolute minimale Kondensatorspannung U_cminEE oder die vorher gegebene minimale Kondensatorspannung, sondern die bei der letzten Bremsphase gesetzte Minimalspannung U_cmin, die in der Regel über den beiden vorgenannten Werten liegt.
Stellt sich allerdings bei der Überprüfung des Schrittes I heraus, dass die im vorherigen Verfahrensablauf der aktuellen Bremsphase gesetzte Spannung U_cs die reguläre Maximalspannung U_cmax des Kondensators schon überschreitet, darf die dynamisch veränderliche Minimalspannung U_cmin nicht mehr erhöht, sondern muss vorsorglich abgesenkt werden, um zu vermeiden, dass die ”zerstörerische” absolute Maximalspannung oder Absolut-Maximalspannung U_maxabs (5 und zugehörige Erläuterung) des Kondensators nicht erreicht wird. Hierzu wird in diesem Falle gemäß Schritt K die dynamisch veränderliche Minimalspannung U_cmin reduziert und zwar in einem größeren Schritt als bei einer Erhöhung, wenn eine solche, wie vorstehend beschrieben, möglich ist und zwar im konkreten Ausführungsbeispiel derart, dass die bisherige Minimalspannung U_cmin um das Zweifache (Faktor b = 2) der Differenz zwischen der während der Bremsphase gemessenen und damit gesetzten höchsten (Spitzen-)Spannung U_cs und der regulären Maximalspannung vermindert wird, also U_cmin = U_cmin – (U_cs – U_cmax) × 2.
Damit wird erreicht, dass, wenn in der folgenden Bremsphase der Spannungsanstieg während der Bremsphase nicht höher ist als in der beschriebenen laufenden, die reguläre Maximalspannung am Kondensator nicht mehr überschritten wird. Im Folgenden wird dann überprüft, ob die aufgrund des Überschreitens der regulären Maximalspannung angestrebte selbst angepasste minimale Kondensatorspannung U_cmin die absolute minimale Kondensatorspannung U_cminEE, die auf keinen Fall unterschritten werden darf, unterschreiten würde. Ist dies der Fall, so wird der Zwischenwert U_cmin der Minimalspannung wieder auf die absolute Minimalspannung des Kondensators oder Absolut-Minimalspannung U_cminEE heraufgesetzt (Schritt M). In beiden Fällen wird im Folgenden für die nächste Bremsphase der zur Überprüfung der aktuellen Kondensatorspannung vorgegebene gesetzte Spannungswert U_cs auf U_cmin gesetzt (wobei die dynamisch veränderliche Minimalspannung U_cmin für die nächste Bremsphase schon – gegebenenfalls wie vorgesehen – gesetzt ist) Darüber hinaus wird die Statusanzeige für das Bremsende auf den Binärwert ”0” gesetzt (Schritt N). Schließlich wird die dynamisch veränderliche Absolut-Spannung (oberhalb von U_cmax) auf einen Wert gesetzt, der um die Hälfte (Faktor c = 2) der Differenz zwischen U_cmin und U_cminEE über der regulären Kondensatormaximalspannung U_cmax liegt: U_cabs = U_cmax + (U_cmin – U_cminEE)/2.
U_cabs ist ein Spannungswert und bestimmt die absolut oberste im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zugelassene Spannung des Energiespeichers und ist der Spannungswert, auf dem der Energiespeicher (Kondensator) höchstens aufgegeben wird. Wird dieser entsprechend Schritt 0 im Verfahrensablauf gesetzte Wert erreicht, wird die Verbindung des Energiespeichers zum Umrichter 1 bzw. Zwischenkreis 1.3.1 getrennt, so dass weitere Bremsenergie während der Bremsphase über den Bremswiderstand abgebaut, d. h. in Wärme umgewandelt wird (hierzu auch die genannte Druckschrift, insbesondere ab Absatz [0044].
Der Ablauf der Spannungen U_c am Energiespeicher bzw. Kondensator während mehrerer aufeinanderfolgender Bremsphasen beim erfindungsgemäßen Verfahren ist im Oszillatorbild der 7 dargestellt und zwar zunächst für den Fall, dass die reguläre Maximalspannung U_cmax am Kondensator nicht überschritten wird und damit die Anpassung der Minimalspannung U_cmin entsprechend der Schritte A bis I, J, O erfolgt, im der linken Teil der 7, während bei d in der 7 erstmals die gepunktet dargestellte reguläre Maximalspannung U_cmax überschritten wird und der Verfahrensablauf gemäß der vorstehenden Schilderung für die weiteren dort – rechts – dargestellten Bremsphasen bis zum Unterschreiten der U_cmax-Linie von dem Schritt I ausgehend über die Schritte K, L, M erfolgt. Es ist deutlich, dass der Anstieg der dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin, solange U_cmax beim Laden des Energiespeicherkondensators nicht erreicht wird, relativ langsam erfolgt und langsamer als beim Überschreiten der genannten Maximalspannung U_cmax aufgrund einer Bremsmusteränderung die Absenkung der dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin am rechten Ende des Oszillatorbildes. Die Absenkung erfolgt schnell, so dass die Spitzenspannung U_cs sich ebenfalls möglichst schnell wieder an U_cmax annähert, was in der letzten dargestellten Bremsphase nahezu erreicht ist.
Durch das erfindungsgemäße Regelverfahren der dynamisch veränderlichen Minimalspannung U_cmin des Energiespeichers (Kondensators) wird erreicht, dass bei Sicherstellung einer noch möglichst großen Speicherkapazität des Energiespeichers dennoch sowohl die aufnehmbare Anfangsleistung nach Eintritt des Bremsvorganges als auch der Wirkungsgrad der Speicherung maximiert und damit der gesamte Speichervorgang optimiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Umrichter
1': Spannungsteiler
1.1: Last
1.2: Elektromotor
1.3: Gleichrichter
1.3.1: Zwischen- oder Gleichstromkreis
1.4: Wechselrichter
1.4.1: Brems-Chopper-Ausgang
2: Energiespeichereinheit
2': Spannungsteiler
1, 2, 4: Spannungsteiler
2.1: Schalter
2.2: DC-DC-Steller
2.3: Energiespeicher
3: Mikrocontroller
5: Hoch-Tief-Setzsteller
7: Pegelanpassung
8: Überstromerfassung
9: Differenzverstärker
12: Strom-Shunt
13: Kondensatoren
17: Bremswiderstand
18: Schaltnetzteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2372892 A1 [0002, 0005, 0038, 0043]

Claims

Verfahren zum Optimieren des Betriebs eines Energiespeichers, insbesondere zum Optimieren des Zwischenspeicherns elektrischer Energie eines an einem Wechselrichter betriebenen Elektromotors in der Bremsphase in einem Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die während einer Bremsphase erreichte Spitzenspannung (U_cs) am Energiespeicher bestimmt und festgehalten wird, dass die Spitzenspannung (U_cs) mit der regulären zulässigen Maximalspannung des Energiespeichers (U_cmax) verglichen wird, und dass die Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin), auf die dieser in seiner folgenden Entladephase entladen werden darf und ab der das Laden in einer folgenden Bremsphase des Elektromotors erfolgt, erhöht wird, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher (U_cs) gleich oder kleiner als die reguläre zulässige Maximalspannung des Energiespeichers (U_cmax) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin) vermindert wird, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher (U_cs) während einer Bremsphase größer als die reguläre maximale Kondensatorspannung (U_cmax) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalspannung am Energiespeicher (U_cmin) um einen Faktor a = 0,05 bis 0,2 der Differenz der regulären maximalen Kondensatorspannung und der während der Bremsphase gemessenen Spitzenspannung am Kondensator erhöht wird: U_cmin = U_cmin + (U_cmax – U_cs)·a, wobei 0,01 ≤ a ≤ 0,2 insbesondere um einen Faktor a = 1/32 der genannten Differenz erhöht wird: U_cmin = U_cmin + (U_cmax – U_cs)/32 wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher (U_cs) gleich oder kleiner als die reguläre zulässige Maximalspannung des Energiespeichers (U_cmax) ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin) um einen Faktor b = 1 bis 3 der Differenz zwischen während der Bremsphase gemessener Spitzenspannung am Energiespeicher (U_cs) und regulärer maximaler Spannung des Energiespeichers (U_cmax) vermindert wird: U_cmin = U_cmin – (U_cs – U_cmax)·b, wobei 1 ≤ b ≤ 3, insbesondere um einen Faktor b = 2 der genannten Differenz vermindert wird: U_cmin = U_cmin – (U_cs – U_cmax)·2, wenn die Spitzenspannung am Energiespeicher (U_cs) während einer Bremsphase größer als die reguläre Maximalspannung (U_cmax) des Energiespeichers ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Veränderungsfaktoren a zu b bei Erhöhung bzw. Verminderung der dynamisch veränderlichen Minimalspannung (U_cmin) am Energiespeicher zwischen 1:10 und 1:100, vorzugsweise bei 1:64 liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Bremsphase ein gesetzter und gespeicherter Spitzenspannungswert (U_cs) auf den höchsten während der Bremsphase gemessenen Wert der Spannung (U_c) am Energiespeicher gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eintritt und/oder Ende einer Bremsphase des Motors am Wechselrichter bestimmt und festgehalten werden, insbesondere der Eintritt der Bremsphase bzw. das Ende der Bremsphase jeweils durch Setzen eines Merkers.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt der Bremsphase bei Überschreiten der geltenden dynamisch veränderlichen Minimalspannung am Energiespeicher (U_cmin) um einen Wert U_a zwischen 30 und 90 Volt, vorzugsweise 40 bis 50 Volt, und/oder das Ende der Bremsphase bei Unterschreiten der gesetzten dynamisch veränderlichen minimalen Spannung am Energiespeicher (U) zuzüglich eines Werts U_b von höchstens 10 bis 30 Volt, vorzugsweise 20 Volt durch die aktuell anliegende Spannung U_c detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert U_a des Überschreitens der gesetzten dynamisch veränderlichen Minimalspannung (U_cmin) des Energiespeichers zum Bestimmen des Eintritts der Bremsphase größer, insbesondere wesentlich größer, als der Grenzwert U_b über der gesetzten dynamisch veränderlichen Minimalspannung am Energiespeicher (U_cmin) gemäß U_a >> U_b, insbesondere U_a > U_b + 10 Volt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterschreiten einer vorgegebenen absoluten Minimalspannung oder Absolut-Minimalspannung des Energiespeichers (U_cminEE) durch die während der Bremsphase gesetzte dynamisch veränderliche Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin) überwacht wird, woraufhin die dynamisch veränderliche Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin) auf den absoluten Minimalwert (U_cminEE) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende einer Bremsphase der gesetzte Spannungsspitzenwert (U_cs) für die nächste Bremsphase auf den Wert der dynamisch veränderlichen Minimalspannung (U_cmin) des Energiespeichers (U_cmin) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ende einer Bremsphase der Wert einer dynamisch veränderlichen Maximalspannung (U_cabs) auf einen oberhalb der regulären Maximalspannung (U_cmax) liegenden Wert gesetzt wird, insbesondere auf einen um einen Erhöhungswert U_e oberhalb von U_cmax liegenden Wert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhöhungswert ein Bruchteil der Differenz zwischen der gesetzten Minimalspannung des Energiespeichers (U_cmin) und dessen Absolut-Minimalspannung (U_cminEE) ist vorzugsweise ein Bruchteil c zwischen 1 und 3 dieser Differenz: U_cabs = U_cmax + U_e = U_cmax + (U_cmin – U_cminEE )/c, wobei 1 ≤ c ≤ 3, insbesondere c die Hälfte dieser Differenz ist: U_cabs = U_cmax + U_e = U_cmax + (U_cmin – (U_cminEE)/2