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Diese Erfindung betrifft eine Leistungsmesseinrichtung für einen elektrischen Asynchronmotor mit einer Wellendrehzahlermittlungseinrichtung.
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In vielerlei Anwendungen ist es nützlich, die mechanische Leistung zu kennen, die ein Asynchronmotor abgibt. Beispielsweise kann an einer erhöhten oder zu geringen Leistung einen fehlerhafter Zustand eines an den Asynchronmotor angeschlossenen mechanischen Verbrauchers erkannt werden, insbesondere der einer Pumpe. Als Lösung dazu ist im Stand der Technik bekannt, die elektrische Leistungsaufnahme des Asynchronmotors zu messen, indem der zugeführte Strom, die anliegende Spannung sowie ein Leistungsfaktor gemessen werden, woraus die aufgenommenen Leistung berechnet werden kann. Es ist weiter bekannt, die Drehzahl der Motorwelle und das am Abtrieb des Motors anliegende Drehmoment zu messen, woraus die abgegebene mechanische Leistung berechnet werden kann. Zur Erfassung der Drehmoments wird typischerweise ein Drehmomentsensor eingesetzt.
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Nachteilig daran ist, dass bei einer Messung der aufgenommenen elektrischen Leistung nur indirekt auf die Änderung von abgegebener Drehzahl und Drehmoment geschlossen werden kann. Die Sicherheit der Erkennung einer Störung eines mechanischen Verbrauchers ist daher verringert. Die Messung von Drehzahl und Drehmoments auf der Abtriebseite bedeutet nicht unerheblichen Aufwand; insbesondere die Messung des Drehmoments ist im allgemeinen aufwendig, auch weil ein entsprechender Drehmomentsensor im Allgemeinen mitrotiert und daher eine telemetrische Datenübertragung zu einem nichtrotierenden Teil des Messsystems erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Messung der mechanischen Leistung eines Asynchronmotors anzugeben.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Leistungsmesseinrichtung, die auf dem Prinzip beruht, dass bei einem Asynchronmotor eine Wellendrehzahl von einer Ständerfelddrehzahl, die mit einer Frequenz eines Speisestroms für einen Ständer des Asynchronmotors zusammenhängt, abweicht. Diese Frequenzabweichung ist mit dem Drehmoment des Asynchronmotors gekoppelt. Daher kann das Drehmoment aus der Wellendrehzahl ermittelt werden, insbesondere, wenn die Ständerfelddrehzahl konstant ist. Zur Ermittlung der Wellendrehzahl einer Welle des Asynchronmotors der Drehzahldifferenz umfasst die Leistungsmesseinrichtung eine Wellendrehzahlermittlungseinrichtung. Eine Multiplikation des Drehmoments oder eines äquivalenten Wertes mit der Wellendrehzahl oder eines dazu äquivalenten Wertes ergibt die Leistung oder einen dazu äquivalenten Wert. Diese Berechnung kann explizit oder in äquivalenter Weise ausgeführt werden. Alternativ kann mit der Wellendrehzahl auch ein Wert aus einer Tabelle ermittelt werden und/oder eine Interpolation durchgeführt werden, um die mechanische Leistung zu ermitteln. Dies kann beispielsweise mit einem Mikrocontroller, DSP, FPGA oder GAL erfolgen, der einen Teil einer Leistungsermittlungseinrichtung der Leistungsmesseinrichtung bilden kann. Insbesondere ist eine entsprechende Berechnungsvorschrift oder eine Tabelle oder eine Interpolation in der Leistungsermittlungseinrichtung abgelegt, vorzugsweise jeweils für einen bestimmten Asynchronmotortyp. Der Typ ist vorzugsweise auswählbar. Bevorzugt ist die Information über die Ständerfelddrehzahl in der Berechnungsvorschrift, Tabelle oder Interpolation implizit vorhanden, z. B. 50 Hz, 60 Hz oder Brüche mit ganzzahligem Nenner davon, oder eine konstante Frequenz, die von einem Umrichter erzeugt wird. Auf diese Weise ist die mechanische Leistung unaufwendig ermittelbar. Denkbar ist auch eine Messung der Temperatur zur Kompensation temperaturbedingter Messfehler, wobei die Berechnungsvorschrift, die z. B. eine mathematische Formel sein kann, oder eine Tabelle oder eine Interpolation an die gemessene Temperatur anpassbar sein kann. Zwar können sich Messfehler ergeben, wenn sich die Ständerfelddrehzahl ändert, ohne dass dies in der Berechnungsvorschrift oder Tabelle oder Interpolation korrigiert wird, jedoch ist vorteilhaft keine Ständerfelddrehzahlermittlungseinrichtung erforderlich. Es wird stattdessen eine bekannte Informationen über die Ständerfelddrehzahl zur Ermittlung der mechanischen Leistung verarbeitet. Als Information reicht in diesem Fall die Wellendrehzahl aus. Alternativ zur Verarbeitung einer Wellendrehzahl oder eines Drehzahläquivalents kann auch ein Zeitabstand von zwei Ereignissen verwendet werden, die mit der Wellendrehzahl zusammenhängen, beispielsweise das Erreichen eines Schwellenwertes durch ein sich mit der Wellendrehung änderndes Signal.
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Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform umfasst die Leistungsmesseinrichtung eine Drehzahlvergleichseinrichtung, mittels der eine Differenzdrehzahl als Differenz zwischen der Ständerfelddrehzahl und der Wellendrehzahl ermittelbar ist, wobei mittels der Leistungsermittlungseinrichtung die Leistung des Asynchronmotors aus der Differenzdrehzahl ermittelbar ist. Ein Vorteil gegenüber der Grundidee ist, dass die Leistungsmessung leicht an die Ständerdrehzahl anpassbar ist. Die Leistungsmesseinrichtung ist dann besser für wechselnde und/oder sich langsam verändernde Ständerfelddrehzahlen geeignet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Leistungsmesseinrichtung weist diese eine Ständerfelddrehzahlermittlungseinrichtung auf, mittels der eine Ständerfelddrehzahl eines magnetischen Drehfelds ermittelbar ist, welches in einem Ständer des Asynchronmotors erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Informationen über die Ständerfelddrehzahl aktualisiert werden, statt, was in einer anderen Ausführungsform ebenfalls denkbar ist, der Leistungsermittlungseinrichtung die Ständerfelddrehzahl als Festwert vorzugeben. Zur Aktualisierung wird die Ständerfeldddrehzahl jedoch vorzugsweise gemessen. Die Information über die Ständerfelddrehzahl kann alternativ auch ohne separate Frequenzmessung aus der Umgebung der Leistungsmesseinrichtung durch die Leistungsmesseinrichtung übernommen werden, beispielsweise von einer Maschinen- oder Anlagensteuerung oder einem Umrichter, der den Asynchronmotor mit Strom versorgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Leistungsmesseinrichtung wird jedoch bevorzugt genutzt, dass die Information über die Ständerfelddrehzahl auch als Frequenz in einem Speisestrom der Ständerwicklung vorhanden ist. Dieser Speisestrom erzeugt ein wechselndes magnetisches Streufeld, welches ebenfalls die Information über die Ständerfelddrehzahl enthält. Das Streufeld ist an der Wicklung und dem Ständer des Asynchronmotors sowie an den Stromzuleitungen zu dem Ständer vorhanden. Das Streufeld kann genutzt werden, indem seine Frequenz beispielsweise mittels eines Magnetfeldsensors gemessen wird, beispielsweise mit einem Hall-Sensor oder einer von dem Feld durchsetzten Spule. Die Ständerfelddrehzahl ist auch als Frequenz in einer Speisespannung der Ständerwicklung vorhanden. Die Speisespannung erzeugt auch ein elektrisches Streufeld, welches alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung der Ständerfelddrehzahl gemessen werden kann. Dazu kann beispielsweise das Prinzip eines offenen Kondensators angewendet werden, in den das Streufeld einkoppeln kann, um es an den Anschlüssen des Kondensators verfügbar zu machen. An den Anschlüssen des Kondensators oder eines Magnetfeldsensors kann dann eine Wechselspannung ausgewertet werden, die die Ständerfelddrehzahl in Form einer Frequenz als Information umfasst. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, mittels einer Antenne elektromagnetische Wellen aufzufangen, die als Streueffekt von der Leistungsversorgung des Ständers oder Teilen davon emittiert werden. Hierbei kann beispielsweise die eingestreute elektrische Leistung und/oder eine Spannung oder ein Strom der Antenne gemessen werden. Diese Größen enthalten ebenfalls die Informationen über die Ständerfelddrehzahl. In einer Variante kann parallel zu einer Stromversorgungsleitung eine Messleitung verlegt werden, sodass eine Beeinflussung der Messleitung durch Übersprechen, das die Ständerfelddrehzahlinformation enthält, als Strom und/oder Spannung ausgewertet werden kann. Die Information der Ständerfelddrehzahl kann in der Frequenz einer Grundwelle oder in einer Oberwelle enthalten sein. Frequenz einer Oberwelle beträgt ein Vielfaches der Grundwelle, sodass durch entsprechende Division der Frequenz der Oberwelle die Frequenz der Grundwelle ermittelt werden kann. Die Ständerfelddrehzahl kann aus der Grundwelle durch geeignete Division erhalten werden, beispielsweise durch eine Anzahl von Polen des Ständers. Der Zusammenhang zwischen der Ständerfelddrehzahl und der Frequenz der Grundwelle ist aus dem Stand der Technik bekannt oder ableitbar, beispielsweise aus geeigneten Fachbüchern über Elektromotoren oder Patentanmeldungen. In einer Variante kann die Leistungsberechnung auch unmittelbar Oberwellen bzw. entsprechende Frequenzen verwenden, wobei die Berechnungsvorschriften, die Tabelle oder die Interpolation daran angepasst sind.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Asynchronmotor an einem Umrichter betrieben. Die Frequenz der Grundwelle kann dann an einem Anschluss einer Stromversorgungsleitung oder mittels einer Abzweigung aus der Stromversorgungsleitung oder in dem Umrichter abgenommen werden. So können Abweichungen der Ständerfelddrehzahl, die durch Frequenzänderungen des Umrichters bewirkt werden, erfasst werden. Es ist auch denkbar, die Information über die Ständerfelddrehzahl auf andere Weise aus dem Umrichter zu erhalten, beispielsweise als Sollwertvorgabe für dessen auszugebende Frequenz.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Asynchronmotor mit einer konstanten Frequenz betrieben werden, beispielsweise mit Netzfrequenz eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes. Diese konstante Frequenz kann gemessen werden, um die Ständerfelddrehzahl explizit zu ermitteln, und um sicherzustellen, dass die Frequenz konstant ist. Wenn die Leistungsmesseinrichtung an eine Stromversorgung mit derselben Frequenz angeschlossen ist, wie der Ständer, kann die Frequenz in der Leistungsmesseinrichtung erfasst werden. Die Information über die Frequenz kann jedoch auch aus einem Umrichter, der den Strom für den Ständer bereitstellt, oder einer Stromversorgungsleitung von dem Umrichter zu dem Ständer oder aus dem Ständer selbst gewonnen werden. Diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise für Pumpen, die mit wenigstens näherungsweise konstanter Drehzahl betrieben werden. Die Frequenz kann einmal oder mehrfach nacheinander, typischerweise in sich regelmäßig wiederholenden Zeitabständen, gemessen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Wellendrehzahl mit einem optischen, kapazitiven oder induktiven Wellendrehzahlsensor oder einem Hall-Sensor als Wellendrehzahlsensor erfasst. Dazu wird vorzugsweise eine Eigenschaft der Welle ausgenutzt, die über einen Umlauf der Welle nicht gleichmäßig vorliegt. Dies können beispielsweise eine geometrische Abweichung von einer kreisrunden Form oder eine oder mehrere magnetische, optische oder kapazitive Markierungen sein, die mit der Welle umlaufen. Es kann auch an Bauelementen gemessen werden, die mit der Welle umlaufen, beispielsweise an einem Lüfter des Asynchronmotors.
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Insbesondere kann eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Leistungsmesseinrichtung als energieautarkes Messsystem ausgeführt sein. Insbesondere gewinnt ein solches Messsystem elektrische Energie aus der Rotation der Motorwelle oder aus einem mitrotierenden Element. Dazu kann beispielsweise ein induktiver Messaufnehmer für die Wellendrehzahl oder ein speziell dafür vorgesehener Generator eingesetzt werden. Der Anmelder hat eine weitere Patentanmeldung
DE 10 2008 033 306 A1 eingereicht, die in Bezug auf Energiegewinnung für die Leistungsmesseinrichtung als in diese Patentanmeldung aufgenommen gelten soll.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Information über die Ständerfelddrehzahl und/oder die Wellendrehzahl aus einem Signal einer Ständerfelddrehzahlermittlungseinrichtung beziehungsweise eines Wellendrehzahlsensors erfasst, indem die zeitlichen Positionen von wenigstens zwei Spitzenwerten oder von wenigstens zwei Signalamplituden, deren Größe mit einem Schwellenwert übereinstimmt, zueinander in Beziehung gesetzt werden. Vorzugsweise wird eine zeitliche Differenz gebildet, die den Zeitabstand zwischen typischerweise zwei Schwingungen einer Grundwelle oder Oberwelle darstellt. Aus dem Zeitabstand kann die Frequenz der Grundwelle oder der Oberwelle und Frequenz der Oberwelle ermittelt werden, insbesondere durch Kehrwertbildung. Alternativ kann der Zeitabstand zur Leistungsmessung auch ohne explizite Bestimmung der Frequenz weiterverarbeitet werden. Beispielsweise wird dann statt einer Differenzfrequenz eine Zeitdifferenz herangezogen. Insbesondere hat die Anmelderin eine weitere Patentanmeldung
DE 10 2010 021 186 A1 angemeldet, die in Bezug auf die Ermittlung einer Frequenz oder eines damit zusammenhängenden Zeitabstands in diese Patentanmeldung als aufgenommen gelten soll.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der mechanischen Leistung eines Asynchronmotors vorgeschlagen. Es werden, auch in Bezug auf Weiterbildungen der Grundidee, dieselben Prinzipien angewendet, die vorstehend in Bezug auf eine Leistungsmesseinrichtung vorgeschlagen worden sind.
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Im Folgenden wird beispielhaft und nicht einschränkend eine Ausführungsform der Leistungsmesseinrichtung anhand der Zeichnung im Anhang beschrieben, die eine perspektivische Darstellung eines Asynchronmotors und eine Leistungsmesseinrichtung nach der Erfindung zeigt.
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1 zeigt eine Leistungsmesseinrichtung 1 zur Messung einer mechanischen Abgabeleistung eines Asynchronmotors 2. Die Leistungsmesseinrichtung umfasst eine Ständerdrehzahlmesseinrichtung 3, die an einer Stromzuleitung 5 zu einem Anschlusskasten 4 des Asynchronmotors 2 angeordnet ist. Die Ständerdrehzahlmesseinrichtung 3 erfasst ein magnetisches Streufeld der Stromzuleitung 5, um dessen Frequenz zu ermitteln, die mit der Erregungsfrequenz des Ständers oder einer Oberwelle davon übereinstimmt Aus dieser Frequenz kann die Ständerdrehzahl abgeleitet werden. Die Ständerdrehzahlmesseinrichtung 3 umfasst vorzugsweise einen Hall-Sensor, mit dem ein magnetisches Streufeld der Stromzuleitung 5 erfasst wird. Die Leistungsmesseinrichtung 1 umfasst weiter eine Wellendrehzahlermittlungseinrichtung 7, die über eine Verbindungsleitung 6 mit einer Zentraleinheit 10 der Leistungsmesseinrichtung 1 verbunden ist. Die Wellendrehzahlermittlungseinrichtung 7 umfasst eine Induktionsspule 8, die mit Magneten 9 in Wechselwirkung treten können, die auf einer Magnetscheibe 12 angeordnet sind. Die Magnetscheibe 12 läuft mit einer Welle 11 des Asynchronmotors 2 um. Die Richtung eines Kerns der Induktionsspule 8 ist vorzugsweise in radialer Richtung in Bezug auf die Welle 11 angeordnet. Die Magnetscheibe 12 kann mehrere Magnete 9 umfassen, vorzugsweise zwölf Magnete. Die Magnete 9 sind bevorzugt an einem Außenumfang der Magnetscheibe 12 angeordnet, so dass ihr Magnetfeld die Induktionsspule 8 leicht erreichen kann. Durch die Bauweise mit einer Magnetscheibe 12 und einer am Außenumfang der Scheibe angeordneten Induktionsspule 8 wird ein kurzer Bauraum in axialer Richtung der Welle 11 erreicht.
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Die Leistungsmesseinrichtung 1 wird mit Energie versorgt, die von der Wellendrehzahlermittlungseinrichtung 7 erzeugt wird. Die Leistungsmesseinrichtung 1 ist somit vollständig energieautark. Ein Eingriff in den Anschlusskasten 4, eine Versorgung aus einem öffentlichen Stromnetz oder aus Batterien können somit entfallen. Zur Erzeugung von Energie können die von der Induktionsspule 8 erzeugen Pulse gleichgerichtet und die darin enthaltene Energie gespeichert werden. Die Magnetscheibe 12, die Magnete 9 und die Induktionsspule 8 sind so ausgelegt, dass deren Zusammenspiel in Verbindung mit der Drehzahl des Asynchronmotors ausreicht, um die Leistungseinrichtung 1 dauerhaft mit elektrischer Energie zu versorgen.
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In der Zentraleinheit 10 der Leistungsmesseinrichtung 1 ist ein Mikrocontroller angeordnet, auf dem die Ermittlung der mechanischen Leistung des Asynchronmotors 2 durchgeführt wird. Das von de Wellendrehzahlermittlungseinrichtung 7 erzeugte Signal wird in der Zentraleinheit mit einem Schwellenwert und verglichen, sodass daraus Zeitpunkte eines gleichen Signalpegels ermittelt werden können. Durch die Berechnung des zeitlichen Abstands dieser Zeitpunkte und mit Wissen über den Winkelabstand von Magneten 9 auf der Magnetscheibe 12, die das Signal erzeugt haben, kann die Wellendrehzahl berechnet werden. Der Winkelabstand von Magneten 9 kann in einem Berechnungsalgorithmus in der Zentraleinheit 10 vorhanden sein, oder implizit in die Werte einer Tabelle eingegangen sein, mit der aus einem Zeitabstand eine Wellendrehzahl bestimmt werden kann. Bei einem einzigen Magneten 9 beträgt der Winkelabstand 360°.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008033306 A1 [0013]
- DE 102010021186 A1 [0014]
