DE102014103027A1 - Nachführregler für eine U/f-gesteuerte Asynchronmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Maschinensystems (2) wird ein von der Asynchronmaschine (4) aufgenommener Strom (I) mit einem Maximalstrom (Imax) verglichen, so lange der Strom (I) den Maximalstrom (Imax) nicht übersteigt, wird in einem Normalbetrieb (B0) dem Maschinensystem (2) eine Vorgabefrequenz (fV) vorgegeben, ab einem Umschaltzeitpunkt (tU), an dem der Strom (I) den Maximalstrom (Imax) übersteigt, wird ein Nachführbetrieb (BN) aktiviert, in dem dem Maschinensystem (2) eine Nachführfrequenz (fN) vorgegeben wird, und der Strom (I) auf den Maximalstrom (Imax) eingeregelt wird, ab einem Rückschaltzeitpunkt (tR), wenn die Nachführfrequenz (fN) eine Endfrequenz (fE) erreicht, wird der Nachführbetrieb (BN) beendet und der Normalbetrieb (B0) aktiviert. Ein Nachführregler (14) für ein Maschinensystem (2) enthält einen Frequenzausgang (28) zur Bereitstellung einer Nachführfrequenz (fN), eine Steuer- und Auswerteeinheit (32) mit einem Stromeingang (30), um einen Wert eines aktuell von der Asynchronmaschine (4) aufgenommenen Stroms (I) zu empfangen, wobei der Nachführregler (14) ab einem Umschaltzeitpunkt (tU) einen Nachführbetrieb (BN) aufweist, in dem eine Nachführfrequenz (fN) am Frequenzausgang (28) anliegt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Maschinensystems sowie einen Nachführregler für ein solches. Das Maschinensystem enthält eine Asynchronmaschine und eine U/f-Steuerung, die die Asynchronmaschine ansteuert. Die Ansteuerung erfolgt anhand einer Frequenz, die der U/f-Steuerung vorgegeben wird. Die Asynchronmaschine (auch Maschine genannt) kann ein Asynchronmotor oder -generator sein. Im Folgenden wird der Einfachheit halber stellvertretend für beide Maschinentypen von einem Asynchronmotor oder auch Motor gesprochen, wobei stets beide Asynchronmaschinentypen erfasst sein sollen bzw. die getroffenen Aussagen sinngemäß auf den anderen Maschinentyp übertragbar sind.
• Zum Betrieb von Asynchronmotoren ist eine sogenannte U/f-Kennlinien-Steuerung hinreichend bekannt. Eine Frequenz wird vorgegeben. Eine U/f-Kennlinie ordnet der Frequenz eine Spannung zu. Entsprechend der Spannung werden dem Motor entsprechende Motorströme zugeführt. Im regulären Nennbetrieb stellt sich dann am Motor eine der vorgegebenen Frequenz entsprechende Drehzahl ein, z.B. rotiert dann der Läufer des Motors gegenüber dem Stator mit der entsprechend gewünschten Frequenz gemäß der Vorgabe. Der vom Motor aufgenommene Strom stellt sich dabei stets danach ein, wie gut der Motor die gegebene Frequenz einhalten kann. Wird der Strombedarf zu groß, z.B. wenn die maximale Stromaufnahme erreicht ist, kann der Motor die Frequenz nicht halten.
• Zum Beschleunigen oder Abbremsen derartiger Motorsysteme werden in der Regel Hochlaufgeber eingesetzt. Dem Hochlaufgeber wird eine Zielfrequenz vorgegeben, die der Motor ausgehend von einer Startfrequenz, die der Motor zu einem Startzeitpunkt aufweist, erreichen soll. Der Hochlaufgeber errechnet über der Zeit Zwischenwerte zwischen Start- und Zielfrequenz und gibt diese dem Motorsystem vor. Beispielsweise im Hochlauffall, wenn der Motor zunächst steht, erzeugt der Hochlaufgeber während einer Hochlaufzeit an seinem Ausgang Frequenzwerte, welche beginnend bei Null bis zur Zielfrequenz ansteigen. Im Nennbetriebsfall ist der Motor in der Lage, dem jeweiligen Frequenzverlauf zu folgen, ohne dabei einen unzulässig hohen Strom aufnehmen zu müssen.
• Da die Beschleunigungszeit eines Motors in der Praxis jedoch von der tatsächlichen Motorlast abhängt, ist es schwierig, den Hochlaufgeber optimal für alle Lastfälle einzustellen. Ist beispielsweise die Beschleunigung im Hochlaufgeber zu steil gewählt oder die Last am Motor zu groß, kann der Motor den vom Hochlaufgeber vorgegebenen Frequenzen, also Solldrehzahlen, nicht folgen, d.h. der Motor dreht zu langsam gegenüber der eigentlich vorgegebenen Frequenz. Für eine aktuelle Drehzahl des Motors ist dann die vorgegebene Spannung zu groß, weshalb sich im Motor ein zu hoher Strom einstellt. Für jeden Motor existiert ein Maximalstrom bzw. Grenzstrom, welcher nicht überschritten werden darf. Wird also dieser Grenzstrom erreicht, darf der Motor nicht mehr weiter beschleunigt oder abgebremst werden bzw. muss weniger schnell beschleunigt oder abgebremst werden, damit keine Überströme, also Ströme größer dem Maximalstrom, entstehen. Mit anderen Worten wird im o.g. Fall, wenn der Motor die gegebene Frequenz nicht mehr halten kann, die Frequenz verändert.
• Eine fachübliche Vorgehensweise ist beispielsweise, den jeweils aktuell vom Motor aufgenommenen Strom zu messen und bei Erreichen des Grenzstromes die Beschleunigung – z.B. im Hochlaufgeber – auf Null zu setzen, d.h. die aktuelle Vorgabefrequenz bis auf weiteres beizubehalten.
• Aus „’Sensorlose Steuerung für Asynchron Motoren mit S300-S700’, http://www.wiki-kollmorgen.eu/wiki/tiki-index.php?page=Sensorlose+Steuerung+f%C3%BCr+aSynchron+Motoren+mit+S 300-S700#Rampen", ist es bekannt, die steilsten möglichen Rampen für die U/f Steuerung festzulegen. Wenn der Betrag des vom Motor aufgenommenen Stroms den Nennstrom übersteigt, werden die Rampensteilheiten von anfänglich 100% der gegebenen Steilheit zunehmend begrenzt. Die Begrenzung verläuft von 100% bei Nennstrom linear mit dem Strom bis auf 0% bei Maximalstrom, so dass die Maschine zunächst weniger stark und dann gar nicht weiter beschleunigen darf.
• Die bekannten Vorgehensweisen haben den Nachteil, dass es im Motorsystem zu starken Schwingungen der elektrischen Größen kommen kann. Insbesondere der vom Motor aufgenommene Strom schwankt stark.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für den Fall, dass sich der Strom im Motor dem Maximalstrom nähert, ein verbessertes Betriebsverfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung anzugeben.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass keine optimale Ausnutzung des im Motor maximal möglichen Drehmoments bei Maximalstrom erfolgt, wenn der Strom zeitweise deutlich, z.B. mehr als 50% unterhalb des Maximalstroms verläuft, was bei den bekannten Lösungen auftritt.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Maschinensystems gemäß Patentanspruch 1. Das Maschinensystem umfasst dabei wie oben beschrieben eine Asynchronmaschine und eine U/f-Steuerung. Der U/f-Steuerung wird eine Frequenz vorgegeben, woraufhin sie die Asynchronmaschine ansteuert. Der von der Asynchronmaschine aktuell aufgenommene Strom wird gemessen und mit einem vorgebbaren Maximalstrom verglichen. So lange der Strom den Maximalstrom nicht übersteigt, wird ein Normalbetrieb durchgeführt. Im Normalbetrieb wird dem Maschinensystem in bekannter Art und Weise als Frequenz eine Vorgabefrequenz vorgegeben. Ein Umschaltzeitpunkt wird definiert als derjenige Zeitpunkt, an welchem der Strom den Maximalstrom übersteigt. Der Normalbetrieb wird zu diesem Zeitpunkt beendet und ein Nachführbetrieb aktiviert.
• Im Nachführbetrieb wird dem Maschinensystem anstelle der Vorgabefrequenz als Frequenz eine Nachführfrequenz vorgegeben. Die Nachführfrequenz ist hierbei eine geregelte Größe, d.h. sie bildet die Stellgröße in einem Regelverfahren. Der Maximalstrom bildet im Regelverfahren die Führungsgröße, der Strom bildet die Regelgröße und wird durch Veränderung der Nachführfrequenz auf den Maximalstrom eingeregelt. Der Nachführbetrieb wird dann beendet, wenn ein Rückschaltzeitpunkt erreicht ist. Dieser wird definiert als derjenige Zeitpunkt, an dem die Nachführfrequenz eine vorgegebene Endfrequenz erreicht. Nach dem Ende des Nachführbetriebs wird der Normalbetrieb weiter geführt. Die Regelung kann insbesondere in Form eines PI- oder I-Reglers erfolgen. Mit anderen Worten übernimmt also im Nachführbetrieb ein Nachführregler die Vorgabe geeigneter Frequenzen an das Maschinensystem.
• Durch die erfindungsgemäße Regelung wird sichergestellt, dass der Maximalstrom im Motor (im Rahmen der Regelgenauigkeit von z.B. 10%) nicht überschritten wird, vor allem aber, dass der Motor während des Nachführbetriebs tatsächlich mit (ebenfalls im Rahmen der Regelgenauigkeit) genau dem Maximalstrom betrieben wird. Allenfalls ist hier ein Unterschreiten des Maximalstroms möglich, wenn der Motor der systembedingt maximal möglichen Beschleunigung der Nachführfrequenz problemlos folgen kann, hierzu also nicht seine Maximalleistung benötigt. Um ein in der Regel unvermeidliches Überschwingen des Motorstromes am Beginn des Nachführbetriebs, d.h. bei einsetzender Regelung, zu berücksichtigen, wird der für die Nachführregelung angesetzte Maximalstrom unterhalb des maximal zulässigen physikalischen Motorstroms gewählt. Hier werden z.B. Werte im Bereich von 90% bis 99% gewählt, z.B. 95%, um eine thermische Überlastung bzw. Zerstörung des Motors in jedem Fall zu vermeiden.
• Die Erfindung führt zu einer maximalen Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäß betriebenen Motorsystems, da der Motor im Nachführbetrieb in der Regel mit maximaler Leistung arbeitet, ohne jedoch einer Überlastungsgefahr ausgesetzt zu sein. Der Motor kann also schnellstmöglich, weil an seiner Leistungsgrenze, beschleunigt oder abgebremst werden. Dies wird erreicht, weil der vom Motor aufgenommene Strom nicht nur – durch Anpassung der vorgegebenen Frequenz – nach einer starren Vorgabe gesenkt wird, sondern je nach Bedarf auf den Maximalstrom eingeregelt wird. Die Reaktion auf eine Überlast erfolgt also nicht mehr statisch durch Veränderung von Kennlinien, sondern dynamisch durch Regelung. Bei zu hoher Belastung des Motors wird also die Nachführfrequenz verändert, so dass trotz der Überlastsituation kein Überstrom entsteht und ein Kippen der Asynchronmaschine verhindert ist. Das Verfahren kann mit bestehenden Motorsystemen durchgeführt werden, die im Normalbetrieb wie üblich betrieben werden. Lediglich die Messung des dem Motor zugeführten Stroms und die Zuführung der Nachführfrequenz im Nachführbetrieb muss bewerkstelligt werden.
• Durch geschickte Vorgabe einer entsprechenden Endfrequenz kann sichergestellt werden, dass der Nachführbetrieb nicht länger als nötig durchgeführt wird und sobald wie möglich wieder zum Normalbetrieb zurückgekehrt wird. Beispiele hierfür werden später erläutert. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Drehzahlgeber für die tatsächliche physikalische Drehzahl des Motors nicht notwendig ist und dennoch eine Überlastung des Motors hinsichtlich seines Maximalstroms effektiv vermieden werden kann.
• Die Erfindung kann unabhängig vom aktuellen Betriebsfall des Motors, d.h. sowohl während des Beschleunigens oder Bremsens oder auch während eines Lastsprungs am Motors bzw. einer Lastveränderung usw. benutzt werden und stellt stets die Einhaltung des Maximalstroms bei maximaler Leistungsfähigkeit des Motorsystems sicher. Der Motor kann also mit maximalem Moment und höchstmöglicher Dynamik betrieben werden. Selbst bei zu hoher Last besteht nicht die Gefahr eines Überstroms im Motor.
• Gemäß der Erfindung wird die Vorgabefrequenz an die U/f-Steuerung bei zu hohem Strom also nicht nur statisch bzw. gemäß einer Vorgabekennlinie verändert, sondern tatsächlich geregelt und führt so zu konstantem Strom, nämlich dem Maximalstrom. Eine Beschleunigungsrampe eines Motorsystems bzw. einer U/f-Steuerung kann daher auch „kritisch“, d.h. auf sehr schnelle Werte eingestellt werden, da in den Fällen, in welchen der Motor der Kennlinie ausnahmsweise nicht folgen kann, der Nachführregler eingreift.
• In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Umschaltzeitpunkt die zu diesem Zeitpunkt herrschende Vorgabefrequenz als Nachführfrequenz gewählt. Hierdurch wird sichergestellt, dass bezüglich der, der U/f-Steuerung zugeführten Frequenz ein stetiger Verlauf sichergestellt ist, d.h. keine Frequenzsprünge auftreten. Schwingungen der elektrischen Größen im Motorsystem werden so vermindert.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Regelung im Nachführbetrieb derart, dass die Nachführfrequenz anhand einer Beschleunigung verändert wird, welche die zeitliche Veränderung der Nachführfrequenz angibt. In diesem Fall wird dann die Beschleunigung als allgemeine Stellgröße im Regelverfahren verändert. Die Nachführfrequenz ergibt sich anhand einer früheren Nachführfrequenz und der geregelten Beschleunigung. Dies bietet den Vorteil, dass vor allem bei diskret ausgeführter Regelung die „Beschleunigung“ als Differenz zwischen einem vorhergehenden und einem nachfolgenden Frequenzwert darstellbar ist.
• In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird als Vorzeichen für die Beschleunigung das Vorzeichen der Differenz aus Vorgabefrequenz und Nachführfrequenz gewählt. Somit wird sichergestellt, dass sowohl im Beschleunigungs- als auch im Bremsbetrieb, d.h. bei zeitlich ansteigender oder abnehmender Frequenz, die Beschleunigung jeweils die Frequenz in die richtige Richtung verändert, damit sich die Nachführfrequenz möglichst wieder der Vorgabefrequenz annähert. In diesem Fall ist es z.B. sinnvoll, die stets aktuelle Vorgabefrequenz als Endfrequenz zu benutzen. Die Vorgabefrequenz kann sich hierbei auch während der Zeit ändern, z.B. als Ausgangssignal eines Hochlaufgebers im Hochlauf- oder Bremsfall.
• In einer weiteren bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird die Differenz aus der aktuellen Vorgabefrequenz und einer zeitlich unmittelbar vorhergehenden Nachführfrequenz gebildet. Im Falle einer zeitdiskreten Regelung ist die unmittelbar vorhergehende Nachführfrequenz diejenige aus dem vorhergehenden Regeltakt.
• In einer weiteren Variante der bevorzugten Ausführungsform wird im Umschaltzeitpunkt die zu diesem Zeitpunkt herrschende zeitliche Änderung der Vorgabefrequenz als Beschleunigung gewählt. So wird eine Unstetigkeit, also ein „Knick“ im zeitlichen Verlauf der, der U/f-Steuerung vorgegebenen Frequenz verhindert, was Schwingungen von elektrischen Größen im Motorsystem reduziert.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Endfrequenz die Vorgabefrequenz, wie oben schon erläutert. Der Nachführbetrieb wird also nur so lange fortgesetzt, bis die Nachführfrequenz die Vorgabefrequenz wieder erreicht hat. Die Vorgabefrequenz kann sich hierbei während des Nachführbetriebs auch verändern, die Endfrequenz ist dann insbesondere die aktuell gültige Vorgabefrequenz.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Vorgabefrequenz von einem Hochlaufgeber ausgegeben, der diese bzw. deren zeitlichen Verlauf aus einer Zielfrequenz ermittelt. Mit anderen Worten verändert der Hochlaufgeber über der Zeit die Vorgabefrequenz von einer Startfrequenz bis zur Zielfrequenz hin.
• Gemäß der Erfindung wird daher im Nachführbetrieb die vom Nachführregler eigentlich vorgesehene Beschleunigung reduziert. Erfindungsgemäß erfolgt die Reduzierung jedoch nur in dem Maße, dass noch immer der Maximalstrom dem Motor zugeführt wird. Dieses Konzept funktioniert auch bei Lastschwankungen am Motor mit oder ohne Hochlaufregler, egal ob der Motor gerade vom Hochlaufgeber mit sich verändernder Frequenz angesteuert wird oder eine konstante Frequenzvorgabe im Dauerbetrieb erfährt. Bei jeglicher Lastschwankung ändert sich die Motorgeschwindigkeit und der vom Motor benötigte Strom steigt. Durch die Erfindung wird ab Erreichen des Maximalstroms über eine Frequenzanpassung ein weiteres Steigen über den Maximalstrom verhindert. Die Frequenz wird angepasst. Der Nachführregler ist solange aktiv, bis dieser die Frequenz wieder z.B. zur eigentlichen Vorgabefrequenz oder zur Zielfrequenz geführt hat.
• In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Endfrequenz im Verfahren dann die Zielfrequenz des Hochlaufgebers. Im Ergebnis wird gemäß dem Verfahren dann bei Aktivierung des Nachführbetriebs der Hochlaufgeber irrelevant, da der weitere Frequenzverlauf zur Zielfrequenz dann nicht mehr durch den Hochlaufgeber, sondern durch den Nachführbetrieb bestimmt wird. In Weiterführung der Idee kann auf einen Hochlaufgeber dann alternativ vollständig verzichtet werden. Die Zielfrequenz wird dann als Endfrequenz benutzt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Regelung zeitdiskret durchgeführt. Die Nachführfrequenz zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt wird dann durch Addition der Nachführfrequenz zu einem ersten Zeitpunkt und einem für die Zeitdifferenz zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt geltenden Beschleunigungswert ermittelt. Erster und zweiter Zeitpunkt liegen dabei in der Regel einen Regeltakt auseinander. Mit anderen Worten wird also sukzessive von Regeltakt zu Regeltakt die Nachführfrequenz jeweils um den Beschleunigungswert verändert.
• Hinsichtlich einer Vorrichtung wird die Erfindung gelöst durch einen Nachführregler für ein Maschinensystem gemäß Patentanspruch 11. Viele Merkmale, die Funktionsweise sowie Vorteile entsprechen sinngemäß den vorhergehenden Erläuterungen zum o.g. Verfahren. Das Maschinensystem weist insbesondere einen Frequenzeingang auf, über den der U/f-Steuerung die vorgegebene Frequenz zugeführt wird. Der Nachführregler weist einen Frequenzausgang auf, an dem eine Nachführfrequenz ausgebbar ist, die dem Maschinensystem als Frequenz vorgebbar ist. Insbesondere ist der Frequenzausgang dann mit dem Frequenzeingang verbindbar. Außerdem umfasst der Nachführregler eine Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Stromeingang. Am Stromeingang wird der Steuer- und Auswerteeinheit der von der Asynchronmaschine aktuell aufgenommene Strom mitgeteilt. Dies geschieht entweder direkt in Form eines Strommesswertes oder indirekt durch eine mit dem Wert des aktuellen Stroms korrelierte Kenngröße. Ein vorgebbarer Maximalstrom der Maschine ist z.B. im Nachführregler gespeichert oder diesem zuführbar. Während des oben erläuterten Normalbetriebs ist der Nachführregler hinsichtlich seines Einflusses auf das Maschinensystem irrelevant, weshalb irrelevant ist, welche Größe während des Normalbetriebs am Frequenzausgang anliegt und ob der Nachführregler arbeitet oder nicht.
• Ab dem oben erläuterten Umschaltzeitpunkt weist der Nachführregler einen Nachführbetrieb auf. Dieser wurde ebenfalls oben ausführlich erläutert. Während des Nachführbetriebs liegt die vom Nachführregler ermittelte Nachführfrequenz am Frequenzausgang an. Wird die am Frequenzausgang anstehende Nachführfrequenz dann dem Motorsystem zugeführt, regelt dieser wie oben beschrieben den Motorstrom auf den Maximalstrom ein. Wenn wie oben erläutert die Endfrequenz erreicht ist, wird der Nachführregler wieder irrelevant, da der Normalbetrieb fortgesetzt wird.
• Der erfindungsgemäße Nachführregler eignet sich zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, wenn dieser zumindest während des Nachführbetriebs den Strom im Motor erfasst und die ermittelte und am Frequenzausgang anliegende Nachführfrequenz in das Motorsystem einspeist. Bereits die Stromüberwachung im Normalbetrieb und die Aktivierung des Nachführreglers zum Umschaltzeitpunkt kann von außerhalb erfolgen. Gleiches gilt für die Rückschaltung auf den Normalbetrieb bei Erreichen der Endfequenz.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Nachführregler einen Vorschalteingang auf. Außerdem weist er ein Schaltelement auf, welches im Normalbetrieb den Vorschalteingang mit dem Frequenzausgang verbindet. Im Nachführbetrieb wird die Verbindung zwischen Vorschalteingang und Frequenzausgang unterbrochen und am Frequenzausgang liegt dann die Nachführfrequenz an. Ein entsprechender Nachführregler kann dauerhaft zwischen dasjenige Element geschaltet werden, welches einer U/f-Steuerung eines Motorsystems eine Frequenz vorgibt und den eigentlichen Frequenzeingang des Motorsystems. Solange der Normalbetrieb vorherrscht, wird unter Umgehung der eigentlichen Regeleigenschaft des Nachführreglers der Vorschalteingang simpel durchgeschaltet, als wäre der Nachführregler funktional nicht zwischen dem vorgebenden Gerät und dem Motorsystem vorhanden. Ab dem Umschaltzeitpunkt wird jedoch durch den Nachführregler selbst die entsprechende Frequenzversorgung des Motorsystems durch den Vorschalteingang unterbrochen und der erfindungsgemäße Nachführregler kann erfindungsgemäß regeln.
• In bevorzugten Ausführungsform ist der Nachführregler bzw. die Steuer- und Auswerteeinheit jedoch selbst zur Ausführung einer oder mehrerer der folgenden Funktionen ausgebildet: zu den oben genannten Ausführungsformen des Verfahrens, insbesondere zur oben erläuterten Überwachung des Motorstroms auf den Maximalstrom, zur Umschaltung vom Normalbetrieb auf den Nachführbetrieb und/oder umgekehrt, zur Überwachung des Erreichens der Endfrequenz, zur Durchführung einer zeitdiskreten Regelung.
• Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
• 1 ein Motorsystem gemäß Stand der Technik,
• 2 eine U/f-Kennlinie gemäß Stand der Technik,
• 3 einen Frequenzverlauf am Ausgang eines Hochlaufgebers gemäß Stand der Technik,
• 4 das Motorsystem aus 1 mit Nachführregler,
• 5 den zeitlichen Verlauf von Systemgrößen bei einem Beschleunigungsvorgang,
• 6 den zeitlichen Verlauf von Systemgrößen bei einem Bremsvorgang,
• 7 den zeitlichen Verlauf von Systemgrößen bei einer Lastschwankung,
• 1 zeigt als Maschinensystem 2 ein bekanntes Motorsystem, welches einen Motor 4 in Form eines Asynchronmotors sowie eine U/f-Steuerung 6 enthält, die den Motor 4 ansteuert. Das Maschinensystem 2 wird anhand einer vorgegebenen Frequenz f betrieben. Zur Einspeisung der Frequenz f weist das Maschinensystem 2 einen Frequenzeingang 26 auf. Im Beispiel stammt die Frequenz f aus der Vorgabe einer Vorgabefrequenz f_V. Diese wiederum ist an einer Zielfrequenz f_Z orientiert. Bei jeder Änderung der Zielfrequenz f_Z modifiziert ein Hochlaufgeber 8 diese zu einer abweichenden Vorgabefrequenz f_V, die sich beginnend bei der vorherigen Zielfrequenz f_Z der aktuellen bzw. neu gewählten Zielfrequenz f_Z annähert. Anschließend wird die neue Zielfrequenz f_Z als Vorgabefrequenz f_V beibehalten, bis sich die Zielfrequenz f_Z erneut ändert. Die U/f-Steuerung 6 erzeugt aus der Frequenz f in bekannter Weise durch Integration einen Winkel φ und anhand einer U/f-Kennlinie 10 eine Spannung U. Durch einen mit Pulsweitenmodulation (PWM) arbeitenden Umrichter werden entsprechende Motorspannungen für den Motor 4 erzeugt, woraufhin sich die Motorströme I und eine Motordrehzahl n je nach Lastfall einstellen.
• 2 zeigt die U/f-Kennlinie 10 aus 1, welche linear jeder vorgegebenen Frequenz f eine Spannung U zuordnet. Beispielsweise wird am Nennbetriebspunkt P1 der Motornennfrequenz f = 50 Hz die Nennmotorspannung U = 230 V zugeordnet. Ab dem Betriebspunkt P2 (abhängig von der Steigung der Kennlinie 10) wird dem Motor stets eine Maximalspannung von 400 Volt zugeordnet.
• 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Vorgabefrequenz f_V über der Zeit t in 1 am Ausgang des Hochlaufgebers 8. Zunächst steht der Motor still, da die Zielfrequenz f_Z und die Vorgabefrequenz f_V gleich Null sind. Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Zielfrequenz f_Z von 0 auf 50 Hertz geändert. Der Hochlaufgeber 8 erzeugt nun in einem Zeitintervall bis zur Zeit t2 Zwischenfrequenzen als Vorgabefrequenzen f_V, die sich gemäß der gezeigten Kennlinie 12 ausgehend von der Startfrequenz 0 Hz, also der vorherigen Zielfrequenz f_Z der aktuellen Zielfrequenz f_Z = 50Hz annähern. Ab dem Zeitpunkt t2 ist der Hochlaufgeber 8 quasi inaktiv und reicht die Zielfrequenz f_Z lediglich als Vorgabefrequenz f_V durch. Zum Zeitpunkt t3 wird die Zielfrequenz f_Z wieder auf 0 Hz gesetzt. Der Hochlaufgeber 8 wird wieder – nun im Bremsbetrieb – aktiv und senkt die Vorgabefrequenz f_V gemäß Kennlinie 12 allmählich von der vorherigen Zielfrequenz f_Z = 50Hz auf 0 Hz (die aktuelle Zielfrequenz f_Z) zum Zeitpunkt t4.
• 4 zeigt das Maschinensystem 2 zusammen mit dem Hochlaufgeber 8 aus 1, nun jedoch mit einem erfindungsgemäßen Nachführregler 14. Das Maschinensystem 2 wird wie folgt betrieben: Zunächst ist ein Normalbetrieb B₀ aktiviert, in dem sich ein Schaltelement 16 in einer Stellung „0“ befindet. Die vom Hochlaufgeber 8 ausgegebene Vorgabefrequenz f_V wird daher auf einen Frequenzausgang 28 durchgeschaltet und dem Maschinensystem 2 als Frequenz f vorgegeben. Der vom Motor 4 aufgenommene Strom I wird gemessen und im Nachführregler 14 mit einem vorgebbaren Maximalstrom I_max verglichen. Der Wert des Stroms I bzw. alternativ (nicht dargestellt) ein mit diesem korrelierter Messwert wird dem Nachführregler 14 über einen Stromeingang 30 zugeführt. Solange der Strom I kleiner dem Maximalstrom I_max ist, bleibt der Normalbetrieb B₀ bestehen. Zu einem Umschaltzeitpunkt t_U übersteigt der Strom I den Maximalstrom I_max, so dass ein Nachführbetrieb B_N aktiviert wird. Das Schaltelement 16 wird dabei in die Schaltstellung „N“ gebracht (gestrichelt dargestellt), weshalb fortan anstelle der Vorgabefrequenz f_V eine Nachführfrequenz f_N als Frequenz f an das Maschinensystem 2 geliefert wird.
• Ein Regler 18 ermittelt anhand des Maximalstroms I_max als Führungsgröße und des Stroms I als Regelgröße eine Stellgröße in Form der Nachführfrequenz f_N, um den Strom I auf den Maximalstrom I_max einzuregeln. Die Nachführfrequenz f_N weicht daher von der Vorgabefrequenz f_V zunächst ab, da die Vorgabefrequenz f_V zu einer unzulässigen Erhöhung des Stroms I über den Maximalstrom I_max geführt hatte und der Regler daher die Nachführfrequenz f_N abweichend bestimmen wird. Der Nachführbetrieb B_N wird so lange aufrechterhalten, bis die Nachführfrequenz f_N eine Endfrequenz f_E erreicht hat. Die Endfrequenz f_E ist hierbei die Vorgabefrequenz f_V, in einer alternativen Ausführungsform die Zielfrequenz f_Z. Ein Regelkreis ist also gebildet, der über die Vorgabe der Frequenz f, das Maschinensystem 2, den Motorstrom I, den Vergleich dessen mit dem Maximalstrom I_max und den Regler 18 verläuft.
• In einer bevorzugten Ausführungsform (gestrichelt gezeichnet) ermittelt der Regler 18 die Nachführfrequenz f_N nicht direkt, sondern ermittelt eine Beschleunigung a. Um die aktuelle Nachführfrequenz f_N zu bilden, wird die Beschleunigung a zu einem vorherigen Wert der Nachführfrequenz (zu einem früheren Zeitpunkt) f_N* addiert. Im Falle einer zeitkontinuierlichen Regelung ist die frühere Nachführfrequenz f_N* eine zu einem früheren Zeitpunkt gespeicherte Nachführfrequenz. In 4 ist auch eine alternative Ausführungsform dargestellt, nämlich, dass die oben beschriebene Regelung zeitdiskret ausgeführt ist. Die dem Maschinensystem 2 vorgegebene Frequenz f wird dann (gestrichelt dargestellt) durch ein Verzögerungsglied 20 um einen Regeltakt verzögert, um die vorherige Nachführfrequenz f_N* zu liefern. Der Beschleunigungswert a hat vor allem im zeitdiskreten Fall die Dimension einer Frequenz und spiegelt die Frequenzdifferenz zwischen der aktuellen Nachführfrequenz f_N und der Nachführfrequenz f_N* des vorhergehenden Regeltaktes wieder.
• 4 zeigt (gestrichelt) noch eine weitere alternative Ausführungsform, in welcher aus einer Differenz der vorherigen bzw. früheren Nachführfrequenz f_N* und der aktuellen Vorgabefrequenz f_V eine Differenz gebildet wird und deren Vorzeichen durch ein Signumglied 22 ermittelt wird. Der vom Signumglied 22 gelieferte Ausgangswert (+/–1) wird in den Regelkreis des Reglers 18 eingespeist, im Beispiel beispielsweise dadurch, dass die Differenz aus Maximalstrom I_max und Motorstrom I mit dem entsprechenden Vorzeichen multipliziert wird. Eine entsprechende Vorzeichenkorrektur kann jedoch auch durch andere geeignete Alternativen erfolgen.
• Lediglich beispielhaft ist in 4 die Ermittlung des Stromes I derart dargestellt, dass im zum Motor 4 führenden Dreiphasensystem zwei der drei Stromphasen (i₁, i₂) abgegriffen werden, in einer Messeinrichtung 24 zunächst die dritte Stromphase rekonstruiert wird, daraus zwei Komponentenströme i_α, i_β erzeugt werden und deren quadratischer Mittelwert ermittelt wird. Beliebige andere Alternativen zur Messung und Einspeisung des aktuellen Wertes des Stroms I in den Regelkreis sind denkbar.
• Ist die Endfrequenz f_E erreicht, wird wieder in den Normalbetrieb B₀ zurückgeschaltet, d.h. das Schaltelement 16 in die Schaltstellung „0“ gebracht. Fortan wird wieder die Vorgabefrequenz f_V als Frequenz f dem Maschinensystem 2 zugeführt.
• Die oben beschriebene Regelung einschließlich der Steuerung der beschriebenen Abläufe, Stromvergleich usw. wird in einer Steuer- und Auswerteeinheit 32 des Nachführreglers 14 ausgeführt, welche in 4 nur symbolisch durch einen Pfeil auf die beschriebenen Funktionsblöcke dargestellt ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform gehört das Schaltelement 16 zum Nachführregler 14, wobei dieser dann einen Vorschalteingang 34 aufweist. Im Normalbetrieb B₀ ist der Vorschalteingang 34 auf den Frequenzausgang 28 durchschaltet, der dann verändert platziert ist, nämlich im Regelkreis nicht mehr vor, sondern zwischen dem Schaltelement 16 und dem Frequenzeingang 26.
• 5 zeigt über der Zeit t den Verlauf verschiedener Kenngrößen aus 4 für einen Beschleunigungsvorgang am Maschinensystem 2. Zunächst wird das Maschinensystem 2 mit konstanter Vorgabefrequenz f_V an einer ersten Zielfrequenz f_Z, d.h. Beschleunigung a = 0 betrieben. Das System befindet sich im Normalbetrieb B₀. Ab einem Zeitpunkt t₀ und wird sodann mit zunehmender Beschleunigung a beschleunigt, d.h. die Vorgabefrequenz f_V steigt zu einer neuen Zielfrequenz f_Z hin an. Zu einem Umschaltzeitpunkt t_U übersteigt dabei der Strom I den Maximalstrom I_max, weshalb in einem Nachführbetrieb B_N umgeschaltet wird. Sowohl der aktuelle Beschleunigungswert a als auch der aktuelle Wert der Vorgabefrequenz f_V zu diesem Zeitpunkt t_U werden als Startwerte für die Beschleunigung a und die Nachführfrequenz f_N im Nachführregler 14 übernommen. Der Regler 18 beginnt, den Strom I auf den Maximalstrom I_max einzuregeln. Erkennbar wird hierzu die positive Beschleunigung a gesenkt, weshalb die Nachführfrequenz f_N sich von der Vorgabefrequenz f_V entfernt und kleiner als diese wird. Als Endfrequenz f_E wird die Vorgabefrequenz f_V gewählt gewählt. Zum Rückschaltzeitpunkt t_R erreicht die Nachführfrequenz f_N die Endfrequenz f_E, weshalb wieder der Normalbetrieb B₀ aktiviert wird. Da die Vorgabefrequenz bereits die Zielfrequenz erreicht hat, ist die Beschleunigung a = 0. Der Strom I sinkt auf den regulären Betriebsstrom ab.
• 6 zeigt in einem Diagramm entsprechend 5 einen Abbremsvorgang für das Maschinensystem 2. Durch eine Veränderung der Zielfrequenz f_Z zum Zeitpunkt t₀ wird der Hochlaufgeber 8 aktiv, welcher aus gehend von der vorherigen Zielfrequenz f_Z als Startfrequenz die Vorgabefrequenz f_V allmählich zur aktuellen Zielfrequenz f_Z hin senkt. Ausgehend von einer Beschleunigung a = 0 werden daher negative Beschleunigungswerte a erzeugt. Zum Zeitpunkt t_U übersteigt der Motorstrom I den Maximalstrom I_max, weshalb in den Nachführbetrieb B_N umgeschaltet wird. Auch hier werden im Umschaltzeitpunkt t_U die aktuellen Werte für Beschleunigung a und die Vorgabefrequenz f_V als Startwerte für die Nachführfrequenz f_N und die im Regler 18 verwendete Beschleunigung a benutzt. Der Strom I wird auf den Maximalstrom I_max eingeregelt, dabei wird der Betrag der negativen Beschleunigung a gesenkt, die Nachführfrequenz bleibt etwas oberhalb der Vorgabefrequenz f_V zurück. Als Endfrequenz wird hier die Zielfrequenz f_Z gewählt. Nachdem die Nachführfrequenz f_N die Endfrequenz f_E erreicht hat, wird zum Rückschaltzeitpunkt t_R auf Normalbetrieb B₀ umgeschaltet. Das Abbremsen (negative Beschleunigung a) des Motors 2 wird beendet. Der Strom I pendelt sich auf den regulären Betriebsstrom ein.
• 7 schließlich zeigt in einer entsprechenden Darstellung zu 5 und 6 eine Lastschwankung am Motor 4. Zum Zeitpunkt t₀ steigt die Motorlast an, was ausgehend von einem durchschnittlichen Betriebsstrom eine Erhöhung der Stromaufnahme des Motorstroms I bewirkt. Die Zielfrequenz f_Z sowie die Vorgabefrequenz f_V sind während der gesamten Zeit konstant, die Motorbeschleunigung a ist daher zunächst 0. Zum Umschaltzeitpunkt t_U übersteigt der Strom I den Maximalstrom I_max, weshalb in den Nachführbetrieb B_N umgeschaltet wird. Der Motorstrom I wird auf den Maximalstrom I_max eingeregelt. Dazu wird die Nachführfrequenz f_N durch negative Beschleunigungswerte gesenkt. Zum Zeitpunkt t1 sinkt die Last am Motor ab. Die Beschleunigung wird erhöht. Der Motor kann jedoch physikalisch bzw. systembedingt auch bei der maximal vom Nachführregler 14 ermittelten Beschleunigung a nicht ausreichend schnell beschleunigen, um an seiner Leistungsgrenze zu bleiben. Er benötigt also nicht mehr seine Maximalleistung, weshalb der Strom I kurzzeitig unter den Maximalstrom I_max sinkt. Im Sinne der Erfindung wird jedoch auch hierbei der Motorstrom I weiterhin „auf den Maximalstrom I_max eingeregelt“: Nur kann das physikalische System der Reglervorgabe nicht schnell genug folgen. Dies bedingt trotz bestehender „Einregelung“ bzw. in deren Rahmen eine kurzzeitige tatsächliche bzw. merkliche Abweichung des aktuellen Motorstroms I vom Maximalstrom I_max. Hat der Motor wieder genügend Geschwindigkeit aufgenommen, erreicht er wieder seine Lastgrenze und der Strom I damit wieder den Maximalstrom I_max, auf den er fortan wieder „vollständig“ eingeregelt wird. Ist die Endfrequenz f_E, hier die aktuelle Zielfrequenz f_Z bzw. Vorgabefrequenz f_V, wieder erreicht, wird zum Rückschaltzeitpunkt t_R auf den Normalbetrieb B₀ zurückgeschaltet. Mit anderen Worten wird also bei einem sogenannten Lastsprung (Lastzunahme) zunächst die Drehzahl des Motors gesenkt. Sinkt die Last, beschleunigt der Motor wieder auf seine aktuell gewünschte Frequenz.
• Bezugszeichenliste

2

Maschinensystem

4

Motor

6

U/f-Steuerung

8

Hochlaufgeber

10

U/f-Kennlinie

12

Kennlinie

14

Nachführregler

16

Schaltelement

18

Regler

20

Verzögerungsglied

22

Signumglied

24

Messeinrichtung

26

Frequenzeingang

28

Frequenzausgang

30

Stromeingang

32

Steuer- und Auswerteeinheit

34

Vorschalteingang

f

Frequenz

f_V

Vorgabefrequenz

f_Z

Zielfrequenz

f_N, f_N*

Nachführfrequenz

f_E

Endfrequenz

I

Strom

I_max

Maximalstrom

U

Spannung

φ

Phase

a

Beschleunigung

t

Zeit

t_0-4

Zeitpunkt

t_U

Umschaltzeitpunkt

t_R

Rückschaltzeitpunkt

B₀

Normalbetrieb

B_N

Nachführbetrieb

P_1,2

Betriebspunkt

0, N

Schaltstellung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• „’Sensorlose Steuerung für Asynchron Motoren mit S300-S700’, http://www.wiki-kollmorgen.eu/wiki/tiki-index.php?page=Sensorlose+Steuerung+f%C3%BCr+aSynchron+Motoren+mit+S 300-S700#Rampen“ [0006]

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben eines Maschinensystems (2), umfassend eine Asynchronmaschine (4) und eine die Asynchronmaschine (4) anhand einer vorgegebenen Frequenz (f) ansteuernden U/f-Steuerung (6), bei dem: – ein aktuell von der Asynchronmaschine (4) aufgenommener Strom (I) gemessen wird und mit einem vorgebbaren Maximalstrom (I_max) verglichen wird, – so lange der Strom (I) den Maximalstrom (I_max) nicht übersteigt, in einem Normalbetrieb (B₀) dem Maschinensystem (2) als Frequenz (f) eine Vorgabefrequenz (f_V) vorgegeben wird, – ab einem Umschaltzeitpunkt (t_U), an dem der Strom (I) den Maximalstrom (I_max) übersteigt, ein Nachführbetrieb (B_N) aktiviert wird, – im Nachführbetrieb (B_N): – dem Maschinensystem (2) als Frequenz (f) anstelle der Vorgabefrequenz (f_V) eine Nachführfrequenz (f_N) vorgegeben wird, – der Strom (I) als Regelgröße durch Veränderung der Nachführfrequenz (f_N) als Stellgröße auf den Maximalstrom (I_max) als Führungsgröße eingeregelt wird, – ab einem Rückschaltzeitpunkt (t_R), wenn die Nachführfrequenz (f_N) eine Endfrequenz (f_E) erreicht, der Nachführbetrieb (B_N) beendet und der Normalbetrieb (B₀) aktiviert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Umschaltzeitpunkt (t_U) die zu diesem Zeitpunkt herrschende Vorgabefrequenz (f_V) als Nachführfrequenz (f_N) gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strom (I) derart geregelt wird, dass die Nachführfrequenz (f_N) anhand einer Beschleunigung (a) als allgemeine Stellgröße verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Vorzeichen für die Beschleunigung (a) das Vorzeichen der Differenz aus Vorgabefrequenz (f_V) und Nachführfrequenz (f_N) gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Differenz aus der aktuellen Vorgabefrequenz (f_V) und einer unmittelbar vorhergehenden Nachführfrequenz (f_N*) gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem im Umschaltzeitpunkt (t_U) die zu diesem Zeitpunkt herrschende zeitliche Änderung der Vorgabefrequenz (f_V) als Beschleunigung (a) gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Endfrequenz (f_E) die Vorgabefrequenz (f_V) gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorgabefrequenz (f_V) von einem Hochlaufgeber (8) ausgegeben wird, der diese aus einer Zielfrequenz (f_Z) ermittelt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Endfrequenz (f_E) die Zielfrequenz (f_Z) ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Regelung zeitdiskret durchgeführt wird, indem die Nachführfrequenz (f_N) zu einem zweiten Zeitpunkt durch Addition der Nachführfrequenz (f_N*) zu einem erstem Zeitpunkt und einem für die Zeitdifferenz zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt geltenden Beschleunigungswert (a) ermittelt wird.
11. Nachführregler (14) für ein Maschinensystem (2), wobei das Maschinensystem (2) eine Asynchronmaschine (4) und eine die Asynchronmaschine (4) anhand einer vorgegebenen Frequenz (f) ansteuernde U/f-Steuerung (6) umfasst, mit: – einem Frequenzausgang (28) zur Bereitstellung einer Nachführfrequenz (f_N), die dem Maschinensystem (2) als Frequenz (f) zuführbar ist, insbesondere an einem Frequenzeingang (26) dessen, – einer Steuer- und Auswerteeinheit (32) mit einem Stromeingang (30), um einen Wert eines aktuell von der Asynchronmaschine (4) aufgenommenen Stroms (I) oder eine mit diesem korrelierte Größe zu empfangen, – wobei der Nachführregler (14) ab einem Umschaltzeitpunkt (t_U), an dem der Strom (I) den Maximalstrom (I_max) übersteigt, einen Nachführbetrieb (B_N) aufweist, – wobei im Nachführbetrieb (B_N): – eine Nachführfrequenz (f_N) am Frequenzausgang (28) anliegt, – der Nachführregler (14) zum Einregeln des Stroms (I) als Regelgröße durch Veränderung der Nachführfrequenz (f_N) als Stellgröße auf den Maximalstrom (I_max) als Führungsgröße ausgebildet ist.
12. Nachführregler (14) nach Anspruch 11, mit einem Vorschalteingang (34), und mit einem Schaltelement (16), das in einem Normalbetrieb (B₀) den Vorschalteingang (34) mit dem Frequenzausgang (28) verbindet, wobei diese Verbindung im Nachführbetrieb (B_N) getrennt ist, und die Nachführfrequenz (f_N) am Frequenzausgang (28) anliegt.
13. Nachführregler (14) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, bei dem die Steuer- und Auswerteeinheit (32) derart ausgebildet ist, um den Strom mit dem Maximalstrom zu vergleichen, wobei der Nachführrelger (14) einen Normalbetrieb (B₀) aufweist, so lange der Strom (I) den Maximalstrom (I_max) nicht übersteigt, und den Nachführbetrieb (B_N) so lange aufweist, bis die Nachführfrequenz (f_N) eine Endfrequenz (f_E) erreicht.
14. Nachführregler (14) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Steuer- und Auswerteinheit derart ausgebildet ist, dass die Regelung zeitdiskret durchgeführt wird, indem die Nachführfrequenz (f_N) zu einem zweiten Zeitpunkt durch Addition der Nachführfrequenz (f_N*) zu einem erstem Zeitpunkt und einem für die Zeitdifferenz zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt geltenden Beschleunigungswert (a) ermittelt wird.

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