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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor sowie ein entsprechendes System, Verfahren und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Der Ansatz des Condition Monitoring (CM)zur Überwachung von Maschinenzustandsdaten oder Messgrößen einer elektrischen Maschine ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Hierzu sind beispielweise Umrichter über einen Bus, wie Ethernet oder Profibus, in einer Automatisierungsanlage mit einem oder mehreren Elektromotoren verbunden. Die Verbindung zwischen Umrichter und Elektromotor erstreckt sich meist über eine lange Leitung. Die Umrichter weisen üblicherweise Sensoren zum Erfassen von Messdaten auf und sind dazu geeignet die angebundenen Elektromotoren auf der Basis von Eingangsgrößen, wie Parameter oder sonstige Eingabewerte zu regeln.
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Die Eingangsgrößen beziehen sich beispielsweise auf Motoreigenschaften, wie Spannung. Ferner werden bereits eine Vielzahl von Sensoren und deren entsprechende Sensorikprinzipien für die Erfassung der Messgrößen eingesetzt.
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Beispielsweise werden Drehzahl- Drehrichtungs- und Drehwinkelsensoren als Gebersensorik bezeichnet und zur Drehzahl-, Drehrichtung- und Drehwinkelerfassung eingesetzt. Diese Sensoren werden auch als Gebersensorik zusammengefasst. Die Gebersensorik kann beispielweise auf einer magnetoresistiven Technologie basieren oder hall-basiert sein. Weiterhin werden Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur, Vibrationssensoren zur Erfassung der Schwingung, Drucksensoren zur Erfassung des Drucks bzw. Durchflussmengen etc. eingesetzt. Neben der beispielhaften Aufzählung der Sensoren und Messgrößen sind weitere hier nicht aufgeführte bereits bekannt.
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Üblicherweise wird der Elektromotor auf der Basis der Eingangsgrößen durch den Umrichter geregelt. Beim Betrieb des Elektromotors können jedoch Abweichungen zwischen den Eingangsgrößen und aktuellen Messgrößen auftreten. Beispielweise können Spitzenspannungen an den Motorklemmen in Abhängigkeit von unbekannten Einflussfaktoren um ein Vielfaches der vom Umrichter eingespeisten Spannungen betragen. Mit anderen Worten formuliert, können zu hohe Spitzenspannungen an den Motorklemmen auftreten.
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Nachteilig an dem bekannten Condition-Monitoring Ansatz auf der Seite des Umrichters ist jedoch, dass der Umrichter üblicherweise nur einzelne oder eine begrenzte Anzahl von Sensoren zur Erfassung nur bestimmter Messgrößen, wie Spannung und Temperatur, aufweist. Andere Messgrößen, wie Vibration etc. bleiben bei der Überwachung unberücksichtigt.
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Ferner bleiben die meisten Abweichungen in der Regel jedoch unerkannt aufgrund der fehlenden Sensorik auf der Seite des Elektromotors und damit auch der Messung an der langen Zuleitung zum Elektromotor. Dadurch wird der Elektromotor üblicherweise außerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen betrieben. Folglich kann es zum Fehlbetrieb oder Ausfall des Elektromotors kommen und auch langfristig zu schwerwiegenden Schäden an den Elektromotoren führen.
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Falls erst nachträglich Abweichungen auf der Seite des Umrichters erkannt werden, schaltet der Umrichter den Elektromotor üblicherweise auf einfache Art und Weise ab ohne die Regelung im Hinblick auf die aufgetretenen Abweichungen vor einem erneuten Betrieb des Elektromotors anzupassen. Dadurch kann es jedoch erneut zu weiteren Abweichungen und einem Fehlbetrieb oder Ausfall des Elektromotors kommen.
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Alternativ werden die Elektromotoren erst nachträglich mit Sensoren ausgestattet. Diese Erweiterung der Elektromotoren um die notwendigen Sensoren ist jedoch sehr aufwendig, komplex, kostenintensiv und zeitintensiv.
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Aus den genannten Gründen ist eine Früherkennung einer Abweichung der Messwerte von Eingangsgrößen wünschenswert.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe einen Elektromotor bereitzustellen, welcher eine Abweichung zwischen Messwerten und Eingangsgrößen frühzeitig, zuverlässig, kostengünstig und effizient erkennt und damit auch Fehler oder Störungen der Regelung des Elektromotors auf der Basis der Eingangsgrößen vermeidet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektromotor, aufweisend:
- a. Mindestens eine Messeinheit zum Erfassen von mindestens einem Messwert;
- b. Eine Erkennungseinheit zum
- - Erkennen mindestens einer Abweichung durch einen Vergleich zwischen mindestens einer Eingangsgröße und dem mindestens einen Messwert,
- - falls mindestens eine Abweichung erkannt wird, Auswerten der mindestens einen Abweichung.
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Dementsprechend ist die Erfindung auf eine Erkennung einer oder mehrerer Abweichungen gerichtet. Die genannte Erkennung erfolgt durch einen Elektromotor. Der Elektromotor benötigt hierzu zwei unterschiedliche Datensätze, eine Eingangsgröße und einen Messwert. Der Messwert wird durch eine Messeinheit erfasst, insbesondere einen Sensor, wie Temperatursensor, Gebersensor oder Schwingungsensor.
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Ferner vergleicht der Elektromotor die beiden Datensätze miteinander. Mit anderen Worten formuliert, führt der Elektromotor einen Ist- Sollvergleich durch. Dementsprechend wird der Istwert, hier der aktuelle Messwert, mit dem Sollwert, hier der Eingangsgröße, verglichen.
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Fall der Istwert den Sollwert über- oder unterschreitet bzw. keine Übereinstimmung der Werte gegeben ist, liegt eine Abweichung vor. Für die Erkennung der einen oder mehreren Abweichungen können unterschiedliche Ansätze oder Verfahren, wie Kalmann-Filter etc. verwendet werden.
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Nach der Erkennung der einen oder mehreren Abweichungen, wertet der Elektromotor die Abweichung aus. Beispielweise kann der Elektromotor die Abweichung anzeigen, weiterleiten oder die Eingangsgröße direkt anpassen, wie korrigieren.
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Beispielsweise stellt der Elektromotor anhand der Erkennung fest, dass die Spannung an einer seiner Motorklemmen die voreingestellte Spannung, beispielweise am Umrichter eingespeiste Spannung, um ein Vielfaches überschreitet. Diese Überschreitung der Spitzenspannung kann gemeldet werden oder direkt im Elektromotor aktualisiert werden. Folglich wird jede Abweichung oder Divergenz zwischen dem Messwert auf der Seite des Umrichters und dem Messwert auf der Seite des Elektromotors erkannt und entsprechend behandelt.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik ist somit nicht der Umrichter mit einer Sensorik ausgestattet, welcher den Elektromotor regelt, sondern der Elektromotor selbst. Die Regelung des Elektromotors durch den Umrichter wird erheblich verbessert, in dem der Elektromotor die Abweichungen schnell und frühzeitig erkennt und darauf entsprechend reagieren kann. Beispielsweise kann der Elektromotor die erkannte Abweichung und/oder die entsprechende Eingangsgröße in einer Rückmeldung an den Umrichter melden, um die erkannte fehlerhafte Eingangsgröße für die erneute Regelung anzupassen und somit auch erneute Abweichungen zu vermeiden.
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In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Eingangsgröße eine Größe zum Regeln des Elektromotors durch eine Steuereinheit. Dementsprechend kann die Eingangsgröße auch als voreingestellter Parameter oder Eingabewert verstanden werden, mit welchem die Steuereinheit, insbesondere ein Umrichter den Elektromotor regelt. Beispielsweise wird eine bestimmte Spannung in den Elektromotor eingespeist etc.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Elektromotor weiterhin mindestens eine Eingabeschnittstelle auf, über welche die mindestens eine Eingangsgröße empfangen wird. Dementsprechend kann der Elektromotor einen oder mehrere Eingangsgrößen über eine oder mehrere Schnittstellen von anderen Einheiten, wie dem Umrichter empfangen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird die mindestens eine Eingangsgröße in dem Elektromotor voreingestellt. Dementsprechend kann der Elektromotor auch auf Eingangsgrößen zugreifen, welche direkt in diesem oder einer anderen Speichereinheit gespeichert sind, beispielsweise in Form einer Konfigurationsdatei oder einer Datenbank hinterlegt sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Elektromotor weiterhin mindestens eine Ausgabeschnittstelle auf, über welche die mindestens eine Abweichung gesendet wird. Dementsprechend kann der Elektromotor eine oder mehrere Abweichungen über eine oder mehrere Schnittstellen an andere Einheiten, wie den Umrichter senden. Die Kommunikationsschnittstellen gewährleisten vorteilhafterweise einen effizienten Datenaustausch zwischen den Einheiten.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Erkennungseinheit weiterhin zum Durchführen eines Schritts oder mehrerer der folgenden Schritte eingerichtet:
- - Anpassen der mindestens einen Eingangsgröße abhängig von der mindestens einen Abweichung;
- - Anzeigen der mindestens einen Abweichung auf dem Elektromotor;
- - Dokumentieren der mindestens einen Abweichung auf dem Elektromotor; und/oder
- - Senden der mindestens einen Abweichung von dem Elektromotor an eine Steuereinheit oder eine andere Einheit,
um die mindestens eine Eingangsgröße zum Regeln eines Elektromotors auf der Steuereinheit oder der anderen Einheit anzupassen, anzuzeigen oder eine Warnung anzugeben.
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Dementsprechend kann der Elektromotor die eine oder mehreren Abweichungen beliebig und flexible auswerten. Der Elektromotor kann die Abweichung und/oder auch andere Werte, wie Messwert oder Eingangsgröße direkt im Elektromotor anzeigen oder für weitere Auswertungen abspeichern werden. Ferner kann die Eingangsgröße auf der Basis der Abweichung für die erneute verbesserte Regelung angepasst werden oder die Abweichung kann gemeldet werden. Diese möglichen Auswertungsstrategien können beliebig kombiniert werden, um vorteilhafterweise Fehler oder Störungen zu vermeiden und/oder durch die Abweichung aufgetretene Fehler oder Störungen zu beheben.
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Die Erfindung betrifft ferner ein System, aufweisend:
- a. einen erfindungsgemäßen Elektromotor , welcher mindestens eine Abweichung erkennt;
- b. eine Steuereinheit zum Regeln des Elektromotors unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichung.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erkennung mindestens einer Abweichung, aufweisend:
- a. Erfassen von mindestens einem Messwert durch mindestens eine Messeinheit des erfindungsgemäßen Elektromotors; und
- b. Erkennen der mindestens einen Abweichung durch einen Vergleich zwischen der mindestens einen Eingangsgröße und dem mindestens einen Messwert des erfindungsgemäßen Elektromotors durch eine Erkennungseinheit des Elektromotors,
falls mindestens eine Abweichung erkannt wird, Auswerten der mindestens einen Abweichung.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Mittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einer programmgesteuerten Einrichtung zur Ausführung gebracht wird.
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Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen. Als programmgesteuerte Einrichtung kommt insbesondere eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise eine Industriesteuerungs-PC oder eine Speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Programmable Logic Controller, kurz PLC, oder ein Mikroprozessor für eine Smartcard oder dergleichen in Frage.
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Figurenliste
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In der folgenden detaillierten Beschreibung werden vorliegend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung weiter beschrieben mit Bezug auf die folgenden Figuren.
- 1 zeigt ein System mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben.
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1 stellt ein System 1 dar, welches eine Steuereinheit 10 und einen Elektromotor 20 aufweist. Wie gezeigt, ist die Steuereinheit 10 mit dem Elektromotor 20 beispielsweise über einen Datenkanal, wie Bus (bsp. Ethernet oder Profibus) verbunden und es können Daten oder Informationen bidirektional zwischen diesen Systemeinheiten 10, 20 ausgetauscht werden. Die Daten können dabei verschlüsselt oder unverschlüsselt ausgetauscht werden etc. Hierzu können übliche Protokolle und Standards verwendet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit 10 zur Regelung des Elektromotors 20 anhand eines oder mehrerer Eingangsgrößen E ausgebildet. Als Steuereinheit 10 kann ein herkömmlicher Umrichter 10 eingesetzt werden. Die Eingangsgrößen E können von der Steuereinheit 10 an den Elektromotor 20 übertragen werden oder bereits im Elektromotor 20 hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Konfigurationsdatei in einem flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speichermedium etc. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektromotor 20 auch Daten von anderen Systemeinheiten (nicht dargestellt) empfangen. Zum Empfang der Daten kann die Steuereinheit 10 und/oder der Elektromotor 20 mit einer oder mehreren Eingabeschnittstellen 22 versehen werden. Alternativ oder zusätzlich können die Steuereinheit 10 und/oder der Elektromotor 20 mit einer oder mehreren Ausgabeschnittstellen 24 versehen sein.
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Der Elektromotor 20 ermittelt zunächst einen oder mehrere Eingangsgrößen. Beispielweise empfängt der Elektromotor 20 eine Eingangsgröße E von der Steuereinheit 10 über eine Eingabeschnittstelle 22 oder ruft die Eingangsgröße E anderweitig in einem Speichermedium in dem Elektromotor 20 ab. Weiterhin erfasst der Elektromotor 20 einen Messwert oder mehrere Messwerte 100. Hierzu weist der Elektromotor 20 eine oder mehrere Messeinheiten 25, wie Sensoren, zur Erfassung der Messwerte auf.
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Mit anderen Worten formuliert, ermittelt der Elektromotor 20 zwei unterschiedliche Datensätze, die aktuellen Messdaten sowie die Eingangsgröße E. Der Messwert wird daraufhin mit der Eingangsgröße mittels einer Erkennungseinheit 23 des Elektromotors 20 verglichen 200. Mit anderen Worten formuliert findet ein Ist- Sollvergleich statt. Hierzu können unterschiedliche Verfahren bzw. Software-Ansätze verwendet werden, wie der Kalman Filter etc.
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Im Fall einer Übereinstimmung der beiden Werte ist die Eingangsgröße E richtig eingestellt und die Steuereinheit 10 kann wie bisher anhand der Eingangsgröße E den Elektromotor 20 ansteuern. Im anderen Fall einer Abweichung der beiden Werte, dementsprechend bei einer Über- oder Unterschreitung des Messwerts von der Eingangsgröße, ist die Eingangsgröße falsch oder nicht hinreichend eingestellt und die Abweichung muss weiter ausgewertet werden. Für die weitere Auswertung sind verschiedenen Möglichkeiten denkbar. Hierzu können unterschiedliche Verfahren bzw. Software-Ansätze verwendet werden, wie eine Beobachter-Software.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Elektromotor 20 direkt eine Anpassung der Eingangsgröße E in seiner gespeicherten Konfiguration vornehmen. Alternativ kann der Elektromotor 20 eine Nachricht mit der Abweichung A an die Steuereinheit 10 oder eine andere Einheit (nicht dargestellt) senden.
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Die Steuereinheit 10 kann daraufhin den Elektromotor 20 unter Berücksichtigung der Abweichung A regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 10 die Anpassung der Eingangsgröße E vornehmen. Nach der Anpassung kann die Steuereinheit 10 den Elektromotor 20 anhand der korrigierten Eingangsgröße E regeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 10 eine weitere Nachricht mit der Abweichung A an eine andere Einheit (nicht dargestellt) senden, welche eine Warnung oder Alarmierung angibt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abweichung auf dem Elektromotor 20, auf der Steuereinheit 10 oder einer anderen Einheit (nicht dargestellt) angezeigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Abweichung A auch auf dem Elektromotor 20 dokumentiert oder anderweitig gespeichert werden. Die Dokumentation der Motoreinsatzbedingungen, deren Eingangsgröße E, Abweichung A, Messwerte und/oder auch durch die Abweichung verursachte Fehler oder Störungen kann der Optimierung hinsichtlich elektrischer Motormerkmale, Einsatzmaterial, oder anderer Regelungstechnik etc. dienen und berücksichtigt werden.
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Die Auswertung kann auch mehrstufig erfolgen. Die Steuereinheit 10 sendet eine Anfrage an den Elektromotor 20, welche darauf gerichtet ist die Erkennung einer Abweichung gemäß 2 durchzuführen. Daraufhin erkennt der Elektromotor 20 zunächst eine Abweichung A und wertet diese Abweichung A aus.
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Die Abweichung A wird einem Bediener zunächst visuell angezeigt. Gleichzeitig oder nach dem Anzeigen der Abweichung wird eine Nachricht mit der Abweichung A als Antwort auf die Anfrage an die Steuereinheit 10 übermittelt. Dementsprechend erhält die Steuereinheit 10 nach der Erkennung einer Abweichung durch die Motoreinheit 20 von dieser eine Art Rückmeldung („Feedback“). Die Steuereinheit 10 nimmt nach dem Empfang der Rückmeldung eine Anpassung der Eingangsgröße E vor, insbesondere Korrektur oder Fine-Tuning, und alarmiert weiterhin gleichzeitig oder nach der Anpassung eine weitere Einheit. Bei der weiteren Einheit kann es sich um einen anderen Elektromotor (nicht dargestellt) handeln, welcher an den Elektromotor 20 gekoppelt ist. Dieser wird ebenfalls entsprechend der Abweichung geregelt.
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2 stellt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit weiteren Details dar, wobei das Verfahren die folgenden Schritte 100 - 200 aufweist:
- a. Erfassen von mindestens einem Messwert durch mindestens eine Messeinheit (25) des Elektromotors (20)(100); und
- b. Erkennen der mindestens einen Abweichung (A) durch einen Vergleich zwischen der mindestens einen Eingangsgröße (E) und dem mindestens einen Messwert (200),
falls mindestens eine Abweichung (A) erkannt wird, Auswerten der mindestens einen Abweichung (A).
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Mit anderen Worten formuliert wird der Elektromotor 20 mit einer intelligenten Elektronik erweitert. Diese Elektronik berechnet aus den gemessenen mechanischen und/oder elektrischen Messwerten parallel zum Motorbetrieb in Echtzeit ein regelungstechnisches Motormodell.
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In diesem Modell können beispielsweise Motoreigenschaften, zum Teil auch für Werte, welche nicht direkt gemessen werden (sensorlose Kennwerte) berechnet und über die Zeit nachgeführt werden. Diese Daten können für eine integrierte Eigendiagnose für die Motorzustandsdiagnose genutzt werden.
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Ferner werden Veränderungen der Motoreigenschaften im Motormodell direkt sichtbar. Beispielsweise können die Veränderungen durch Trenddarstellungen visualisiert und somit überwacht werden.
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Ferner kann durch die Messung festgestellt werden, ob der Elektromotor im Rahmen der Spezifikation betrieben wird, beispielsweise Fahrrampen, Spannungssteilheit, Spitzenspannungen, Drehmoment, Lastsprünge. Daraufhin kann eine Warnung oder Alarmierung erfolgen.
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Aus Software-technischer Sicht eignet sich die Anwendung eines Software-Reglers, Kalman Filter, Support Vektor Machines, Decision Trees u.a. auf der Basis von Trendanalysen wiederum auf der Basis der Regelung (z.B. als Kalman Filter). Die verwendeten Koeffizienten können direkt an nicht gemessene physikalische Größen gekoppelt werden, beispielsweise Drehmoment-Übertragungsfaktor, Leistung-Temperatur Kopplung usw. Ferner eignet sich eine kundenspezifisch anpassbare Beobachter Software, welche Veränderungen mitverfolgt bzw. erkennt sowie Warnungen und Alarmierungen absetzen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Erkennungseinheit 23 und/oder das Verfahren gemäß der Erfindung ebenfalls auf die Steuereinheit 10 anwendbar.
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In einer weiteren Ausführungsform wird im Elektromotor 20 auch der Ausgangsdatensatz mit sinnvollen Startparametern abgelegt, mit denen der Elektromotor 20 schon einmal laufen würde, beispielsweise auch mit maximalen und minimalen Werten, die nicht über und unterschritten werden sollten, wenn der Elektromotor im Betrieb ist. Diese maximalen und minimalen Werte sind vom Elektromotor 20 selbst abhängig, wie z.B. die maximale Klemmenspannung am Elektromotor (Isolationsfestigkeit der Wicklung) sowie die maximalen Temperaturen und ggf. Zeitkonstanten für den Wiederanlauf.
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Ferner kann der Elektromotor 20 diesen Datensatz per Standard-Kommunikation (z.B. über OPC UA) direkt als Parametersatz in den Umrichter einprägen, so dass Personal bei der Inbetriebnahme des Elektromotors 20 mit dem Umrichter nur noch wenige Einstellungen im Umrichter vornehmen muss, um in Betrieb zu gehen.
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Ferner bleiben die Startparameter (Ausgangsparametersatz) als solche im Speicher erhalten, auch wenn die Parameter sich im laufenden Betrieb verändern (beispielsweise durch das ständige lernen), für den Fall, dass der Motor später einmal an einen anderen Umrichter angeschlossen wird oder Umbaumaßnahmen vorgenommen werden sollten. An einem anderen Umrichter können beispielsweise andere Kabel usw. zu anderen Parametern führen. Bei dem anderen Umrichter könnte ein konservativ gestalteter Start bzw. Ausgangsparametersatz verwendet werden.
