DE102021118075A1

DE102021118075A1 - Verfahren zum Reduzieren von rückgespeister Energie und Umkehrbeanspruchung in einer von einem Elektromotor angetriebenen hin-und herbewegbaren Last durch Modulation der Motordrehzahl unter Verwendung eines Frequenzumrichterantriebs und zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellter Frequenzumrichterantrieb

Info

Publication number: DE102021118075A1
Application number: DE102021118075.9A
Authority: DE
Inventors: Steve Meyer; Per Maersk Jorgensen
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-01-19
Also published as: CN115622449A; US11863113B2; US20230018979A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit hin- und herbewegbarer Last, wobei die Motordrehzahl eine Funktion zweier Eingangsgrößen - nämlich eines benutzerdefinierten Drehzahlsollwerts und einer lastabhängigen Eingangsgröße - ist. Gemäß der Erfindung ist die lastabhängige Eingangsgröße eine Funktion des Motorstroms. Die Erfindung betrifft außerdem einen Frequenzumrichterantrieb zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit hin- und herbewegbarer Last, wobei der Antrieb dazu programmiert ist, das vorliegend beschriebene Verfahren durchzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Motors, der eine hin- und herbewegbare Last antreibt, wobei die Drehzahl des Motors eine Funktion zweier Eingangsgrößen - nämlich eines benutzerdefinierten Drehzahlsollwerts und einer lastabhängigen Eingangsgröße - ist. Gemäß der Erfindung ist die lastabhängige Eingangsgröße eine Funktion des Motorstroms. Die Erfindung betrifft außerdem einen Frequenzumrichterantrieb zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit einer hin- und herbewegbaren Last, wobei der Umrichter dazu programmiert ist, das vorliegend beschriebene Verfahren durchzuführen.
Die Verwendung von Elektromotoren für den Antrieb hin- und herbewegbarer Lasten, wie beispielsweise von Gestängepumpen zum Fördern von Öl, ist in der Technik bekannt. Bei hin- und herbewegbaren Lasten handelt es sich um Mechanismen, die während eines Hubes der Vorrichtung zweimal ihre Bewegungsrichtung ändern. Die Schwankung der Motorlast kann derart sein, dass die Richtung des Energieflusses zwischen dem Antriebsmotor und der hin- und herbewegbaren Last während eines Teils des Hubs umgekehrt oder rückspeisend wird.
Daher benötigt die hin- und herbewegbare Last zu einigen Zeitpunkten des Lastzyklus einen Nettoenergieeintrag, während sie zu anderen Zeitpunkten des Lastzyklus Energie erzeugt. Zum Abführen der von der Last in den Motor zurückfließenden Energie werden üblicherweise Bremswiderstände verwendet.
Ein sich aus diesen Umständen ergebendes Problem besteht darin, dass die Regelungsarchitektur des Motors komplizierter und teurer wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Regelung solcher Motoren bereitzustellen, sodass die erzeugte Energie reduziert und gleichzeitig die Architektur des Frequenzumrichterantriebs vereinfacht wird.
Dieses Ziel wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichterantrieb nach Anspruch 10 erreicht.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit hin- und herbewegbarer Last bereitgestellt, wobei die Drehzahl des Motors eine Funktion zweier Eingangsgrößen - nämlich eines benutzerdefinierten Drehzahlsollwerts und einer lastabhängigen Eingangsgröße - ist. Gemäß der Erfindung ist die lastabhängige Eingangsgröße eine Funktion des Motorstroms.
Der Motor mit hin- und herbewegbarer Last kann als Elektromotor für den Antrieb nicht konstanter, insbesondere hin- und herbewegbarer Lasten, wie z.B. Ölpumpen, verstanden werden. Die Drehzahl des Motors ist ein Sollwert, der durch eine externe Regelung bestimmt und an einen Frequenzumrichterantrieb übermittelt wird.
Die auf diese Weise durch den Frequenzumrichterantrieb durchgeführte Modulation der Motordrehzahl ist eine kombinierte Funktion des benutzerdefinierten Drehzahlsollwerts und der lastabhängigen Eingangsgröße, die zusammen verwendet werden, um die Eigenschaften der elektrischen Stromversorgung des Motors zu definieren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Verwendung von Bremswiderständen, die üblicherweise verwendet werden, wenn ein Frequenzumrichterantrieb genutzt wird, um eine hin- und herbewegbare Last anzutreiben, zu minimieren oder zu eliminieren.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf das Gebiet der Gestängepumpen, wie sie in der Ölindustrie verwendet werden, beschrieben werden kann, kann die vorliegende Erfindung bei jeder hin- und herbewegbaren Last, bei der eine Verringerung der Umkehrbeanspruchung von Vorteil ist, angewendet werden.
Da die Motordrehzahl erfindungsgemäß proportional zu der von dem Motor gemessenen Last moduliert wird, kann der Impuls des mechanischen Systems, welcher der hin- und herbewegbaren Last entspricht, an den Umkehrpunkten eines Hubs der hin- und herbewegbaren Last minimiert werden.
Dementsprechend ermöglicht die Erfindung die Regelung der Motordrehzahl einer hin- und herbewegbaren Lastanwendung unter Vermeidung der Rückspeisung von Energie aus der hin- und herbewegbaren Last in den Motor.
Durch die effektive Nutzung der Energie, die zum Beschleunigen der Motor-/Pumpen-Anwendung erforderlich ist, ändert die vorliegende Erfindung den Drehzahlsollwert zusätzlich zu dem vom Benutzer eingestellten Sollwert derart, dass die Beschleunigungsenergie der von der hin- und herbewegbaren Last rückgespeisten Energie entgegenwirkt. Auf ähnliche, aber umgekehrte Weise nutzt die Erfindung auch die kinetische Energie, um der Antriebsenergie der hin- und herbewegbaren Last entgegenzuwirken, indem sie abbremst, wenn die hin- und herbewegbare Last positiv belastet ist. Auf diese Weise wird der Motor in eine Motorbetriebsart mit weniger Lastschwankungen gehalten, sodass Bremswiderstände entfallen können.
Der Drehzahlsollwert des Motors wird auf Basis des gemessenen Motorstroms geändert. Durch das Extrahieren der Wirkstromkomponente des gemessenen Motorstroms kann ein indirektes Maß für das Motorlastmoment erhalten werden. Durch Entfernen der Gleichstromkomponente aus der Wirkstromkomponente durch Anwenden einer geeigneten Filterung und Verstärkung kann eine variabler Drehzahlsollwert erhalten werden, der einen Sollwert für die Drehzahlkorrektur, welcher die eingestellte Drehzahl moduliert, bereitstellt, wodurch die rückgespeiste Energie reduziert wird, ohne die von dem Benutzer eingestellte Drehzahl zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß kann eine softwarebasierte Lösung bereitgestellt werden, die weder externe oder zusätzliche Sensoren, wie Drehzahl-, Positions- oder Drehmomentsensoren jeglicher Art, noch externe Regelungen mit spezieller Programmierung erfordert. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die von dem Antrieb wahrgenommene rückgespeiste Energie vermieden wird und somit keine Bremswiderstände benötigt werden.
Obwohl alternative Regelungslösungen realisierbar sind, kann die vorliegende Erfindung als die einfachste Lösung, welche die von dem Benutzer eingestellte Drehzahl der Anwendung nicht kompromittiert, angesehen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Durchführen des Verfahrens ein Frequenzumrichterantrieb zur Regelung der Motordrehzahl bereitgestellt. Das Verfahren kann daher auf einem üblichen Frequenzumrichterantrieb durchgeführt werden, wodurch die Umsetzung der Erfindung erleichtert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren als ein Regelalgorithmus in dem Frequenzumrichterantrieb implementiert. Der übliche Frequenzumrichterantrieb muss daher nicht auf der Ebene der Hardware modifiziert werden, was die Umsetzung der Erfindung weiter erleichtert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Motordrehmoment während eines vollständigen Zyklus der hin- und herbewegbaren Last positiv gehalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet der Regelalgorithmus als Eingabe nur den gemessenen Stromwert des Motors mit hin- und herbewegbarer Last. Der Motorstrom wird dazu verwendet, zusätzlich zu dem von dem Benutzer vorgegebenen Drehzahlsollwert die lastabhängige Drehzahlregelung durchzuführen. Der Motorstrom und der von dem Benutzer vorgegebene Drehzahlsollwert können die einzigen Größen sein, die zur Durchführung der Drehzahlregelung des Motors verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Motorstrom durch mindestens einen Stromsensor in dem Frequenzumrichterantrieb gemessen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Drehzahländerung des Motors mit hin- und herbewegbarer Last proportional zu dem Impuls, der in der von dem Motor angetriebenen Last gespeichert ist - insbesondere zu dem in einer Welle, einer Kurbelwelle und/oder einem Getriebe gespeicherten Impuls.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Drehmoment des Motors mit hin- und herbewegbarer Last aus dem gemessenen, durch den Motor mit hin- und herbewegbarer Last fließenden Strom, berechnet. Insbesondere kann das Verfahren die Wirkstromkomponente des gemessenen Stroms verwenden, wobei die Wirkstromkomponente dem Drehmoment des Motors mit hin- und herbewegbarer Last entspricht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Frequenzumrichterantrieb nur Stromsensoren als Sensoren. Daher kann für die Durchführung des vorliegend beschriebenen Verfahrens ein üblicher Frequenzumrichterantrieb verwendet werden, ohne dass Hardwareanpassungen erforderlich sind.
Die Erfindung richtet sich auch auf einen Frequenzumrichterantrieb zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit hin- und herbewegbarer Last. Der Frequenzumrichterantrieb ist dazu programmiert, das vorliegend beschriebene Verfahren, das einige oder alle der vorliegend beschriebenen Verfahrensschritte beinhaltet, durchzuführen. Der Frequenzumrichterantrieb kann so ausgelegt sein, dass während eines Hubs der hin- und herbewegbaren Last keine angesammelte Abwärme durch den Motor erzeugt wird und diese somit nicht durch dedizierte Bremswiderstände abgeführt werden muss. Der Frequenzumrichterantrieb kann ein Diodengleichrichter-Frontend-Stromrichter sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

Die 1 und 2: schematische Darstellungen einer Anwendung, bei der das vorliegend beschriebene Verfahren zum Einsatz kommt;
Die 3: Schaubilder, welche die Leistungsfähigkeit von Anwendungen nach dem Stand der Technik zeigen;
Die 4: Schaubilder, welche die Leistungsfähigkeit einer Anwendung zeigen, bei welcher die vorliegend beschriebene Erfindung zum Einsatz kommt; und
Die 5 Schaubilder des Motordrehmoments und der Drehzahl, die in Abschnitte von Halbhüben aufgeteilt sind.

Die 1 und 2: zeigen schematische Darstellungen einer Anwendung, bei der die vorliegend beschriebene Erfindung zum Einsatz kommt. Die Anwendung kann eine Anzahl elektrischer und mechanischer Komponenten beinhalten. Die Anwendung beinhaltet einen Frequenzumrichterantrieb, bei dem es sich um einen Stromrichter, einen Motor, ein Getriebe und eine Gestängepumpe als eine von dem Motor angetriebene hin- und herbewegbare Last handeln kann. Der Motor, das Getriebe und die Gestängepumpe sind mechanisch so gekoppelt, dass Leistung von dem Motor auf die Gestängepumpe übertragen werden kann.
Der Frequenzumrichterantrieb liefert ein Ausgangssignal zum Antreiben des Motors an den Motor. Die Anwendung verfügt über eine in den Frequenzumrichterantrieb integrierte Drehzahlregelung für den Motor mit hin- und herbewegbarer Last. Die Drehzahlregelung des Motors mit hin- und herbewegbarer Last empfängt eine Eingangsgröße, die den Motorstrom oder die Last angibt und die zu jedem Zeitpunkt auch das Motordrehmoment angibt. Eine zweite Eingangsgröße, die der Antrieb empfängt, ist ein benutzerdefinierter Drehzahlsollwert, der von einem Benutzer der Anwendung eingegeben werden kann. Auf Basis der beiden Eingangsgrößen wird in dem Antrieb ein Algorithmus zur Drehzahlregelung des Motors mit hin- und herbewegbarer Last bereitgestellt, um den endgültigen Drehzahlsollwert, der von dem Frequenzumrichterantrieb zur Ausgabe von Signalen an den Motor verwendet wird, zu berechnen.
Da von dem Antrieb sowohl der benutzerdefinierte Drehzahlsollwert als auch der tatsächliche Motorstrom bzw. die Motorlast als Eingangsgrößen berücksichtigt werden, kann der Antrieb das Motordrehmoment so regeln, dass es während eines vollständigen Lastzyklus der hin- und herbewegbaren Last positiv bleibt, wodurch ein Eintrag von rückgespeister Energie von der Last in den Motor und den Antrieb vermieden wird.
Der Motorstrom, der das Motordrehmoment anzeigt, kann durch mindestens einen oder genau einen Stromsensor, der an dem Frequenzumrichterantrieb oder als Teil desselben bereitgestellt ist, gemessen werden.
Es ist möglich, die vorliegende Erfindung nur durch das Messen von Stromwerten auszuführen. Dementsprechend kann der Frequenzumrichterantrieb nur Stromsensoren oder nur einen Stromsensor und keine weitere Sensorausstattung enthalten.
Die 3 zeigt Schaubilder, welche die Leistungsfähigkeit bekannter Anwendungen nach dem Stand der Technik, bei denen ein Elektromotor eine hin- und herbewegbare Last antreibt, darstellen. Wie durch die horizontale Linie in dem mittleren Schaubild des Motordrehmoments in Abhängigkeit von der Zeit angedeutet, kann ein negatives Drehmoment auftreten, wobei die hin- und herbewegbare Last tatsächlich den Motor antreibt und dadurch Rückspeiseleistung erzeugt, die den Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichterantriebs aufladen kann. Um diese umgekehrten Bedingungen zu bewältigen, ist in bekannten Anwendungen eine Widerstandsbremsung vorgesehen.
Die 4 zeigt Diagramme, welche die Leistungsfähigkeit einer Anwendung zeigen, bei welcher das vorliegend beschriebene Verfahren und/oder der vorliegend beschriebene Frequenzumrichterantrieb zum Einsatz kommen. Das obere Schaubild des Drehzahlsollwerts in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, dass die bekannten Lösungen einen festen Drehzahlsollwert vorsehen, während die vorliegende Erfindung einen lastabhängigen und daher variablen Drehzahlsollwert bereitstellt. Der lastabhängige Drehzahlsollwert variiert in Abhängigkeit von dem Drehmoment, das von der hin- und herbewegbaren Last auf den Motor übertragen wird.
Das mittlere Schaubild des Motordrehmoments in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, dass erfindungsgemäß kein negatives Drehmoment, d.h. ein Drehmoment von der hin- und herbewegbaren Last auf den Motor, mehr vorhanden ist. Demzufolge überträgt der Motor in allen Phasen seines Hubs ein positives Nettodrehmoment auf die hin- und herbewegbare Last; die entsprechende Kurve liegt oberhalb der horizontalen Nulllinie.
Die 5 zeigt in Abschnitte unterteilte Schaubilder mit Schwerpunkt auf dem Motordrehmoment. Die vier Abschnitte - Sektor A, Sektor B, Sektor C und Sektor D - sind Daten zum Halbhub-Drehmoment der hin- und herbewegbaren Last am Motor.
In den Sektoren A und C ist eine abnehmende Kurve von Drehmoment und Energie zum Antreiben des Motors erforderlich. Am Ende von Sektor A und Sektor C beschleunigt der Motor, während das Motordrehmoment positiv gehalten wird, um Rückspeiseenergie zu vermeiden, die normalerweise Bremswiderstände erfordern würde, was wiederum eine Verschwendung von Wärme und Energie wäre.
In den Sektoren B und D ist eine zunehmende Kurve von Drehmoment und Energie zum Antreiben des Motors erforderlich. Am Ende von Sektor B und Sektor D bremst der Motor ab, um eine Drehzahl zu erreichen, die beim Übergang in den nächsten Sektor kein negatives Drehmoment erzeugt, was normalerweise Bremswiderstände erfordern würde und eine Verschwendung von Wärme und Energie wäre.

Claims

Verfahren zur Regelung der Motordrehzahl eines Motors mit hin- und herbewegbarer Last, wobei die Motordrehzahl des Motors eine Funktion zweier Eingangsgrößen - nämlich eines benutzerdefinierten Drehzahlsollwerts und einer lastabhängigen Eingangsgröße - ist, dadurch gekennzeichnet, dass die lastabhängige Eingangsgröße eine Funktion des Motorstroms ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Frequenzumrichterantrieb zur Regelung der Motordrehzahl bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als ein Regelalgorithmus in dem Frequenzumrichterantrieb implementiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motordrehmoment während eines vollständigen Zyklus der hin- und herbewegbaren Last positiv gehalten wird.
Verfahren nach mindestens Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelalgorithmus als Eingabe nur den gemessenen Stromwert des Motors mit hin- und herbewegbarer Last verwendet.
Verfahren nach mindestens den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom durch mindestens einen Stromsensor in dem Frequenzumrichterantrieb gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahländerung des Motors mit hin- und herbewegbarer Last zu der in der von dem Motor angetriebenen Last gespeicherten Trägheit - insbesondere der in einer Welle, einer Kurbelwelle und/oder einem Getriebe gespeicherten Trägheit - proportional ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Motors mit hin- und herbewegbarer Last aus dem gemessenen, durch den Motor mit hin- und herbewegbarer Last fließenden Strom, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichterantrieb nur Stromsensoren als Sensoren umfasst.
Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines Motors mit einer hin- und herbewegbaren Last, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter dazu programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen und/oder dadurch, dass während eines Hubs der hin- und herbewegbaren Last keine anfallende Abwärme durch den Motor erzeugt wird und diese somit nicht durch dedizierte Bremswiderstände abgeführt werden muss.