DE19735022B4

DE19735022B4 - Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistung von Asynchron-Elektromotoren

Info

Publication number: DE19735022B4
Application number: DE19735022A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Weigel; Arno Breimhorst; Jens Titschert; Martin Eickhoff
Original assignee: Bucyrus DBT Europe GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: GB2341683A; DE19735022A1; GB2341683B; GB9820286D0; US6008605A

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistungen von Asynchron-Elektromotoren, insbesondere zum Antrieb von Gewinnungs- und Förderanlagen im untertägigen Bergbau, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (M = f(n)) des jeweiligen Motors (16, 17) in einem Rechner (25) gespeichert wird, dass die momentane Drehzahl (n, n') des Motors (16, 17) mit Hilfe eines Drehgebers (20, 22; 21, 23) potentialgetrennt vom Versorgungsnetz des Motors ermittelt und mit der im Rechner (25) gespeicherten Kennlinie (M = f(n)) verglichen wird, wobei die Wirkleistung (P, P') sich aus dem der ermittelten Momentandrehzahl (n, n') zugeordneten Drehmomentwert (M, M') ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistung von Asynchron-Elektromotoren insbesondere zum Antrieb von Gewinnungs- und Förderanlagen im untertägigen Bergbau.
Für den Antrieb schwerer Maschinen, beispielsweise von Kettenkratzförderern, Kohlenhobeln und Walzenschrämladern im Bergbau werden häufig Asynchron-Elektromotoren verwendet, die als besonders robust gelten und auch mit großen Leistungen erhältlich sind. Insbesondere, wenn mehrere Motoren gemeinsam zum Antrieb einer Maschine dienen, ist es erforderlich, die von den einzelnen Motoren abgegebene Leistung zu ermitteln, um die verschiedenen Antriebe so aufeinander einzuregeln, daß die von der angetriebenen Maschine bewältigte Last gleichmäßig von den verschiedenen Antriebsmotoren aufgenommen wird. Da sich die Belastung der Maschinen und damit der diese antreibenden Motoren ständig ändert, ist eine schnelle Ermittlung der von den einzelnen Motoren abgegebenen Leistung und damit eine schnelle Regelbarkeit wünschenswert.
Bislang ist es allgemein üblich, die Leistungsaufnahme von Asynchron-Motoren durch Messung der an ihnen anliegenden Spannung und ihres Wirkstroms zu ermitteln. Die Wirkleistung ergibt sich dann in bekannter Weise durch Multiplikation von Spannung und Wirkstrom. Dieses bekannte Verfahren ist bei vielen Stromversorgungsnetzen, insbesondere bei Netzen unter Tage, schwierig und ungenau. Die Meßwerte müssen bei diesem Verfahren unmittelbar an der Stromeinspeisung der Motoren abgegriffen werden, was insbesondere bei einer Vielzahl von zu überwachenden Motoren sehr aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistung von Asynchron-Elektromotoren zu schaffen, mit dem die Leistung sehr genau und einfach ermittelt werden kann und das so eine sehr schnelle Regelbarkeit des Motors erlaubt. Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, daß die individuelle Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des jeweiligen Motors in einem Rechner gespeichert wird, daß die momentane Drehzahl des Motors mit Hilfe eines Drehgebers potentialgetrennt vom Versorgungsnetz des Motors ermittelt und mit den im Rechner gespeicherten Drehzahlwerten verglichen wird, wobei die Wirkleistung aus dem im Rechner gespeicherten, der ermittelten Momentandrehzahl zugeordneten Drehmomentwert ermittelt wird. Da Drehmoment und Leistung eines Asynchron-Motors proportional zueinander sind, kann alternativ auch die individuelle Leistungs-Drehzahl-Kennlinie des jeweiligen Motors im Rechner gespeichert werden, die momentane Drehzahl des Motors mit Hilfe eines Drehgebers ermittelt und mit den im Rechner gespeicherten Drehzahlwerten verglichen werden, wobei die momentane Wirkleistung des Motors dem im Rechner gespeicherten, der ermittelten Momentandrehzahl zugeordneten Leistungswert entspricht.
Die Erfindung nutzt also die Erkenntnis, daß jeder Asynchron-Elektromotor eine individuelle Drehzahl-Drehmoment- bzw. Drehzahl-Leistungs-Kennlinie besitzt, die sich auch nach längerem Betrieb des Motors nicht ändert. Diese Kennlinie muß nur einmalig ermittelt werden, was üblicherweise bereits durch den Hersteller des Motors bei Testläufen vor seiner Auslieferung geschieht. Die so ermittelte Kennlinie kann in einem üblichen Prozeßrechner gespeichert werden, so daß sich die Momentanleistung bzw. das momentane Drehmoment des Motors in Abhängigkeit von der vom Drehgeber ermittelten, an den Prozeßrechner weitergeleiteten Momentandrehzahl eindeutig und sehr schnell ermitteln lassen.
Die Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß zur Ermittlung der Leistung nicht in die Energiezufuhr zum Motor eingegriffen werden muß, was wiederum einen nicht quantifizierbaren Einfluß auf dessen Leistung haben könnte. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Leistungen können im Prozeßrechner gespeichert und auch über geeignete Datenkommunikationseinrichtungen an einen übergeordneten Leitrechner weitergeleitet werden. Die Daten können leicht zur Überlasterkennung des Motors genutzt werden, wobei dann sinnvollerweise der Prozeßrechner selbst für die Abschaltung des überlasteten Motors sorgt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können mit dem neuen Verfahren die Drehzahlen von mehreren, an einer gemeinsamen Gewinnungs- oder Förderanlage zusammenwirkenden Motoren festgestellt und aus diesen Drehzahlen die Momentanleistungen der einzelnen Motoren ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit der so ermittelten Momentanleistungen ein Lastausgleich zwischen den Motoren durchgeführt wird. Der Lastausgleich kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe mindestens einer Schlupfkupplung, eines Stützmotors oder durch Frequenzumrichtung der am jeweiligen Motor anliegenden Netzfrequenz erfolgen, wobei die verwendete Regeleinrichtung vom Rechner gesteuert wird und die zum Lastausgleich notwendige Drehzahlverstellung vornimmt.
Die im Rechner eingespeicherten Motor-Kennlinien können in Form von Tabellen gespeichert sein, wobei jedem Wert für eine Drehzahl ein Wert für die Wirkleistung bzw. das Drehmoment zugeordnet ist. Diese "digitale" Darstellungsform der Motor-Kennlinien benötigt zwar einen vergleichsweise großen Speicherplatz, wenn der Drehzahlbereich zwischen null und der Nenndrehzahl des Motors in sehr viele, iterative Schritte aufgeteilt wird; da Speicherplatz bei modernen Rechnern jedoch mittlerweile in großem Maß zur Verfügung steht, wird dieser Nachteil durch den dann möglichen, besonders schnellen Zugriff und den so praktisch in Echtzeit zur Verfügung stehenden Leistungswert sicherlich ausgeglichen. Selbstverständlich ist es auch möglich, jede im Rechner gespeicherte Motor-Kennlinie in Form einer Funktionsgleichung "analog" zu speichern, wobei dann die zu ermittelnde Leistung als Funktion der abgetasteten Momentandrehzahl errechnet werden muß.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert wird. Es zeigt:
1 eine Förderanlage im untertägigen Bergbau mit einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung; und
2 die Motor-Kennlinien zweier Asynchron-Elektromotoren.
In der Zeichnung ist mit 10 eine Förderanlage für den untertägigen Bergbau bezeichnet, nämlich ein Kettenkratzförderer mit einer umlaufenden Förderkette 11, die von einem Hauptantrieb 12 und einem Hilfsantrieb 13 angetrieben wird. Zum Hauptantrieb 12 bzw. Hilfsantrieb 13 gehören jeweils ein Getriebe 14 bzw. 15, an das zum Antrieb eingangsseitig ein erster Asynchron-Elektromotor 16 am Hauptantrieb und ein zweiter Asynchron-Motor 17 am Hilfsantrieb 13 angeflanscht ist.
An den Abtriebswellen 18 bzw. 19 der Motoren 16, 17 sind Drehgeberscheiben 20, 21 angeordnet, die bei ihrer Drehung von Meßwertaufnehmern 22, 23 abgetastet werden. Drehgeberscheibe 20 bzw. 21 und Meßwertaufnehmer 22, 23 bilden zusammen jeweils einen Drehgeber, mit dessen Hilfe die momentane Drehzahl des jeweiligen Motors 16 bzw. 17 ermittelt wird.
Die ermittelten Drehzahlen n bzw. n' des Haupt- bzw. Hilfsantriebsmotors werden über Datenleitungen 24 einem Rechner 25 zu geleitet, in dem die momentane Wirkleistung der beiden Motoren 16, 17 ermittelt wird. Hierzu sind im Rechner die Motor-Kennlinien der beiden Asynchron-Motoren 16, 17 gespeichert, die in 2 dargestellt sind.
Wie sich aus 2 ergibt, haben die Motor-Kennlinien des Motors 16 für den Hauptantrieb 12 und des Motors 17 für den Hilfsantrieb 13 zwar einen ähnlichen, jedoch nicht identischen Verlauf. So weichen die beiden Motoren in ihrer Leerlaufdrehzahl n₀ bzw. n_0' ihrem Kippmoment M_k bzw. M_k' und der Steigung ihrer einzelnen Funktionsabschnitte voneinander ab. Die Motor-Kennlinien M/P = f(n) bzw. M'/P' = f(n') verschiedener Asynchron-Motoren der gleichen Nennleistung P_N sind individuell verschieden, verändern sich jedoch im Laufe ihres Betriebslebens nicht. Die einmal beispielsweise im Rahmen eines Testlaufes ermittelten Motor-Kennlinien für die Hauptantrieb und den Hilfsantrieb sind im Rechner 25 fest eingespeichert, und zwar entweder – wie in Bezug auf den Hauptantrieb dargestellt – in analoger Form, bei der der in 2 dargestellte, als durchgezogene Linie gezeichnete Graph in Form der Funktionsgleichung P = f(n) abgelegt ist, oder in Form einer Tabelle, bei der der Bereich der Kennlinie zwischen einer Drehzahl null und der Leerlaufdrehzahl n0' in eine möglichst große Anzahl iterativer Abschnitte Δn unterteilt ist und jedem so festgelegten Drehzahlwert n1, n2, n3 usw. ein zugehöriger Leistungswert P1, P2, P3 usw. zugeordnet ist.
Die momentane Wirkleistung der Motoren 16, 17 kann mit der beschriebenen Anordnung verfahrensgemäß sehr schnell und genau dadurch ermittelt werden, daß die von den Meßwertaufnehmern 22, 23 abgetasteten, momentanen Drehzahlen im Rechner entweder – wie beim Hilfsantrieb dargestellt – mit den in der Tabelle 26 abgelegten Drehzahlwerten n1 bis nn verglichen und dann der entsprechende Leistungswert P' ausgegeben wird, oder daß die Leistung – wie beim Hauptantrieb angedeutet – aus der Gleichung P = f(n) errechnet und dann ausgegeben wird. Bei beiden Methoden sowohl der digitalen als auch analogen Bestimmung des momentanen Leistungs wertes der Motoren erfolgt eine Ausgabe auf die Ausgabeleitungen 27 praktisch in Echtzeit, so daß in einer nachgeordneten Auswerte- bzw. Regelungseinheit 28 die erforderlichen Stellgrößen für den zwischen den Antrieben 12, 13 erwünschten Lastausgleich ohne Verzug errechnet und an ein nicht dargestelltes, nachgeordnetes Lastausgleichsaggregat wie beispielsweise einen Stützmotor, eine Schlupfkupplung oder einen Frequenzumrichter für einen der Antriebe weitergeleitet werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es ergeben sich eine Vielzahl von Abwandlungen und Änderungsmöglichkeiten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Da Drehmoment und Leistung von Asynchron-Maschinen proportional zueinander über die Gleichung P = 2πnM verknüpft sind, ist es selbstverständlich möglich, anstelle der Leistungswerte in der Tabelle 26 Drehmomentwerte einzuspeichern, aus denen der Rechner 25 die gesuchte Momentanleistung unter Zugrundelegung der genannten Formel errechnet. Gleiches gilt natürlich auch für die Darstellung der Motor-Kennlinie in analoger Form M = f(n). Die vom Rechner ermittelten Momentanleistungen können für eine spätere Überprüfung im Rechner selbst gespeichert werden, aber zur Überwachung auch an einen entfernt gelegenen Leitrechner weitergeleitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft zur Überlasterkennung des bzw. der überwachten Motoren, wobei diese bei Überschreiten eines zuvor festgelegten Maximalmoments bzw. einer Maximalleistung praktisch ohne Verzug stillgesetzt werden können. Das Verfahren eignet sich auch zu einem besonders einfachen, lastgesteuerten Anlauf der Förderanlage 10 oder anderer Maschinen und Aggregate, insbesondere im untertägigen Bergbau.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistungen von Asynchron-Elektromotoren, insbesondere zum Antrieb von Gewinnungs- und Förderanlagen im untertägigen Bergbau, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (M = f(n)) des jeweiligen Motors (16, 17) in einem Rechner (25) gespeichert wird, dass die momentane Drehzahl (n, n') des Motors (16, 17) mit Hilfe eines Drehgebers (20, 22; 21, 23) potentialgetrennt vom Versorgungsnetz des Motors ermittelt und mit der im Rechner (25) gespeicherten Kennlinie (M = f(n)) verglichen wird, wobei die Wirkleistung (P, P') sich aus dem der ermittelten Momentandrehzahl (n, n') zugeordneten Drehmomentwert (M, M') ergibt.
Verfahren zur Ermittlung der Wirkleistungen von Asynchron-Elektromotoren, insbesondere zum Antrieb von Gewinnungs- und Förderanlagen im untertägigen Bergbau, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Leistungs-Drehzahl-Kennlinie (P = f(n)) des jeweiligen Motors (16, 17) in einem Rechner (25) gespeichert wird, dass die momentane Drehzahl (n, n') des Motors (16, 17) mit Hilfe eines Drehgebers (20, 22; 21, 23) ermittelt und mit der im Rechner (25) gespeicherten Kennlinie (P = f(n)) verglichen wird, wobei die momentane Wirkleistung (P, P') des Motors dem vom Rechner (25) errechneten und/oder im Rechner gespeicherten, der ermittelten Momentandrehzahl (n, n') zugeordneten Leistungswert entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n, n') von mehreren, an einer gemeinsamen Gewinnungs- oder Förderanlage (10) zusammenwirkenden Motoren (16, 17) und aus diesen Drehzahlen die Momentanleistungen (P, P') der einzelnen Motoren (16, 17) ermittelt werden, und dass in Abhängigkeit der so ermittelten Momentanleistungen (P, P') ein Lastausgleich zwischen den Motoren (16, 17) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastausgleich mit Hilfe mindestens einer Schlupfkupplung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastausgleich mit Hilfe mindestens eines Stützmotors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastausgleich durch Frequenzumrichtung der am jeweiligen Motor anliegenden Netzfrequenz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede im Rechner (25) eingespeicherte Motor-Kennlinie (P(n), M(n)) in Form einer Tabelle (26) gespeichert wird, wobei jedem Wert für eine Drehzahl (n₁, n_n) ein Wert für die Wirkleistung (P₁, P_M) oder das Drehmoment (M, M') zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede im Rechner (25) gespeicherte Motor-Kennlinie (P(n), M(n)) in Form einer Funktionsgleichung (P = f(n)) gespeichert wird, wobei die Wirkleistung (P) als Funktion der ermittelten Drehzahl (n) errechnet wird.