DE202005012293U1

DE202005012293U1 - Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors

Info

Publication number: DE202005012293U1
Application number: DE202005012293U
Authority: DE
Original assignee: TRAFOBAU SCHINDLER GmbH
Current assignee: GATTNER, JUERGEN, DE; NITZ, BERND, DE
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2015-08-03

Abstract

Vorrichtung (4) zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors (6), bestehend aus einem Regelkreis mit einem Baustein (7) zur Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit einem Stellglied (13) zur Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung, gekennzeichnet durch
a) einen Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B,
b) einem Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße, sowie
c) einen Regelbaustein (11), der auf das Stellglied (13) derart einwirkt, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B derart verstellt wird, dass die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B minimal wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors, bestehend aus einem Regelkreis mit einem Baustein zur Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit einem Stellglied zur Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung.
Eine gattungsgemäße Regelung ist der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 61 293 A1 zu entnehmen. Nach dem dort offenbarten Prinzip kann die Effizienz eines Asynchronmotors dadurch gesteigert werden, dass dessen Schlupf auf einen optimalen Wert geregelt wird, der vom Motortyp abhängig ist. Der Wert des optimalen Schlupfes muß dabei vorgegeben werden; die Schaltung kann diesen nicht selbst bestimmen. Der Asynchronmotor wird aus einem Wechselrichter gespeist, dessen Spannung und Strom im Gleichspannungskreis gemessen werden, um daraus bspw. die aufgenommene Wirkleistung bestimmen zu können und Rückschlüsse auf den Belastungsfall zu erhalten. Durch zusätzliche Erfassung des Stroms in einer Motorphase können weitere Erkenntnisse gewonnen werden, bspw. über den Leistungsfaktor. Aus diesen Werten wird sodann ein geschätzter, tatsächlichen drehmomenterzeugender Stromwert berechnet und mit dem anhand des optimalen Schlupfes ebenfalls geschätzten, optimalen drehmomenterzeugenden Stromwertes verglichen. Sind beide gleich, so wird die Motorspannung konstant gehalten; ansonsten wird sie verstellt, um den tatsächlichen drehmomenterzeugenden Stromwert dem geschätzten, drehmomenterzeugenden Stromwert bei optimalem Schlupf nachzuführen.
Diese Vorgehensweise leidet an einer Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. Erstens ist der optimale Schlupf eines Motors meistens nicht bekannt. Der optimale Schlupf ist kein Motorparameter, wie er in Datenblättern auftaucht, sondern muß durch aufwendige Messungen ermittelt werden. Solche Messungen können nur von Spezialisten vorgenommen werden, was sehr kostenintensiv ist, so dass die Nachrüstung bestehender Motoren ebenso wenig möglich ist wie das Anbieten eines universellen Steuergerätes, welches in der Lage wäre, sich selbst auf den jeweils angeschlossenen Motor einzustellen. Darüber hinaus benötigt das vorbekannte Verfahren Informationen über die aufgenommene Wirkleistung, was sich nur über eine Messung entsprechender Parameter des Gleichstromkreises erreichen läßt. Damit sind nicht nur eine Vielzahl von teuren Meßeinrichtungen erforderlich, sondern auch ein Wechsel- oder gar Umrichter, also ein extrem teures Gerät, das sich überdies aus Platzgründen mit einem Motor nicht integrieren läßt, so dass eine bauliche Vereinigung eines solchen Steuergerätes mit einem Motor nicht möglich ist. Aus allen diesen Gründen folgt, dass die vorbekannte Motoreffizienzschaltung sehr hohe Kosten mit sich bringt, so dass der Stromspareffekt zunichte gemacht wird; aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus kann sich daher die vorbekannte Motoreffizienzschaltung nicht auf dem Markt durchsetzen.
Aus diesen Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, durch eine geeignete Maßnahme die Effizienz eines Elektromotors zu steigern, wobei die mit dieser Maßnahme einhergehenden Kosten möglichst gering sein sollen, so dass der Stromspareffekt auch unter den wirtschaftlichen Gesichtspunkten einer Gesamtbetrachtung zu einem Spareffekt führt.
Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch

a) einen Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung,
b) einem Baustein zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße, sowie
c) einen Regelbaustein, der auf das Stellglied derart einwirkt, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart verstellt wird, dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung oder die Gesamtleistung minimal wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt also keinerlei Informationen über den angeschlossenen Motor wie etwa einen optimalen Schlupfwert. Vielmehr ermittelt sie ihr zur Verfügung stehenden Meßwerten ein Kriterium für eine Zu- oder Abnahme der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung. Der aktuelle Wert dieses Kriteriums wird mit dem vorangehend ermittelten Wert des selben Kriteriums verglichen, um Rückschlüsse darüber zu erhalten, ob die aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung zu- oder abgenommen hat. Sodann wird ermittelt, wie die Motorspannung verstellt werden muß, um durch Minimierung des Kriteriums eine weitere Abnahme der Wirk- und/oder Blindleistung zu erzielen. Dabei können mehrere Kriterien, d.h. Motorgrößen ermittelt werden, damit bei Erreichen eines etwa konstanten Wertes eines Kriteriums, wo dieses sich für eine weitere Regelung nicht mehr eignet, auf ein anderes, in dem betreffenden Arbeitspunkt deutlicher beobachtbares Kriterium umgeschaltet werden kann. Der Schlupf des Motors ist für eine solche Regelung völlig unbeachtlich, so dass keine kostenintensiven Messungen an dem betreffenden Motor durchzuführen sind. Vielmehr werden insbesondere aus einem erfaßten Motorstrom von der erfindungsgemäßen Motoreffizienzschaltung selbst leicht bestimmbare Kriterien verwendet, welche einen Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung haben und daher eine Abschätzung der zeitlichen Entwicklung dieser Leistungen) erlauben. Infolge des Vergleichs mit einer oder mehreren vorangehenden Berechnungen kann die Erkenntnis, welcher Arbeitspunkt der bessere ist/war und in welche Richtung daher ggf. die Motorspannung zu verstellen ist, ohne genaue Bestimmung der aufgenommenen Wirkleistung erfolgen, so dass Messungen in einem Gleichstromkreis und damit ein Gleichstromkreis überhaupt entbehrlich sind. Daher kann die Ansteuerschaltung erheblich vereinfacht werden, wodurch sich die Herstellungskosten drastisch senken lassen. Insgesamt ergibt sich eine billige und universelle Schaltung, die einfach zwischen Stromversorgung (Dreh- oder Wechselstromnetz) und einem dafür geeigneten Motor (Drehstrom- oder Wechselstrommotor) geschalten wird und die dem Motor zugeführte Spannung derart beeinflußt, dass dieser stets unter optimalen Bedingungen, d.h., mit größtmöglicher Effizienz, arbeitet. Geeignet ist eine solche Schaltung vor allem für einfache Antriebe ohne Drehzahl- oder Lageregelung. Dabei kann sich der Schlupf des Motors je nach Belastungsfall frei einstellen und gewährleistet daher aufgrund der statischen Drehmomentkurve, dass mit zunehmender Belastung auch die abgegebene Leistung entsprechend nachgeführt wird. Eine dabei evtl. leicht nachgebende Drehzahl ist in vielen derartigen Anwendungsfällen unerheblich. Zu denken ist bspw. an die Antriebsmotoren der Kompressoren von Kühlaggregaten, an Lüftermotoren, Umwälzpumpen, etc. Die eingesparte Energie kann je nach Belastungsfall bei bis zu 70 % liegen; die größte Einsparung ergibt sich im Leerlauf; selbst bei voller Belastung werden immer noch etwa 4 % Energie gespart. Damit werden nicht nur die Energiekosten gesenkt; als positiver Nebeneffekt wird dabei auch ein Beitrag zur Einsparung von Energie geleistet und somit die Umwelt entlastet, insbesondere von den mit der Stromerzeugung einhergehenden Treibhausgasen. Außerdem wird der Blindstromanteil erheblich reduziert und speziell im Leerlauf werden Vibrationen minimiert, so dass der Entstehung von Lagerschäden vorgebeugt wird und damit die Betriebsdauer des Motors erhöht wird.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Elektromotor ein Asynchronmotor ist. Insbesondere Asynchronmotoren mit Käfigläufer haben einen sehr einfachen Aufbau; sie sind robust, preiswert und benötigen neben der ständerseitigen Speisung keine zusätzliche Hilfsenergie oder Steuerung. Zusammen mit der ebenfalls robusten und preiswerten Motoreffizienzschaltung gemäß der Erfindung ergibt sich damit ein in der Anschaffung, gerade aber auch im Betrieb äußerst preiswerter Antrieb.
Obzwar die Erfindung auch bei Linearmotoren mit Erfolg eingesetzt werden kann, liegt der hauptsächliche Anwendungsbereich bei den in der Praxis weitaus häufigeren Elektromotoren mit einem Rotor als Abtrieb.
Besondere Vorteile bietet eine Meßeinrichtung zur Erfassung des Stroms in einer Motorphase. Hierbei handelt es sich um einen Anschluß, der mit der Stelleinrichtung verbunden ist und daher dem erfindungsgemäßen Steuergerät ohnehin zur Verfügung steht. Außerdem kann – auch bei einem intakten Drehstrommotor – hieraus ohne weiteres auf alle Ströme in einem Motor geschlossen werden, weil die Stromverteilung auf die verschiedenen Phasen üblicherweise symmetrisch ist (Phasenverschiebung von 120°).
Eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Spannung zwischen zwei Motorphasen erlaubt die Erkennung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und damit die Unterscheidung von Wirk- und Blindstromkomponente.
Zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors hat es sich bewährt, dass die Meßeinrichtung zur Erfassung des Stroms an einer Motorphase angeschlossen ist und die Meßeinrichtung zur Erfassung der Spannung zwischen den beiden anderen Motorphasen. Die verkettete Spannung zwischen zwei Phasen hat gegenüber der Mittelpunktspannung an der dritten Phase eine Phasenverschiebung von 90°. Daraus läßt sich bei symmetrischen Komponenten sehr einfach die Mittelpunktspannung an derjenigen Phase bestimmen, wo der Motorstrom gemessen wird, und demzufolge auch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.
Die Meßeinrichtung(en) zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung und/oder zur Weiterleitung der gemessenen Größen sollten als Meßwandler, Hallgeneratoren, Optokoppler, etc. ausgebildet sein, weil dadurch hohe Spannungen von einer Regelelektronik ferngehalten werden und damit einerseits Fehlfunktionen ausgeschlossen werden, wie auch die Gefahr der Verletzung von Personen.
Eine galvanische Entkopplung läßt sich bevorzugt dadurch realisieren, dass der/die Meßwandler eine Primärwicklung und eine induktiv angekoppelte Sekundärwicklung aufweist (-en), wo eine zu der/dem Primärspannung/-strom proportionale Ausgangsspannung abgegriffen werden kann.
Wenigstens ein Stellglied findet seinen Platz zwischen wenigstens einem Anschluß einer Stromversorgung bzw. wenigstens einem äußeren Motoranschluß einerseits und wenigstens einem (inneren) Motoranschluß andererseits, wo es vorzugsweise nach Art eines Schalters verwendet werden kann, um nach dem erfindungsgemäßen Regelalgorithmus die Versorgungsspannung an die betreffende(n) Motorphase(n) durchzuschalten oder abzutrennen.
Die Effizienz eines Drehstrommotors läßt sich dadurch steigern, dass als Stellglied zwischen jeder Phase einer Stromversorgung bzw. jedem äußeren Motorphasenanschluß einerseits und je einem (inneren) Motorphasenanschluß wenigstens je ein steuerbares Schaltelement eingeschalten ist. Damit läßt sich jede Phase des Motors in die erfindungsgemäße Regelung mit einbeziehen, so dass dessen Verhalten nach wie vor symmetrisch ist (Phasenverschiebung von 120°) und daher die statischen Charakteristika anwendbar bleiben.
Wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes kann eine von der anliegenden Spannungsrichtung abhängige Schaltcharakteristik aufweisen, d.h., dass es – ähnlich einer Diode – nur einen Stromfluß in einer Richtung bzw. bei einer bestimmten Spannungspolarität zuläßt. Damit kann ein Schaltvorgang – wahlweise Ein- oder Ausschalten bzw. Durchschalten oder Sperren – den Ventilen selbst überlassen erden, wodurch sich die Ansteuerelektronik wesentlich vereinfacht.
Indem wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes selbstsperrend ausgebildet ist, d.h. mit einem hochohmigen Schaltausgang bei fehlender Steuerspannung, erfolgt spätestens nach je einer Halbwelle automatisch ein Sperren des Ventils und die Schaltung ist dadurch äußerst stabil, weil bspw. beim Wegfall von Ansteuerimpulsen die Ventile selbst den Stromfluß löschen.
Im Rahmen des Stellgliedes haben sich ein oder mehrere aktive, d.h. steuerbare Halbleiterschalter bewährt. Diese sind schnell genug, um pro Periode der Netzspannung wenigstens einmal betätigt werden zu können. Moderne Halbleiterventile sind sogar so schnell, dass die durch den Schaltvorgang, während dem Strom und Spannung in dem Ventil gleichzeitig von Null deutlich verschieden sind, in dem Ventil in Wärme umgesetzte Verlustleistung sehr gering ist.
Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes als Thyristor oder Triac ausgebildet ist. Dadurch genügt ein kurzer Zündimpuls, und das Stellglied bleibt anschließend offen bis zur nächsten Halbwelle der Spannung. Die Ansteuerleistung ist daher sehr gering und belastet die Steuerelektronik kaum. Zusätzlich kann eine derart geringe Leistung leicht über induktive Übertrager od. dgl. geführt werden, so dass sich mit geringem Aufwand auch zwischen den Stellgliedern und der Steuerelektronik eine galvanische Trennung realisieren läßt.
Der Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung sollte derart ausgebildet sein, dass der Effektivwert I_eft, die Amplitude I ^ und/oder der Betrag |I| des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird. Gemäß der Formel P_W = U * I * cos φ und P_B = U * I * sin φ, wobei P² = P_W ² + P_B ² geht der Strom I sowohl in die aufgenommene Wirkleistung P_W als auch in die aufgenommene Blindleistung P_B ein und eignet sich daher aufgrund dieses starken Einflusses sehr gut für die erfindungsgemäße Regelung. Dabei ist die Auswirkung des Motorstroms I auf die Wirk- und Blindleistungen P_W, P_B gleichsinnig, d.h., steigender Strom erhöht sowohl die Wirk- als auch die Blindleistung und damit insbesondere auch die Gesamtleistung P. Hierbei ist zu bedenken, dass der Betrag |I| des komplexen Stromzeigers dem (radialen) Abstand der auf dem Osannakreis liegenden Stromzeigerspitze vom Ursprung des komplexen Stromdiagramms entspricht; eine reine Veränderung von |I| folgt daher einem Radialstrahl durch den Ursprung.
Wahlweise und/oder zusätzlich kann der Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung auch derart ausgebildet sein, dass die Phasenlage φ und/oder der Leistungsfaktor (cos φ) des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird. Aufgrund der obigen Beziehungen beeinflussen diese Größen zwar nicht den Absolutwert der Gesamtleistung P, wohl aber deren Aufteilung in Wirk- und Blindleistung P_W, P_B. Wenn daher – bspw. anhand des Motorstroms I – die Gesamtleistung P minimiert wurde, kann – ggf. in einem zweiten Schritt – gezielt noch die Blindleistung P_B minimiert werden, insbesondere durch Minimierung von φ bzw. Maximieren des Leistungsfaktors (cos φ). Natürlich könnte auch nur eine Minimierung der Blindleistung P_B erfolgen ohne Betrachtung der Gesamtleistung P. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Phasenwinkel φ dem Winkel zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem (vertikalen) Spannungszeiger des komplexen Zeigerdiagramms entspricht; bei einer reinen Veränderung von φ folgt die Spitze des Stromzeigers daher einem Kreisbogen um den Ursprung.
Vorzugsweise ist der Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart ausgebildet, dass zu je einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung pro Motorgröße je ein Wert ermittelt wird. Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn pro (Halb-) Periode nur ein einziger Eingriff an dem Stellglied stattfindet, bspw. das (verzögerte) Öffnen eines Ventils. Die Ansteuerungen für die anderen beiden Phasen eines Drehstrommotors können ggf. nach den selben Kriterien verstellt werden, nur um 120° zeitversetzt, so dass alle drei Motorphasen nach einem Regelzyklus sich wieder in einem symmetrischen Zustand (Phasenverschiebung jeweils 120° bzw. 240°) befinden. Da solchenfalls bei einem 50 Hz-Motor das Regelprogramm 50 mal pro Sekunde abgearbeitet wird, also nach jeweils 20 ms, kann dabei – unter Vernachlässigung von dynamischen Übergängen – von jeweils statischen Verhältnissen ausgegangen werden, so dass die Motorwerte aus dem letzten Regelzyklus durchaus noch typisch für den gegenwärtigen Belastungsfall sind und mit den aktuellen Motorwerten verglichen werden können.
Dies wird bewerkstelligt, indem der Baustein zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße derart ausgebildet ist, dass die Änderung einer Motorgröße während einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung gegenüber der vorangehenden (Halb-) Periode der Versorgungsspannung bestimmt wird. Für die erfindungsgemäße Regelung ist diese Änderung weitaus wichtiger als die jeweiligen Absolutwerte der Motorgrößen, welche sich je nach Belastungsfall völlig unterschiedlich einstellen können.
Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch einen Baustein zur Umschaltung der Regelung von einer Motorgröße auf eine andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist. Wäre also bspw. |I| näherungsweise konstant geblieben, so kann entweder der optimale Regelungspunkt gefunden sein, oder aber es ist eine weitere Verstellung des Phasenwinkels φ möglich, um – bei konstantem |I| – eine zusätzliche Optimierung vorzunehmen, insbesondere den Anteil der Blindleistung P_B an der Gesamtleistung P zu minimieren.
Der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein sollte eine Einrichtung aufweisen zur Bildung der Relation zwischen der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße und der zeitlichen Änderung der Stellglied-Ansteuerung. Dadurch läßt sich zu jedem Zeitpunkt neuerlich feststellen, ob in dem gegenwärtigen Arbeitspunkt die Strecke ein gleichsinniges oder gegensinniges Verhalten zwischen Eingang (Stellglied) und Ausgang (Motorgröße) zeigt. Daraus läßt sich die Erkenntnis ableiten, wie das Stellglied ggf. verstellt werden muß, um eine weitere Reaktion der Motorgröße in dem gewünschten Sinn zu erhalten.
Bevorzugt verfügt der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein über eine Einrichtung, die anhand der Änderung der Stellglied-Ansteuerung und der aus der entsprechenden Veränderung der ermittelten Motorgröße resultierenden Veränderung der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung feststellt, welche Art der Stellglied-Ansteuerung (Vergrößern oder Verkleinern wenigstens einer Motorspannung) einen minimierenden Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung hat. Zu diesem Zweck genügt die Vorgabe, ob eine bestimmte Motorgröße minimiert (bspw. |I|) oder maximiert (bspw. (cos φ)) werden soll, je nach dem Einfluß der betreffenden Motorgröße auf die Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B.
Der Regelbaustein wirkt auf das Stellglied ein mittels einer Einrichtung, die ein Steuersignal erzeugt, das einer Stellglied-Ansteuerung (Vergrößerung oder Verkleinerung wenigstens einer Motorspannung) mit einer prognostizierten Minimierung der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung entspricht. Die Art der Ansteuerung richtet sich einerseits nach dem Typ des Stellgliedes – vorzugsweise Halbleiterschalter – sowie nach der Art (Schaltungsanordnung) des Stellgliedeingriffs.
Eine besonders einfache Schaltungsanordnung des Stellgliedes ergibt sich bei Realisierung einer Phasenanschnittsteuerung. Solchenfalls ergibt sich der Grad der Verstellung durch die zeitliche Verzögerung des Ansteuersignals. Zu diesem Zweck weist der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein ein Verzögerungsglied auf, welches das Einschalt- bzw. Ansteuersignal wenigstens eines Schaltelements des Stellgliedes gegenüber dem Nulldurchgang der betreffenden Phasenspannung verzögert, vorzugsweise entsprechend dem aktuellen Steuersignal für die Stellglied-Ansteuerung.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der Erfindung.
Darin sind eine dreiphasige Netzspannung 1 mit den Phasen L1, L2, L3 zu erkennen, ferner ein ebenfalls dreiphasiger Hauptschalter 2, an dessen sekundärseitigen Anschlüssen die Eingänge 3 einer ebenfalls dreiphasigen Motoreffizienzschaltung 4 gemäß der Erfindung angeschlossen sind. An den drei Ausgängen 5 dieser Motoreffizienzschaltung 4 ist je eine Phase M1, M2, M3 des Drehstrommotors 6 angeschlossen.
Die Motoreffizienzschaltung 4 hat die Struktur einer Regelschaltung.
Ein erster induktiver Meßwandler 7 ist primärseitig in die zur Motorphase M2 führende Leitung eingeschleift und liefert an seinem Sekundärausgang 8 ein zu dem Strom i₂ in der Motorphase M2 proportionales Ausgangssignal, das galvanisch von der Phase M2 entkoppelt ist.
Ein zweiter Meßwandler 9 ist primärseitig zwischen den mit den anderen beiden Motorphasen M1 und M3 verbundenen Leitungen angeschlossen und liefert an seinem Sekundärausgang 10 ein zu der verketteten Spannung u₁₃ zwischen den Motorphasen M1 und M3 proportionales Ausgangssignal, das galvanisch von den Phasen M1 und M3 entkoppelt ist.
Die Meßsignale 8, 10 verarbeitet ein Regelbaustein 11, der mit seinen Steuerausgängen 12 auf eine Stelleinrichtung 13 einwirkt. Diese besteht aus insgesamt sechs Thyristoren 14, wovon jeweils zwei zwischen eine Netz-Phase L1, L2, L3 und die betreffende Motorphase M1, M2, M3 eingeschleift sind. Die beiden jeweils der selben Phase M1, M2, M3 zugeordneten Thyristoren 14 sind jeweils antiparallel nebeneinander geschalten, so dass der Strom i₁, i₂, i₃ in jeder Motorphase M1, M2, M3 in beiden Stromrichtungen fließen kann und dabei jeweils von unterschiedlichen Thyristoren 14 geleitet wird.
Die Steueranschlüsse je eines einer gemeinsamen Motorphase M1, M2, M3 zugeordneten Thyristorpaares 14 können miteinander verbunden sein, so dass sich jeweils die Struktur eines Triacs ergibt; dies ist allerdings nicht zwingend.
Mit der Stelleinrichtung 13 lassen sich die Motorspannungen u₁₂, u₁₃, u₂₃ und damit die Motorströme i₁, i₂, i₃ beeinflussen, indem die Thyristoren 14 erst mit einer steuerbaren Verzögerung gegenüber dem betreffenden Nulldurchgang einer Spannung ein-, d.h. durchgeschalten werden, so dass der Effektivwert der Spannung(sgrundwelle) mehr oder weniger stark reduziert wird (Phasenanschnittsteuerung).
Die Ansteuersignale 12 werden von dem Regelbaustein 11 wie folgt erzeugt:
Die Meßsignale 8, 10 werden zunächst über einen Zeitraum hinweg – bspw. eine (Halb-) Periode der Spannung – aufgezeichnet. Sodann wird daraus je ein für die jeweilige Grundwelle charakteristischer Wert generiert, bspw. durch Aufladen eines Kondensators entsprechend eines zu dem betreffenden Meßsignal proportionalen Stroms, oder durch Integration der digital gewandelten Meßsignale 8, 10. Damit kann ein stromproportionaler Wert, bspw. I_eff, erzeugt werden als erste charakteristische Motorgröße.
Anhand der Zeitverschiebung zwischen den Nulldurchgängen von Strom i₂ und Spannung u₁₃ wird als zweite charakteristische Motorgröße ein phasenabhängiger Wert ermittelt, bspw. φ oder (cos φ).
Diese Motorgrößen werden zusammen mit dem betreffenden Steuersignal 12 bzw. der daraus resultierenden Motorspannung(samplitude) gespeichert, entweder als Ladung in je einem Kondensator oder als Digitalwert in einem Digitalspeicher.
Für eine folgende Regelsequenz wird das Steuersignal 12 verstellt, bspw. in Richtung zu einer niedrigeren Motorspannung(samplitude), und abermals werden der Motorstrom i₂ und die verkettete Spannung u₁₃ gemessen.
In einem weiteren Schaltungs- oder Programmteil werden die Änderungen der berechneten Motorgrößen ermittelt sowie die Änderung der Motorspannung(samplitude) bzw. des jeweils vorgegebenen Steuersignals 12.
Im Rahmen einer hardwaremäßig oder programmtechnisch nachgeschalteten Auswertung wird der Einfluß der Verstellung des Steuersignals 12 bzw. der Motorspannung(samplitude) auf die berechneten Motorgrößen ermittelt. Anhand des bekannten Einflusses der betrachteten Motorgrößen auf die zu optimierende Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B des Motors 6 wird sodann das Steuersignal 12 derart verstellt, dass die Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B des Motors 6 in dem gewünschten Sinne beeinflußt, d.h., minimiert werden.
Zum Abschluß einer Regelsequenz werden die bisher gespeicherten Werte der Motorgrößen und der Steuerspannung durch die zuletzt aktuellen Werte überschrieben, um Vergleichswerte für die anschließend folgende Regelsequenz zu erhalten.
Der Regelbaustein 11 ist zur Ein- und Ausgabe mit einem Kommunikationsbaustein 15 gekoppelt, dessen Aufgabe darin besteht, einen Informationsaustausch zwischen dem Regelbaustein 11 und weiteren Einheiten, bspw. einer übergeordneten Steuerungs- oder Beobachtungseinrichtung zu ermöglichen. Damit kann bspw. von außen die Motoreffizienzschaltung 4 abgeschalten werden, so dass dann die Thyristoren 14 jeweils unverzögert gezündet werden und sich die selben Verhältnisse ergeben, als ob die Motorphasen M1, M2, M3 direkt an die Netzspannung L1, L2, L3 angeschlossen wären. Dies kann vorteilhaft sein, wenn vorübergehend – bspw. während eines Hochlaufs – der Motor 6 mit seiner maximalen Leistung betrieben werden soll.
Die Information, dass der Motor 6 sich in einem Hochlauf befindet und daher mit maximaler Leistung betrieben werden soll, kann der Regelbaustein 11 aber auch durch seine eigene Spannungsversorgung erhalten, indem diese direkt an die Eingänge 3 der Motoreffizienzschaltung 4 angeschlossen ist. Der Einschalt- und Hochlaufmoment kann dann an dem Anstieg der Stromversorgungsspannung der Elektronik verfolgt werden. Dabei läßt sich ein Zeitglied starten, das vorübergehend die Steuerimpulse 12 in die Nulldurchgänge der betreffenden Spannungen verschiebt.
Schließlich kann der Kommunikationsbaustein 15 auch verwendet werden, um Daten aus dem Regelbaustein 11 auszulesen, bspw. aktuelle Werte und/oder Durchschnittswerte von Meß- und/oder Motorgrößen, Fehlermeldungen, etc. Dieser Kommunikationsbaustein 15 kann auch für eine Datenfernübertragung geeignet sein, um bspw. über das Internet zu kommunizieren.

Claims

Vorrichtung (4) zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors (6), bestehend aus einem Regelkreis mit einem Baustein (7) zur Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit einem Stellglied (13) zur Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung, gekennzeichnet durch a) einen Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B, b) einem Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße, sowie c) einen Regelbaustein (11), der auf das Stellglied (13) derart einwirkt, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B derart verstellt wird, dass die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B minimal wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) ein Wechselstrom- oder Drehstrommotor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) ein Asynchronmotor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) einen Rotor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (7) zur Erfassung des Stroms in einer Motorphase M1, M2, M3.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (9) zur Erfassung der Spannung zwischen zwei Motorphasen M1, M2, M3.
Vorrichtung nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 6, zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (7) zur Erfassung des Stroms an einer Motorphase M2 angeschlossen ist und die Meßeinrichtung (9) zur Erfassung der Spannung zwischen den beiden anderen Motorphasen M1, M3.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung(en) (7,9) zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung und/oder zur Weiterleitung der gemessenen Größen durch Meßwandler, Hallgeneratoren, Optokoppler, etc. gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Meßwandler (7,9) eine Primärwicklung und eine induktiv angekoppelte Sekundärwicklung (8,10) aufweist (-en).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (13) zwischen wenigstens einem Anschluß (L1, L2, L3) einer Stromversorgung (1) bzw. wenigstens einem äußeren Motoranschluß (3) einerseits und wenigstens einem (inneren) Motoranschluß (M1, M2, M3) eingeschalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors (6), dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied (13) zwischen jeder Phase (L1, L2, L3) einer Stromversorgung (1) bzw. jedem äußeren Motorphasenanschluß (3) einerseits und je einem (inneren) Motorphasenanschluß (M1, M2, M3) wenigstens je ein steuerbares Schaltelement (14) eingeschalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) eine von der anliegenden Spannungsrichtung abhängige Schaltcharakteristik aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) selbstsperrend ausgebildet ist, d.h. mit einem hochohmigen Schaltausgang bei fehlender Steuerspannung (12).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (13) wenigstens einen aktiven, d.h. steuerbaren Halbleiterschalter (14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) als Thyristor oder Triac ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B derart ausgebildet ist, dass der Effektivwert I_eff, die Amplitude I ^ und/oder der Betrag |I| des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B derart ausgebildet ist, dass die Phasenlage φ und/oder der Leistungsfaktor (cos φ) des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart ausgebildet ist, dass zu je einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung pro Motorgröße je ein Wert ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße derart ausgebildet ist, dass die Änderung einer Motorgröße während einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung gegenüber der vorangehenden (Halb-) Periode der Versorgungsspannung bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine Einrichtung aufweist zur Bildung der Relation zwischen der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße und der zeitlichen Änderung der Stellglied-Ansteuerung (12) oder der Stellgröße.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine Einrichtung aufweist, um anhand der Änderung der Stellglied-Ansteuerung (12) und der aus der entsprechenden Veränderung der ermittelten Motorgröße resultierenden Veränderung der von dem Motor (6) aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B festzustellen, welche Art der Stellglied-Ansteuerung (Vergrößern oder Verkleinern wenigstens einer Motorspannung) einen minimierenden Einfluß auf die von dem Motor 6 aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine Einrichtung aufweist, um ein Steuersignal (12) zu erzeugen, das einer Stellglied-Ansteuerung (Vergrößerung oder Verkleinerung wenigstens einer Motorspannung) mit einer prognostizierten Minimierung der von dem Motor (6) aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung P_W, P_B entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) ein Verzögerungsglied aufweist, welches das Einschalt- bzw. Ansteuersignal (12) wenigstens eines Schaltelements (14) des Stellgliedes (13) gegenüber dem Nulldurchgang der betreffenden Phasenspannung verzögert, vorzugsweise entsprechend dem aktuellen Steuersignal für die Stellglied-Ansteuerung.