DE4434275A1

DE4434275A1 - Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrads von Asynchronmotoren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4434275A1
Application number: DE4434275A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Benning
Original assignee: Vogelsang and Benning Prozessdatentechnik GmbH
Current assignee: Vogelsang and Benning Prozessdatentechnik GmbH
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1996-03-28
Also published as: US5659232A

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Be stimmung des Wirkungsgrads von Asynchronmotoren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Andererseits richtet sich die Erfindung auf eine Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Die Ermittlung des Wirkungsgrads von Drehstromasynchron maschinen kann durch direkte Messung von Aufnahme- und Abgabeleistung oder durch Bestimmung der Abgabeleistung mittels des Einzelverlustverfahrens erfolgen. Diese Ver fahren sind in der DIN 57 530 Teil 2/VDE 0530 Teil 2/11.82 definiert.

Bei der direkten Messung von Aufnahme- und Abgabeleistung wird die Aufnahmeleistung unter Einsatz von analogen oder digitalen Meßgeräten zur Feststellung der Wirkleistung ermittelt. Die Abgabeleistung wird durch Messung von Drehmoment und Drehzahl und anschließender Multiplikation entsprechend der Formel P = 2 × π × M × n berechnet. Der Wirkungsgrad η ergibt sich dann als Quotient von Abgabe- und Aufnahmeleistung.

Bei der indirekten Wirkungsgradbestimmung wird zunächst im Leerlaufversuch die Leerlaufkennlinie eines Asynchron motors ermittelt. Der leerlaufende Asynchronmotor nimmt hierbei aus dem Netz nur die zur Deckung der inneren Ver luste notwendige Leistung auf. Diese teilt sich auf in die Leerlaufkupferverluste, die Eisenverluste sowie die Reibungsverluste. Nach allgemein bekannten Verfahren wer den dann die einzelnen Verlustanteile aus der Leerlauf kennlinie separiert. Hierzu erfolgt die Aufnahme der Kennlinie P = f(U), I = f(U), das heißt, der leerlaufende Asynchronmotor muß bei verschiedenen Spannungen betrieben werden. Anschließend kann dann der Wirkungsgrad des Asyn chronmotors mit hinreichender Genauigkeit für den jewei ligen Belastungspunkt bei Lastbetrieb und so auch für den Nennlastpunkt der Nennwirkungsgrad bestimmt werden.

Danach ergibt sich also der Nennwirkungsgrad η aus der Division der Wellenleistung P₂ und der vom Motor aufge nommenen Leistung P₁. Die Wellenleistung P₂errechnet sich aus der Beziehung P₂ = P₁ - V_Fe - V_Cu - V_Zus - V_Cu2 - V_Rbg. In dieser Beziehung bedeuten V_Cu2 die Ro torkupferverluste und V_Rbg die aus der Leerlaufkennlinie ermittelbaren Reibungsverluste. Die Rotorkupferverluste V_Cu2 können aus der Beziehung s · d ermittelt werden, in welcher P_d die vom Motorständer in den Rotor übertra gene Luftspaltleistung und s der Schlupf im Nennpunkt des Motors bedeuten. V_Fe sind die Eisenverluste aus dem Leer laufversuch, während mit V_zus die Zusatzverluste bezeich net werden, die je nach Motor sich in einer Größenordnung zwischen 0,5% und 2% der vom Motor aufgenommenen Lei stung bewegen. Die Kupferverluste V_Cu errechnen sich aus der Beziehung 1,5 × I² × R, worin mit R der Klemmenwider stand des Motors und mit I der vom Motor im Nennpunkt aufgenommene Strom bedeuten.

Unter Zugrundelegung der bekannten Verfahren ist es zwar möglich, den Nennwirkungsgrad eines Asynchronmotors genau bestimmen zu können. Indessen ist hierfür ein vergleichs weise hoher zeitlicher Aufwand unter Einsatz entsprechen der Meßgeräte erforderlich, wobei anzumerken ist, daß es im praktischen Betrieb eines Asynchronmotors genügt, zu wissen, ob der Wirkungsgrad innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Auf diese Weise erhält man ein für die Praxis ausreichendes, überschlägiges Bild über die Wirt schaftlichkeit der betriebenen Anlagen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Wir kungsgrads von Asynchronmotoren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die unter Verringerung des zeitlichen und gerätetechnischen Auf wands sowohl im Prüffeldversuch als auch im Feldversuch unter Last die geforderte näherungsweise Wirkungs gradbestimmung gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfah rens in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 auf geführten Merkmalen gesehen.

Was in diesem Zusammenhang den Prüffeldversuch anlangt, so wird der Asynchronmotor bei annähernd Nennspannung be trieben und die im Leerlauf aufgenommene Leistung wird gemessen. Die Verluste werden in die Anteile V_CuO (Leerlaufkupferverluste) und V_Fe+Rbg (Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten) separiert. Dem Typenschild des Asynchronmotors können die Nennwerte der Motorkennda ten entnommen werden.

Zunächst wird der Motor-Nennwirkungsgrad ermittelt. Die Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten werden dem Mo torständer zugeordnet. Hierdurch ergeben sich eine ver ringerte Luftspaltleistung und damit geringere Rotorkup ferverluste. Mithin wird ein Grenzwert des Motor-Nennwir kungsgrad ermittelt, der höher liegt, als der tatsächli che Motor-Nennwirkungsgrad.

Entsprechend einer zweiten Feststellung wird die Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten jetzt dem Rotor zugeordnet. Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Luftspalt leistung und damit ergeben sich auch höhere Rotorkupfer verluste. Demzufolge liegt nunmehr der Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads niedriger als der tatsächliche Motor-Nennwirkungsgrad.

In welcher Reihenfolge die vorerwähnten Ermittlungen durchgeführt werden, ist nebensächlich. Auf jeden Fall bestimmen der obere Grenzwert und der untere Grenzwert dann den Bereich, innerhalb dem der tatsächliche Motor- Nennwirkungsgrad liegt.

Die Erfindung erlaubt folglich näherungsweise eine für die Praxis ausreichende Bestimmung des Motor-Nennwir kungsgrads selbst in einem solchen Prüffeld, in dem keine Möglichkeit besteht, einen Asynchronmotor bei verschie denen Spannungen zu betreiben.

Es ist bekannt, daß von der Höhe des Motor-Wirkungsgrads unmittelbar die Betriebskosten des Motorbetreibers abhän gen. Es liegt daher im besonderen Interesse des Motorbe treibers, im Hinblick auf die Betriebskostenoptimierung den Motor-Wirkungsgrad der von ihm betriebenen Asynchron motoren bestimmen zu können.

Folglich werden bei der Wirkungsgradbestimmung im Feld versuch (Asynchronmotor mit gekuppelter Arbeitsmaschine) zunächst die Leistungsaufnahme, die Stromaufnahme und die Drehzahl des Asynchronmotors im mit der Arbeitsmaschine gekuppelten Zustand und dann im entkuppelten Zustand ge messen. Weiter werden die Wicklungswiderstände des Asyn chronmotors festgestellt. Die Reihenfolge der Messung ist beliebig.

Im Anschluß an die Messungen erfolgt die gezielte Auswer tung dadurch, daß zunächst aus der Leerlaufmessung, wie vorstehend anhand des Prüffeldversuchs beschrieben, die Leerlaufkupferverluste und die Summe aus den Eisen- und den Reibungsverlusten separiert werden. Danach werden mit den Meßdaten der gekuppelten Arbeitsmaschine die folgen den Maßnahmen durchgeführt.

Die Kupferverluste V_Cu werden durch die Multiplikation der Leerlaufkupferverluste V_CuO mit dem quadrierten Quo tienten aus dem Leerlaufstrom I_o und der Stromaufnahme I bei an die Arbeitsmaschine gekuppeltem Asynchronmotor er mittelt. Die vom Ständer in den Rotor übertragene Luft spaltleistung P_d wird aus der Beziehung der vom Asyn chronmotor aufgenommenen Leistung P₁ minus der Kupferver luste V_Cu minus der Eisenverluste V_Fe minus der je nach Motor zwischen 0,5% und 2% von P₁ variierenden Zusatz verluste V_zus festgestellt. Die Rotorkupferverluste V_Cu2 errechnen sich aus der Multiplikation des Schlupfs s mit der vom Ständer in den Rotor übertragenen Luftspaltlei stung P_d. Der Schlupf s wird aus der Drehzahl des Motors bei angekuppelter Antriebsmaschine ermittelt.

Aus den vorerwähnten Beziehungen kann nun zunächst die maximale Wellenleistung P_2max aus der vom Motor aufgenom menen Leistung minus der Summe aus den Eisen- und Rei bungsverlusten V_Fe+Rdg minus der Kupferverluste V_Cu minus der Zusatzverluste V_zus minus der Rotorkupferverluste V_Cu2 ermittelt werden, wobei in dieser Beziehung die Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten dem Stator zu gerechnet werden. Der obere Grenzwert des Motor-Wirkungs grads im aktuellen Lastzustand η_max ergibt sich dann aus der Division der maximalen Wellenleistung P_2max und der vom Motor aufgenommenen Leistung P₁.

Die minimale Wellenleistung P_2min wird aus der Beziehung der vom Motor aufgenommenen Leistung P₁ minus der Kupfer verluste V_Cu minus der Zusatzverluste V_Zus minus der Ro torkupferverluste V_Cu2 minus der Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten V_Fe+Rbg festgestellt, wobei in dieser Beziehung die Summe aus Eisen- und Reibungsverlusten dem Rotor zugerechnet werden. Folglich errechnet sich der untere Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads η_min aus der minimalen Wellenleistung P_2min dividiert durch die vom Motor aufgenommene Leistung P₁.

Der tatsächliche Ist-Last-Wirkungsgrad des Motors liegt dann zwischen diesen beiden Grenzwerten.

Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe wird in den Merkmalen des Anspruchs 2 gesehen. Danach sind einem Asynchronmotor Sensoren zur Erfassung der Leistungsauf nahme, der Stromaufnahme und der Drehzahl zugeordnet. Die Sensoren sind andererseits an einen programmierbaren Mi kroprozessor angeschlossen. In dem Mikroprozessor werden dann nach dem verfahrensmäßig bestimmten Algorythmus die oberen und unteren Grenzwerte des Motor-Nennwirkungsgrads und des Motor-Wirkungsgrads ermittelt, so daß für die Praxis ausreichend genau bestimmte Wirkungsbereiche zur Verfügung gestellt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich nung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläu tert.

Mit 1 ist ein Asynchronmotor bezeichnet. Dem Asynchronmo tor 1 ist ein Sensor 2 zur Drehzahlermittlung zugeordnet. Desweiteren sind in den Leitungen 3 zwischen einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle und dem Asynchronmo tor 1 Sensoren 4, 5 zur Leistungsmessung und zur Strom messung vorgesehen.

Die Sensoren 2, 4, 5 sind über Leitungen 6, 7, 8 an einen Mikroprozessor 9 angeschlossen, der ein Programm mit einem Algorythmus zur Bestimmung der oberen und unteren Grenzwerte des Motor-Nennwirkungsgrads sowie des Motor- Wirkungsgrads enthält.

Der Mikroprozessor 9 erlaubt es somit, sowohl einen obe ren und unteren Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads als auch einen oberen und unteren Grenzwert des Motor-Wir kungsgrads festzustellen, wobei dann durch die Grenzwerte die Bereiche des tatsächlichen Motor-Nennwirkungsgrads und des tatsächlichen Ist-Last-Wirkungsgrads definiert werden.

Hierbei sind die nachstehenden Beziehungen von Bedeutung. Bei der Bestimmung des Motor-Nennwirkungsgrads gelten folgende Zusammenhänge:
P₁ - vom Asynchronmotor im Leerlauf aufgenommene Leistung,
I - vom Asynchronmotor im Leerlauf aufgenomme ner Strom,
V_Cu - Kupferverluste,
R - Klemmenwiderstand des Asynchronmotors,
V_Fe - Eisenverluste aus dem Leerlaufversuch,
V_zus Zusatzverluste (je nach Motor zwischen 0,5% bis 2% von P₁),
P_d - vom Ständer auf den Rotor übertragene Luft spaltleistung,
V_Cu2 Rotorkupferverluste,
s - Schlupf bei Vollast
V_Rbg - Reibungsverluste, ermittelt aus der Leerlauf kennlinie,
η_max - Wirkungsgrad,
P₂ - Wellenleistung.

Der obere Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads ergibt sich aus der Beziehung

η_oben = P₂/P₁
P₂ = P₁ - V_Cu - V_Fe+Rbg- V_Zus - V_Cu2
mit V_Cu2 = s · P_d
und P_d = P₁ - V_Cu - V_Fe+Rbg - V_zus
V_Cu = 1,5 · I² · R

Der untere Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads ergibt sich aus der Beziehung

η_unten = P₂/P₁
P₂ = P₁ - V_Cu - V_Zus - V_Cu2 - V_Fe+Rbg
mit V_Cu2 = s · P_d
und P_d = P₁ - V_Cu - V_zus
V_Cu = 1,5 · I² · R

Innerhalb der Grenzwerte liegt dann der tatsächliche Mo tor-Nennwirkungsgrad.

Bei der Ermittlung der Grenzwerte des Motor-Wirkungsgrads gelten in den nachstehenden Beziehungen folgende Bedeu tungen:
P₁ - vom Motor im belasteten Zustand aufgenommene Leistung,
I - vom Asynchronmotor im belasteten Zustand aufgenommener Strom,
V_Cu - die Kupferverluste im belasteten Zustand,
I_o - Leerlaufstrom,
V_Fe - Eisenverluste aus dem Leerlaufversuch,
V_zus - die Motorzusatzverluste,
P_d - die vom Ständer auf den Rotor übertragene Luftspaltleistung,
V_Cu2 - Rotorkupferverluste,
s - Schlupf im belasteten Zustand des Asynchronmotors,
V_Rbg - Reibungsverluste,
η_max - oberer Rechenwert der Wellenleistung bei Zuord nung von Eisen- und Reibungsverlusten zu den Ständerverlusten,
η_max - oberer Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads,
P_2min - unterer Rechenwert der Wellenleistung bei Zuord nung von Eisen- und Reibungsverlusten zu den Rotorverlusten,
η_min - unterer Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads.

Die maximale Wellenleistung ergibt sich zu

P_2max = P₁ - V_Fe+Rbg - V_Cu - V_Zus - V_Cu2

und damit der obere Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads

η_max = P_2max/P₁

Die minimale Wellenleistung ergibt sich zu

P_2min = P₁ - V_Cu - V_Zus - V_Cu2 - V_Fe+Rbg

und damit der untere Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads

η_min = P_2min/P₁

Der tatsächliche Motor-Wirkungsgrad liegt zwischen η_min und η_max.

Bezugszeichenliste

1 - Asynchronmotor
2 - Sensor für die Drehzahl
3 - Zuleitungen zu 1
4 - Sensor für Leistungsmessung
5 - Sensor für Strommessung
6 - Leitung zw. 2 u. 9
7 - Leitung zw. 4 u. 9
8 - Leitung zw. 5 u. 9
9 - Mikroprozessor

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrads von Asyn chronmotoren, bei welchem nach Ermittlung der aufge nommenen Motorleistung und des aufgenommenen Mo torstroms unter Berücksichtigung des Motorklemmenwi derstands und des Schlupfs die Kupferverluste, die Eisenverluste, die Reibungsverluste sowie die Zusatz verluste separiert werden, anschließend durch Sub traktion der Verlustanteile von der Motorleistung die Wellenleistung ermittelt und schließlich durch Divi sion von Wellenleistung und Motorleistung der Wir kungsgrad festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im unbelasteten Be triebszustand des laufenden Motors nach dem Separie ren der Leerlaufkupferverluste sowie der Summe aus den Eisen- und Reibungsverlusten unter Einbeziehung des Motornennstroms und der Nenndrehzahl ein oberer Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads unter Zuordnung der Eisen- und Reibungsverluste zu den Ständerverlu sten und ein unterer Grenzwert des Motor-Nennwir kungsgrads unter Zuordnung der Eisen- und Reibungs verluste zu den Rotorverlusten festgestellt werden, wohingegen im belasteten Betriebszustand des laufen den Motors unter Berücksichtigung der sich aus den Leerlaufkupferverlusten, dem Leerlaufstrom, der Stromaufnahme und der Drehzahl bei belastetem Motor ergebenden Kupferverluste ein oberer Grenzwert des Motor-Wirkungsgrads im aktuellen Lastzustand unter Zuordnung der Eisen- und Reibungsverluste zu den Ständerverlusten und ein unterer Grenzwert des Motor- Wirkungsgrads im aktuellen Lastzustand unter Zuord nung der Eisen- und Reibungsverluste zu den Rotorver lusten ermittelt werden, wobei durch den oberen und unteren Grenzwert des Motor-Nennwirkungsgrads der Be reich des tatsächlichen Motor-Nennwirkungsgrads und durch den oberen und unteren Grenzwert des Motor-Wir kungsgrads im aktuellen Lastzustand der Bereich des tatsächlichen Ist-Last-Wirkungsgrads des Motors defi niert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Asynchronmotor (1) an einen programmierba ren Mikroprozessor (9) angeschlossene Sensoren (2, 4, 5) zur Erfassung der Drehzahl, der Leistungsaufnahme und der Stromaufnahme zugeordnet sind, wobei in dem Mikroprozessor (9) nach dem vorbestimmten Algorithmus die Bereiche des Nenn-Wirkungsgrads und des Ist-Last- Wirkungsgrads ermittelbar sind.