DE602004004496T2

DE602004004496T2 - Energieverbrauch in einem elektrischen Antrieb

Info

Publication number: DE602004004496T2
Application number: DE602004004496T
Authority: DE
Inventors: Kari Ranta
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: US20050209798A1; DK1548925T3; EP1548925A1; FI20031885A0; FI116253B; ATE352898T1; US7082374B2; EP1548925B1; DE602004004496D1; FI20031885A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Schätzen des Energieverbrauchs eines elektrischen Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei der elektrische Antrieb eine Steuereinheit und einen Wechselstrommotor umfasst. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Anordnung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Zeit werden Maschinen, Geräte und Verfahren im Allgemeinen und insbesondere im industriellen Bereich mit elektrischen Antrieben verwendet, deren Hauptbestandteil ein elektrischer Motor ist. Ein elektrischer Antrieb besteht aus einem elektrischen Versorgungsstromkreis, einem elektrischen Motor und einer Steuereinheit, die zum Steuern und/oder Regeln des Motors geeignet ist. Die Maschine oder ähnliches fungiert dabei als Last des elektrischen Antriebs. Der am weitesten verbreitete elektrische Motor, der für industrielle Verfahren verwendet wird, ist ein Wechselstrommotor, ein AC-Motor, insbesondere ein Induktionsmotor.
Bei der bei einem Wechselstrommotor verwendeten Steuereinheit handelt es sich aufgrund der dadurch erzielten Vorteile häufig um einen Frequenzwandler. Als Alternative kann der elektrische Motor als Gleichstrommotor, DC-Motor, ausgebildet sein, der durch eine geeignete Steuereinheit geregelt wird. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der elektrische Motor selbst nicht geregelt wird, sondern dass eine separate Steueranordnung zwischen dem elektrischen Motor und der Maschine vorgesehen ist, oder dass die Steuerung als ein von dem elektrischen Antrieb getrenntes Verfahren im Zusammenhang mit dem aktuellen Vorgang gehandhabt wird.
Der elektrische Antrieb ist in Abhängigkeit von dem Vorgang, der Maschine oder dem Gerät, dass mit diesem elektrischen Antrieb betrieben werden soll, ausgebildet. Der elektrische Motor kann als Momentenquelle angesehen werden. Der Motor muss in der Lage sein, ein bestimmtes Moment zu erzeugen, er muss einer Überlastung des Verfahrens standhalten können, ohne dass der Motor thermisch überlastet wird.
Ein mit einem Frequenzwandler ausgestatteter elektrischer Antrieb wird am zweckmäßigsten durch Wechselstrom, AC, betrieben. Diese Art eines elektrischen Antriebs umfasst einen elektrischen Versorgungsstromkreis, einen Frequenzwandler und einen AC-Motor, vorzugsweise einen Induktionsmotor. Ein Frequenzwandler umfasst einen Gleichrichter, einen Gleichspannungszwischenkreis und einen Inverter. Über eine Elektrizitätszufuhr wird elektrische Energie von einem Stromversorgungsnetz oder einer entsprechenden Elektrizitätsquelle zugeführt und der elektrische Motor wird durch diese elektrische Energie angetrieben, um ein mit seiner Achse verbundenes Betätigungselement, wie beispielsweise eine Maschine oder ein Gerät anzutreiben. Durch den Frequenzwandler wird der Motor beispielsweise hinsichtlich seiner Rotationsgeschwindigkeit und/oder seines Momentes geregelt, um die Arbeitsmaschine anzutreiben und oft auch das mit dem Betätigungselement verbundene Verfahren voranzubringen.
Die Last in dem elektrischen Antrieb kann eine das Verfahren durchführende Maschine sein. Unter diesen Arten von Maschinen finden sich beispielsweise verschiedene Pumpen für Fördervorgänge von Flüssigkeiten oder ähnlichem, Lüfter für den Gebrauch in Klimaanlagen, verschiedene Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Förderanlagen, Zufuhrapparate und Werkzeugmaschinen, wobei das von dem Vorgang betroffene Material einer Behandlung in Form von Beförderung oder mechanischer Veränderung unterzogen wird. Zur Zeit besteht ein gemeinsames Merkmal für nahezu alle Vorgänge darin, dass sie geregelt und gesteuert werden müssen.
Es gibt viele einfache Steuerverfahren und -anordnungen, wie beispielsweise Drosseln, Bypass-Steuerung und Ein-Aus-Regelung. Die Konstruktion derartiger Anordnungen ist normalerweise einfach und die Investitionen in die Ausstattung für die Steuerung können oft kosteneffektiv aussehen. Jedoch haben einfache Steueranordnungen erhebliche Nachteile. Mit einfachen Steueranordnungen ist es nämlich sehr schwierig, eine optimale Leistungsfähigkeit der Vorgänge, die die beste Qualität des Verfahrens sicherstellt, zu erzielen. Darüber hinaus muss betont werden, dass ein Anstieg bei der Produktionskapazität im Allgemeinen die Rekonstruktion des gesamten Fertigungsvorgangs erforderlich macht. Abgesehen davon, gibt es bei jedem direkten prozessgekoppelten Anschalten die Gefahr von elektrischen oder mechanischen Beschädigungen. Ein besonders bemerkenswerter Nachteil bei einfachen Steueranordnungen besteht darin, dass sie viel Energie verbrauchen, wobei die Energie insbesondere bei verschiedenen Verlusten verbraucht wird.
Mit einem Frequenzwandler versehene elektrische Antriebe werden bei der Steuerung von industriellen Vorgängen immer gebräuchlicher. Insbesondere wurden solche Maschinen und Geräte mit einem einen Frequenzwandler aufweisenden elektrischen Antrieb ausgestattet, bei denen die Geschwindigkeitssteuerung (Drehgeschwindigkeit) einen wesentlichen Faktor darstellt. Der verwendete Frequenzwandler treibt einen Wechselstrommotor, im Allgemeinen einen Käfigmotor, an, was bedeutet, dass mechanische Steuersysteme nicht mehr erforderlich sind. Die Geschwindigkeit eines elektrischen Motors wird durch einen Frequenzwandler geregelt, der die Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung wandelt. Der Frequenzwandler selbst wird durch geeignete elektrische Steuersignale gesteuert. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass dem Motor und dem Arbeitsvorgang durch den Frequenzwandler eine optimale Menge Elektroenergie zugeführt wird, wodurch Energieverluste vermieden werden.
Vier der am weitesten verbreiteten Antriebe mit variabler Geschwindigkeit im industriellen Bereich sind: mechanisch verstellbare Geschwindigkeitssteuerung, hydraulische Kupplung, Gleichstromantrieb und Frequenzwandler (Wechselstromantrieb). Mechanisch verstellbare Geschwindigkeitssteuerungen verwenden üblicherweise Riemenantriebe und die Steuerung erfolgt durch das Bewegen von konischen Riemenscheiben per Hand oder mittels eines Stellmotors. Die hydraulische Kopplung verwendet das Turbinenprinzip, bei dem das Ölvolumen in der Kupplung verändert wird, so dass sich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der antreibenden und der angetriebenen Welle ändert. Die Ölmenge wird durch Pumpen und Ventile gesteuert. Bei dem Gleichstromantrieb ändert ein Gleichstromkonverter die dem Gleichstrommotor zugeführte Motorversorgungsspannung, um die Drehgeschwindigkeit zu ändern. Bei dem Motor wandelt ein mechanischer Wechselrichter, z.B. ein Kommutator, Gleichstrom in Wechselstrom um. Bei dem Frequenzwandler wird ein Standard-Käfigmotor verwendet. Die Geschwindigkeit des Motors wird durch einen Frequenzwandler geregelt, der die Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung ändert, wie bereits oben erwähnt wurde.
Bei mechanisch und hydraulisch gesteuerten Antrieben mit variabler Geschwindigkeit ist die Steuereinrichtung zwischen dem elektrischen Motor und der Arbeitsmaschine angeordnet. Dies bedeutet, dass durch die Steuereinrichtung Energieverluste hervorgerufen werden. Die Wartung der Einrichtung ist ebenfalls oft schwierig. Bei einem elektrischen Antrieb, der mit einem Frequenzwandler versehen ist, d.h. ein elektrischer Antrieb mit variabler Geschwindigkeit, hier VSD genannt, sind alle Steuersysteme in einem Raum für die elektrische Ausstattung untergebracht und nur der Antriebsmotor befindet sich im Arbeitsbereich. Bei vielen Arbeitsvorgängen ändert sich die Größe der Arbeitsleistung. Die Änderung der Größe der Arbeitsleistung durch mechanische Mittel ist normalerweise sehr ineffizient. Mit elektrischen Antrieben, die mit einem Frequenzwandler ausgestattet sind (d.h. elektrische VSD), kann der Größe der Arbeitsleistung durch Änderung der Motorgeschwindigkeit geändert werden. Dies spart eine Menge Energie, insbesondere bei Pumpen- und Lüfteranwendungen, da die Leistungsaufnahme des Motors proportional zu der Durchflussgeschwindigkeit in Dreierpotenz ist. Ein elektrischer VSD hat im Vergleich mit elektrischen Antrieben, die konventionelle Steuerverfahren und -einrichtungen verwenden; noch andere Vorteile. Wir können Pumpvorgänge als Beispiel nehmen. Bei traditionellen Verfahren gibt es immer einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil. Bei dem Vorgang des Drosselns werden bei dem elektrischen Teil Sicherungen, Schaltschütze und Drosselspulen sowie Ventile auf der mechanischen Seite benötigt. Eine Ein-Aus-Regelung benötigt die gleichen elektrischen Komponenten wie das Drosseln sowie Druckbehälter auf der mechanischen Seite. Bei einem elektrischen Antrieb, der mit einem Frequenzwandler versehen ist, werden keine mechanischen Bauteile benötigt, da alle Steuervorgänge auf der elektrischen Seite durchgeführt werden.
Viele Untersuchungen und Experimente haben ergeben, dass mit dem elektrischen VSD im Vergleich zu konventionellen elektrischen Antrieben und Steuersystemen leicht Energieeinsparungen von 50 % erzielt werden können. Dies bedeutet beispielsweise, dass, wenn der Energiebedarf eines mit konstanter Geschwindigkeit laufenden Motors mit einem DrosselSteuersystem 0,7 kW beträgt, mit einem elektrischen VSD nur 0,37 kW benötigt werden. Wenn eine Pumpe 4.000 Stunden im Jahr benutzt wird, benötigt die Drosselsteuerung 3.000 kWh und ein Antrieb mit einem Frequenzwandler hat einen Energiebedarf von 1.500 kWh pro Jahr. Um die Einsparungen zu berechnen, muss der Energieverbrauch mit dem Preis der Energie multipliziert werden, der in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und dem Lieferanten der elektrischen Energie Schwankungen unterliegt.
Bei einem Vergleich der Vorteile eines konventionellen, mit konstanter Geschwindigkeit laufenden elektrischen Antriebs mit einer eventuell angeschlossenen Steuereinrichtung einerseits und eines elektrischen Antriebs mit einem Frequenzwandler andererseits, müssen auch die Kosten für die Wartung und Instandhaltung berücksichtigt werden. Es wurde berechnet, dass bei der Wartung der Drosselsteuerung sogar zehnmal soviel Geld wie bei der Wartung eines Antriebs mit einem Frequenzwandler aufgewendet werden muss. In vielen Fällen benötigt ein Frequenzwandler so gut wie gar keine Wartung, während die mechanischen Einrichtungen der konventionellen Steuersysteme eine kontinuierliche Wartung erfordern.
Mit einem Frequenzwandler ausgestattete elektrische Antriebe bringen Energieeinsparungen in den meisten Anwendungsfällen, beispielsweise bei industriellen Arbeitsvorgängen, wobei es sich hier um eine durch Erfahrungswerte belegte Tatsache handelt. Das Problem besteht darin, wie der Energieverbrauch und insbesondere die im Vergleich zu anderen bekannten elektrischen Antrieben und Steuersystemen erzielten Energieeinsparungen, insbesondere bei mit konstanter Geschwindigkeit betriebenen elektrischen Antriebsmotoren und mit ihnen verbundenen Prozesssteuerungen, gemessen und/oder geschätzt werden können.
Für einen Fachmann besteht eine bekannte Lösung darin, einen bestehenden traditionellen elektrischen Motor und elektrischen Antrieb mit geeigneten Messsensoren auszustatten, um den Stromverbrauch in geeigneten Intervallen zu messen und den Energieverbrauch auf diese Weise zu bestimmen. In diesem Fall werden der dem elektrischen Antrieb zugeführte Strom und die Spannung gemessen und der Strom- und Energieverbrauch werden entsprechend diesem Prinzip bestimmt. Wenn es sich um einen elektrischen Antrieb handelt, der mit einer Steuereinheit, wie beispielsweise einem Frequenzwandler, ausgestattet ist, ist es andererseits möglich, die Daten bezüglich des Zustands des elektrischen Motors zu extrahieren und der Strom- und Energieverbrauch kann auf dieser Basis bestimmt werden. Ein Nachteil der Messsensorenanordnung besteht darin, dass die Messziele, d.h. insbesondere die elektrischen Motoren, mit Sensoren ausgestattet werden müssen. Ein Nachteil sowohl bei der Messsensorenanordnung und bei der Verarbeitung der Daten, die direkt aus der Steuereinheit extrahiert wurden, besteht darin, dass sowohl die Sensoren als auch die Frequenzwandler durch Messdrähte mit dem Messgerät verbunden werden müssen, wenn Messungen ausgeführt werden sollen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass auf diese Weise keine direkten Vergleichsdaten für den Energieverbrauch verschiedener elektrischer Antriebe, insbesondere für elektrische Motoren und Arbeitsmaschinen und ähnliches, die mit verschiedenen Steueranordnungen versehen sind, erhalten werden können. In der Praxis werden der Energieverbrauch des in den Arbeitsvorgang eingebundenen elektrischen Motors vor dem Austausch des Antriebs (oder bei Planung eines Austausches) und der Energieverbrauch eines neuen elektrischen Antriebs, der mit einem Frequenzwandler versehen ist, nach dem Austausch, d.h. nach Installation des elektrischen Antriebs, an ein und demselben Zielpunkt gemessen (oder es werden vorläufige Berechnungen seines Energieverbrauchs durchgeführt) und die Ergebnisse werden verglichen, um zu beweisen, dass Energie eingespart wurde (oder um mögliche Einsparungen zu schätzen). Wir beziehen uns beispielsweise auf die japanische Patentanmeldung JP-2003228621A (oder EP-1085636A2). Die folgenden Veröffentlichungen beschrieben im Allgemeinen den Stand der Technik: US 3,998,093 , US 2003/0057904A1 und WO 86/05887.
Die Patentveröffentlichung US 3,998,093 stellt ein System zum Überwachen und Steuern des Energieverbrauchs vor, bei dem die aktuell verbrauchte Energie mit einem idealen oder gewünschten Energieverbrauch verglichen und beide angezeigt werden. Das System wird insbesondere verwendet, um den Verbrauch von elektrischer Energie oder Gas in einer Industrieanlage zu überwachen. Der Vergleich zwischen dem tatsächlichen und dem idealen Energieverbrauch wird dem Betriebspersonal als visuelle Information auf einem geeigneten Display angezeigt. Falls erforderlich kann ein Alarmsignal ausgelöst werden, wenn ein vorbestimmter Schwellenwert zwischen dem tatsächlichen und dem idealen Energieverbrauch überschritten wird. Die Zielsetzung dieses Systems besteht hauptsächlich in der Einsparung von Energie und insbesondere in der Überwachung des Verhältnisses zwischen tatsächlichem und idealem Energieverbrauch in einer leicht ablesbaren Weise.
In den Patent Abstracts of Japan, Vol. 2003, Nr. 5 vom 12. Mai 2003 und der japanischen Veröffentlichung JP 2003006288A werden ein Verfahren und ein System zum Berechnen von Energieeinsparungen offenbart, wobei ein aktueller Energieverbrauch eines aktuellen Lüfterantriebs/einer Lüfteranlage mit einem idealen Energieverbrauch verglichen wird, der auf einem Simulationsmodell eines Lüfterantriebs/einer Lüfteranlage basiert. Die Zielsetzung besteht darin, dem Verbraucher den Energiespareffekt zu zeigen, der sich aus dem Betrieb von pumpengetriebenen Ausrüstungen des Verbrauchers unter Einsatz von Invertern im Vergleich zu einem Antrieb mit der üblichen Kraftquelle ergibt.
Die Patentanmeldung US 2003/0057904A1 offenbart ein Steuersystem, das mit Rückmeldungen arbeitet, wobei das System bei einem eine Kreiselmaschine, wie beispielsweise eine Pumpe oder einen Lüfter, antreibenden elektrischen Motor eingesetzt wird. Dieses Steuersystem verwendet eine vorbestimmte spezielle Kurve für beispielsweise die Leistung einer Kreiselpumpe und der Aufnahmeleistung des Motors, um die Rückmeldesteuerung zu verwirklichen. Dieses Verfahren ersetzt die früher in dem System verwendeten Drucksensoren oder Differenz-Drucksensoren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Energieverbrauch zu optimieren und den Lärm zu verringern.
Die internationale Patentanmeldung WO 86/05887 offenbart einen Strommesser, der in der Lage ist, den verbrauchten Strom und die Kosten des verbrauchten Stroms anzuzeigen. Das Verfahren verwendet eine kontinuierliche Messung des verbrauchten elektrischen Stroms, was zu genaueren Messergebnissen führt als eine Messung in einzelnen Zeitabschnitten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile zu eliminieren, die mit der Messung und/oder Schätzung des oben genannten Energieverbrauchs im Zusammenhang stehen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Verwirklichung eines neuen Verfahrens und einer Anordnung zum Schätzen des Verbrauchs und insbesondere der Einsparungen von elektrischer Energie bei einem Vergleich zwischen einem konventionellen elektrischen Antrieb und einem elektrischen Antrieb, der im Allgemeinen mit einer Steuereinheit und insbesondere mit einem Frequenzwandler versehen ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen, wobei der elektrische Antrieb eine Steuereinheit und einen Wechselstrommotor umfasst, wobei bei dem Verfahren sich auf den Zustand des Wechselstrommotors beziehende Daten der Steuereinheit gelesen und gespeichert werden, wobei die Zustandsdaten Leistung und Frequenz sind, ist gekennzeichnet durch das, was im Anspruch 1 dargelegt wird. Die Anordnung zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen, wobei der elektrische Antrieb eine Steuereinheit sowie einen Wechselstrommotor umfasst und die Steuereinheit eine Messeinrichtung zum Messen von Zustandsdaten des Wechselstrommotors umfasst, wobei die Zustandsdaten Leistung und Frequenz sind, ist gekennzeichnet durch das, was im Anspruch 7 dargelegt wird. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen ist dadurch gekennzeichnet, dass

– die sich auf den Zustand des Wechselstrommotors beziehenden Daten von der Steuereinheit verwendet werden, so dass in einem oder mehreren vorbestimmten Messzeiträumen mit vorbestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen, an den Messpunkten die Zustandsdaten gelesen werden und die Messwerte für Leistung und Frequenz in einem Messwertregister gespeichert werden,
– der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume berechnet wird,
– der Leistungswert eines virtuellen Wechselstrommotors, der durch einen Eingangsstrom mit konstanter Frequenz gespeist wird, auf der Basis der in dem Messwertregister gespeicherten Messwerte für Leistung und Frequenz bestimmt wird,
– der Energieverbrauch dieses virtuellen Wechselstrommotors in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume auf der Basis des in dem vorhergehenden Schritt bestimmten Leistungswerts berechnet wird,
– der Energieverbrauch einer alternativen Steueranordnung in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume bestimmt wird,
– die berechneten Energieverbräuche des virtuellen Wechselstrommotors und der alternativen Steueranordnung addiert werden und
– der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs mit dem addierten Gesamtenergieverbrauch des virtuellen Wechselstrommotors und der alternativen Steueranordnung verglichen wird, um die Energieeinsparungen zu berechnen, die von dem elektrischen Antrieb in dem in Frage kommenden Messzeitraum erzielt wurden.

Bei einem elektrischen Antrieb, der mit einer Steuereinheit wie beispielsweise einem Frequenzwandler versehen ist, werden normalerweise die Zustandsdaten, insbesondere sowohl zugeführter Strom und zugeführte Spannung als auch die Frequenz, eines Wechselstrommotors, vorzugsweise eines Induktionsmotors gemessen, um den Motor zu regeln. Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet insbesondere die der Steuereinheit bezüglich des Zustands des Wechselstrommotors zugeführten Daten, d.h. seine Zustandsdaten; im Fall eines Drehstrommotors und eines Frequenzwandlers werden insbesondere sowohl die Strom- und Spannungsdaten der Phasen als auch die Frequenz mit der die Spannung/der Strom der Phasen gewechselt wird, verwendet.
Bei einem Verfahren gemäß der Erfindung wird auch der Energieverbrauch eines alternativen Steuersystems mit Bezug auf die Steuereinheit, wie beispielsweise einem Frequenzwandler, berücksichtigt. Somit werden die Leistungsverluste von einem oder mehreren alternativen Steuersystemen dargestellt und der Energieverbrauch des Steuersystems wird auf der Basis dieser Darstellung in dem Messzeitraum bestimmt und der Energieverbrauch des Steuersystems wird zu dem Energieverbrauch eines elektrischen Motors addiert, dem in einem oder mehreren vorbestimmten Zeiträumen Energie mit konstanter Frequenz zugeführt wird. Zu diesen alternativen Steuersystemen zählen beispielsweise Drosseln, Ein-Aus-Regelung und Schlupfregelung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Anzahl der Messpunkte in den Messzeiträumen auf der Basis des akzeptierten maximalen Fehlers der Energiewerte bestimmt. Der Zweck hierfür besteht darin, dass die numerische Integration des Energieverbrauchs ausreichend genau ist, wenn die Anzahl der Messpunkte gleichzeitig optimiert wird. Der Energieverbrauch kann durch verschiedene numerische Verfahren berechnet werden, die auch ein Fehlerschätzverfahren oder eine Formel zum Schätzen des maximalen Fehlers umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Energieverbrauch auf der Basis der in dem Messwertregister gespeicherten Messwerte unter Verwendung einer Trapezformel berechnet werden, wobei die optimale Anzahl der Messpunkte unter bestimmten Bedingungen auf der Basis der Fehlerklausel der Trapezformel bestimmt werden kann.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Messwertregister in eine grafische Leistungs/Frequenz-Darstellung, zweckmäßigerweise eine Kurve, umgewandelt, durch die der Leistungswert eines virtuellen elektrischen Motors, der durch einen Eingangsstrom mit konstanter Frequenz gespeist wird, bestimmt wird. In diesem Fall handelt es sich bei dem virtuellen elektrischen Motor um einen Wechselstrommotor, der mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird. Der Leistungswert des virtuellen elektrischen Motors wird durch diese Vorgehensweise in dem Fall bestimmt, dass der Frequenzsteuerbereich einer Steuereinheit, wie beispielsweise einem Frequenzwandler, während des Messzeitraums nicht diese konstante Frequenz erreicht, die normalerweise die Frequenz des elektrischen Netzes ist. In dem Fall, dass der Frequenzsteuerbereich des Frequenzwandlers diese konstante Frequenz erreicht, wird der Leistungswert des virtuellen elektrischen Motors direkt von den Messdaten und dem Messregister bezogen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die oben genannte grafische Leistungs/Frequenz-Darstellung vorzugsweise mathematisch als Polynom dritten Grades definiert, so dass die Koeffizienten auf die gemessenen Leistungs/Frequenzwert-Paare abgestimmt werden. Bei diesem Abstimmverfahren kann beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden, um die Messwerte und die Kurve so kompatibel wie möglich zu machen.
Ein wichtiger von der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung die Möglichkeit bieten, den Energieverbrauch, insbesondere die erzielten Energieeinsparungen eines elektrischen Antriebs, der mit einem elektrischen Motor ausgestattet ist, insbesondere eines elektrischen Antriebs, der mit einem Frequenzwandler versehen ist, im Vergleich zu anderen bekannten elektrischen Antrieben und/oder Steuersystemen zu messen und/oder zu schätzen. Die Erfindung basiert auf der Betriebszeitmessung eines realen elektrischen Antriebs, wobei im Zusammenhang mit diesem Antrieb ein elektrischer Vergleichsantrieb konstruiert wird und der Energieverbrauch dieses Vergleichsantriebs auf der Basis der gleichen Betriebszeitdaten bestimmt wird. Somit können die Energieverbräuche von zwei (oder sogar mehreren) unter den gleichen Bedingungen verwendeten elektrischen Antrieben miteinander verglichen werden. Es war zuvor ausgesprochen schwierig, ähnliche Vergleiche des Energieverbrauchs durchzuführen und sie wurden daher unterlassen. Eine entsprechende Mess- und Schätzanordnung wurde in keiner der oben genannten Vorveröffentlichungen, die den allgemeinen Stand der Technik widerspiegeln, beschrieben.
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es mit ihr möglich ist, die Vorzüge insbesondere eines elektrischen Antriebs, der auf einem Frequenzwandler und einer angewandten Geschwindigkeitssteuerung basiert, im Vergleich zu anderen Steuersystemen in einfacher und effektiver Weise zu ermitteln. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass hierbei verschiedene elektrische Antriebe verglichen werden können und die am besten geeignete Antriebslösung kann im Hinblick auf das Anwendungsziel und den Energieverbrauch ermittelt werden. Folglich können beispielsweise vorgefertigte Berechnungen der Energieeinsparungen überprüft und verifiziert werden, und die Kosteneffektivität von entsprechenden neuen elektrischen Antrieben, insbesondere mit einer Steuereinheit, insbesondere einem Frequenzwandler, ausgestatteten elektrischen Antrieben, kann abgeschätzt werden.
Die Erfindung und ihre weiteren Vorteile werden in näheren Einzelheiten nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist
1 eine prinzipielle Darstellung eines elektrischen Antriebs, der mit einem Frequenzwandler versehen ist,
2 eine schematische Darstellung des Frequenzwandlers der 1,
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung einer Leistungs/Frequenz-Darstellung, insbesondere eine Kurve, die auf der Basis der Messungen erstellt wurde, und
5 ein Blockdiagramm, das eine Anordnung gemäß der Erfindung darstellt.
In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet.
Ein elektrischer Antrieb, für den ein Beispiel in der 1 dargestellt ist, umfasst eine elektrische Energieversorgung 1, eine Steuereinheit, die vorzugsweise als Frequenzwandler 2 ausgeführt ist, einen Wechselstrommotor 3, in diesem Fall ein Dreiphasenmotor. Der elektrische Antrieb ist vorgesehen, um eine Last 4, beispielsweise eine Pumpe, zu betreiben, beispielsweise zu drehen. Die elektrische Energieversorgung 1 umfasst ein Wechselstromnetz, wie beispielsweise ein Drehstromnetz oder eine entsprechende Wechselstromquelle zum Zuführen von elektrischer Energie zu dem elektrischen Antrieb. Der Wechselstrommotor 3 ist vorzugsweise ein Käfigmotor, was der bei industriellen Verfahren gebräuchlichste elektrische Motor ist.
Bei dieser Ausführungsform umfasst die Steuereinheit, die in diesem Fall ein Frequenzwandler 2 ist, einen Gleichrichter 5, einen Gleichstrom-Zwischenkreis 6 und einen Inverter 7. Der Inverter 7 des Frequenzwandlers 2 ist als Blockdiagramm in der 2 dargestellt. Der Inverter 7 umfasst eine Schaltgruppe 9 und eine Regeleinrichtung 8. Durch die Regeleinrichtung 8 werden die sechs Schalter der Schaltgruppe 9 gesteuert, so dass ein Strom und eine Spannung mit wechselnder Frequenz und mit einer geeigneten Stärke dem Motor 3 zugeführt werden können.
Bei einem mit einem Frequenzwandler ausgestatteten elektrischen Antrieb werden normalerweise die Zustandsdaten des elektrischen Motors gemessen, insbesondere der Eingangsstrom und die Eingangsspannung I, U der verschiedenen Phasen sowie die Frequenz f, um die Geschwindigkeit des elektrischen Motors zu steuern. Die Steuerung wird in der Regeleinrichtung 8 durchgeführt, die Steuerungsanweisungen als geeignetes elektrisches Signal von außerhalb des elektrischen Antriebs empfängt, wie beispielsweise die Prozessmessdaten als geeignete Anweisung für die Geschwindigkeit. Mit diesen Strömen und Spannungen I, U kann die Leistung des elektrischen Motors beispielsweise in der Regeleinrichtung 8 (oder außerhalb dieser Regeleinrichtung, jedoch vorzugsweise in der Regeleinrichtung) für jeden Zeitpunkt berechnet werden und dies kann von dem Frequenzwandler verwendet werden, um den Motor zu steuern.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung, dessen prinzipielles Ablaufdiagramm in der 3 dargestellt ist, betrifft ein Verfahren zum Messen und Schätzen des Energieverbrauchs, wobei dieses Verfahren bei einem elektrischen Antrieb angewendet wird, der mit einer Steuereinheit, insbesondere einem Frequenzwandler, und einem Wechselstrommotor ausgestattet ist, wie es beispielsweise bei dem in der 1 dargestellten elektrischen Antrieb der Fall ist.
Im ersten Schritt 31 werden vor den eigentlichen Messungen bestimmte Ermittlungen ausgeführt. Der erste Bestimmungszeitraum 301 betrifft den Messzeitraum T und die Anzahl der Abfragepunkte n. Der Messzeitraum T wird in diesem Fall individuell gewählt. Wenn Nacht- und Tagesenergie unterschiedliche Grundlagen für die Berechnung haben, sollten natürlich mindestens 24 Stunden als Messzeitraum gewählt werden. Wenn eine Woche den Rhythmus der Arbeitsabläufe einer mit einem elektrischen Antrieb versehenen Last, wie beispielsweise einer Vorrichtung oder einer Anlage, beschreibt, sollte der gewählte Messzeitraum hier wiederum eine Woche betragen. Wenn bekannt ist, dass die Leistung eines elektrischen Antriebs durch äußere Umstände, wie beispielsweise die Jahreszeit, schwankt, kann die Messung so ausgeführt werden, dass sie während verschiedener Jahreszeiten wiederholt wird, beispielsweise in der kalten und in der warmen Jahreszeit, damit die Zeitmessräume zusammen die Gesamtzeit der Leistungsberechnung ergeben. Um eine Auswertung zu vereinfachen, wird die Länge des Messzeitraums im Voraus gewählt, so dass er eine Größenordnung von ganzen Stunden oder ganzen Tagen hat.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, die Anzahl der Messpunkte t_i, d.h. die Anzahl der Abfragepunkte n, vor dem Messvorgang zu wählen. Die Messpunkte t_i folgen aufeinander in zeitlichem Ablauf i = 1, 2, 3, ... n mit bestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen Δt, wobei das Intervall von der Anzahl der Prüfpunkte n abhängig ist. Je länger der Messzeitraum T ist, desto größer ist die Anzahl der Messpunkte n. Aus praktischen Gründen ist es in diesem Fall vernünftig, das Berechnungsverfahren und das Abfrageintervall so zu wählen, dass die bei der Berechnung des Energieverbrauchs an den Messpunkten angewendete numerische Integration ausreichend genau wird, die Anzahl der Messpunkte jedoch nicht unnötigerweise erhöht wird. Es gibt mehrere alternative Verfahren und für jedes von ihnen gibt es Klauseln zum Bestimmen des maximalen Fehlers, sofern Informationen über den Differentialquotienten des Leistungssignals vorliegen. Beispielsweise hat der Fehler einer Trapezformel die folgende Form
dabei ist

T_b der Endzeitpunkt der Integration, d.h. der Endpunkt des Messzeitraums
T_a der Startpunkt der Integration, d.h. der Anfangspunkt des Messzeitraums n die Anzahl der Abfragepunkte
P''(t) die zweite Ableitung der Leistung (und erste Ableitung der Geschwindigkeit der Leistungsänderung)
ϵ der akzeptierte Fehler

Der akzeptierte Fehler ϵ wird berechnet und festgesetzt. Dann wird in der Gleichung (1) eine erforderliche Anzahl von Abfragepunkten ermittelt, die zu den Berechnungen hinzugefügt werden.
Der oben beschriebene erste Berechnungszeitraum 301 ist nützlich zum Ermitteln einer guten und verlässlichen Schätzung des Energieverbrauchs. Es ist ebenfalls vorteilhaft, in dem zweiten Berechnungszeitraum 302 die Art der grafischen Leistungs/Frequenz-Darstellung festzulegen, vorzugsweise eine Kurvendarstellung, die die gegenseitige Abhängigkeit dieser beiden Werte beschreibt, wobei die Kurvendarstellung vorzugsweise später unter bestimmten Bedingungen beim Verarbeiten des Messwerteregisters des Verfahrens verwendet wird.
Im Allgemeinen hat die Gestaltung der Leistungs/Frequenz-Darstellung oder der Kurve PF die folgende Form PF = a·f3 + b·f2 + c·f + d (2)wobei a, b, c und d Konstanten sind und f = Frequenz ist.
Die Form der Leistungs/Frequenzkurve PF ist ein Polynom dritten Grades und die Konstanten sind seine Koeffizienten. Dies basiert auf der Tatsache, dass zumindest ein Teil der Leistung des elektrischen Motors von dem Gegenmoment a·f³ der Drehgeschwindigkeit verbraucht wird, d.h. einem Gegenmoment, das proportional zu der Quadratur der Frequenz ist. Dies kann in einigen Fällen ein nur geringer Teil der Gesamtleistung sein, bei einem elektrischen Motor, der beispielsweise eine Kreiselpumpe antreibt, stellt dies jedoch den Hauptteil der gesamten Leistung dar. Das konstante Gegenmoment ergibt einen dritten Term b·f², der als solcher ziemlich bekannt ist. Ein weiterer Term cf ist beispielsweise bei Arbeitsmaschinen zu finden und er wird der Vollständigkeit halber benötigt. Der letzte Term d stellt die von der Frequenz unabhängige Leistung dar, die zumindest in der Form von Verlusten, als solche ebenfalls vorhanden ist.
Es ist ferner vorteilhaft, in dem dritten Bestimmungszeitraum 303 die Leistungsverluste einer alternativen Steueranordnung im Vergleich zu einem elektrischen Antrieb, der einen Frequenzwandler verwendet, zu bestimmen und insbesondere darzustellen, um den Energieverbrauch zu schätzen. Dies wird nachstehend behandelt.
Wenn die für die Messungen ausreichenden Bestimmungen in Schritt 31 ausgeführt wurden, wird zweckmäßigerweise der Messschritt 32 gestartet, beispielsweise unter Steuerung durch die Systemuhr oder unter Zwischenschaltung eines Timers. In dem Messschritt 32 werden in einem oder mehreren vorbestimmten Messzeiträumen T mit vorbestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen Δt, an den Messpunkten t_i die Zustandsdaten des elektrischen Motors, insbesondere die Messwerte P_i, f_i für Leistung und Frequenz von der Steuereinheit des Frequenzwandlers gelesen und in dem nächsten Schritt, d.h. dem Speicherschritt 33 in dem Messwerteregister gespeichert. In dem Fall, dass der Wert der Leistungsmessung nicht direkt gelesen werden kann, werden die erforderlichen Spannungs- und Stromwerte von einem oder mehreren Schritten gelesen, um die Leistung zu berechnen. Beispielsweise wird die Eingangsleistung P_i eines Drehstrommotors am Messpunkt t_i durch die bekannte Formel Pi = √3 UiIicos(Φ) (3),bestimmt, wobei U_i = Phasenspannung, I_i = Phasenstrom und Φ = Leistungskoeffizient ist. Jedes Messereignis an jedem Messpunkt wird mit einem Zeitstempel versehen, der durch das Symbol t_i des Messpunkts dargestellt wird.
Wenn der Messschritt 32 und der Messdaten-Speicherschritt 33 in dem Messzeitraum durchgeführt wurden, werden die Messwerte P_i, f_i in dem Modell der Leistungs/Frequenz-Darstellung, vgl. Formel (2), oder in einem entsprechenden vorbestimmten Darstellungsmodell aufeinander abgestimmt und die Konstanten a, b, c und d werden ermittelt. Dies erfolgt in dem Modellierungsschritt 331 der Leistungs/Frequenz-Darstellung. Danach kann die gemessene Leistung als Funktion der Frequenz beispielsweise als grafische Kurve auf dem Anzeigegerät dargestellt werden und sie kann verwendet werden, um den Energieverbrauch eines mit konstanter Geschwindigkeit betriebenen Wechselstrommotors zu bestimmen, wie nachstehend beschrieben wird.
Im ersten Berechnungszeitraum 341 des Berechnungsschritts 34 wird der Energieverbrauch des mit einem Frequenzwandler ausgestatteten elektrischen Antriebs auf der Basis der Messergebnisse P_i, f_i während des Messzeitraums T berechnet. Wenn das Messen und Registrieren der Leistung (oder der entsprechenden Spannungs- und Stromwerte) mittels eines Frequenzwandlers durchgeführt wird und nicht mit beispielsweise einem Leistungsmessgerät, das vor dem Frequenzwandler angeschlossen ist, werden zusätzlich zu der Leistungs/Zeitaufteilung Informationen über den Bestandteil Betriebsgeschwindigkeit erhalten, der oft die Größe der Ausgangsleistung einer Arbeitsmaschine beschreibt. In nahezu allen Fällen ist die Ausgangsleistung proportional zu der Geschwindigkeit, d.h. der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle, was bedeutet, dass sie in einem elektrischen Antrieb, der einen Frequenzwandler verwendet, proportional zu der Frequenz ist. Diese Art der Anwendungsmöglichkeit kommt beispielsweise bei Papiermaschinen, Fördergeräten, Pumpen und verschiedenen Fahrzeugen zum Einsatz. Das Profil und die Quantität der Ausgangsleistung gewinnen im Vergleich zu Ein-Aus-Regelungen an Bedeutung.
Der Energieverbrauch E eines mit einem Frequenzwandler ausgestatteten elektrischen Antriebs, bei dem insbesondere eine Drehgeschwindigkeitsregulierung angewendet wird, wird beispielsweise durch eine Trapezformel wie folgt ermittelt:
wobei

P_i = gemessene Leistung am Messpunkt t_i
t_i = Messpunkt eines Messzeitraums T für Tag/Nacht

Der Energieverbrauch E_day am Tag wird von der Formel (4) und der Energieverbrauch E_night in der Nacht wird von der Formel (5) wiedergegeben. Der Zeitpunkt und die Länge des Messzeitraums T sind in den Formeln (4) und (5) so definiert, dass i = Tag in einen vorbestimmten Zeitraum des Tages (beispielsweise zwischen 6:00 und 18:00 Uhr) und dementsprechend i = Nacht in einen vorbestimmten Zeitraum der Nacht (beispielsweise zwischen 18:00 und 6:00 Uhr) fällt. Vorzugweise beträgt die Summe des Tag- und des Nachtmesszeitraums 24 Stunden. Durch eine entsprechende Basisformel wird der Energieverbrauch des Messzeitraums T allgemeingültig bestimmt.
Das Ausgangsvolumen O_meas während des Messzeitraums wird wie folgt erhalten:
wobei

f_i = am Messpunkt t_i gemessene Frequenz.

In dem zweiten Berechnungszeitraum 342 des Berechnungsschritts 34 wird der Energieverbrauch eines virtuellen elektrischen Motors, insbesondere eines Wechselstrommotors, dem ein Eingangsstrom mit konstanter Frequenz zugeführt wird und der daher mit konstanter Geschwindigkeit läuft, auf der Basis der Daten des Messzeitraums berechnet. In dem Basisantrieb (ohne Frequenzwandler) wird der elektrischen Maschine Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz, d.h. im Allgemeinen mit der Frequenz des Stromnetzes, von einer geeigneten Elektrizitätsquelle zugeführt. Den Energieverbrauch des Basisantriebs dieser Art von elektrischer Maschine erhält man aus den verarbeiteten Messdaten, entweder direkt von den Daten der Leistung im Vergleich zu der Frequenz oder durch Interpolation der Leistungs/Frequenzkurve relativ zu der konstanten Geschwindigkeit, mit der der Motor mit unveränderlicher Drehzahl läuft, und Auslesen des Leistungswertes.
In der 4 wurde die Leistungs/Frequenzkunre unter Verwendung des Kurvenmodells gemäß Formel (2) erzeugt und stellt somit das Messen dar und der in der Zeichnung dargestellte Punkt stellt den mit konstanter Geschwindigkeit (und konstanter Frequenz) drehenden Motor dar.
In dem dritten Berechnungszeitraum 343 des Berechnungsschritts 34 werden andere mögliche mit einem elektrischen Motor, dem ein Eingangsstrom mit konstanter Frequenz zugeführt und der mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird und insbesondere mit den mit ihm verbundenen Steuersystemen zusammenhängende Energieverbräuche berechnet.
Ein Antrieb mit Frequenzwandler wird eingesetzt, um mit Wechselstrom betriebene Motoren zu regeln, insbesondere zur Regelung der Drehgeschwindigkeit und zur Steuerung bei vielen verschiedenen Einsatzzielen sowohl in der Industrie als auch im Allgemeinen in einem konstruierten Umfeld. Statt eines Antriebs mit einem Frequenzwandler wurden früher elektrische, mit konstanter Geschwindigkeit betriebene Motorantriebe verwendet und sind immer noch weit verbreitet und zur Steuerung dieser Antriebe werden andere im Allgemeinen bekannte Steuerverfahren angewendet. Die am weitesten verbreiteten sind Drosseln, Ein-Aus-Regelungen und Schlupfregelung. In dem Fall, dass diese Art von Zufuhrsteuerverfahren verwendet werden, führen sie zu weiteren Energieverlusten in dem Verfahren. Diese Art alternativer Steuerverfahren ist auf diesem technischen Gebiet im Allgemeinen bekannt und der von ihnen verursachte Energieverbrauch kann durch rechnerische Mittel berechnet werden.
In dem dritten Bestimmungszeitraum 303 des Bestimmungsschritts 31 werden die Leistungsverluste/Energieverluste einer Steueranordnung, die als Alternative zu einem einen Frequenzwandler verwendenden elektrischen Antrieb eingesetzt wird, in Darstellungen umgewandelt, die dann in dem dritten Berechnungszeitraum 343 des Berechnungsschritts 34 angewendet werden, um die Leistungsverluste/Energieverluste der alternativen Steueranordnung zu berechnen.
In dem dritten Bestimmungszeitraum 303 werden eine alternative Steueranordnung sowie ein Rechenmodell zum Berechnen ihrer Energieverluste bestimmt, d.h. die Leistungs- und/oder Energieverluste der alternativen Steueranordnung werden dargestellt, wie oben ausgeführt wurde. Als nächstes sollten wir uns Drosseln, Ein-Aus-Regelungen und Schlupfregelungen zuwenden, die weitverbreitete Steuerverfahren sind.
Der Energieverbrauch von Drosselsteuerungen wird durch die folgende Formel ermittelt Et,day = Pmax·∆Tday (7)wobei

P_max: = die von der Drosselsteuerung benötigte Leistung, d.h. die Leistung eines virtuellen mit konstanter Frequenz betriebenen Motors
ΔT_day: = die bei den Messungen erfasste Leistungszeit am Tage, d.h. der Messzeitraum am Tage
E_t,day: = der Energieverbrauch am Tage bei Drosselung

Der Energieverbrauch in der Nacht bei Drosselung oder im Allgemeinen der Energieverbrauch in einem vorbestimmten Messzeitraum bei Drosselung wird auf ähnliche Weise ermittelt.
Der Einsatz einer Ein-Aus-Regelung wird beeinflusst durch: a) geplante maximale Ausgangsleistung, b) Umfang der "Speicherkapazität" in dem Produkt und c) der Einschaltzeit, die aus Gründen der Steuerbarkeit nicht volle 100% betragen kann. Aus wirtschaftlichen Gründen sind Einschaltzeiten, die unter 90% liegen, nachteilig für eine maximale Ausgangsleistung, da die Ausstattung in allen Situationen überdimensioniert wäre. Als Ergebnis ist der Energiebedarf höher als bei einem Eingang mit Frequenzwandler und obwohl das Ausgangsvolumen von Zeit zu Zeit höher ist, stellen die durchschnittlichen Werte eine ähnliche Quantität wie bei einem Eingang mit Frequenzwandler dar.
Im Fall von Pumpen beispielsweise wird die Speicherkapazität durch die Größe der Speicherbehälter repräsentiert. Da der Zweck nicht darin besteht, dieses Steuerverfahren schlechter zu machen als es ist, wird die Startfrequenz vom Verfasser der Analyse angefordert. Jedoch sind Startintervalle, die länger als die Zeitbegrenzungen für die nächtlichen Laufzeiten sind, nicht vernünftig, d.h. es ist ratsam, mindestens einmal mit einer nächtlichen Laufzeit anzufangen.
Folglich wird die Berechnung wie folgt vorgenommen: a) die Ausgangsleistung pro Startintervall wird berechnet, b) es wird berechnet, wie lange ΔT_on der mit konstanter Geschwindigkeit laufende Motor eingeschaltet ist (Startintervall) und c) schließlich wird der Energieverbrauch E_on/off berechnet.
Die Ausgangsleistung während des Startintervalls wird mit der folgenden Formel ermittelt: ΔTon = =Omeas·ΔTstart/Oon-off (8)wobei

O_meas: = gemessene Ausgangsleistung
O_on-off: = maximale Ausgangsleistung der Ein-Aus-Regelung
ΔT_start: = Startintervall
ΔT_on: = Einschaltzeit der Ein-Aus-Regelung

Die während der Einschaltzeit verbrauchte Energie, insbesondere der Energieverbrauch am Tage E_on/off,day wird durch die folgende Formel ermittelt: Eon-off,day = Pmax·ΔTon (9)
Durch eine entsprechende Formel wird der Energieverbrauch bei Nacht E_on/off,night bestimmt.
Eine Schlupfregelung wird typischerweise mit hydraulischen Kupplungen oder Wirbelstrombremsen ausgeführt. Im Allgemeinen erfordert das Steuergerät eine Kühlung, was hier ignoriert werden muss. Es wird angenommen, dass der Schlupf auf Null heruntergeregelt werden kann, wenn dies erwünscht ist. Dies ist bei einigen Geräten möglich.
Bei diesem Verfahren wird jeder Abfragepunkt erneut berechnet, so dass die elektrische Leistung wie folgt umgerechnet wird: Pslip,i = Pi/fi·fs (10)wobei

P_i: = Leistung am Abfragepunkt
f_i: = Frequenz am Abfragepunkt
f_s: = Frequenz des Stromnetzes
P_slip,i: = Motorleistung bei Schlupffrequenz

Mit der Schlupfregelung werden wird Energieverbräuche am Tage und in der Nacht E_slip,day, E_slip,night separat von den Leistungen berechnet.
Wenn das alternative Steuerverfahren bekannt ist und der von diesem Steuerverfahren verursachte Leistungs- und/oder Energieverbrauch angemessen dargestellt und bestimmt wurde, kann der Energieverbrauch jetzt in dem dritten Berechnungszeitraum 343 des Berechnungsschritts 34 berechnet werden. Als nächstes kann im vierten Berechnungsschritt 344 der kombinierte Energieverbrauch eines mit konstanter Geschwindigkeit betriebenen elektrischen Motors und eines mit ihm verbundenen alternativen Steuerverfahrens während des Messzeitraums berechnet werden.
Im Vergleichsschritt 35 wird der berechnete Energieverbrauch (Schritt 341) des Antriebs mit Frequenzwandler mit dem Energieverbrauch eines elektrischen Motors, der mit konstanter Geschwindigkeit betrieben wird, sowie der Energieverbrauch des alternativen Steuerverfahrens (Schritte 342, 343) verglichen und das Ergebnis des Vergleichs wird beispielsweise als Wert des absoluten Energieverbrauchs oder in Prozentzahlen als Energieeinsparung des mit einem Frequenzwandler ausgestatteten elektrischen Antriebs im Vergleich zu einem normalen elektrischen Antrieb angegeben.
In besonderen Fällen kann es erwünscht sein, nur die elektrische Antriebskraft als Funktion der Frequenz ungeachtet der Aufteilung der Ausgangsleistung zu erhalten. In diesem Fall kann der Frequenzwandler über den interessierenden Frequenzbereich von minimaler bis zu maximaler Frequenz überprüft werden. Diese Messung kann innerhalb von wenigen Minuten durchgeführt werden und unterscheidet sich daher von dem Erfassen des aktuellen Überwachungsmaterials. Als Ergebnis erhält man die Leistung als Funktion der Frequenz in einer grafischen Darstellung.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung 50 zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen, wobei der elektrischen Antrieb eine Steuereinheit, in diesem Fall einen Frequenzwandler, und einen Wechselstrommotor umfasst. Mit dieser Anordnung kann das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden.
Die Anordnung 50 gemäß der Erfindung, 5, umfasst mindestens eine Bestimmungseinheit 51, eine Messeinheit 52, eine Speichereinheit 53 und eine Berechnungseinheit 54. Einer oder mehrere Messzeiträume T und die Messpunkte t_i in vorbestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen Δt, werden in der Bestimmungseinheit 51 bestimmt. Mindestens die Start- und Endpunkte des Messzeitraums T und die Abfrageanzahl n oder Abfrageintervalle Δt werden von außerhalb der Anordnung eingespeist. Mit der Messeinheit 52 werden an den Messpunkten t_i während des Messzeitraums die Messwerte P_i, f_i für Leistung und Frequenz des Wechselstrommotors gelesen. Die gelesenen Messwerte werden zusammen mit den Messpunktdaten in der Speichereinheit 53 gespeichert. Aus den Messwerten A wird ein Messwertregister 531 erzeugt.
Es kann gesagt werden, das in der Bestimmungseinheit 51 im Allgemeinen der erste oder Bestimmungsschritt 31 gemäß dem Verfahren der Erfindung für mindestens den ersten und den dritten Bestimmungszeitraum durchgeführt wird, und dementsprechend werden in der Messeinheit 52 die Messschritte 32 durchgeführt und in der Speichereinheit 53 wird der Speicherschritt 33 der Messdaten durchgeführt sowie andere alternativ damit im Zusammenhang stehende Schritte. In der Berechnungseinheit 54 werden dementsprechend die Berechnungsschritte 34 und der Energieverbrauch-Vergleichsschritt 35 durchgeführt.
Die Berechnungseinheit 54 umfasst erste Mittel 541 zum Bestimmen des Leistungswerts eines virtuellen Wechselstrommotors, der mit einem Eingangsstrom mit konstanter Frequenz gespeist wird und zum Berechnen des Energieverbrauchs dieses Motors in einem oder mehreren vorbestimmten Messzeiträumen. Die Berechnungseinheit 54 umfasst ferner zweite Mittel 542 zum Berechnen des Energieverbrauchs eines elektrischen Motors, der mit einem Frequenzwandler oder einer entsprechenden Steuereinheit ausgestattet ist, d.h. eines verwendeten elektrischen Antriebs in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume. Die Berechnungseinheit 54 umfasst ferner dritte Mittel 543 zum Berechnen des Energieverbrauchs einer oder mehrerer alternativer Steueranordnungen in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume. Die Berechnungseinheit 54 umfasst vorteilhafterweise auch vierte Mittel 544, in denen erstens der Energieverbrauch des virtuellen Wechselstrommotors und der Energieverbrauch der alternativen Steueranordnung addiert werden und zweitens der berechnete Energieverbrauch des verwendeten elektrischen Antriebs mit dem addierten Gesamtenergieverbrauch des virtuellen Wechselstrommotors und der alternativen Steueranordnung verglichen wird, um die Energieeinsparungen einzuschätzen, die von dem elektrischen Antrieb in dem Messzeitraum/den Messzeiträumen erzielt wurden.
Die Anordnung 50 umfasst vorteilhafterweise Mittel 532 zum Erzeugen einer grafischen Leistungs/Frequenz-Darstellung, vorzugsweise einer Kurve, der Messwertdaten. Die Mittel 532 können beispielsweise in Verbindung mit der Speichereinheit 53 oder als Alternative in Verbindung mit der Berechnungseinheit 54 angeordnet werden.
Die Anordnung 50 umfasst auch eine Darstellungseinheit 533 zum Erzeugen einer grafischen Leistungs/Frequenz-Darstellung, vorzugsweise einer Kurve, in der die Messwertdaten in eine Leistungs/Frequenz-Darstellung umgewandelt werden, die in mathematischer Form ein Polynom PF dritten Grades ist, PF = af³ + bf² + cf + d, so dass die Koeffizienten a, b, c und d des Polynoms auf die gemessenen Leistungs/Frequenzwert-Paare (P_i, f_i) abgestimmt werden. Die Darstellungseinheit 533 kann beispielsweise in Verbindung mit der Speichereinheit 53 oder als Alternative in Verbindung mit der Berechnungseinheit 54 angeordnet werden.
In Verbindung mit der Berechnungseinheit 541 sind zweckmäßigerweise Mittel 542 vorgesehen, um den Energieverbrauch der alternativen Steueranordnung darzustellen und auf der Basis dieser Darstellung werden die Energieverbräuche in dem Steuersystem bestimmt und in dem Messzeitraum berechnet.
Es kann gesagt werden, dass in der Berechnungseinheit 54 im Allgemeinen die Berechnungsschritte 34 eines Verfahrens gemäß der Erfindung sowie der Vergleichsschritt 35 für den Energieverbrauch durchgeführt werden.
Das Erfassen und Verarbeiten der Leistungs- und Frequenzdaten eines mit einem Frequenzwandler ausgestatteten elektrischen Antriebs wird mittels einer Anordnung 50 durchgeführt, die vorzugsweise als Datenverarbeitungseinheit ausgeführt ist. Die Datenverarbeitungseinheit umfasst einen Mikroprozessor oder dergleichen. Zusätzlich ist die Datenverarbeitungsanordnung mit einer oder mehreren Speichereinheiten verbunden oder umfasst diese, um die Messdaten, Zwischenergebnisse und Endergebnisse aufzuzeichnen. Das Erfassen der gewünschten Daten wird durch die Datenerfassungseinheit auf vorbestimmte Art und von der Steuereinheit des aktuellen Antriebs, beispielsweise von der Regeleinrichtung 8 des Frequenzwandlers, in kontrollierter Weise durchgeführt, wie in 5 gezeigt ist. Die Verarbeitung der erfassten Daten und die Berechnung der Energiemengen wird vorzugsweise durch Software verarbeitende Einheiten durchgeführt, die mit dem Mikroprozessor verknüpft sind, wie beispielsweise eine Bestimmungseinheit 51, eine Messeinheit 52 und eine Berechnungseinheit 54. Die Ergebnisse, d.h. die berechneten Leistungswerte und ihre Bezugsdaten werden in einer oder mehreren Speichereinheiten, wie beispielsweise der Speichereinheit 53, in dem Datenerfassungsschritt gespeichert und die Ergebnisse des Vergleichs des Energieverbrauchs können ebenfalls in einer geeigneten Speichereinheit gespeichert werden.
Es wird betont, dass von einer Anordnung zum Messen und Schätzen von Energieeinsparungen gemäß der Erfindung einer oder mehrere elektrische Antriebe gleichzeitig analysiert werden können. Die Anordnung zum Messen und Schätzen kann in die Steuereinheit, wie beispielsweise einen Frequenzwandler, des aktuellen elektrischen Antriebs als integriertes Bauteil eingebaut werden oder sie kann als Alternative als externe Anordnung für einen oder mehrere elektrische Antriebe ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Anordnung beispielsweise in einen Personal Computer eingebaut und über einen geeigneten Datenübertragungsbus mit einem elektrischen Antrieb bzw. den elektrischen Antrieben verbunden.
In der obigen Beschreibung wird die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf einen elektrischen Antrieb beschrieben, der einen Frequenzwandler als Steuereinheit umfasst. Für einen Fachmann ist es jedoch naheliegend, die Erfindung auch für andere Arten von elektrischen Antriebs/Steuereinheiten zu verwenden, wie beispielsweise Direktumrichter.
Das wesentliche Merkmal bei diesen Steuereinheiten sind das Messen des Stroms, der Spannung und der Frequenz des elektrischen Motors zum Steuern und Betreiben des Motors und die Erfindung macht insbesondere Gebrauch von diesen Messsignalen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind viele Modifikationen innerhalb der erfinderischen Idee, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, möglich.

Claims

Verfahren zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen, wobei der elektrische Antrieb eine Steuereinheit und einen Wechselstrommotor umfasst, wobei bei dem Verfahren sich auf den Zustand des Wechselstrommotors beziehende Daten der Steuereinheit gelesen und gespeichert werden, wobei die Zustandsdaten Leistung und Frequenz sind, wobei in dem Verfahren – die sich auf den Zustand des Wechselstrommotors beziehenden Daten von der Steuereinheit verwendet werden, so dass in einem oder mehreren vorbestimmten Messzeiträumen mit vorbestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen, an den Messpunkten (t_i) die Zustandsdaten gelesen werden und die Messwerte für Leistung und Frequenz (P_i, f_i) in einem Messwertregister (31, 32, 33) gespeichert werden, – der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume berechnet wird (341), – der Leistungswert eines virtuellen Wechselstrommotors, der durch einen Eingangsstrom mit konstanter Frequenz gespeist wird, auf der Basis der in dem Messwertregister gespeicherten Messwerte für Leistung und Frequenz bestimmt wird, – der Energieverbrauch dieses virtuellen Wechselstrommotors in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume auf der Basis des in dem vorhergehenden Schritt bestimmten Leistungswerts berechnet wird (342), – der Energieverbrauch einer alternativen Steueranordnung in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume bestimmt wird (343), – die berechneten Energieverbräuche des virtuellen Wechselstrommotors und der alternativen Steueranordnung addiert werden (344) und – der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs mit dem addierten Gesamtenergieverbrauch des virtuellen Wechselstrommotors und der alternativen Steueranordnung verglichen wird (35), um die Energieeinsparungen zu berechnen, die von dem elektrischen Antrieb in dem in Frage kommenden Messzeitraum erzielt wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Messpunkte in den Messzeiträumen auf der Basis des akzeptierten maximalen Fehlers der Energiewerte bestimmt werden (31).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Messwertregister gespeicherten Messwerte für Leistung und Frequenz in eine grafische Leistungs/Frequenz-Darstellung, vorzugsweise eine Kurve, umgewandelt werden, durch die der Leistungswert eines virtuellen elektrischen Motors, der durch einen Eingangsstrom mit konstanter Frequenz gespeist wird, bestimmt wird (331).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Leistung und Frequenz des Messwertregisters in die Leistungs/Frequenzänderungs-Darstellung umgewandelt werden, die in mathematischer Form ein Polynom PF dritten Grades ist, PF = af³ + bf² + cf + d, so dass die Koeffizienten a, b, c und d des Polynoms auf die gemessenen Leistungs/Frequenzwert-Paare (P_i, f_i) abgestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverbrauch des elektrischen Antriebs unter Verwendung der folgenden Trapezformel bestimmt wird: E = Σ(Pi + Pi+1)/2·(ti+1 – ti), wobei E = Energieverbrauch P_i = Leistung gemessen an Messpunkt t_i t_i = Messpunkte des Messzeitraums T
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem elektrischen Antrieb angewendet wird, der einen Frequenzwandler als Steuereinheit umfasst.
Anordnung (50) zum Messen und Schätzen von von einem elektrischen Antrieb erzielten Energieeinsparungen, wobei der elektrische Antrieb eine Steuereinheit sowie einen Wechselstrommotor umfasst und die Steuereinheit eine Messeinrichtung zum Messen von Zustandsdaten des Wechselstrommotors umfasst, wobei die Zustandsdaten Leistung und Frequenz sind, wobei die Anordnung (50) umfasst: – eine Bestimmungseinheit (51), in der ein oder mehrere Messzeiträume sowie Messpunkte (t_i) in vorbestimmten Messintervallen, d.h. Abfrageintervallen, bestimmt werden, die zum Lesen der Messwerte der Zustandsdaten des Wechselstrommotors verwendet werden, – eine weitere Bestimmungseinheit (52), die zum Lesen der Messwerte für Leistung und Frequenz (P_i, f_i) der Zustandsdaten des Wechselstrommotors aus der Steuereinheit in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume in den vorbestimmten Abfrageintervallen und an den Messpunkten (t_i) vorgesehen ist, – eine Speichereinheit (53), in der die eingegebenen Messwerte für Leistung und Frequenz (P_i, f_i, t_i) zusammen mit ihren Messpunktdaten gespeichert und in ein Messwertregister (531) umgewandelt werden und – eine Berechnungseinheit (54) umfassend: – Mittel (541) zum Bestimmen des Leistungswerts eines virtuellen Wechselstrommotors, der mit einem Eingangsstrom mit konstanter Frequenz auf der Basis des Leistungswerts gespeist wird und zum Berechnen des Energieverbrauchs des virtuellen Wechselstrommotors in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume, – Mittel (542) zum Berechnen des Energieverbrauchs des elektrischen Antriebs in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume, – Mittel (543) zum Berechnen des Energieverbrauchs einer oder mehrerer alternativer Steueranordnungen in einem oder mehreren der vorbestimmten Messzeiträume, – Mittel (544) zum Addieren des berechneten Energieverbrauchs des virtuellen Wechselstrommotors und des berechneten Energieverbrauchs der alternativen Steueranordnung in dem Messzeitraum, – Mittel (544) zum Vergleichen des berechneten Energieverbrauchs des elektrischen Antriebs und des addierten Gesamtenergieverbrauchs des virtuellen elektrischen Motors und der alternativen Steueranordnung zum Schätzen der Energieeinsparungen, die von dem elektrischen Antrieb in dem Messzeitraum/den Messzeiträumen erzielt wurden.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auch Mittel (532) zum Erzeugen einer grafischen Leistungs/Frequenz-Darstellung, vorzugsweise eine Kurve, der Messdaten umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auch die Mittel (532) zum Erzeugen einer grafischen Leistungs/Frequenz-Darstellung umfasst, wenn die Messdaten in eine Leistungs/Frequenzänderungs-Darstellung umgewandelt werden, die in mathematischer Form ein Polynom PF dritten Grades ist, PF = af³ + bf² + cf + d, so dass die Koeffizienten a, b, c und d des Polynoms auf die gemessenen Leistungs/Frequenzwert-Paare (P_i, f_i) abgestimmt werden.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auch Mittel (545) zum Darstellen der Energieverluste der alternativen Steueranordnung umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb einen Frequenzwandler als Steuereinheit umfasst.