EP2406740A1 - Verfahren zur energiebedarfsbestimmung, und verfahren zur komponentenauswahl sowie datenträger - Google Patents

Verfahren zur energiebedarfsbestimmung, und verfahren zur komponentenauswahl sowie datenträger

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EP2406740A1
EP2406740A1 EP10708972A EP10708972A EP2406740A1 EP 2406740 A1 EP2406740 A1 EP 2406740A1 EP 10708972 A EP10708972 A EP 10708972A EP 10708972 A EP10708972 A EP 10708972A EP 2406740 A1 EP2406740 A1 EP 2406740A1
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EP
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drive system
electric motor
losses
transmission
component
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Peter Vogt
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Lenze Drives GmbH
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

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  • a possibly existing supply or supply / regenerative module can be included in the loss models or an energy consideration. Consideration may also be given to a given if existing brake chopper, losses in a braking resistor and losses on motor cables and filters.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem einen Elektromotor (20), einen Umrichter (10) zur Ansteuerung des Elektromotors (20), eine anzutreibende Komponente (40) und ein Getriebe (30), das zwischen den Elektromotor (20) und die anzutreibende Komponente (40) eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente (40) ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt. Es wird ein Verlustmodell (20a) für den Elektromotor (20), ein Verlustmodell (10a) für den Umrichter (10) und ein Verlustmodell (30a) für das Getriebe (30) bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) verschiedene Betriebszustände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen, und der elektrische Energiebedarf des Antriebssystems wird während einer vorgegebenen Zeitdauer unter Verwendung der Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) und des vorgegebenen kinematischen Profils bestimmt.

Description

VERFAHREN ZUR ENERGIEBEDARFSBESTIMMUNG UND VERFAHREN ZUR KOMPONENTENAUSWAHL SOWIE ENTSPRECHENDER DATENTRÄGER
Technologischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems, ein Verfahren zur Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems sowie einen Datenträger.
Bei der Planung bzw. Dimensionierung von elektrischen Antriebssystemen sind unterschiedliche Randbedingungen zu berücksichtigen. Beispielsweise sind ein Elektromotor, ein Umrichter und ein Getriebe, die üblicherweise einen Antriebsstrang des Antriebssystems bilden, derart auszuwählen, dass diese den elektromechanischen Dimensionierungs- vorschriften genügen, die unter anderem von einem kinematischen Profil einer anzutreibenden Komponente abhängen.
Steigende Energiekosten, Klimawandel und gesetzliche Bestimmungen erfordern zunehmend, dass bei der Dimensionierung des Antriebssystems auch dessen Energiebedarf als weiteres Dimensionierungskriteri- um berücksichtigt wird.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems zur Verfügung zu stellen, das eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems ermöglicht, ein Verfahren zur Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems zur Verfügung zu stellen, das bei der Auswahl den bestimmten elektrischen Energiebedarf berücksichtigt, sowie einen Datenträger zur Verfügung zu stellen, der Programme umfasst, die zur Ausführung der Verfahren geeignet sind.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Anmeldung gemacht werden, um Wiederholungen zu vermeiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem einen Elektromotor, beispielsweise einen Synchronmotor oder einen Asynchronmotor, einen Umrichter bzw. Frequenzumrichter zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei der Umrichter bzw. Frequenzumrichter aus einem Wechselstrom bzw. Drehstrom mit bestimmter Frequenz eine in Amplitude und Frequenz veränderliche bzw. umgerichtete Spannung erzeugt, mit der der Elektromotor beaufschlagt wird, eine anzutreibende Komponente und ein Getriebe, das zwischen den Elektromotor und die anzutreibende Komponente eingeschleift ist. Es versteht sich, dass das Antriebssystem weitere Komponenten umfassen kann, beispielsweise Versorgungs-/Rückspeisemodule, die im Generatorbetrieb des Motors Energie in das Netz zurückspeisen können, und/oder so genannte Bremschopper. Eine dem Antriebssystem zugrunde liegende Antriebsaufgabe, beispielsweise eine Förderanwendung mit einem Radantrieb, bei der zu transportierende Gegenstände mit vorgegebenem Maximalgewicht zunächst beschleunigt, dann mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und anschließend wieder abgebremst werden, gibt ein kinematisches Profil der anzutreibenden bzw. angetriebenen Komponente vor. Zur Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs wird ein Verlustmodell für den Elektromotor, ein Verlustmodell für den Umrichter und ein Verlustmodell für das Getriebe bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle verschiedene Betriebszu- stände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen. Mit anderen Worten werden die Verlustmodelle nicht nur für einen konstanten Arbeitspunkt bestimmt, sondern berücksichtigen alle Arbeitspunkte bzw. Betriebszustände, die bei der konkreten Antriebsaufgabe auftreten können. Schließlich wird der elektrische Energiebedarf des Antriebssystems während einer vorgegebenen Zeitdauer, beispielsweise während eines Antriebszyklus und/oder während der projektierten Betriebsdauer des Antriebssystems, unter Verwendung der Verlustmodelle und des vorgegebenen kinematischen Profils bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems unter Berücksichtigung der zugrunde liegenden Antriebsaufgabe bzw. des vorgegebenen kinematisches Profils, da nicht nur stationäre Betriebspunkte der Komponenten des Antriebssystems sondern dynamische, d.h. die tatsächlich auftretenden, Betriebspunkte der Komponenten des Antriebssystems bei der Bestimmung des Energiebedarfs berücksichtigt werden. Weiter besteht die Möglichkeit, den bestimmten Energiebedarf als so genannten Energiepass des Antriebssystems auszugeben, auf dem beispielsweise Energiebedarfsanteile von Komponenten des Antriebssystems getrennt aufgeführt sind.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor die Eigenträgheit des Elektromotors, Wicklungsverluste im Stator des Elektromotors, Eisenverluste und/oder Reibverluste berücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.
In einer Weiterbildung ist der Elektromotor ein Asynchronmotor, wobei zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor Rotorwicklungsverluste berücksichtigt werden.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für den Umrichter stromabhängige Verluste, konstante Verluste, Lüfterverluste und/oder Kondensatorverluste berücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.
In einer Weiterbildung werden zur Bestimmung des Verlustmodells für das Getriebe eine Eigenträgheit des Getriebes, leistungsabhängige Verluste, drehzahlabhängige Verluste und/oder Reibverluste berücksichtigt. Es versteht sich, dass neben den genannten Größen noch weitere Größen in das Verlustmodell einfließen können.
In einer Weiterbildung umfasst das kinematische Profil einen Verfahrweg der anzutreibenden Komponente, d.h. deren Ortsänderung, eine Geschwindigkeit der anzutreibenden Komponente und/oder eine Beschleunigung der anzutreibenden Komponente.
In einer Weiterbildung ist die anzutreibende Komponente ein Förderband, ein Stetigförderer, ein Spindelantrieb und/oder ein Hubwerk.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur, insbesondere automatisierten, Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems umfasst das Antriebssystem folgende Komponenten: einen Elektromotor, einen Umrichter zur Ansteuerung des Elektromotors, eine anzutreibende Komponente und ein Getriebe, das zwischen den Elektromotor und die anzutreibende Komponente eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt. Der Elektromotor, der Umrichter und das Getriebe werden aus einer vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, insbesondere automatisiert, ausgewählt, dass eine von dem kinematischen Profil abhängige Dimensionierungsvorschrift erfüllt ist. Die vorgegebene Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben kann beispielsweise in einer Datenbank gespeichert sein, die Teil eines Expertensystems zur Antriebssystemauslegung ist. Ein derartiges Expertensystem zur Antriebssystemauslegung ist beispielsweise das System Drive-Solution-Designer (DSD) der Lenze AG, auf das vorliegend hinsichtlich der Komponentenauswahl unter Berücksichtigung von Dimensionierungsvorschriften Bezug genommen wird, sodass auf eine umfangreiche Beschreibung der Komponentenauswahl unter Berücksichtigung von Dimensionierungsvorschriften verzichtet werden kann. Zur Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems wird das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs unter Berücksichtigung des ausgewählten Elektromotors, des ausgewählten Umrichters und des ausgewählten Getriebes durchgeführt, wodurch für eine Antriebssystemvariante, die den Dimensionierungsvorschriften genügt, automatisiert der Energiebedarf bestimmt bzw. berechnet wird. Dies ermöglicht die Bewertung der ausgewählten Antriebssystemvariante auch hinsichtlich ihres Energiebedarfs bzw. ihrer Energieeffizienz.
In einer Weiterbildung umfasst die Dimensionierungsvorschrift eine Nennleistung des Elektromotors, ein Nennmoment des Elektromotors, ein über das Getriebe übertragbares Drehmoment, eine über das Getriebe übertragbare Leistung, thermische Randbedingungen, Kompatibilitätseigenschaften der Komponenten und/oder eine Nennleistung des Umrichters. Es versteht sich, dass die Dimensionierungsvorschrift weitere Größen umfassen kann.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren die Schritte: Auswählen, insbesondere automatisiertes Auswählen, einer ersten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Getriebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungsvorschrift erfüllt ist, Auswählen, insbesondere automatisiertes Auswählen, mindestens einer zweiten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Getriebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungs- vorschrift ebenfalls erfüllt ist, wobei sich mindestens eine Komponente der zweiten Antriebssystemvariante von einer entsprechenden Komponente der ersten Antriebssystemvariante unterscheidet, automatisierte Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs für die erste Antriebssystemvariante und die zweite Antriebssystemvariante und, insbesondere automatisiertes, Auswählen einer Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante in Abhängigkeit vom Energiebedarf der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante. Bevorzugt wird diejenige Antriebssystemvariante ausgewählt, die den geringsten Energiebedarf aufweist. Zusammenfassend werden bevorzugt mindestens zwei Antriebssystemvarianten automatisiert bestimmt, die jeweils die Dimensionierungsvorschrift erfüllen. Bevorzugt wird für die bestimmten Antriebssystemvarianten anschließend automatisiert jeweils der Energiebedarf bestimmt und schließlich diejenige Antriebssystemvariante ausgewählt, die den geringsten Energiebedarf bzw. die geringsten Gesamtkosten unter Berücksichtigung des Energiebedarfs aufweist.
In einer Weiterbildung wird die Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante in Abhängigkeit vom Energiebedarf und den Kosten der Antriebssystemvarianten ausgewählt. Hierbei kann eine Gewichtung zwischen dem Entscheidungskriterium Energiebedarf und dem Entscheidungskriterium Kosten erfolgen.
Der erfindungsgemäße Datenträger speichert ein Programm, das bei seiner Ausführung ein vorgenanntes Verfahren ausgeführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigt: Fig. 1 ein Antriebssystem, dessen elektrischer Energiebedarf erfindungsgemäß bestimmt wird,
Fig. 2 eine Modellierung mit Verlustmodellen von Komponenten des in Fig. 1 gezeigten Antriebssystems
Fig. 3 ein Getriebe zur Illustration der Bestimmung eines Getriebeverlustmodells,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Elektromotors zur Illustration der Bestimmung eines Elektromotorverlustmodells und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Umrichters zur Illustration der Bestimmung eines Umrichterverlustmodells.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein Antriebssystem, dessen elektrischer Energiebedarf erfindungsgemäß bestimmt wird. Das Antriebssystem umfasst einen herkömmlichen Umrichter bzw. Frequenzumrichter 10, der aus einem Drehstromnetz gespeist wird, einen herkömmlichen Elektromotor 20, beispielsweise einen Synchron- oder Asynchronmotor, ein herkömmliches Getriebe 30 und eine anzutreibende Komponente 40, beispielsweise in Form eines Radantriebs. Das Getriebe 30 ist zwischen den Elektromotor 20 und die anzutreibende Komponente 40 eingeschleift. Es versteht sich, dass weitere, nicht gezeigte Antriebskomponenten vorhanden sein können, falls diese für die konkrete Antriebsaufgabe erforderlich sind.
Die anzutreibende Komponente 40 führt ein vorgegebenes kinematisches Profil aus. Das Bewegungsprofil bzw. das kinematische Profil umfasst bzw. definiert einen Verfahrweg der anzutreibenden Komponente 40, eine Geschwindigkeit der anzutreibenden Komponente 40 und eine Beschleunigung der anzutreibenden Komponente 40. Bei einer Förderanwendung mit einem Radantrieb, bei der zu transportierende Gegenstände mit vorgegebenem Maximalgewicht zunächst beschleunigt, dann mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und anschließend wieder abgebremst werden, ergibt sich beispielsweise ein zeitlich trapezförmiger Verlauf der Geschwindigkeit. Aus diesem kinematischen Profil ist eine elektromechanische Dimensionierungsvorschrift für die Komponenten 10, 20 und 30 des Antriebssystems herleitbar. Die Dimensionierungsvorschrift kann beispielsweise eine Nennleistung des Elektromotors, ein Nennmoment des Elektromotors, ein über das Getriebe übertragbares Drehmoment, eine über das Getriebe übertragbare Leistung, thermische Randbedingungen, Kompatibilitätseigenschaften der Komponenten und/oder eine Nennleistung des Umrichters umfassen. Hinsichtlich weiterer Details zur Antriebssystemauslegung auf Basis von kinematischen Profilen sei auch auf den Drive-Solution-Designer (DSD) der Lenze AG verwiesen.
Zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems werden ein Verlustmodell für den Elektromotor, ein Verlustmodell für den Umrichter und ein Verlustmodell für das Getriebe bestimmt, wobei die jeweiligen Verlustmodelle verschiedene Betriebszu- stände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen.
Fig. 2 zeigt eine Modellierung mit einem Verlustmodell 10a des Umrichter 10, einem Verlustmodell 20a des Elektromotors 20 und einem Verlustmodell 30a des Getriebes 30. Die Verlustmodelle weisen die in Fig. 2 an ihren Eingängen dargestellten Eingangsgrößen auf und sind mittels Parametern Pari bis Par3 parametrierbar, d.h. auf konkrete Typen der Komponenten 10 bis 30 mittels geeigneter Parametereinstellung anpassbar. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst der Umrichter 10 einen Gleich- richter 11 und einen Wechselrichter 12. Die Verlustmodelle 10a, 20a und 30a werden wie folgt bestimmt bzw. ermittelt.
Bei der Antriebssystemanwendung werden Reibkomponenten, Beschleunigungskomponenten, konstante Lasten und Wirkungsgrade berücksichtigt. Beim Getriebe 30 werden die Eigenträgheit, leistungsabhängige Verluste und drehzahlabhängige Verluste berücksichtigt. Beim Elektromotor 20 werden die Eigenträgheit, Statorwicklungsverluste (auslastungsabhängige Erwärmung), Rotorwicklungsverluste (nur bei Asynchronmaschinen inkl. auslastungsabhängiger Erwärmung), Eisenverluste und Reibverluste berücksichtigt. Beim Umrichter 10 werden stromabhängige Verluste, konstante Verluste, Lüfterverluste und Kondensatorverluste berücksichtigt.
Bei der Antriebssystemanwendung kann zusätzlich die Temperaturabhängigkeit der Reibung einbezogen werden. Beim Getriebe 30 können zusätzlich eine Viskosität des Öls, die Temperaturabhängigkeit der Verluste, die Getriebetypabhängig mit unterschiedlichen Verlustcharakteristiken und dynamische Verlustkomponenten des Ölkreislaufs berücksichtigt werden. Beim Elektromotor 20 können zusätzlich Schaltfrequenzab- hängige Verluste, Oberwellenverluste, individuell unterschiedliche Betriebstemperaturen, Temperaturunterschiede Stator-Rotor, temperaturabhängige Eigenschaften der Permanentmagnete, ein Strommodell für den Betrieb im Feldschwächbereich und der Einfluss von Eigenlüftern berücksichtigt werden. Beim Frequenzumrichter 10 können die Abhängigkeit von der Schaltfrequenz, die Abhängigkeit von der Modulationsart, die Trennung nach Gleichrichter und Wechselrichterverlusten und Energiesparmodi bzw. ein Stand-By-Betrieb berücksichtigt werden.
Weiter kann ein gegebenenfalls vorhandenes Versorgungs- bzw. Ver- sorgungs-/Rückspeise-Modul in die Verlustmodelle bzw. eine Energiebetrachtung einfließen. Berücksicht werden können auch ein gegebenen- falls vorhandener Bremschopper, Verluste in einem Bremswiderstand sowie Verluste auf Motorleitungen und Filtern.
Für die Antriebssystemaufgabenstellung wird die erforderliche Leistung aus den konstanten, den variablen und den dynamischen Anteilen berechnet. Hierzu werden aus den kinematischen Randbedingungen das Drehmoment der Anwendung MApp(t) und die Winkelgeschwindigkeit ωApp(t) bestimmt und daraus die Leistung ermittelt:
Die für die Beschleunigung der Massenträgheit benötigte Leistung berechnet sich zu:
Der Energiebedarf der Anwendung zum Zeitpunkt t innerhalb des Zyklus ergibt sich somit zu:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.
Die in der Trägheit gespeicherte Energie ist: Für ein gegebenenfalls vorhandenes zusätzliches Antriebselement ist zunächst das Maximalmoment der Anwendung zu bestimmen, da dies maßgeblich für den konstanten Anteil der Verluste ist.
Für die Berechnung wird des Weiteren das konstante Reibmoment des Antriebselements Mμ K verwendet. Aus dem Drehmomentverlauf der Anwendung wird das Antriebsmoment für das zusätzliche Antriebselement berechnet:
Die Verlustleistung des Antriebselements berechnet sich somit zu:
Die in den Massenträgheiten des Antriebselements gespeicherten Energien berechnen sich mit der Beschleunigungsleistung
zu:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet. Die Gesamtleistung an der Antriebswelle des Antriebselements errechnet sich zu:
Im Folgenden wird die Bestimmung des Getriebeverlustmodells unter Bezugnahme auf Fig. 3 hergeleitet. Es werden folgende Verluste/Größen berücksichtigt:
Aus den Daten für die Belastungsgrößen am Getriebeausgang des Getriebes sind die Eingangsgrößen bezüglich Drehzahl und Drehmoment zu bestimmen.
Für die Berechnung der Getriebeverluste werden zunächst die Verluste im Bemessungspunkt bestimmt. Dabei ist der Wirkungsgrad für das Getriebe im Punkt ( n„, V (, =1400 min"1; MN ,G ) je Stufe definiert. Der Bemessungswirkungsgrad ergibt sich für ein n-stufiges Getriebe:
ηN(i = η" mit η, = Wirkungsgrad je Stufe
Die Verlustleistung im Bemessungspunkt kann dann ermittelt werden zu:
Für die Getriebeverluste werden 40% der Verluste proportional der übertragenen Leistung angesetzt (Zahnreibungsverluste) und 60% als drehzahlabhängige Planschverluste angenommen.
Die Beschleunigungsleistung für die Getriebekomponenten berechnet sich zu:
Der Energiebedarf des Getriebes ergibt sich somit zu:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet. Für den Getriebeeingang kann jetzt die Gesamtleistung bestimmt werden.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Motorverlustmodells unter Bezugnahme auf Fig. 4 hergeleitet. Es werden folgende Verluste/Größen berücksichtigt:
Für die Verluste des Motors sind zunächst die Verluste gemäß Ihren Ursachen im Bemessungsbetrieb aufzuteilen. Für Standard- Asynchronmaschinen wird eine Wicklungsübertemperatur von Δ,9 max,M = 8OK, für Servomotoren von Δ ι9 maχ,M =105K angesetzt.
Die Polpaarzahl der Maschine wird aus der Drehfeldfrequenz und der Drehzahl ermittelt:
Die synchrone Drehzahl lässt sich somit errechnen zu:
Damit ergibt sich der Schlupf zu:
Für die Berechnung der Statorwicklungsverluste wird der Wicklungswiderstand benötigt. Dieser wird aus dem Strangwiderstand bei 200C ermittelt:
Für die betriebswarme Maschine wird der Wicklungswiderstand mit der Auslastung hochgerechnet:
Die Gesamtverluste der Maschine im Bemessungsbetrieb lassen sich aus der Differenz der elektrisch aufgenommenen Leistung und der mechanisch abgegebenen Leistung ermitteln.
Die Wicklungsverluste im Bemessungsbetrieb lassen sich somit für die in Stern geschaltete Maschine bestimmen zu: Für die in Dreieck geschaltete Maschine gilt:
Es werden zunächst die Zusatzverluste bestimmt, diese werden mit 0,5% der elektrisch aufgenommenen Leistung angenommen.
Für die weitere Berechnung wird davon ausgegangen, dass sich die Differenz der Gesamtverluste und der Stator-, Rotorwicklungs- und Zusatzverluste zu 90% in den Eisenverlusten und zu 10% in den Reibungsverlusten niederschlägt. Die Reibungsverluste sind für die Aufteilung der Luftspaltleistung P5 der mechanischen Leistung zuzuschlagen.
Die Rotorverluste lassen sich dann über das Gesetz zur Aufspaltung der Luftspaltleistung bestimmen. Sie werden bei Synchronmaschinen zu Null gesetzt.
Für die Eisenverluste im Bemessungsbetrieb ergibt sich somit:
Die Reibungsverluste bestimmen sich dann zu: Im Weiteren werden die Belastungsgrößen im Betrieb der Maschine bestimmt. Dazu wird zunächst das innere Drehmomentprofil der Maschine ermittelt:
Fällt die mechanische Bremse im Stillstand ein, so wird das Drehmoment zu Null gesetzt.
Für die Berechnung der Eisenverluste wird der Verlauf der Drehfeldfrequenz benötigt.
Dabei wird die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der Abtriebsdrehzahl des Motors als proportional zum Belastungsmoment vorausgesetzt:
Für die Ermittlung der Stromwärmeverluste wird der Motorstrom benötigt. Dieser wird mit einem vereinfachten Modell berechnet, wobei das Modell für die Synchronmaschine nur für den Grundstellbereich geeignet ist.
Der Motorstrom wird in zwei Komponenten aufgeteilt, den Strom in der Längsachse und dem Strom in der Querachse. Für die Synchronmaschine wird der Strom in der Längsachse zu Null gesetzt. Der Strom in der Längsachse berechnet sich für die Asynchronmaschine im Grundstellbereich zu: und im Feldschwächbereich:
Der Querstrom ist im Grundstellbereich belastungsabhängig und berechnet sich zu:
Unter Vernachlässigung der Flussverkettung in der Querachse wird für den Feldschwächbereich der Querstrom berechnet zu:
Für die Drehfeldfrequenz der Asynchronmaschine ergibt sich ebenfalls eine Belastungsabhängigkeit:
Für den Feldschwächbereich wird die Frequenz berechnet zu:
Aus der Längskomponente und der Querkomponente des Stroms lässt sich dann der Gesamtstrom berechnen.
In den Phasen der Reglersperre wird der Motorstrom zu Null gesetzt. Mit diesen Vorberechnungen können nun die Motorverluste bestimmt werden.
Statorwicklungsverluste:
Reibungsverluste:
Für die Berechnung der Rotorverluste wird nach dem Gesetz über die Aufteilung der Luftspaltleistung der Schlupf und die Beschleunigungsleistung des Motors benötigt:
Die Wicklungsverluste im Rotor ergeben sich dann aus der folgenden Gleichung, dabei wird von einer mit dem Stator identischen Widerstandserhöhung aufgrund der Temperatur ausgegangen.
Für den Fall das die Formel nicht mehr berechenbar ist wird folgende Näherung getroffen:
Die Eisenverluste werden im Grundstellbereich bestimmt zu :
Im Feldschwächbereich werden die Eisenverluste berechnet mit
da dann das Feld linear mit der Frequenz abnimmt.
Die Zusatzverluste werden mit 0,5% der elektrisch übertragenen Leistung angenommen.
Aus den Teilleistungen berechnet sich die Gesamtverlustleistung für den Motor.
Mit der Verlustleistung kann anschießend der Energiebedarf des Motors berechnet werden.
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.
Die Leistung am Motor ergibt sich dann aus der Summe der Leistungen:
Im Folgenden wird die Bestimmung des Umrichterverlustmodells unter Bezugnahme auf Fig. 5 hergeleitet. Es werden folgende Verluste/Größen berücksichtigt:
• Verluste auf einer Masterplatine MP Po,th,ι
• Stromabhängige Verluste im GR1WR P| th,ι
• Ohmsche Verluste einer Leistungsplatine LP und der Kondensatoren PR,th,ι
Die Verluste im Umrichter teilen sich auf in Verluste, die bei der Versorgung der Steuerelektronik entstehen, in Verluste im Gleichrichter, Verluste in den Kondensatoren, Verluste in der Leistungsplatine und Verluste im Wechselrichter. Das Verlustmodell stützt sich auf die Berechnung der Verluste über die stromabhängigen Kühlkörperverluste Pι,th,ι, die Verluste bei Reglersperre Po,th,ι und die Gesamtverluste Pth,N,ι- Sind keine Verlustangaben verfügbar, so werden die Verluste im Bemessungsbetrieb nach der folgenden Gleichung bestimmt:
Sind die Kühlkörperverluste gegeben, jedoch nicht die Gesamtverluste, so gilt:
Sind keine Verluste mit bei Reglersperre angegeben, so wird ein konstanter Verlust von 0,010 kW angenommen.
Sind die Gesamtverluste sowie die Kühlkörperverluste als auch die Verluste bei Reglersperre angegeben, so werden die eventuell verbleibenden Verlustdifferenzen in 30% konstante Verluste für den Lüfterbetrieb und 70% Verluste für die Kondensatoren und Leiterbahnen proportional zu I2 angenommen.
Die Verluste in Gl.46 werden bei Reglersperre zu Null gesetzt.
Für die belastungsabhängigen Verluste ergibt sich dann:
Die Gesamtverluste ergeben sich dann aus der Summe:
Daraus lässt sich die Gesamtleistung am Umrichtereingang bestimmen zu:
Der Eigenverbrauch des Umrichters ergibt sich aus:
Der Energiebedarf des gesamten Zyklus wird durch das Integral über die gesamte Zykluszeit T gebildet.
Aus der Leistung PSuPlι lässt sich durch den positiven Anteil der Leistung die aufgenommene Energie für einen Zyklus und für den negativen Anteil die rückspeisbare Energie ermitteln.
Aus der Betrachtungsdauer in Jahren, der Anzahl der Betriebswochen im Jahr, der Anzahl der Betriebstage pro Woche und der Betriebsstunden pro Tag lässt sich mit der Zykluszeit die Anzahl der Zyklen berechnen.
Durch einen frei wählbaren Energiepreis und einen mit 550g/kWh vorgegebenen CO2-Äquivalent können abschließend die Energiekosten und der CO2-Anteil ermittelt werden.
Die beschriebene Bestimmung der Verlustmodelle ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems in interessierenden Zeitintervallen. Dies ermöglicht die Optimierung eines Antriebssystems im Hinblick auf eine effiziente Energieausnutzung.
Dabei werden die konkrete Antriebsaufgabe sowie die Antriebskomponenten Motor, Getriebe, Umrichter und gegebenenfalls weitere mechanische Komponenten, beispielsweise Bremse, Kupplung, Übertragungselemente, etc., und elektrische Komponenten, beispielsweise Brem- schopper, Bremswiderstände, Versorgungs- und Rückspeisemodule, etc., berücksichtigt.
Die Bestimmung bzw. Berechnung des Energiebedarfs erfolgt hierbei nicht nur im Hinblick auf eine einzelne Komponente des Antriebsystems an einem konstanten Betriebspunkt. Erfindungsgemäß wird das gesamte Antriebssystem in dem bei der Antriebsaufgabe auftretenden Be- triebsbereich unter Berücksichtigung des individuellen Bedarfs der Anwendung (Maschine) beurteilt.
Anhang: Verzeichnis der Formelzeichen mit Einheiten

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs eines Antriebssystems, wobei das Antriebssystem um- fasst: einen Elektromotor (20), einen Umrichter (10) zur Ansteuerung des Elektromotors (20), eine anzutreibende Komponente (40) und ein Getriebe (30), das zwischen den Elektromotor (20) und die anzutreibende Komponente (40) eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente (40) ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlustmodell (20a) für den Elektromotor (20), ein Verlustmodell (10a) für den Umrichter (10) und ein Verlustmodell (30a) für das Getriebe (30) bestimmt wird, wobei die jeweiligen Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) verschiedene Betriebszustände berücksichtigen, die sich aufgrund des vorgegebenen kinematischen Profils einstellen, und der elektrische Energiebedarf des Antriebssystems während einer vorgegebenen Zeitdauer unter Verwendung der Verlustmodelle (10a, 20a, 30a) und des vorgegebenen kinematischen Profils bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor die Eigenträgheit des Elektromotors, Wicklungsverluste im Stator des Elektromotors, Eisenverluste und/oder Reibverluste berücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Asynchronmotor ist, wobei zur Bestimmung des Verlustmodells für den Elektromotor Rotorwicklungsverluste berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Verlustmodells für den Umrichter stromabhängige Verluste, konstante Verluste, Lüfterverluste und/oder Kondensatorverluste berücksichtigt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Verlustmodells für das Getriebe eine Eigenträgheit des Getriebes, leistungsabhängige Verluste, drehzahlabhängige Verluste und/oder Reibverluste berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kinematische Profil einen Verfahrweg der anzutreibenden Komponente, eine Geschwindigkeit der anzutreibenden Komponente und/oder eine Beschleunigung der anzutreibenden Komponente umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anzutreibenden Komponente ein Förderband, ein Stetigförderer und/oder ein Hubwerk ist.
8. Verfahren zur Auswahl von Komponenten eines Antriebssystems unter Berücksichtigung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems, wobei das Antriebssystem folgende Komponenten umfasst: einen Elektromotor (20), einen Umrichter (10) zur Ansteuerung des Elektromotors (20), eine anzutreibende Komponente (40) und ein Getriebe (30), das zwischen den Elektromotor (20) und die anzutreibende Komponente (40) eingeschleift ist, wobei die anzutreibende Komponente (40) ein vorgegebenes kinematisches Profil ausführt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Auswählen des Elektromotors (20), Auswählen des Umrichters (10) und Auswählen des Getriebes (30) aus einer vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass eine von dem kinematischen Profil abhängige Di- mensionierungsvorschrift erfüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatisierten Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs des Antriebssystems das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unter Berücksichtigung des ausgewählten E- lektromotors (20), des ausgewählten Umrichters (10) und des ausgewählten Getriebes (30) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Di- mensionierungsvorschrift eine Nennleistung des Elektromotors, ein Nennmoment des Elektromotors, ein über das Getriebe übertragbares Drehmoment, eine über das Getriebe übertragbare Leistung, thermische Randbedingungen, Kompatibilitätseigenschaften der Komponenten und/oder eine Nennleistung des Umrichters umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch die Schritte:
Auswählen einer ersten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Getriebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungsvorschrift erfüllt ist, Auswählen mindestens einer zweiten Antriebssystemvariante umfassend einen Elektromotor, einen Umrichter und ein Ge- triebe aus der vorgegebenen Menge von Elektromotoren, Umrichtern und Getrieben derart, dass die Dimensionierungsvor- schrift ebenfalls erfüllt ist, automatisierte Bestimmung des elektrischen Energiebedarfs für die erste Antriebssystemvariante und die zweite Antriebssys- temvariante und
Auswählen einer Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssystemvariante in Abhängigkeit von deren Energiebedarf.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Antriebssystemvariante ausgewählt wird, die den geringsten Energiebedarf aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssystemvariante aus der ersten und der zweiten Antriebssys- temvariante in Abhängigkeit vom Energiebedarf und den Kosten der Antriebssystemvarianten ausgewählt wird.
13. Datenträger mit einem darauf gespeicherten Programm, wobei bei Ausführung des Programms von dem Datenträger ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt wird.
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