Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Variation eines Nennstroms
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Vari¬ ieren eines für einen Motor spezifischen Nennstroms durch Be¬ reitstellen eines Nennstromgrundwert-Signals in Abhängigkeit eines Nennstromgrundwerts Inenn des Motors . Darüber hinaus soll eine entsprechende Vorrichtung zur Variation eines Nenn- Stroms vorgestellt werden.
Beim Betreiben eines Motors wird Energie über die elektri¬ schen Verluste durch den Strom (Kupferverluste) und die Um- magnetisierung im Motor (Eisenverluste) , sowie die auftreten- de Reibung in Wärme umgewandelt. Ist der Betrag der umgewan¬ delten Energie größer als der Betrag der an die Umgebung wei¬ tergeleiteten Wärmeenergie, so besteht das Risiko einer Über¬ hitzung des Motors. Versuche, einer thermischen Zerstörung eines Motors durch ein Warnsystem mit einem oder mehreren Sensoren vorzubeugen, haben ergeben, dass über diese Methode kein ausreichender Schutz gewährleistet ist. Dabei hat sich schon die Anbringung eines oder mehrerer Sensoren an der Wicklung eines Motors als problematisch erwiesen.
Nach dem Stand der Technik bietet sich deshalb eine unter dem Namen I2t-Überwachung bekannte Methode an. Dabei wird für ei¬ nen Motor ein als Nenn- oder Sl-Strom bezeichneter Stromstär¬ kewert bestimmt, welcher den höchsten Wert der Motorstrom¬ stärke darstellt, mit welchem der Motor noch für eine belie- big lange Zeitdauer betrieben werden kann, ohne dass eine Überhitzung des Motors zu befürchten ist.
Ist der Nennstrom Inenn eines Motors bekannt, so lässt sich die Auslastung Xkon des Motors bei einer längeren Belastung des Motors mit einer beliebigen, konstant gehaltenen Motor¬ stromstärke Ik0n nach der folgenden Gleichung GL 1 berechnen:
X L fe^>». = -**- ( GL 1 )
Wird die Stromstärke zum Zeitpunkt t=0 vom Wert Ii auf den Wert I2 umgestellt, so muss bei der Berechnung der Auslastung X(t) des Motors zum Zeitpunkt t≠O die thermische Zeitkonstan¬ te τth des Motors mitberücksichtigt werden. Dies geschieht über die folgende Formel:
Für eine Näherung der oben genannten Gleichung GL 2 wird die Reihenentwicklung der Exponentialfunktion nach dem zweiten Glied abgebrochen. Die Gleichung GL 2 schreibt sich dann:
Erreicht die Auslastung Xkon oder X(t) einen Wert von 100%, so müssen, um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden, Abhilfe¬ maßnahmen getroffen werden. Dies geschieht beispielsweise durch die Ausgabe einer Warnung an einen Benutzer des Motors, durch ein automatisches Abschalten des Motors oder durch eine automatische Reduzierung der Motorstromstärke auf beispiels¬ weise 90% VOn Inenn-
Allerdings bietet die hier beschriebene Methode einer Berech¬ nung der Auslastung eines Motors nach dem Stand der Technik nur einen unzureichenden Schutz gegen eine Überhitzung eines Motors, da bei dieser Berechnung der Auslastung des Motors nicht auf Umgebungseinflüsse eingegangen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Ver¬ fahren zu entwickeln, über welches die Auslastung eines Mo¬ tors besser bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Variieren eines für einen Motor spezifischen Nennstroms durch Bereitstellen eines Nennstromgrundwert-Signals in Ab¬ hängigkeit eines Nennstromgrundwerts Inenn des Motors, sowie durch Erfassen einer aktuellen Temperatur Takt, Bereitstellen eines entsprechenden Temperatur-Signals, Bestimmen eines ak¬ tuellen Nennstroms Iakt in Abhängigkeit des Nennstromgrund¬ wert-Signals und des Temperatur-Signals und Bereitstellen ei¬ nes entsprechenden Nennstrom-Signals.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen eine Vorrich¬ tung zur Variation eines für einen Motor spezifischen Nenn¬ stroms umfassend eine Ausgabeeinrichtung zur Bereitstellung eines Nennstromgrundwert-Signals in Abhängigkeit eines Nenn- Stromgrundwerts Inenn des Motors, wobei eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer aktuellen Temperatur Takt und zur Bereit¬ stellung eines entsprechenden Temperatur-Signals und eine Auswerteeinrichtung, die eingangsseitig an einen Ausgang der Ausgabeeinrichtung und an einen Ausgang der Sensoreinrichtung gekoppelt ist, zur Zuführung des Nennstromgrundwert-Signals und des Temperatur-Signals, zur Bestimmung eines aktuellen Nennstroms Iakt in Abhängigkeit des Nennstromgrundwert-Signals und des Temperatur-Signals und zur Bereitstellung eines ent¬ sprechenden Nennstrom-Signals von der Vorrichtung ebenfalls umfasst werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Nenn¬ strom eines Motors von der Umgebungstemperatur des Motors ab¬ hängig ist. Wird der Nennstrom der Umgebungstemperatur ange- glichen, so kann mit dem neu ermittelten Nennstromwert auch ein besser zutreffender Wert für die Auslastung eines Motors berechnet werden.
Vorteilhafterweise wird eine Temperatur innerhalb des Gehäu- ses oder eine Gehäusetemperatur des Motors als aktuelle Tem¬ peratur Takt erfasst. Der Temperatursensor wird dazu im Motor¬ gehäuse montiert und nicht auf der Wicklung des Motors . Dies
spart Kosten und ermöglicht eine einfache Reparatur bei einem Funktionsausfall des Temperatursensors. Als Alternative dazu kann die Befestigung des Temperatursensors je nach Kühlungs¬ art (Wasser, Luft, etc.) aber auch so gewählt werden, dass die direkte Umgebung der Wicklung gut erfasst wird.
Ist der Nennstromgrundwert Inenn für eine bestimmte Nennstrom¬ temperatur Tnenn, so kann der aktuelle Nennstrom Iakt in Abhän¬ gigkeit der Nennstromtemperatur Tnenn bestimmt werden. Je nach Typ des Motors kann die aktuelle Temperatur Takt an der Mess¬ stelle der Nennstromtemperatur Tnenn erfasst werden. Damit ist gewährleistet, dass über die Nennstromtemperatur Tnenn und die aktuelle Temperatur Takt auch ein zutreffender aktueller Nenn¬ strom Iakt bestimmt wird.
Vorzugsweise wird der aktuelle Nennstrom Iakt aus dem Nenn¬ stromgrundwert Inennr der aktuellen Temperatur Takt, der Nenn¬ stromtemperatur Tnenn, einer noch zulässigen, maximalen Umge- bungs- bzw. Kühlmitteltemperatur TZMU und einem Korrekturfak- tor C für den Temperatureinfluss über die folgende Gleichun¬ gen GL 4 bis GL 6 bestimmt:
3nenn = Tnenn - TzMU (GL 4 )
$akt = Takt - TZMU (GL 5 )
* akt — * nenn -y l + ^ ' (GL 6 )
Dies gewährleistet ein gutes Anpassen des Nennstroms Iakt an die aktuelle Temperatur Takt. Die zulässige maximale Umge¬ bungstemperatur TZMU ist dabei die Umgebungstemperatur, bei welcher der jeweilige Motor gerade noch betrieben werden kann. Als gerätespezifische Größe ist ein Erfassen der zuläs¬ sigen maximalen Umgebungstemperatur TZMU vor einer Berechnung des Nennstroms Iakt nicht nötig. Zusätzlich kann ein Benutzer über den Korrekturfaktor C selbst bestimmen, in welchem Maße er seine Nennstromberechnung von der Erfassung der aktuellen
Temperatur Takt abhängig macht. Kann mit einem korrekten Er¬ fassen einer messrelevanten aktuellen Temperatur Takt gerech¬ net werden, so empfiehlt es sich, für den Korrekturfaktor C einen Wert ≤l zu wählen. Rechnet der Benutzer damit, dass bei der Erfassung der aktuellen Temperatur Takt ein zur Nennstrom¬ bestimmung nur mangelhaft geeigneter Wert erfasst wird, so empfiehlt es sich, für den Korrekturfaktor einen Wert zu wäh¬ len, der gegen Null geht.
Zusätzlich kann der Nennstromgrundwert Inenn a.n eine aktuelle Drehzahl n des Motors angepasst werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann der an die aktuelle Drehzahl angepass- te Nennstromgrundwert Inenn dann an die aktuelle Temperatur Takt noch angepasst werden. Der über dieses Verfahren berech- nete Wert gewährleistet bei seiner Verwendung zur Berechnung der Auslastung eines Motors einen größeren Schutz vor einer Überhitzung des Motors .
Das oben beschriebene Verfahren lässt sich auch für ein Mess- System zur Bestimmung der Auslastung eines Motors und/oder für ein Messsystem zur Temperaturüberwachung eines Motors verwenden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Nennstroms; und
FIG 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Berechnung ei- ner Auslastung eines Motors.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin¬ dung dar.
In FIG 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Nennstroms für einen Motor dargestellt, mit einer Aus-
gabeeinrichtung 1, einer Sensoreinrichtung 3, einer Drehzahl¬ erfassungseinrichtung 8 und einer Auswerteeinrichtung 5.
Die Drehzahlerfassungseinrichtung 8 ist innerhalb des Motors so angeordnet, dass sie die Drehzahl n des Motors erfassen kann, was aber der besseren Übersichtlichkeit in FIG 1 nicht dargestellt ist. In Abhängigkeit der erfassten Drehzahl n gibt die Drehzahlerfassungseinrichtung 8 ein Drehzahl-Signal 9 an die Ausgabeeinrichtung 1 aus .
Die Ausgabeeinrichtung 1 ordnet dem Drehzahl-Signal 9 einen bestimmten Nennstromgrundwert Inenn zu und gibt ein entspre¬ chendes Nennstromgrundwert-Signal 2 an die Auswerteeinrich¬ tung 5 aus. Zusätzlich gibt die Ausgabeeinrichtung 1 auch ein Nennstromtemperatur-Signal 7 in Abhängigkeit des Temperatur¬ werts, für den der Nennstromgrundwert Inenn bestimmt wurde, und ein Zulässigkeitstemperatur-Signal 10 in Abhängigkeit der zulässigen maximalen Umgebungstemperatur TZMU an die Auswerte¬ einrichtung 5 aus .
Die Sensoreinrichtung 3 ist so angeordnet, dass sie eine Tem¬ peratur des Motors erfasst. Dies ist gewährleistet, wenn die Sensoreinrichtung 3 innerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist, wie dies bei dem Beispiel aus FIG 1 der Fall ist. Die Sensoreinrichtung 3 gibt dann in Abhängigkeit einer erfassten aktuellen Temperatur Takt ein Temperatur-Signal 4 an die Aus¬ werteeinrichtung 5 aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung auch die Temperatur an oder außerhalb des Motorgehäuses als Umgebungstemperatur Takt umfassen.
Die Auswerteeinrichtung 5 berechnet aus dem Nennstromgrund¬ wert-Signal 2, dem Nennstromtemperatur-Signal 7 und dem Tem¬ peratur-Signal 4 einen Nennstrom Iakt- Für das Beispiel aus FIG 1 geschieht dies über die schon erwähnten Gleichungen GL 4 bis GL 6, wobei für den Korrekturfaktor C der Wert 1 einge¬ setzt wird.
Abschließend gibt die Auswerteeinrichtung 5 in Abhängigkeit des berechneten Nennstrom Iakt ein Nennstrom-Signal 6 aus .
In FIG 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Berechnung einer Auslastung eines Motors dargestellt. Dabei bezieht sich das in FIG 2 dargestellte Verfahren auf die Rechenschritte, welche von der Auswerteeinrichtung 5 ausgeführt werden.
Bevor das in FIG 2 skizzierte Verfahren begonnen wird, wird für ein von der Drehzahlerfassungsseinrichtung 8 bereitge¬ stelltes Drehzahl-Signal 9 von der Ausgabeeinrichtung 1 ein entsprechendes Nennstrom-Signal 6 an die Auswerteeinrichtung 5 ausgegeben. Das Nennstrom-Signal 6 übermittelt dabei an die Auswerteeinrichtung 5 einen Nennstromgrundwert Inenn (n) für die von der Drehzahlerfassungseinrichtung 8 erfasste Drehzahl n und einen Nennstromgrundwert Inenn(0) bei Stillstand des Mo¬ tors. Zusätzlich gibt die Ausgabeeinrichtung 1 ein der Nenn¬ stromtemperatur Tnenn entsprechendes Nennstromtemperatur- Signal 7 und ein Zulässigkeitstemperatur-Signal 10 in Abhän- gigkeit der zulässigen maximalen Umgebungstemperatur TZMU an die Auswerteeinrichtung 5 aus. Eine Motorstromerfassungsein- richtung erfasst die dem Motor zugeführte Motorstromstärke Imotor und stellt ein entsprechendes Motorstromsignal an die Auswerteeinrichtung 5 bereit. Die Sensoreinrichtung 3 erfasst die Temperatur Takt und stellt dafür ein Temperatur-Signal 4 an die Auswerteeinrichtung 5 bereit.
Wie in FIG 2 skizziert, ermittelt die Auswerteeinrichtung 5 eine Auslastung X des Motors. Zuerst berechnet die Auswerte- einrichtung 5 die Differenz zwischen den beiden Nennstrom¬ grundwerten Inenn(O) und Inenn(n) . Der dabei berechnete Wert wird dann zu der erfassten Motorstromstärke Imotor addiert, um eine Korrektur der Motorstromstärke Imotor bezüglich der Dreh¬ zahl n der Motors durchzuführen. Die bezüglich der Drehzahl n korrigierte Motorstromstärke Imotor (n) berechnet sich nach der folgenden Gleichung GL 7 :
Ko1Or («) = Ko1Or + ^ nenn «>) " Kenn («) ( GL 7 )
Des Weiteren berechnet die Auswerteeinrichtung 5 die Diffe¬ renz 3nenn aus der aktuellen Temperatur Tnenn Takt und der zuläs- sigen maximalen Umgebungstemperatur TZMU, sowie die Differenz 3akt aus der Nennstromtemperatur Takt und der zulässigen maxi¬ malen Umgebungstemperatur TZMU aus. Dies geschieht nach den schon erwähnten Gleichungen GL 4 und GL 5:
$nem = Tnem - TZMU ( GL 4 )
$Λi = Takt - TZMU (GL 5 )
Anschließen wird der über GL 4 erhaltene Wert 3nenn mit dem Faktor 2 multiplizier und der über GL 5 erhaltene Wert 3akt wird davon abgezogen. Die dadurch berechnete Differenz wird durch den Wert 3nem aus GL 4 geteilt.
Das Ergebnis wird mit dem Quadrat des Nennstromgrundwerts für eine Drehzahl gleich Null I2 nenn(0) multipliziert. Dabei er¬ gibt sich das Quadrat des an die Temperatur Takt angepassten Nennstroms I2 akt nach der folgenden Beziehung:
Die Gleichung GL 8 lässt sich aus der schon erwähnten Glei¬ chung GL 6 herleiten, wenn für den Korrekturfaktor C der Wert 1 eingesetzt wird. Dies ist in dem Beispiel aus FIG 2 ge¬ rechtfertigt, da die Umgebungstemperatur Takt über eine gute Anbringung der Sensoreinrichtung richtig erfasst wird.
In einem weiteren Schritt wird der Quotient aus dem Quadrat der bezüglich der Drehzahl n korrigierten Motorstromstärke I2motor(n) und aus dem Quadrat des bezüglich der Temperatur ermittelten Nennstroms I2 akt berechnet. Das Ergebnis kann als
Näherung für die Auslastung X bei einer konstant gehaltenen Motorstromstärke interpretiert werden.
Ist die Motorstromstärke zeitlich nicht konstant, so emp¬ fiehlt es sich, die oben beschriebenen Rechenschritte in re¬ gelmäßigen Zeitabständen Δt immer wieder zu wiederholen. Zu¬ sätzlich sollte bei der Berechnung der Auslastung X dann auch die thermischen Zeitkonstante τth berücksichtig werden.
Dies ergibt für die aktuelle Auslastung X(t+Δt) die folgende Gleichung GL 10:
Sobald für die Auslastung X ein Wert von 100% oder darüber ermittelt wird, werden Abhilfemaßnahmen getroffen, um eine Überhitzung des Motors zu verhindern. Beispiele hierfür ist das Ausgeben eines Warnsignals an einen Benutzer, das Redu¬ zieren der Motorstromstärke auf beispielsweise 90% des Nenn¬ stroms Inenn oder das automatische Abschalten des Motors.
Wurde hingegen für die Auslastung X ein Wert ermittelt, der deutlich unter 100% liegt, so kann die Motorstromstärke leicht erhöht werden, ohne dass eine Überhitzung des Motors befürchtet werden muss. Das in der vorliegenden Erfindung ge¬ schilderte Verfahren dient damit auch einer besseren Nutzung von Motoren, als dies nach dem bisherigen Stand der Technik möglich ist.