WO2007014685A1 - Verfahren und vorrichtung zur steigerung der effizienz eines elektromotors - Google Patents

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WO2007014685A1
WO2007014685A1 PCT/EP2006/007380 EP2006007380W WO2007014685A1 WO 2007014685 A1 WO2007014685 A1 WO 2007014685A1 EP 2006007380 W EP2006007380 W EP 2006007380W WO 2007014685 A1 WO2007014685 A1 WO 2007014685A1
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motor
current
actuator
voltage
size
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PCT/EP2006/007380
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Gattner
Bernd Nitz
Original Assignee
Trafobau Schindler Gmbh
Gattner Juergen
Bernd Nitz
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Publication date
Application filed by Trafobau Schindler Gmbh, Gattner Juergen, Bernd Nitz filed Critical Trafobau Schindler Gmbh
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control

Definitions

  • the invention is directed to a method and a device for increasing the efficiency of an electric motor, comprising a control with detection of at least one motor current and with influence on at least one motor voltage.
  • the efficiency of an asynchronous motor can be increased by controlling its slip to an optimum value that depends on the type of motor.
  • the value of the optimum slip must be specified; the circuit can not determine this itself.
  • the asynchronous motor is fed from an inverter whose voltage and current are measured in the DC voltage circuit in order to determine, for example, the absorbed active power and to obtain conclusions about the load case. By additional detection of the current in an engine phase further knowledge can be obtained, for example. About the power factor. From these values, an estimated, actual torque-generating current value is then calculated and compared with the optimum torque-generating current value also estimated based on the optimum slip. If both are equal, the motor voltage is kept constant; otherwise it is adjusted to track the actual torque producing current value to the estimated torque producing current value at optimum slip.
  • the optimal slip of an engine is mostly unknown.
  • the optimum slip is not a motor parameter, as it appears in data sheets, but must be determined by complex measurements. Such measurements can be made only by specialists, which is very costly, so that the retrofitting of existing engines is just as impossible as offering a universal control unit, which would be able to adjust itself to the respective connected engine.
  • the previously known method requires information about the recorded active power, which can only be achieved by measuring corresponding parameters of the DC circuit. This not only a variety of expensive measuring devices are required, but also a change or even inverter, so an extremely expensive device that can not be integrated for reasons of space with a motor, so that a structural association of such a controller with a motor not is possible. For all these reasons, it follows that the prior art motor efficiency circuit involves very high costs, thus negating the power saving effect; For economic reasons, therefore, the previously known motor efficiency circuit can not prevail on the market.
  • German laid-open specification 32 45 395 A1 discloses a method for reducing the power consumption of an electric drive system serving to drive variable loads, preferably at least one asynchronous machine, wherein the supply voltage of the drive system is automatically adjusted so that the supply current of the drive system according to the instantaneous load substantially smallest possible value achieved.
  • a minimum current regulator is provided for controlling a motor on a 3-phase network, which has an input for the sensed by a current sensor actual value of the supply current of the motor. This actual value is rectified by means of a transmitter and then fed to the controller.
  • the phase information of the current is destroyed, and it is - even in knowledge of the motor voltage - no longer possible to determine the distribution of the recorded motor power in real and reactive power. Accordingly, with such a method, although the recorded motor current can be minimized, but not the recorded active power, which has a decisive influence on the efficiency of an electric motor.
  • the inventive method for increasing the efficiency of an electric motor, based on a control with detection of at least one motor current and influencing at least one motor voltage is characterized by the following steps: a) determination of two different engine sizes, both of which have different influence on the recorded by the engine Active and / or reactive power (Pw, P B ) have, wherein one of the determined motor magnitudes of the effective value (I eff ) or the amplitude ( ⁇ ) of the current or the amount (InM) of the complex current vector corresponds, and the other of the determined Motor quantities of the phase position ( ⁇ ) or the power factor (cos ⁇ ) of the current or of the complex current vector; b) determining the time change of a determined motor size; c) adjustment of the motor voltage such that an engine size with influence on the recorded by the engine active and / or reactive power (P w , PB) is changed such that the recorded by the engine active and / or
  • Reactive power (P w , PB) is minimal, d) in which case, if one motor size has not or only slightly changed, the other is used as a control variable.
  • This method is optimally suited for practical use: it is not necessary to know or pre-determine any engine parameter; the absolute value of the active power P w is also not required, so that no Restrictions on the actuator are observed and rather the simplest and cheapest embodiment can be realized; Nevertheless, the most favorable, ie energy-saving and / or engine-friendly setting is found for any load case.
  • both the (quadratic) sum of the partial powers and their ratio are by no means constant, but always dependent on the relevant operating point or load case.
  • the operating point is therefore always clearly described only by two parameters or engine sizes. Therefore, two different engine sizes are determined, which have both influence on the recorded by the engine active and / or reactive power P w , P B or total power P.
  • one of the determined motor magnitudes corresponds to the effective value I eff or the amplitude ⁇ of the current or the magnitude ⁇ ⁇ ⁇ of the (complex) current vector, and the other of the determined motor magnitudes ⁇ and / or the power factor ( cos ⁇ ) of the (complex) current vector, because as already stated above, the current- and phase-dependent motor variables behave differently, because the complex current vector can change its length on the one hand and completely independent of it on the other hand in its direction.
  • the determination of two (or more) engine sizes has the advantage that in the case when one engine size has not or only slightly changed, the other (or one of the other) engine size (s) can be used as a control variable.
  • the current and / or voltage measurement signal (s) are converted into digital values.
  • Digital processing has the advantage over the quite possible realization in the context of an analog circuit of greater precision and lower susceptibility to interference.
  • An additional advantage of the digital signal processing is that any engine size with influence on the active and / or reactive power absorbed by the engine can be calculated from one or more measured values, possibly also with the aid of complicated formulas.
  • the calculated engine size can be stored with influence on the active and / or reactive power received by the engine, preferably as a digital value in a digital memory. This measure creates the basis for comparative considerations between different operating points of the engine.
  • a module (11) for determining the time change of a determined motor size a module (11) for determining the time change of a determined motor size; c) a control module (11) which acts on the actuator in such a way that an engine variable with influence on the active and / or reactive power (Pw, P B ) received by the engine is changed in such a way that the action taken by the engine and / or reactive power (P w , PB) becomes minimal; d) a block for switching the control of one engine size to another, if no change is recognizable in the first.
  • the device according to the invention thus does not require any information about the connected motor, such as an optimum slip value. Rather, it determines from its available measured values a criterion for an increase or decrease in the active and / or reactive power consumed by the motor. The current value of this criterion is compared with the previously determined value of the same criterion in order to obtain conclusions as to whether the recorded active and / or reactive power has increased or decreased. Then it is determined how the motor voltage must be adjusted in order to achieve a reduction of the active and / or reactive power by minimizing the criterion.
  • a plurality of criteria, ie engine sizes are determined, so that when reaching an approximately constant value of a criterion, where this is no longer suitable for further regulation, to another, in the relevant operating point more clearly observable criterion can be switched.
  • at least one module for motor size determination should be designed such that the effective value I e ff, the amplitude I or the amount lil of the (complex) current vector is formed.
  • the amount 1 ⁇ 1 of the complex current phasor corresponds to the (radial) distance of the oscilator current-phasor tip from the origin of the complex current diagram; a pure change of lil therefore follows a radial ray through the origin.
  • at least one module for motor size determination is designed such that the phase position ⁇ or the power factor (cos ⁇ ) of the (complex) current vector is formed.
  • a second step - specifically the reactive power P B is still minimized, in particular by minimizing ⁇ or maximizing the power factor (cos ⁇ ).
  • the phase angle ⁇ corresponds to the angle between the complex current vector and the (vertical) voltage vector of the complex vector diagram; with a mere change of ⁇ , the peak of the current vector therefore follows a circular arc around the origin. In this case, a block is used to switch the control of one motor size to another, if no change is recognizable in the first.
  • the slip of the engine depending on the load case can be adjusted freely and therefore ensures due to the static torque curve that with increasing load and the output power is tracked accordingly.
  • a possibly easily yielding speed is irrelevant in many such applications.
  • To think for example is to the drive motors of the compressors of cooling units, to fan motors, circulating pumps, etc.
  • the energy saved can be up to 70%, depending on the load case; the biggest savings are at idle; even at full load, about 4% energy is still saved. This not only reduces energy costs; As a positive side effect, this also contributes to saving energy and thus relieves the burden on the environment, in particular of the greenhouse gases associated with electricity generation.
  • the reactive current component is significantly reduced and especially at idle vibrations are minimized, so that the formation of bearing damage is prevented, and thus the service life of the engine is increased.
  • asynchronous motors with squirrel cage have a very simple structure; They are robust, inexpensive and require, in addition to the stator-side supply no additional power supply or control. Together with the equally robust and inexpensive motor efficiency circuit according to the invention, this results in a purchase, but especially in operation extremely inexpensive drive.
  • a measuring device for detecting the current in a motor phase This is a connection which is connected to the adjusting device and therefore the control unit according to the invention anyway available. In addition - even with an intact three-phase motor - this can easily be deduced from all currents in a motor, because the current distribution to the different phases is usually symmetrical (phase shift of 120 °).
  • a measuring device for detecting the voltage between two motor phases allows the detection of the phase shift between current and voltage and thus the distinction of active and reactive current component.
  • the measuring device for detecting the current is connected to a motor phase and the measuring device for detecting the voltage between the other two motor phases.
  • the chained voltage between two phases has a phase shift of 90 ° with respect to the midpoint voltage at the third phase. From this it is very easy to determine the center point voltage at the phase where the motor current is measured, and consequently also the phase shift between current and voltage, for symmetrical components.
  • measuring devices for detecting the currents there may also be provided in all (three) motor phases.
  • the measuring device (s) for detecting the motor current and / or the motor voltage and / or for forwarding the measured variables should be designed as transducers, Hall generators, optocouplers, etc., as this high voltages are kept away from a control electronics and thus malfunctions are excluded as well as the risk of injury to persons.
  • a galvanic decoupling can preferably be realized in that the / the transducer has a primary winding and an inductively coupled secondary winding (-en), where a to the Phmärwood / current proportional output voltage can be tapped.
  • At least one actuator finds its place between at least one terminal of a power supply or at least one external motor terminal on the other hand, and at least one (internal) motor terminal on the other hand, where it can preferably be used in the manner of a switch to supply the supply voltage to the relevant (according to the control algorithm according to the invention). n) switch through or disconnect motor phase (s).
  • each phase of the motor can be included in the control according to the invention, so that its behavior is still symmetrical (phase shift of 120 °) and therefore the static characteristics remain applicable.
  • At least one switching element of the actuator may have a switching characteristic which is dependent on the applied voltage direction, that is to say that - similar to a diode - it permits only one direction of current flow or voltage polarity.
  • a switching process either switching on or off or switching or blocking - the valves themselves leave ground, making the control electronics much easier.
  • At least one switching element of the actuator is self-locking, i. With a high-impedance switching output in the absence of control voltage, the valve is automatically locked at the latest after each half-cycle and the circuit is extremely stable because, for example, the elimination of drive pulses, the valves themselves delete the current flow.
  • one or more active i. Controllable semiconductor switch proven. These are fast enough to be operated at least once per period of the mains voltage. Modern semiconductor valves are even so fast that the power dissipated to heat by the switching operation, while the current and voltage in the valve are simultaneously substantially different from zero, is very low.
  • the invention can be further developed such that at least one switching element of the actuator is designed as a thyristor or triac.
  • a short ignition pulse is sufficient, and the actuator then remains open until the next half-wave of the voltage.
  • the drive power is therefore very low and hardly loads the control electronics.
  • such a low power can easily od over inductive transformer.
  • the module for determining at least one motor size with influence on the recorded by the motor active and / or reactive power is designed such that for each one (half) period of the supply voltage per motor size per value is determined.
  • Such a procedure is particularly advantageous if only a single intervention takes place on the actuator per (semi-) period, for example the (delayed) opening of a valve.
  • the controls for the other two phases of a three-phase motor can possibly be adjusted according to the same criteria, only offset by 120 °, so that all three motor phases after a control cycle again in a symmetrical state (phase shift respectively 120 ° or 240 °) , Since in such cases the control program is executed 50 times per second in a 50 Hz motor, ie after every 20 ms, static conditions can be assumed, ignoring dynamic transitions, so that the engine values from the last control cycle are still typical for the current load case and can be compared with the current engine values.
  • the building block for determining the time change of the determined motor size is designed such that the change of a motor size during one (half) period of the supply voltage with respect to the preceding (half) period of the supply voltage is determined.
  • this change is far more important than the respective absolute values of the engine variables, which can be set completely differently depending on the load case.
  • the control module acting on the actuator should have a device for forming the relation between the time change of the determined motor size and the time change of the actuator control. As a result, it can be determined at any time again, whether in the current operating point, the route shows an equal or opposite behavior between input (actuator) and output (motor size). From this can be derived the knowledge of how the actuator may need to be adjusted in order to obtain a further response of the engine size in the desired sense.
  • the control module acting on the actuator preferably has a device which, based on the change in the actuator control and the change in the active and / or reactive power received by the motor, determines which type of actuator control (Increasing or decreasing at least one motor voltage) has a minimizing effect on the recorded by the engine active and / or reactive power.
  • the control module acts on the actuator by means of a device that generates a control signal that corresponds to an actuator control (increase or decrease of at least one motor voltage) with a predicted minimization of the recorded by the engine active and / or reactive power.
  • the type of control depends on the one hand on the type of actuator - preferably semiconductor switch - as well as on the type (circuit arrangement) of the actuator engagement.
  • a particularly simple circuit arrangement of the actuator results in the realization of a phase control.
  • the degree of adjustment results from the time delay of the drive signal.
  • the control element acting on the actuator has a delay element, which delays the turn-on or drive signal of at least one switching element of the actuator relative to the zero crossing of the respective phase voltage, preferably in accordance with the current control signal for the actuator control.
  • the motor efficiency circuit 4 has the structure of a control circuit.
  • a first inductive transducer 7 is looped on the primary side into the line leading to the motor phase M2 and delivers at its secondary output 8 to the current i 2 in the motor phase M2 proportional output signal which is galvanically decoupled from the phase M2.
  • a second transducer 9 is connected on the primary side between the lines connected to the other two motor phases M1 and M3 and provides at its secondary output 10 to the concatenated voltage U 13 between the motor phases M1 and M3 proportional output signal, which decouples galvanically from the phases M1 and M3 is.
  • the measuring signals 8, 10 processes a control module 11, which acts with its control outputs 12 on an actuating device 13.
  • This consists of a total of six thyristors 14, of which two are each looped between a grid phase L1, L2, L3 and the relevant motor phase M1, M2, M3.
  • the two thyristors 14 assigned to the same phase M1, M2, M3 are each connected in antiparallel to one another, so that the current h, i 2 , h can flow in each current phase M1, M2, M3 in both current directions and in each case by different thyristors 14 is directed.
  • each one of a common motor phase M1, M2, M3 associated thyristor pair 14 may be connected to each other, so that each results in the structure of a triac; however, this is not mandatory.
  • the motor voltages U 12 , U 13 , U 23 and thus the motor currents h, i 2 , h influence by the thyristors 14 only with a controllable delay with respect to the respective zero crossing of a voltage on, that are switched through, so that the rms value of the voltage (shuntwelle) is reduced more or less (phase control).
  • the control signals 12 are generated by the control module 11 as follows:
  • the measuring signals 8, 10 are first recorded over a period of time - for example, a (half) period of the voltage - recorded. Then a respective characteristic value is generated for each respective fundamental wave, for example by charging a capacitor in accordance with a current proportional to the respective measurement signal, or by integration of the digitally converted measurement signals 8, 10. Thus, a current-proportional value, for example ieff , are generated as the first characteristic engine size.
  • a phase-dependent value is determined as the second characteristic motor variable, for example ⁇ or (cos ⁇ ).
  • motor variables are stored together with the relevant control signal 12 or the resulting motor voltage (samplitude), either as a charge in a capacitor or as a digital value in a digital memory.
  • control signal 12 is adjusted, for example, toward a lower motor voltage (samplitude), and again the motor current i 2 and the chained voltage Ui 3 are measured.
  • the changes of the calculated motor variables are determined and the change of the motor voltage (samplitude) or of the respective predetermined control signal 12.
  • the control signal 12 is then adjusted such that the active and / or reactive power P w , PB of the motor 6 in the desired sense influenced, ie, be minimized.
  • the control module 11 is coupled for input and output with a communication module 15 whose task is to enable an exchange of information between the control module 11 and other units, for example.
  • a higher-level control or observation device for example, the motor efficiency circuit 4 can be switched off from the outside, so that the thyristors 14 are then ignited instantaneously and the same conditions arise as if the motor phases M1, M2, M3 were connected directly to the mains voltage L1, L2, L3. This can be advantageous if the motor 6 is to be operated at its maximum power temporarily, for example during a run-up.
  • the control module 11 but also obtained by its own power supply by this is connected directly to the inputs 3 of the motor efficiency circuit 4.
  • the turn-on and ramp-up torque can then be tracked at the rise of the power supply voltage of the electronics.
  • a timer can be started, which temporarily shifts the control pulses 12 in the zero crossings of the relevant voltages.
  • the communication module 15 can also be used to read out data from the control module 11, for example current values and / or average values of measuring and / or motor variables, error messages, etc.
  • This communication module 15 can also be suitable for remote data transmission in order, for example to communicate over the internet.

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors bei gesteigerter Effizienz, umfassend eine Regelung mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung, mit folgenden Merkmalen: a) Ermittlung von zwei verschiedenen Motorgrößen, welche beide unterschiedlichen Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) haben, durch wenigstens einen Baustein, welcher derart ausgebildet ist, dass der Effektivwert (Ieff), die Amplitude (Î) des Stroms oder der Betrag (?Ι?) des komplexen Stromzeigers einerseits gebildet wird, und/oder die Phasenlage (φ) oder der Leistungsfaktor (cos φ) des Stroms oder der Winkel (φ) zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem komplexen Spannungszeiger andererseits; b) Bestimmung der zeitlichen Änderung einer ermittelten Motorgröße durch einen dafür vorgesehenen Baustein; c) Verstellung der Motorspannung mittels eines auf das Stellglied einwirkenden Regelbausteins, derart, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) derart verändert wird, dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) minimal wird, d) wobei in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht oder nur gering geändert hat, vermittels eines Bausteins zur Umschaltung der Regelung von einer Motorgröße auf eine andere die jeweils andere als Regelgröße herangezogen wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors, umfassend eine Regelung mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung.
Nach einem in der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 61 293 A1 offenbarten Prinzip kann die Effizienz eines Asynchronmotors dadurch gesteigert werden, dass dessen Schlupf auf einen optimalen Wert geregelt wird, der vom Motortyp abhängig ist. Der Wert des optimalen Schlupfes muß dabei vorgegeben werden; die Schaltung kann diesen nicht selbst bestimmen. Der Asynchronmotor wird aus einem Wechselrichter gespeist, dessen Spannung und Strom im Gleichspannungskreis gemessen werden, um daraus bspw. die aufgenommene Wirkleistung bestimmen zu können und Rückschlüsse auf den Belastungsfall zu erhalten. Durch zusätzliche Erfassung des Stroms in einer Motorphase können weitere Erkenntnisse gewonnen werden, bspw. über den Leistungsfaktor. Aus diesen Werten wird sodann ein geschätzter, tatsächlicher drehmomenterzeugender Stromwert berechnet und mit dem anhand des optimalen Schlupfes ebenfalls geschätzten, optimalen drehmomenterzeugenden Stromwert verglichen. Sind beide gleich, so wird die Motorspannung konstant gehalten; ansonsten wird sie verstellt, um den tatsächlichen drehmomenterzeugenden Stromwert dem geschätzten, drehmomenterzeugenden Stromwert bei optimalem Schlupf nachzuführen.
Diese Vorgehensweise leidet an einer Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. Erstens ist der optimale Schlupf eines Motors meistens nicht bekannt. Der optimale Schlupf ist kein Motorparameter, wie er in Datenblättern auftaucht, sondern muß durch aufwendige Messungen ermittelt werden. Solche Messungen können nur von Spezialisten vorgenommen werden, was sehr kostenintensiv ist, so dass die Nachrüstung bestehender Motoren ebenso wenig möglich ist wie das Anbieten eines universellen Steuergerätes, welches in der Lage wäre, sich selbst auf den jeweils angeschlossenen Motor einzustellen. Darüber hinaus benötigt das vorbekannte Verfahren Informationen über die aufgenommene Wirkleistung, was sich nur über eine Messung entsprechender Parameter des Gleichstromkreises erreichen läßt. Damit sind nicht nur eine Vielzahl von teuren Meßeinrichtungen erforderlich, sondern auch ein Wechsel- oder gar Umrichter, also ein extrem teures Gerät, das sich überdies aus Platzgründen mit einem Motor nicht integrieren läßt, so dass eine bauliche Vereinigung eines solchen Steuergerätes mit einem Motor nicht möglich ist. Aus allen diesen Gründen folgt, dass die vorbekannte Motoreffizienzschaltung sehr hohe Kosten mit sich bringt, so dass der Stromspareffekt zunichte gemacht wird; aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus kann sich daher die vorbekannte Motoreffizienzschaltung nicht auf dem Markt durchsetzen.
Die deutsche Offenlegungsschrift 32 45 395 A1 offenbart ein Verfahren zum Verringern der Leistungsaufnahme eines zum Antrieb veränderlicher Lasten dienenden elektrischen Antriebssystems, vorzugsweise mindestens einer Asynchronmaschine, wobei die Speisespannung des Antriebssystems selbsttätig so verstellt wird, dass der Speisestrom des Antriebssystems entsprechend der momentanen Last im wesentlichen seinen kleinstmöglichen Wert erreicht. Zu diesem Zweck ist zur Regelung eines Motors an einem 3-phasigen Netz ein Minimalstromregler vorgesehen, der einen Eingang für den von einem Stromfühler gefühlten Istwert des Speisestroms des Motors aufweist. Dieser Istwert wird mittels eines Meßumformers gleichgerichtet und sodann dem Regler zugeführt. Damit wird die Phaseninformation des Stroms vernichtet, und es ist - selbst in Kenntnis der Motorspannung - nicht mehr möglich, die Aufteilung der aufgenommenen Motorleistung in Wirk- und Blindleistung zu ermitteln. Demzufolge kann mit einem solchen Verfahren zwar der aufgenommene Motorstrom minimiert werden, nicht aber die aufgenommene Wirkleistung, welche maßgebenden Einfluß auf die Effizienz eines Elektromotors hat.
Ähnliches gilt für die Lehre gemäß der DE 693 18 126 T3, einer deutschen Übersetzung der geänderten Patentschrift EP 0 605 328 B2. Diese betrifft ein ähnliches Regelverfahren wie die DE 32 45 395 A1 , läßt aber offen, welcher Motorparameter erfaßt und zu Regelungszwecken herangezogen werden soll. Stets ist jedoch das Ziel der Regelung eine Minimierung der von der Last, also vorzugsweise einem Motor, aufgenommene Leistung minimiert wird, nicht jedoch eine gezielte Minimierung der aufgenommenen Wirkleistung. Damit kann die Effizienz eines Motors, nämlich dessen Verhältnis von abgegebener Wirkleistung zu aufgenommener Wirkleistung, nicht gezielt optimiert werden; allenfalls wird die Gesamtleistung minimiert. Die Wirkleistung muß jedoch in dem solchermaßen angepeilten Arbeitspunkt keineswegs minimal sein.
Aus diesen Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, durch eine geeignete Maßnahme die Effizienz eines Elektromotors so weit als möglich zu steigern, vorzugsweise derart, dass bei einem gegebenen Belastungsfall die verbrauchte Wirkleistung minimal ist, gleichzeitig sollen die mit dieser Maßnahme einhergehenden Kosten möglichst gering sein, so dass der Strom- bzw. Energiespareffekt auch unter den wirtschaftlichen Gesichtspunkten einer Gesamtbetrachtung zu einem Spareffekt führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors, anhand einer Regelung mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung zeichnet sich aus durch folgende Verfahrensschritte: a) Ermittlung von zwei verschiedenen Motorgrößen, welche beide unterschiedlichen Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) haben, wobei die eine der ermittelten Motorgrößen dem Effektivwert (Ieff) oder der Amplitude (ϊ) des Stroms oder dem Betrag (InM) des komplexen Stromzeigers entspricht, und die andere der ermittelten Motorgrößen der Phasenlage (φ) oder dem Leistungsfaktor (cos φ) des Stroms oder des komplexen Stromzeigers; b) Bestimmung der zeitlichen Änderung einer ermittelten Motorgröße; c) Verstellung der Motorspannung derart, dass eine Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) derart verändert wird, dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder
Blindleistung (Pw, PB) minimal wird, d) wobei in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht oder nur gering geändert hat, die jeweils andere als Regelgröße herangezogen wird.
Dieses Verfahren ist für die praktische Anwendung optimal geeignet: Es ist nicht erforderlich, irgendeinen Motorparameter zu kennen oder vorab zu ermitteln; der Absolutwert der Wirkleistung Pw ist ebenfalls nicht erforderlich, so dass keinerlei Einschränkungen hinsichtlich des Stellgliedes zu beachten sind und vielmehr die einfachste und preiswerteste Ausführungsform realisiert werden kann; dennoch wird für jeden beliebigen Belastungsfall die jeweils günstigste, d.h. energiesparendste und/oder motorschonendste Einstellung gefunden.
Sowohl bei Wechselstrom- als auch bei Drehstrommotoren ist sowohl die (quadratische) Summe der Teilleistungen als auch deren Verhältnis keineswegs konstant, sondern stets von dem betreffenden Arbeitspunkt bzw. Belastungsfall abhängig. Der Arbeitspunkt ist daher immer nur durch zwei Parameter bzw. Motorgrößen eindeutig beschrieben. Deshalb werden zwei verschiedene Motorgrößen ermittelt, welche beide Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB oder Gesamtleistung P haben. Dabei hat es sich bewährt, dass die eine der ermittelten Motorgrößen dem Effektivwert Ieff oder der Amplitude ϊ des Stroms oder dem Betrag \τ\ des (komplexen) Stromzeigers entspricht, und die andere der ermittelten Motorgrößen der Phasenlage φ und/oder dem Leistungsfaktor (cos φ) des (komplexen) Stromzeigers, denn wie weiter oben bereits ausgeführt, verhalten sich die ström- und phasenabhängigen Motorgrößen unterschiedlich, weil der komplexe Stromzeiger sich einerseits in seiner Länge verändern kann und - völlig unabhängig davon - andererseits auch in seiner Richtung. Die Ermittlung zweier (oder mehrerer) Motorgrößen bietet den Vorteil, dass in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht oder nur wenig geändert hat, die jeweils andere (oder eine der anderen) Motorgröße(n) als Regelgröße herangezogen werden kann. Da sich derart verschiedene Motorgrößen teilweise völlig unterschiedlich verhalten, d.h., wenn eine Motorgröße konstant geblieben ist, muß dies für die andere überhaupt nicht gelten, kann anhand der letzteren dann eine weitere Optimierung vorgenommen werden mit dem Ziel, nicht nur einen relativ optimalen Arbeitspunkt einzustellen, sondern den bei der betreffenden Belastung absolut optimalsten.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das/die Strom- und/oder Spannungsmeßsignal(e) in Digitalwerte gewandelt werden. Eine digitale Verarbeitung hat gegenüber der durchaus auch möglichen Realisierung im Rahmen einer Analogschaltung den Vorteil einer größeren Präzision und geringerer Störanfälligkeit. Ein zusätzlicher Vorteil der digitalen Signalverarbeitung ist, dass jede beliebige Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung aus einem oder mehreren Meßwerten ggf. auch unter Zuhilfenahme komplizierter Formeln berechnet werden kann.
Weiterhin kann die berechnete Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung gespeichert werden, vorzugsweise als Digitalwert in einem Digitalspeicher. Diese Maßnahme schafft die Grundlage für vergleichende Betrachtungen zwischen verschiedenen Arbeitspunkten des Motors.
Durch einen solchen Vergleich des aktuell berechneten Wertes der Motorgröße mit einem zuvor berechneten und abgespeicherten Wertes derselben Motorgröße ergibt sich die (zeitliche) Änderung einer Motorgröße. Hierbei ist jedoch der Absolutwert der verglichenen Größen ebensowenig von Bedeutung wie der Absolutwert der Änderung bzw. deren Schnelligkeit. Wichtig ist vielmehr, ob sich die Motorgröße überhaupt geändert hat und in welcher Richtung.
Um die richtige Verstellung vorzunehmen, also eine solche Verstellung, welche sich minimierend auf die Wirk- und/oder Blindleistungsaufnahme auswirkt, wird eine Relation zwischen der Änderung einer Motorgröße einerseits und der Änderung des Ansteuersignals für das Stellglied andererseits gebildet. Daran läßt sich erkennen, ob sich die Regelstrecke regelungstechnisch eher proportional, d.h. wie eine Mitkopplung verhält (gleichphasige Änderungen von Stell- und Motorgröße) oder invertierend, d.h. wie eine Gegenkopplung (entgegengesetzte Änderungen), oder ob sich die Regelstrecke - bezüglich der betrachteten Motorgröße - (näherungsweise) in einem Gleichgewichtszustand befindet (keine oder nur geringe Veränderung der Motorgröße).
Ferner entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die Ansteuerung des Stellgliedes nach Art einer Phasenanschnittsteuerung erfolgt. Dieses Schaltprinzip erfordert keine Wechsel- oder Umrichtung mit einem Gleichstromzwischenkreis, sondern schaltet die primäre Versorgungsspannung ggf. direkt zum Motor durch. Dadurch ist der konstruktive Aufwand minimal. Die damit erzielbaren Ergebnisse sind im Rahmen des vorliegenden Regelungsprinzips völlig ausreichend.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung des gestellten Problems umfaßt folgende Bausteine: a) einen oder zwei Baustein(e) zur Ermittlung von insgesamt zwei Motorgrößen, welche beide unterschiedlichen Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB), haben, welcher (welche) Baustein(e) derart ausgebildet ist (sind), dass der Effektivwert (Ietf) oder die Amplitude (i) des Stroms oder der Betrag (Lτl) des komplexen
Stromzeigers einerseits gebildet wird, sowie die Phasenlage (φ) oder der Leistungsfaktor (cos φ) des Stroms oder des komplexen Stromzeigers andererseits; b) einen Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung einer ermittelten Motorgröße; c) einen Regelbaustein (11), der auf das Stellglied derart einwirkt, dass eine Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) derart verändert wird, dass die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) minimal wird; d) einen Baustein zur Umschaltung der Regelung von einer Motorgröße auf eine andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt also keinerlei Informationen über den angeschlossenen Motor wie etwa einen optimalen Schlupfwert. Vielmehr ermittelt sie aus ihr zur Verfügung stehenden Meßwerten ein Kriterium für eine Zu- oder Abnahme der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung. Der aktuelle Wert dieses Kriteriums wird mit dem vorangehend ermittelten Wert des selben Kriteriums verglichen, um Rückschlüsse darüber zu erhalten, ob die aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung zu- oder abgenommen hat. Sodann wird ermittelt, wie die Motorspannung verstellt werden muß, um durch Minimierung des Kriteriums eine weitere Abnahme der Wirk- und/oder Blindleistung zu erzielen. Dabei werden mehrere Kriterien, d.h. Motorgrößen ermittelt, so dass bei Erreichen eines etwa konstanten Wertes eines Kriteriums, wo dieses sich für eine weitere Regelung nicht mehr eignet, auf ein anderes, in dem betreffenden Arbeitspunkt deutlicher beobachtbares Kriterium umgeschaltet werden kann. Dabei sollte wenigstens ein Baustein zur Motorgrößen-Ermittlung derart ausgebildet sein, dass der Effektivwert Ieff, die Amplitude I oder der Betrag lil des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird. Gemäß der Formel Pw = U * I * cos φ und PB = U * I * sin φ, wobei P2 = Pw 2 + PB2 geht der Strom i sowohl in die aufgenommene Wirkleistung Pw als auch in die aufgenommene Blindleistung PB ein und eignet sich daher aufgrund dieses starken Einflusses sehr gut für die erfindungsgemäße Regelung. Dabei ist die Auswirkung des Motorstroms I auf die Wirk- und Blindleistungen Pw, PB gleichsinnig, d.h., steigender Strom erhöht sowohl die Wirk- als auch die Blindleistung und damit insbesondere auch die Gesamtleistung P. Hierbei ist zu bedenken, dass der Betrag 1^1 des komplexen Stromzeigers dem (radialen) Abstand der auf dem Osannakreis liegenden Stromzeigerspitze vom Ursprung des komplexen Stromdiagramms entspricht; eine reine Veränderung von lil folgt daher einem Radialstrahl durch den Ursprung. Ferner ist wenigstens ein Baustein zur Motorgrößen-Ermittlung derart ausgebildet, dass die Phasenlage φ oder der Leistungsfaktor (cos φ) des (komplexen) Stromzeigers gebildet wird. Aufgrund der obigen Beziehungen beeinflussen diese Größen zwar nicht den Absolutwert der Gesamtleistung P, wohl aber deren Aufteilung in Wirk- und Blindleistung Pw, PB- Wenn daher - bspw. anhand des Motorstroms I - die Gesamtleistung P minimiert wurde, kann - ggf. in einem zweiten Schritt - gezielt noch die Blindleistung PB minimiert werden, insbesondere durch Minimierung von φ bzw. Maximieren des Leistungsfaktors (cos φ). Natürlich könnte auch nur eine Minimierung der Blindleistung PB erfolgen ohne Betrachtung der Gesamtleistung P. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Phasenwinkel φ dem Winkel zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem (vertikalen) Spannungszeiger des komplexen Zeigerdiagramms entspricht; bei einer reinen Veränderung von φ folgt die Spitze des Stromzeigers daher einem Kreisbogen um den Ursprung. Dabei dient ein Baustein zur Umschaltung der Regelung von einer Motorgröße auf eine andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist. Wäre also bspw. lil näherungsweise konstant geblieben, so kann entweder der optimale Regelungspunkt gefunden sein, oder aber es ist eine weitere Verstellung des Phasenwinkels φ möglich, um - bei konstantem LTI - eine zusätzliche Optimierung vorzunehmen, insbesondere den Anteil der Blindleistung PB an der Gesamtleistung P zu minimieren. Der Schlupf des Motors ist für eine solche Regelung völlig unbeachtlich, so dass keine kostenintensiven Messungen an dem betreffenden Motor durchzuführen sind. Vielmehr werden insbesondere aus einem erfaßten Motorstrom von der erfindungsgemäßen Motoreffizienzschaltung selbst leicht bestimmbare Kriterien verwendet, welche einen Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung haben und daher eine Abschätzung der zeitlichen Entwicklung dieser Leistung(en) erlauben. Infolge des Vergleichs mit einer oder mehreren vorangehenden Berechnungen kann die Erkenntnis, welcher Arbeitspunkt der bessere ist/war und in welche Richtung daher ggf. die Motorspannung zu verstellen ist, ohne genaue Bestimmung der aufgenommenen Wirkleistung erfolgen, so dass Messungen in einem Gleichstromkreis und damit ein Gleichstromkreis überhaupt entbehrlich sind. Daher kann die Ansteuerschaltung erheblich vereinfacht werden, wodurch sich die Herstellungskosten drastisch senken lassen. Insgesamt ergibt sich eine billige und universelle Schaltung, die einfach zwischen Stromversorgung (Dreh- oder Wechselstromnetz) und einem dafür geeigneten Motor (Drehstrom- oder Wechselstrommotor) geschalten wird und die dem Motor zugeführte Spannung derart beeinflußt, dass dieser stets unter optimalen Bedingungen, d.h., mit größtmöglicher Effizienz, arbeitet. Geeignet ist eine solche Schaltung vor allem für einfache Antriebe ohne Drehzahl- oder Lageregelung. Dabei kann sich der Schlupf des Motors je nach Belastungsfall frei einstellen und gewährleistet daher aufgrund der statischen Drehmomentkurve, dass mit zunehmender Belastung auch die abgegebene Leistung entsprechend nachgeführt wird. Eine dabei evtl. leicht nachgebende Drehzahl ist in vielen derartigen Anwendungsfällen unerheblich. Zu denken ist bspw. an die Antriebsmotoren der Kompressoren von Kühlaggregaten, an Lüftermotoren, Umwälzpumpen, etc. Die eingesparte Energie kann je nach Belastungsfall bei bis zu 70 % liegen; die größte Einsparung ergibt sich im Leerlauf; selbst bei voller Belastung werden immer noch etwa 4 % Energie gespart. Damit werden nicht nur die Energiekosten gesenkt; als positiver Nebeneffekt wird dabei auch ein Beitrag zur Einsparung von Energie geleistet und somit die Umwelt entlastet, insbesondere von den mit der Stromerzeugung einhergehenden Treibhausgasen. Außerdem wird der Blindstromanteil erheblich reduziert und speziell im Leerlauf werden Vibrationen minimiert, so dass der Entstehung von Lagerschäden vorgebeugt wird und damit die Betriebsdauer des Motors erhöht wird. EP2006/007380
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Elektromotor ein Asynchronmotor ist. Insbesondere Asynchronmotoren mit Käfigläufer haben einen sehr einfachen Aufbau; sie sind robust, preiswert und benötigen neben der ständerseitigen Speisung keine zusätzliche Hilfsenergie oder Steuerung. Zusammen mit der ebenfalls robusten und preiswerten Motoreffizienzschaltung gemäß der Erfindung ergibt sich damit ein in der Anschaffung, gerade aber auch im Betrieb äußerst preiswerter Antrieb.
Obzwar die Erfindung auch bei Linearmotoren mit Erfolg eingesetzt werden kann, liegt der hauptsächliche Anwendungsbereich bei den in der Praxis weitaus häufigeren Elektromotoren mit einem Rotor als Abtrieb.
Besondere Vorteile bietet eine Meßeinrichtung zur Erfassung des Stroms in einer Motorphase. Hierbei handelt es sich um einen Anschluß, der mit der Stelleinrichtung verbunden ist und daher dem erfindungsgemäßen Steuergerät ohnehin zur Verfügung steht. Außerdem kann - auch bei einem intakten Drehstrommotor - hieraus ohne weiteres auf alle Ströme in einem Motor geschlossen werden, weil die Stromverteilung auf die verschiedenen Phasen meistens symmetrisch ist (Phasenverschiebung von 120°).
Eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Spannung zwischen zwei Motorphasen erlaubt die Erkennung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und damit die Unterscheidung von Wirk- und Blindstromkomponente.
Zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors hat es sich bewährt, dass die Meßeinrichtung zur Erfassung des Stroms an einer Motorphase angeschlossen ist und die Meßeinrichtung zur Erfassung der Spannung zwischen den beiden anderen Motorphasen. Die verkettete Spannung zwischen zwei Phasen hat gegenüber der Mittelpunktspannung an der dritten Phase eine Phasenverschiebung von 90°. Daraus läßt sich bei symmetrischen Komponenten sehr einfach die Mittelpunktspannung an derjenigen Phase bestimmen, wo der Motorstrom gemessen wird, und demzufolge auch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen können auch in allen (drei) Motorphasen Meßeinrichtungen zur Erfassung der dortigen Ströme vorgesehen sein. Damit existiert bei jedem Nulldurchgang des Stroms in einer Motorphase, wo aufgrund von Umschaltschwingungen eines Stromrichters eine genaue Messung nicht immer möglich ist, stets wenigstens eine Motorphase mit einem glatten Verlauf des Motorstroms, der sodann eine genaue Messung erlaubt. Dasselbe gilt für die Motorspannungen. Hier besteht die Möglichkeit, alle drei verketteten Spannungen zu messen, so dass bei einem Schaltvorgang in einer Phase immer zwei andere Motorphasen existieren, wo gerade kein Umschaltvorgang existiert und wo deshalb die verkettete Spannung sehr zuverlässig ermittelt werden kann. Als weitere Meßvariante besteht die Möglichkeit, virtuelle Sternpunktspannungen der Motorphasen gegenüber einem virtuell gebildeten Sternpunkt zu messen.
Die Meßeinrichtung(en) zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung und/oder zur Weiterleitung der gemessenen Größen sollten als Meßwandler, Hallgeneratoren, Optokoppler, etc. ausgebildet sein, weil dadurch hohe Spannungen von einer Regelelektronik ferngehalten werden und damit einerseits Fehlfunktionen ausgeschlossen werden, wie auch die Gefahr der Verletzung von Personen.
Eine galvanische Entkopplung läßt sich bevorzugt dadurch realisieren, dass der/die Meßwandler eine Primärwicklung und eine induktiv angekoppelte Sekundärwicklung aufweist (-en), wo eine zu der/dem Phmärspannung/-strom proportionale Ausgangsspannung abgegriffen werden kann.
Wenigstens ein Stellglied findet seinen Platz zwischen wenigstens einem Anschluß einer Stromversorgung bzw. wenigstens einem äußeren Motoranschluß einerseits und wenigstens einem (inneren) Motoranschluß andererseits, wo es vorzugsweise nach Art eines Schalters verwendet werden kann, um nach dem erfindungsgemäßen Regelalgorithmus die Versorgungsspannung an die betreffende(n) Motorphase(n) durchzuschalten oder abzutrennen.
Die Effizienz eines Drehstrommotors läßt sich dadurch steigern, dass als Stellglied zwischen jeder Phase einer Stromversorgung bzw. jedem äußeren Motorphasenanschluß einerseits und je einem (inneren) Motorphasenanschluß wenigstens je ein steuerbares Schaltelement eingeschalten ist. Damit läßt sich jede Phase des Motors in die erfindungsgemäße Regelung mit einbeziehen, so dass dessen Verhalten nach wie vor symmetrisch ist (Phasenverschiebung von 120°) und daher die statischen Charakteristika anwendbar bleiben.
Wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes kann eine von der anliegenden Spannungsrichtung abhängige Schaltcharakteristik aufweisen, d.h., dass es - ähnlich einer Diode - nur einen Stromfluß in einer Richtung bzw. bei einer bestimmten Spannungspolarität zuläßt. Damit kann ein Schaltvorgang - wahlweise Ein- oder Ausschalten bzw. Durchschalten oder Sperren - den Ventilen selbst überlassen erden, wodurch sich die Ansteuerelektronik wesentlich vereinfacht.
Indem wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes selbstsperrend ausgebildet ist, d.h. mit einem hochohmigen Schaltausgang bei fehlender Steuerspannung, erfolgt spätestens nach je einer Halbwelle automatisch ein Sperren des Ventils und die Schaltung ist dadurch äußerst stabil, weil bspw. beim Wegfall von Ansteuerimpulsen die Ventile selbst den Stromfluß löschen.
Im Rahmen des Stellgliedes haben sich ein oder mehrere aktive, d.h. steuerbare Halbleiterschalter bewährt. Diese sind schnell genug, um pro Periode der Netzspannung wenigstens einmal betätigt werden zu können. Moderne Halbleiterventile sind sogar so schnell, dass die durch den Schaltvorgang, während dem Strom und Spannung in dem Ventil gleichzeitig von Null deutlich verschieden sind, in dem Ventil in Wärme umgesetzte Verlustleistung sehr gering ist.
Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass wenigstens ein Schaltelement des Stellgliedes als Thyristor oder Triac ausgebildet ist. Dadurch genügt ein kurzer Zündimpuls, und das Stellglied bleibt anschließend offen bis zur nächsten Halbwelle der Spannung. Die Ansteuerleistung ist daher sehr gering und belastet die Steuerelektronik kaum. Zusätzlich kann eine derart geringe Leistung leicht über induktive Übertrager od. dgl. geführt werden, so dass sich mit geringem Aufwand auch zwischen den Stellgliedern und der Steuerelektronik eine galvanische Trennung realisieren läßt. Vorzugsweise ist der Baustein zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart ausgebildet, dass zu je einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung pro Motorgröße je ein Wert ermittelt wird. Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn pro (Halb-) Periode nur ein einziger Eingriff an dem Stellglied stattfindet, bspw. das (verzögerte) öffnen eines Ventils. Die Ansteuerungen für die anderen beiden Phasen eines Drehstrommotors können ggf. nach den selben Kriterien verstellt werden, nur um 120° zeitversetzt, so dass alle drei Motorphasen nach einem Regelzyklus sich wieder in einem symmetrischen Zustand (Phasenverschiebung jeweils 120° bzw. 240°) befinden. Da solchenfalls bei einem 50 Hz-Motor das Regelprogramm 50 mal pro Sekunde abgearbeitet wird, also nach jeweils 20 ms, kann dabei - unter Vernachlässigung von dynamischen Übergängen - von jeweils statischen Verhältnissen ausgegangen werden, so dass die Motorwerte aus dem letzten Regelzyklus durchaus noch typisch für den gegenwärtigen Belastungsfall sind und mit den aktuellen Motorwerten verglichen werden können.
Dies wird bewerkstelligt, indem der Baustein zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße derart ausgebildet ist, dass die Änderung einer Motorgröße während einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung gegenüber der vorangehenden (Halb-) Periode der Versorgungsspannung bestimmt wird. Für die erfindungsgemäße Regelung ist diese Änderung weitaus wichtiger als die jeweiligen Absolutwerte der Motorgrößen, welche sich je nach Belastungsfall völlig unterschiedlich einstellen können.
Der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein sollte eine Einrichtung aufweisen zur Bildung der Relation zwischen der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße und der zeitlichen Änderung der Stellglied-Ansteuerung. Dadurch läßt sich zu jedem Zeitpunkt neuerlich feststellen, ob in dem gegenwärtigen Arbeitspunkt die Strecke ein gleichsinniges oder gegensinniges Verhalten zwischen Eingang (Stellglied) und Ausgang (Motorgröße) zeigt. Daraus läßt sich die Erkenntnis ableiten, wie das Stellglied ggf. verstellt werden muß, um eine weitere Reaktion der Motorgröße in dem gewünschten Sinn zu erhalten. Bevorzugt verfügt der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein über eine Einrichtung, die anhand der Änderung der Stellglied-Ansteuerung und der aus der entsprechenden Veränderung der ermittelten Motorgröße resultierenden Veränderung der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung feststellt, welche Art der Stellglied-Ansteuerung (Vergrößern oder Verkleinern wenigstens einer Motorspannung) einen minimierenden Einfluß auf die von dem Motor aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung hat. Zu diesem Zweck genügt die Vorgabe, ob eine bestimmte Motorgröße minimiert (bspw. 1^1) oder maximiert (bspw. (cos φ)) werden soll, je nach dem Einfluß der betreffenden Motorgröße auf die Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB-
Der Regelbaustein wirkt auf das Stellglied ein mittels einer Einrichtung, die ein Steuersignal erzeugt, das einer Stellglied-Ansteuerung (Vergrößerung oder Verkleinerung wenigstens einer Motorspannung) mit einer prognostizierten Minimierung der von dem Motor aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung entspricht. Die Art der Ansteuerung richtet sich einerseits nach dem Typ des Stellgliedes - vorzugsweise Halbleiterschalter - sowie nach der Art (Schaltungsanordnung) des Stellgliedeingriffs.
Eine besonders einfache Schaltungsanordnung des Stellgliedes ergibt sich bei Realisierung einer Phasenanschnittsteuerung. Solchenfalls ergibt sich der Grad der Verstellung durch die zeitliche Verzögerung des Ansteuersignals. Zu diesem Zweck weist der auf das Stellglied einwirkende Regelbaustein ein Verzögerungsglied auf, welches das Einschalt- bzw. Ansteuersignal wenigstens eines Schaltelements des Stellgliedes gegenüber dem Nulldurchgang der betreffenden Phasenspannung verzögert, vorzugsweise entsprechend dem aktuellen Steuersignal für die Stellglied- Ansteuerung.
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der Erfindung. Darin sind eine dreiphasige Netzspannung 1 mit den Phasen L1 , L2, L3 zu erkennen, ferner ein ebenfalls dreiphasiger Hauptschalter 2, an dessen sekundärseitigen Anschlüssen die Eingänge 3 einer ebenfalls dreiphasigen Motoreffizienzschaltung 4 gemäß der Erfindung angeschlossen sind. An den drei Ausgängen 5 dieser Motoreffizienzschaltung 4 ist je eine Phase M1 , M2, M3 des Drehstrommotors 6 angeschlossen.
Die Motoreffizienzschaltung 4 hat die Struktur einer Regelschaltung.
Ein erster induktiver Meßwandler 7 ist primärseitig in die zur Motorphase M2 führende Leitung eingeschleift und liefert an seinem Sekundärausgang 8 ein zu dem Strom i2 in der Motorphase M2 proportionales Ausgangssignal, das galvanisch von der Phase M2 entkoppelt ist.
Ein zweiter Meßwandler 9 ist primärseitig zwischen den mit den anderen beiden Motorphasen M1 und M3 verbundenen Leitungen angeschlossen und liefert an seinem Sekundärausgang 10 ein zu der verketteten Spannung U13 zwischen den Motorphasen M1 und M3 proportionales Ausgangssignal, das galvanisch von den Phasen M1 und M3 entkoppelt ist.
Die Meßsignale 8, 10 verarbeitet ein Regelbaustein 11 , der mit seinen Steuerausgängen 12 auf eine Stelleinrichtung 13 einwirkt. Diese besteht aus insgesamt sechs Thyristoren 14, wovon jeweils zwei zwischen eine Netz-Phase L1 , L2, L3 und die betreffende Motorphase M1 , M2, M3 eingeschleift sind. Die beiden jeweils der selben Phase M1 , M2, M3 zugeordneten Thyristoren 14 sind jeweils antiparallel nebeneinander geschalten, so dass der Strom h, i2, h in jeder Motorphase M1 , M2, M3 in beiden Stromrichtungen fließen kann und dabei jeweils von unterschiedlichen Thyristoren 14 geleitet wird.
Die Steueranschlüsse je eines einer gemeinsamen Motorphase M1 , M2, M3 zugeordneten Thyristorpaares 14 können miteinander verbunden sein, so dass sich jeweils die Struktur eines Triacs ergibt; dies ist allerdings nicht zwingend. Mit der Stelleinrichtung 13 lassen sich die Motorspannungen U12, U13, U23 und damit die Motorströme h, i2, h beeinflussen, indem die Thyristoren 14 erst mit einer steuerbaren Verzögerung gegenüber dem betreffenden Nulldurchgang einer Spannung ein-, d.h. durchgeschalten werden, so dass der Effektivwert der Spannung(sgrundwelle) mehr oder weniger stark reduziert wird (Phasenanschnittsteuerung).
Die Ansteuersignale 12 werden von dem Regelbaustein 11 wie folgt erzeugt:
Die Meßsignale 8, 10 werden zunächst über einen Zeitraum hinweg - bspw. eine (Halb-) Periode der Spannung - aufgezeichnet. Sodann wird daraus je ein für die jeweilige Grundwelle charakteristischer Wert generiert, bspw. durch Aufladen eines Kondensators entsprechend eines zu dem betreffenden Meßsignal proportionalen Stroms, oder durch Integration der digital gewandelten Meßsignale 8, 10. Damit kann ein stromproportionaler Wert, bspw. ieff, erzeugt werden als erste charakteristische Motorgröße.
Anhand der Zeitverschiebung zwischen den Nulldurchgängen von Strom i2 und Spannung U13 wird als zweite charakteristische Motorgröße ein phasenabhängiger Wert ermittelt, bspw. φ oder (cos φ).
Diese Motorgrößen werden zusammen mit dem betreffenden Steuersignal 12 bzw. der daraus resultierenden Motorspannung(samplitude) gespeichert, entweder als Ladung in je einem Kondensator oder als Digitalwert in einem Digitalspeicher.
Für eine folgende Regelsequenz wird das Steuersignal 12 verstellt, bspw. in Richtung zu einer niedrigeren Motorspannung(samplitude), und abermals werden der Motorstrom i2 und die verkettete Spannung Ui3 gemessen.
In einem weiteren Schaltungs- oder Programmteil werden die Änderungen der berechneten Motorgrößen ermittelt sowie die Änderung der Motorspannung(samplitude) bzw. des jeweils vorgegebenen Steuersignals 12. Im Rahmen einer hardwaremäßig oder programmtechnisch nachgeschalteten Auswertung wird der Einfluß der Verstellung des Steuersignals 12 bzw. der Motorspannung(samplitude) auf die berechneten Motorgrößen ermittelt. Anhand des bekannten Einflusses der betrachteten Motorgrößen auf die zu optimierende Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB des Motors 6 wird sodann das Steuersignal 12 derart verstellt, dass die Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB des Motors 6 in dem gewünschten Sinne beeinflußt, d.h., minimiert werden.
Zum Abschluß einer Regelsequenz werden die bisher gespeicherten Werte der Motorgrößen und der Steuerspannung durch die zuletzt aktuellen Werte überschrieben, um Vergleichswerte für die anschließend folgende Regelsequenz zu erhalten.
Der Regelbaustein 11 ist zur Ein- und Ausgabe mit einem Kommunikationsbaustein 15 gekoppelt, dessen Aufgabe darin besteht, einen Informationsaustausch zwischen dem Regelbaustein 11 und weiteren Einheiten, bspw. einer übergeordneten Steuerungs- oder Beobachtungseinrichtung zu ermöglichen. Damit kann bspw. von außen die Motoreffizienzschaltung 4 abgeschalten werden, so dass dann die Thyristoren 14 jeweils unverzögert gezündet werden und sich die selben Verhältnisse ergeben, als ob die Motorphasen M1 , M2, M3 direkt an die Netzspannung L1 , L2, L3 angeschlossen wären. Dies kann vorteilhaft sein, wenn vorübergehend - bspw. während eines Hochlaufs - der Motor 6 mit seiner maximalen Leistung betrieben werden soll.
Die Information, dass der Motor 6 sich in einem Hochlauf befindet und daher mit maximaler Leistung betrieben werden soll, kann der Regelbaustein 11 aber auch durch seine eigene Spannungsversorgung erhalten, indem diese direkt an die Eingänge 3 der Motoreffizienzschaltung 4 angeschlossen ist. Der Einschalt- und Hochlaufmoment kann dann an dem Anstieg der Stromversorgungsspannung der Elektronik verfolgt werden. Dabei läßt sich ein Zeitglied starten, das vorübergehend die Steuerimpulse 12 in die Nulldurchgänge der betreffenden Spannungen verschiebt. Schließlich kann der Kommunikationsbaustein 15 auch verwendet werden, um Daten aus dem Regelbaustein 11 auszulesen, bspw. aktuelle Werte und/oder Durchschnittswerte von Meß- und/oder Motorgrößen, Fehlermeldungen, etc. Dieser Kommunikationsbaustein 15 kann auch für eine Datenfernübertragung geeignet sein, um bspw. über das Internet zu kommunizieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (6) bei gesteigerter Effizienz, umfassend eine Regelung mit Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermittlung von zwei verschiedenen Motorgrößen, welche beide unterschiedlichen Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) haben, wobei die eine der ermittelten Motorgrößen dem Effektivwert (Ietf) oder der Amplitude (i) des Stroms oder dem Betrag (\i\) des komplexen Stromzeigers entspricht, und die andere der ermittelten Motorgrößen der Phasenlage (φ) oder dem Leistungsfaktor (cos φ) des Stroms oder dem Winkel (φ) zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem komplexen
Spannungszeiger; b) Bestimmung der zeitlichen Änderung einer ermittelten Motorgröße; c) Verstellung der Motorspannung derart, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) derart verändert wird, dass die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) minimal wird, d) wobei in dem Fall, wenn sich eine Motorgröße nicht oder nur gering geändert hat, die jeweils andere als Regelgröße herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das/die Strom- und/oder Spannungsmeßsignal(e) (8,10) in Digitalwerte gewandelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB aus einem oder mehreren Meßwerten (8,10) berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte, insbesondere berechnete Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB gespeichert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung einer Motorgröße durch
Vergleich des aktuell berechneten Wertes der Motorgröße mit einem zuvor berechneten und abgespeicherten Wert derselben Motorgröße erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relation zwischen der Änderung einer Motorgröße einerseits und der Änderung des Ansteuersignals (12) für das Stellglied (13) andererseits gebildet wird, um festzustellen, ob es sich regelungstechnisch um eine Mitkopplung (gleichphasige Änderungen) oder um eine Gegenkopplung (entgegengesetzte Änderungen) oder (näherungsweise) um einen Gleichgewichtszustand (keine oder nur kleine Veränderung der
Motorgröße) handelt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Stellgliedes (13) nach Art einer Phasenanschnittsteuerung erfolgt.
8. Vorrichtung (4) zur Steigerung der Effizienz eines Elektromotors (6), bestehend aus einem Regelkreis mit einem Baustein (7) zur Erfassung wenigstens eines Motorstroms und mit einem Stellglied (13) zur Einflußnahme auf wenigstens eine Motorspannung, mit a) einem oder zwei Bausteinen (11) zur Ermittlung wenigstens (je) einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB), welcher (welche) Baustein(e) (11) derart ausgebildet ist (sind), dass insgesamt der Effektivwert (Ieff), die Amplitude (ϊ) des Stroms oder der Betrag (lil) des komplexen
Stromzeigers einerseits gebildet wird, sowie die Phasenlage (φ) oder der Leistungsfaktor (cos φ) des Stroms oder der Winkel (φ) zwischen dem komplexen Stromzeiger und dem komplexen Spannungszeiger andererseits; b) einem Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße; c) einem Regelbaustein (11), der auf das Stellglied (13) derart einwirkt, dass die Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) derart verändert wird, dass die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung (Pw, PB) minimal wird; d) einem Baustein zur Umschaltung der Regelung von einer Motorgröße auf eine andere, wenn bei der ersten keine Änderung erkennbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) ein Wechselstrom- oder Drehstrommotor ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) ein Asynchronmotor ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (6) einen Rotor aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (7) zur Erfassung des Stroms in einer Motorphase M1 , M2, M3.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (9) zur Erfassung der Spannung zwischen zwei Motorphasen
M1. M2, M3.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 13, zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung (7) zur Erfassung des Stroms an einer Motorphase M2 angeschlossen ist und die Meßeinrichtung (9) zur Erfassung der Spannung zwischen den beiden anderen Motorphasen M1 , M3.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßeinrichtung(en) (7,9) zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung und/oder zur Weiterleitung der gemessenen Größen durch Meßwandler, Hallgeneratoren, Optokoppler, etc. gebildet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Meßwandler (7,9) eine Primärwicklung und eine induktiv angekoppelte Sekundärwicklung (8,10) aufweist (-en).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (13) zwischen wenigstens einem Anschluß (L1 , L2, L3) einer Stromversorgung (1) bzw. wenigstens einem äußeren Motoranschluß (3) einerseits und wenigstens einem (inneren) Motoranschluß (M1 , M2, M3) eingeschalten ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, zur Steigerung der Effizienz eines Drehstrommotors (6), dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied (13) zwischen jeder Phase (L1 , L2, L3) einer Stromversorgung (1) bzw. jedem äußeren Motorphasenanschluß (3) einerseits und je einem (inneren) Motorphasenanschluß (M1 , M2, M3) wenigstens je ein steuerbares
Schaltelement (14) eingeschalten ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) eine von der anliegenden Spannungsrichtung abhängige Schaltcharakteristik aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) selbstsperrend ausgebildet ist, d.h. mit einem hochohmigen Schaltausgang bei fehlender
Steuerspannung (12).
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (13) wenigstens einen aktiven, d.h. steuerbaren Halbleiterschalter (14) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (14) des Stellgliedes (13) als Thyristor oder Triac ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Ermittlung wenigstens einer Motorgröße mit Einfluß auf die von dem Motor (6) aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung derart ausgebildet ist, dass zu je einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung pro Motorgröße je ein Wert ermittelt wird.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Baustein (11) zur Bestimmung der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße derart ausgebildet ist, dass die Änderung einer Motorgröße während einer (Halb-) Periode der Versorgungsspannung gegenüber der vorangehenden (Halb-) Periode der Versorgungsspannung bestimmt wird.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine Einrichtung aufweist zur Bildung der Relation zwischen der zeitlichen Änderung der ermittelten Motorgröße und der zeitlichen Änderung der
Stellglied-Ansteuerung (12) oder der Stellgröße.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine Einrichtung aufweist, um anhand der Änderung der Stellglied-Ansteuerung
(12) und der aus der entsprechenden Veränderung der ermittelten Motorgröße resultierenden Veränderung der von dem Motor (6) aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB festzustellen, welche Art der Stellglied- Ansteuerung (Vergrößern oder Verkleinern wenigstens einer Motorspannung) einen minimierenden Einfluß auf die von dem Motor 6 aufgenommene Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB hat.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) eine
Einrichtung aufweist, um ein Steuersignal (12) zu erzeugen, das einer Stellglied-Ansteuerung (Vergrößerung oder Verkleinerung wenigstens einer Motorspannung) mit einer prognostizierten Minimierung der von dem Motor (6) aufgenommenen Wirk- und/oder Blindleistung Pw, PB entspricht.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das Stellglied (13) einwirkende Regelbaustein (11) ein Verzögerungsglied aufweist, welches das Einschalt- bzw. Ansteuersignal (12) wenigstens eines Schaltelements (14) des Stellgliedes (13) gegenüber dem Nulldurchgang der betreffenden Phasenspannung verzögert, vorzugsweise entsprechend dem aktuellen Steuersignal für die Stellglied-Ansteuerung.
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