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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades eines unter Last betriebenen Motors, insbesondere eines Motors zum Antrieb von Lüftern oder Pumpen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In vielen Motorsteuerungen gibt es freie Parameter, die zur Optimierung der Motoreigenschaften, wie zum Beispiel des Wirkungsgrades, genutzt werden können. Mit so einer Wirkungsgradoptimierung könnte der Motor unabhängig von vielen Faktoren, wie Drehzahl, Drehmoment, Versorgungsspannung, Temperatur, usw., immer mit jeweils optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Statt dessen arbeiten die meisten Lüfter- und Pumpenantriebe, insbesondere im Teillastbereich, oft mit relativ schlechtem Wirkungsgrad.
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Zum Antrieb von Lüftern oder Pumpen werden oft bürstenlose Gleichstrommotoren verwendet. Diese Motoren sind mit einer elektronischen Motorsteuerung verbunden, die für die Stromversorgung der Motors und die entsprechende Kommutierung (Kommutierungswinkel) der Motorwicklungen sorgt. Der Kommutierungswinkel ist als freier Motorparameter einstellbar und beeinflusst sowohl die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie als auch den Wirkungsgrad des Motors.
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Will man den Wirkungsgrad optimieren, muss er zunächst erfasst bzw. berechnet werden. Der Wirkungsgrad eines Motors ist das Verhältnis zwischen der mechanischen Abgabeleistung und der elektrischen Eingangsleistung. Insbesondere die Erfassung der mechanischen Abgabeleistung ist sehr aufwändig. Die Abgabeleistung ist das Produkt von Drehgeschwindigkeit und Drehmoment. Es gibt zwar Sensoren für die Messung des Drehmoments, diese sind aber sowohl sperrig als auch sehr kostspielig, so dass ihre Anwendung bei Lüfter- oder Pumpenantrieben praktisch nicht in Frage kommt.
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Mit einer automatischen Wirkungsgradoptimierung könnte nicht nur der Energieverbrauch der Motoren gesenkt, sondern aufgrund der niedrigeren Eigenerwärmung des Motors und der Leistungselektronik auch die Lebenserwartung der Anlage erhöht werden.
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Die gattungsbildende
DE 199 24 400 C1 offenbart einen Brandmelder, bei dem einer Messkammer mittels eines Lüfters ein bestimmter Volumenstrom an Umgebungsluft zur Rauch- und Brandgasdetektion zugeführt wird.
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Der Volumenstrom wird indirekt ermittelt durch eine Quotientenbildung der elektrischen Leistungsaufnahme und Drehzahl des Lüftermotors. Eine Optimierung des Wirkungsgrades des Lüftermotors ist nicht beschrieben.
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DE 101 35 381 A1 offenbart ein Verfahren zur Temperierung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs unter anderem mit Hilfe einer elektrischen Maschine als Zuheizer zum Kühlwasserkreislauf der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs. Durch Steuerung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine können deren Wärmeverluste und damit auch der Gewinn an Heizwärme für den Innenraum des Kraftfahrzeugs gesteuert werden. Der Wirkungsgrad wird ermittelt aus dem Quotienten von mechanischer Ausgangsleistung und elektrischer Eingangsleitung. Ein Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades eines unter Last betriebenen Motors ist nicht beschrieben.
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Gegenstand der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein einfaches Verfahren vorzuschlagen, womit der Wirkungsgrad eines unter Last betriebenen Motors mit im wesentlichen quadratischer Lastkennlinie durch Veränderung mindestens eines freien Parameters während des Betriebs automatisch optimiert werden kann, ohne den Wirkungsgrad, das Drehmoment oder die mechanische Abgabeleistung messen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren beruht darauf, dass wiederholt die Drehzahl n des Motors und die aufgenommene Leistung PE direkt oder indirekt ermittelt werden, und der ausgewählte Motorparameter auf einen Wert eingestellt wird, bei dem ein Wert E sein Maximum erreicht, wobei E dem Quotienten aus der dritten Potenz der Drehzahl n und der aufgenommenen Leistung PE entspricht.
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Erfindungsgemäß wird dabei eine bekannte Gesetzmäßigkeit zwischen Drehmoment und Drehzahl benutzt. Pumpen und Lüfter haben eine quadratische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie. Der Einfachheit halber werden im folgenden nur Lüfterantriebe betrachtet. Die Erfindung ist natürlich ebenso auf Antriebe von Ventilatoren und Pumpen anwendbar, und allgemein auf beliebige Anlagen mit quadratischer Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.
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Die quadratische Kennlinie eines Lüfters meint, dass das Drehmoment (m), das für das Antreiben des Laufrades notwendig ist, proportional zum Quadrat der Drehzahl (n) ist: m = Kn2 (1)
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Die mechanische Leistung, also die Abgabeleistung PA eines Motors, ist das Produkt von mechanischer Kreisgeschwindigkeit (ω) und Drehmoment (m): PA = mω = m2πn/60 (2) wobei die Drehzahl (n) als Umdrehungen pro Minute (min–1) ausgedrückt ist.
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Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich dann: PA = K2πn3/60 (3)
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Mit dem Faktor k = 2πK/60 kann dieser Zusammenhang einfacher ausgedrückt werden: PA = kn3 (4)
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Der Wirkungsgrad (η) eines Motors ist das Verhältnis zwischen der mechanischen Ausgangsleistung PA und der (elektrischen) Eingangsleistung PE: η = PA/PE = kn3/PE (5)
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Die Eingangsleistung PE ist relativ einfach zu messen. Bei einem elektrischen Motor sind nur elektrische Größen zu messen. Auch bei einem Verbrennungsmotor kann die Eingangsleistung über den Kraftstoffverbrauch relativ einfach gemessen werden. Die mechanische Ausgangsleistung PA, die schwer zu messen ist, muss zur Berechnung des Wirkungsgrades nicht mehr bestimmt werden.
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Leider ist der Faktor k abhängig von vielen äußeren Einflüssen. Bei Lüftern zum Beispiel ist k in erster Linie anhängig vom Strömungswiderstand des Luftkanals. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass der Faktor k zwar nicht konstant ist, aber er ist unabhängig vom Antriebsmotor und von der Steuerung des Motors. Deshalb kann der Wirkungsgrad (η) durch eine Größe E = η/k ausgedrückt werden, die nun optimiert werden soll: E = η/k = n3/PE (6)
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Da der Faktor k unabhängig vom Motor und von der Motorsteuerung ist, entspricht das Maximum des Wertes E – bei gleichbleibender Parametereinstellung des Motors – dem Maximum des Wirkungsgrades η. Der Wert E kann daher erfindungsgemäß zur Maximierung des Wirkungsgrades herangezogen werden.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Drehzahl (n) des Motors einfach und meistens kostengünstig messbar ist. Auch die elektrische Eingangsleistung PE lässt sich einfach bestimmen. Bei Elektromotoren mit Gleichstromeinspeisung, bzw. mit Umrichter gespeisten Motoren kann die Eingangsleistung aus dem Gleichstrom (IDC) und der Gleichspannung (UDC) der Versorgungsspannung bzw. des Zwischenkreises berechnet werden: PE = IDCUDC (7)
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Deshalb ist hier: E = n3/PE = n3/IDCUDC (8)
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Wenn die Spannung UDC als konstant angenommen wird, kann vorteilhaft statt des Faktors E ein modifizierter Faktor E* optimiert werden: E* = EUDC = n3/IDC (9)
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Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor zum Beispiel steht die Drehzahlinformation praktisch kostenlos zur Verfügung, da die Motorsteuerung eine Lageinformation des Rotors für die Kommutierung braucht und aus der Lageinformation sowohl die Drehzahl (n) als auch ihre dritte Potenz (n3) mathematisch einfach abgeleitet werden kann. Da heutzutage immer mehr Motorsteuerungen, auch im Lüfterbreich, einen eigenen Mikrocontroller enthalten, bereitet diese Berechnung kein Problem. Der vom Motor aufgenommene Gleichstrom IDC ist auch relativ einfach zu messen. Deshalb ermöglicht die Erfindung im Vergleich zu der Messung oder Berechnung des Drehmomentes eine wesentliche Vereinfachung.
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Der Vorteil der Erfindung ist also, dass der Wirkungsgrad η optimiert werden kann, ohne ihn selbst messen oder berechnen zu müssen. Dadurch wird die Regelung nicht nur kostengünstiger und kompakter sondern auch zuverlässiger. Mit der so auch in der Praxis einsetzbaren Wirkungsgradoptimierung können Energie eingespart, die Motorauslastung erhöht und/oder die Motorlebensdauer erhöht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines einsträngigen, einphasigen und bipolaren Gleichstrommotors;
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2 zeigt schematisch die Motor- und die Lastkennlinie eines Lüfterantriebs;
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3a zeigt eine Darstellung des Motorstroms (IDC1) und des entsprechenden Wicklungsstroms eines Motors nach 1 bei einer Drehzahl n1 und einem Kommutierungswinkel w1.
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3b zeigt eine Darstellung des Motorstroms (IDC2) und de entsprechenden Wicklungsstroms eines Motors nach 1 bei einer Drehzahl n2 und einem Kommutierungswinkel w2.
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4 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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die 5 stellt prinzipiell den selben Ablauf wie 4 aber ohne Stop-Kriterium (Schritt 54) dar.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird beschrieben, wie die Erfindung bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor in der Praxis verwendet werden kann. Die Grundidee der Erfindung kann jedoch bei beliebigen elektrischen oder nicht-elektrischen Antrieben mit quadratischer Lastkennlinie verwendet werden.
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In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines einsträngigen, bürstenlosen Gleichstrommotors dargestellt. Der Motor umfasst den eigentlichen Motor 10 sowie die zugehörige Motorsteuerung 11, die im Motor integriert oder auch extern vorgesehen sein kann. Die einzige Wicklung 12 des Rotors wird jeweils für einen elektrischen Winkel von 180° bestromt, dass heißt jeweils nach 180° wird die Polarität der Speisespannung UDC durch die Transistoren T1 bis T4 der Steuerung 11 umgeschaltet und es fließt ein entsprechender Motorstrom IDC. Derartige einsträngige, bürstenlose Gleichstrommotoren werden zum Beispiel zum Antrieb von Lüftern verwendet.
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2 zeigt die typische, quadratische Lastkennlinie eines derartigen Gleichstrommotors beim Betrieb als Lüfter. Es ist hier das Drehmoment über der Drehzahl aufgetragen. Mit „20” ist die Motorkennlinie bei einer bestimmten Betriebsspannung dargestellt. Die Motorkennlinie 20 schneidet sich mit einer entsprechenden Lastkennlinie 21 des Lüfters in einem Arbeitspunkt 22. Im Arbeitspunkt 22 erreicht der Motor einen bestimmten Wirkungsgrad. Ändert man einen oder mehrere Motorparameter, wie Motorspannung, Motorstrom oder Kommutierungswinkel, so ergibt sich eine andere Motorkennlinie 23, welche die Lastkennlinie 21 in einem anderen Arbeitspunkt 24 scheidet. In diesem Arbeitspunkt 24 arbeitet der Motor mit einem zugehörigen Wirkungsgrad η. Der Kommutierungswinkel beeinflusst also die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors. Dadurch ergibt sich für jeden Kommutierungswinkel ein anderer Arbeitspunkt. Da zu jedem Arbeitspunkt unterschiedliche Drehzahl- und Drehmomentwerte gehören, entspricht jedem Arbeitspunkt auch eine andere Abgabeleistung des Motors.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Eingangsleistung PE und die Drehzahl des Motors gemessen werden. Die Eingangsleistung PE ergibt sich aus der Eingangsspannung UDC und dem Eingangsstrom IDC. Die Drehzahl n lässt sich aus dem Kommutierungssignal KS ableiten, das zum Beispiel aus der mittels Hall-Sensoren erfassten Rotorlage bestimmt werden kann.
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Die 3a und 3b zeigen jeweils eine Darstellung des Kommutierungssignals KS (oben), des Motorstromes IDC (Mitte) und des Wicklungsstromes IW (unten) bei zwei verschiedenen Kommutierungswinkeln von 20° bzw. 6°. Es wird deutlich, dass der Kommutierungswinkel sowohl die Form des Motorstromes (IDC) als auch den Spitzenstrom (IP) in der Wicklung wesentlich beeinflusst. Dadurch ändert sich auch der Energieverbrauch des Motors. Der Kommutierungswinkel kann also für die Optimierung des Wirkungsgrads des Motors verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann der Kommutierungswinkel als freier Parameter für die Optimierung des Wirkungsgrads η benutzt werden. Ändert man den Kommutierungswinkel, ändert sich aber auch die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie gemäß 2. Dadurch ergibt sich ein anderer Arbeitspunkt, was eine Drehzahländerung mit sich bringt. Durch die veränderte Drehzahl ändert sich auch die Belastung des Motors. Deshalb wäre es falsch, die Eingangsleistung PE zu minimieren. Die minimale Eingangsleistung ergibt sich freilich bei stehendem Motor. Statt dessen soll erfindungsgemäß der Wirkungsgrad optimiert werden.
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Die Optimierung des Wirkungsgrades erfolgt indirekt durch die Optimierung der eingeführten Faktoren E bzw. E*. Letzterer kann eingesetzt werden, wenn die Versorgungsspannung als konstant oder zumindest als von der Belastung durch den Motor unabhängig betrachtet werden kann. Da der Eingangsstrom eines bürstenlosen Gleichstrommotors (IDC in 3a und 3b) kein idealer Gleichstrom ist, ist es zweckmäßig ihn vor der Digitalisierung zuerst zu filtern bzw. den Durchschnittswert von IDC zu messen.
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Es ist wichtig zu bemerken, dass die verwendeten Gleichungen nur die statische Belastung des Motors beschreiben. Bei Beschleunigung oder Bremsung entstehen auch dynamische Kräfte. Deshalb muss darauf geachtet werden, dass die optimumsuchende Regelung keine schnellen Drehzahländerungen hervorruft (das ist auch aus akustischen Gründen sinnvoll) oder alternativ immer darauf geachtet wird, dass sich ein stationärer Zustand vor der Auswertung der Messwerte eingestellt hat.
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Die Signale von der Lageerfassung, z. B. die Ausgangssignale der Hall-Sensoren oder EMK-Auswertung, können auch direkt für die Berechnung von E bzw. E* verwendet werden. Da hier jedoch statt der Drehzahl Periodenzeiten T gemessen werden, können auch die folgenden Faktoren verwendet werden. ET = 1/E = PE/n3 = PET3 bzw. ET* = 1/E* = IDC/n3 = IDCT3
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Mit diesen Faktoren kann die notwendige Rechenleistung in der Motorsteuerung reduziert werden. Die Faktoren ET und ET* müssen sinngemäß nicht maximiert sondern minimiert werden, um den jeweils höchsten Wirkungsgrad bestimmten zu können.
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In 4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Verfahrens gezeigt. Nach dem Start des Motors in Schritt 40 erfolgt ein Betrieb mit einem vorgegebenen Kommutierungswinkel w (Schritt 41). Im nächsten Schritt wird die aktuelle Drehzahl n1 und die Eingangsleistung PE1 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E1 = (n1)3/PE1 berechnet und abgespeichert (Schritt 42). Gemäß Schritt 43 wird nun der Kommutierungswinkel um einen vorgegebenen Schritt, zum Beispiel um 1°, erhöht.
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Nun werden wieder die aktuelle Drehzahl n2 und die Eingangsleistung PE2 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E2 = (n2)3/PE2 berechnet und gespeichert (Schritt 44). In Schritt 45 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1, so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert. Der Wert E1 wird durch den Wert E2 ersetzt (Schritt 46). Der Kommutierungswinkel wird nun erneut um einen vorgegeben Wert erhöht (Schritt 47). Dann werden die aktuelle Drehzahl n2 und die Eingangsleistung PE2 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E2 = (n2)3/PE2 berechnet und gespeichert (Schritt 48). In Schritt 49 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1 so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert und es wird mit Schritt 46 fortgefahren. Ist E2 nicht größer als E1, so wurde der maximale Wirkungsgrad bereits beim vorletzten Kommutierungswinkel w erreicht. Der vorletzte Kommutierungswinkel wird fixiert und der Motor mit diesem Kommutierungswinkel wopt betrieben (Schritt 54).
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Ergibt der Vergleich in Schritt 45, dass E2 nicht größer ist als E1, so hat sich der Wirkungsgrad verschlechtert. Der Wert E1 wird durch den Wert E2 ersetzt (Schritt 50). Der Kommutierungswinkel wird nun um einen vorgegeben Wert verkleinert (Schritt 51). Es werden die aktuelle Drehzahl n2 und die Eingangsleistung PE2 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E2 = (n2)3/PE2 berechnet und gespeichert (Schritt 52). In Schritt 53 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1 so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert und es wird mit Schritt 50 fortgefahren. Ist E2 nicht größer als E1, so wurde der maximale Wirkungsgrad bereits beim vorletzten Kommutierungswinkel w erreicht. Der vorletzte Kommutierungswinkel wird fixiert und der Motor mit diesem Kommutierungswinkel wopt betrieben (Schritt 54).
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Mit diesem Verfahren kann nun leicht das Maximum des Wertes von E2 gefunden werden. Erreicht der Wert von E2 bei einem Kommutierungswinkel wopt sein Maximum, dann ist auch der Motorwirkungsgrad maximal bei diesem Winkel.
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In der 5 ist prinzipiell der selbe Ablauf wie in 4 dargestellt. Die Verfahrensschritte 60–65 und der zugehörige Verfahrensablauf entsprechen genau den Verfahrensschritten 40–45 in 4. In Schritt 65 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1 so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert. Der Wert E1 wird durch den Wert E2 ersetzt (Schritt 66). Der Kommutierungswinkel wird nun erneut um einen vorgegeben Wert erhöht (Schritt 67). Es werden die aktuelle Drehzahl n2 und die Eingangsleistung PE2 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E2 = (n2)3/PE2 berechnet und gespeichert (Schritt 68). In Schritt 69 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1 so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert und es wird mit Schritt 66 fortgefahren. Ist E2 nicht größer als E1, so wurde der maximale Wirkungsgrad bereits beim vorletzten Kommutierungswinkel w erreicht. Das Verfahren springt zu Schritt 70.
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Mit Schritt 70 wird auch fortgefahren, wenn der Vergleich in Schritt 45 ergibt, dass E2 nicht größer ist als E1, das heißt der Wirkungsgrad sich verschlechtert hat. Der Wert E1 wird durch den Wert E2 ersetzt. Der Kommutierungswinkel wird nun um einen vorgegeben Wert verkleinert (Schritt 71). Es werden die aktuelle Drehzahl n2 und die Eingangsleistung PE2 gemessen. Aus diesen Größen wird ein Wert E2 = (n2)3/PE2 berechnet und abgespeichert (Schritt 72). In Schritt 73 wird ein Vergleich durchgeführt, ob E2 größer ist als E1. Ist E2 größer als E1 so hat sich der Wirkungsgrad des Motors verbessert und es wird erneut mit Schritt 70 fortgefahren. Ist E2 nicht größer als E1, so wurde der maximale Wirkungsgrad bereits beim vorletzten Kommutierungswinkel w erreicht und das Verfahren springt zu Schritt 66.
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5 beschreibt also einen Verfahrensablauf zur ständigen Optimierung des Wirkungsgrads eines Motors, was vorteilhaft sein kann, wenn ein Motor unter Last bei sich ständig ändernden Umweltbedingungen betrieben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motor
- 11
- Motorsteuerung
- 12
- Wicklung
- 20
- Motorkennlinie
- 21
- Lastkennlinie
- 22
- Arbeitspunkt
- 23
- Motorkennlinie
- 24
- Arbeitspunkt
- 40–54
- Verfahrensschritte (4)
- 60–73
- Verfahrensschritte (5)
