EP1269621A1 - Verfahren zur verlustarmen steuerung eines asynchronmotors - Google Patents

Verfahren zur verlustarmen steuerung eines asynchronmotors

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Publication number
EP1269621A1
EP1269621A1 EP01911705A EP01911705A EP1269621A1 EP 1269621 A1 EP1269621 A1 EP 1269621A1 EP 01911705 A EP01911705 A EP 01911705A EP 01911705 A EP01911705 A EP 01911705A EP 1269621 A1 EP1269621 A1 EP 1269621A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
current
control
values
control device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01911705A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Scheffler
Henry GÜLDNER
Germar Müller
Marcel Fischer
Klaus Lehnert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rainbow Holding AG
Original Assignee
Rainbow Holding AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Rainbow Holding AG filed Critical Rainbow Holding AG
Publication of EP1269621A1 publication Critical patent/EP1269621A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using supply voltage with constant frequency and variable amplitude

Definitions

  • the invention relates to a method for low-loss control of an asynchronous motor.
  • DE 35 23 529 A1 describes a method for reducing the iron and copper losses in an induction motor which has solid-state switches as voltage control, the voltage applied being able to be set to desired values by gate and / or gate control.
  • the control electrodes of the solid-state switches are connected to the outputs of a microcomputer.
  • the induction motor is operated in such a way that the measured total current / is kept as small as possible by reducing the proportion of the no-load current / -, the no-load current /. is stored as a curve for the ignition angle ⁇ currently used in the voltage control.
  • the required load current / ⁇ / is determined from the total current / and the no-load current / o.
  • the ignition angle ⁇ is changed in order to reduce the proportion of the no-load current in the total current, and it is checked whether the required load current is still being generated.
  • the minimum total current for a specific load current is determined by multiple (empirical) variations of the ignition angle ⁇ .
  • the known method is said to achieve the minimum current. However, this does not correspond to the minimum loss, which is at a slightly different voltage. The known method is therefore amenable to further improvement.
  • the invention has for its object to minimize the losses in an asynchronous motor depending on the load with simple means and little effort.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • a voltage control by means of a three-phase voltage regulator, a current measuring device, a voltage measuring device and a control device for voltage control are provided for the loss-minimized operation of asynchronous motors.
  • the method according to the invention has the following method steps:
  • the voltage for high-efficiency operation is controlled depending on the current value.
  • These related pairs of values of current and voltage for loss-minimized operation are determined and stored in the control device. Using the pairs of values described enables loss-minimized operation (i.e. operation at maximum efficiency) of the asynchronous motor with different loads.
  • the associated pairs of values of current and voltage for a loss-minimized operation are measured in a machine-specific manner by varying the voltage at different loads on the asynchronous motor, measuring associated currents and determining those voltages and currents at which the losses are minimal are.
  • the values for voltages and currents determined in this way are stored as the value pairs mentioned.
  • the associated pairs of values of current and voltage are used for a Pleasure minimized operation determined by calculating using known or easily determinable machine parameters.
  • this method no measurements on the asynchronous motor are necessary. Rather, it is sufficient to start from machine-specific parameters, which are specified, for example, on the nameplate of the asynchronous motor or can be determined by simple measurements.
  • the associated pairs of values of current and voltage are approximated linearly for loss-minimized operation.
  • two pairs of values of current and voltage are determined for loss-minimized operation, and a linear dependency is assumed between them.
  • the voltage of the motor is measured and fed to the control device as an actual value. This makes it possible to set the voltage at the motor terminals precisely to the value that leads to the desired minimum loss in the asynchronous motor in the respective load case.
  • the voltage measurement can also be used to carry out stable control of the asynchronous motor when the load changes.
  • the measured voltage at the motor terminals is corrected. This is necessary because the induced voltage that appears at the terminals when the current from the main field of the motor, which is still unchanged, falsifies the value measured by the voltage measuring device. This current interruption occurs when two thyristors of at least one strand arranged in antiparallel are not in the conductive state. As a result, the motor is virtually disconnected from the mains, and the voltage which falsifies the measured values and is induced by the still unchanged main field of the motor acts on the voltage measuring device.
  • the induced voltage which falsifies the measured value of the voltage measuring device and which appears at the terminals when the current is interrupted by the still unchanged main field of the motor is taken into account, as a result of which the value actually generated by the voltage control arises and can be supplied to the control device.
  • the controller of the control device subtracts the calculable voltage induced by the main field of the asynchronous motor from the measurement result of the voltage measuring device.
  • the voltage control has in each feed line an antiparallel pair of thyristors for a gate control (three-phase voltage regulator), the gate connections of the thyristors being connected to the control device.
  • a gate control three-phase voltage regulator
  • the use of such a gate control enables the tension to be set comparatively easily.
  • the starting angle which can be adjusted between 0 and ⁇ , serves as the voltage setting variable for the gate control.
  • the control device expediently has a microprocessor which stores the associated pairs of values for current and voltage for loss-minimized operation, carries out voltage calculations for correcting the values measured by the voltage measuring device and triggers the corresponding control processes.
  • an input and output device is provided which is connected to the control unit.
  • the input and output device can be used to enter parameters for the control and to display the sizes of the motor operation.
  • Such an input and output is particularly important in the control method described above, which uses motor-specific data to calculate the optimal pairs of values for current and voltage for loss-minimized operation
  • Output device advantageous in order to be able to enter the engine-specific characteristics from the nameplate of the engine or the results of simple measurements.
  • the single figure shows an asynchronous motor 10, in the supply line 12 of which the current is measured and passed on to the controller 16.
  • the controller 16 uses the current measured via the current measuring device 14 to determine the control signals (ignition delay angle) for the thyristors 18 and 20 as a function of the voltage associated with this current.
  • An antiparallel thyristor pair 18, 20 is arranged in each line to the asynchronous motor 10, which carries out a corresponding gate control of the mains voltage.
  • the curve shape of the resulting voltage is no longer sinusoidal, but contains harmonics.
  • the controller 16 is connected to an input and output device 22, which allows machine-specific parameters to be entered. Variables relating to the operation of the engine can also be displayed there.
  • a voltage measurement 24 is provided, which measures the voltage between two supply lines and forwards it to the controller 16.
  • Associated pairs of values of current and voltage are stored in the controller 16 for loss-minimized operation in order to realize an optimal voltage control.
  • the value pairs can be calculated using engine-specific data or simple measurements. With a preferred contract The following information is used for the motor under consideration during the calculation:
  • the number of pole pairs p is determined as the smallest whole number below the coefficient C. The synchronous speed thus results
  • the parameters of the machine model can be determined from the available information as follows:
  • the no-load current is shown as
  • Machine model can be determined.
  • the machine model takes into account approximately two non-linearities that take effect when the transition to operating states that lie outside of rated operation occurs: the non-linearity of the magnetization characteristic and the influence of the winding resistances.
  • the magnetization characteristic " is a function of tension
  • U ⁇ approximates that, in addition to a linear term, contains a second term, which goes with H, 6 and becomes effective according to a saturation factor F., "which is between 0.5 and 1.0, and the ratio of the air gap fraction to the total magnetic voltage drop indicates at rated voltage.
  • F. saturation factor
  • the values for depend on the reference temperature the heat class.
  • the factor Wc expresses the extent to which the change in the losses of the respective winding affects its excess temperature. It will be between 0.5 and a maximum of 1.0 if the change in loss leads to a proportional change in the overtemperature.
  • the stator current as a function of the slip is represented by the above parameters as
  • the total losses are the sum of the individual losses, so that
  • the currents, powers and losses as well as the relative losses as a function of the slip can be determined for a given voltage.
  • the relative losses go through a minimum at a certain value of the slip.
  • a stator current .j m ⁇ n belongs to this value of the slip.
  • the entire characteristic curve can be determined by varying in the area of interest.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lastabhängig verlustminimierten Betrieb eines Asynchronmotors mit einer Spannungssteuerung mittels Drehspannungssteller, einer Strommeßeinrichtung, einer Spannungsmeßeinrichtung sowie einer Steuereinrichtung zur Spannungsstellung. Für den verlustminimierten Betrieb des Asynchronmotors wird sowohl der Strom in einer Zuleitung als auch die Spannung Zwischen zwei Phasen gemessen, wobei die bei Unterbrechung des Stromes vom noch unveränderten Hauptfeld des Motors an den Klemmen erscheinende, induzierte Spannung das von der Spannungsmeßeinrichtung gelieferte Ergebnis verfälscht und deshalb bei der Bildung der für die Steuerung maßgebenden Spannung berücksichtigt wird. Die Berücksichtigung erfolgt, indem der Controller die vom Hauptfeld des Asynchronmotors induzierte Spannung vom Meßergebnis der Spannungsmeßeinrichtung subtrahiert. Dadurch erhält man die tatsächlich von der Spannungssteuerung generierten Werte, die der Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Steuereinrichtung bringt nun diese Werte mit den in den zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb abgelegten Spannungswerte für die jeweils gemessenen Stromwerte in Übereinstimmung.

Description

Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchronmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen Steuerung eines Asynchronmotors.
Aus der US 5 592 062 ist eine Steuerung für Asynchronmotoren bekannt geworden, die einen Mikroprozessor in Verbindung mit einer Triacschaltung besitzt, um die Drehzahl zu steuern. Dabei wird zusätzlich die Verlustleistung des Motors minimiert, indem die durch den Motor hervorgerufene Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung reduziert wird. Zum Messen des Leistungsfaktors wird in der US 5 592 062 vorgeschlagen, den Nulldurchgang des Stroms relativ zum Nulldurchgang der Spannung zu messen. Diese Signale werden an einen Mikropro- zessor weitergeleitet, der ein pulsweitenmoduliertes digitales Ausgangssignal erzeugt, das in der Folge die Triacschaltung steuert, um die an dem Motor anliegende Spannung zu variieren. Diese Steuerung liefert keine zufriedenstellenden Ergebnisse für eine verlustarme Steuerung.
Die DE 35 23 529 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste bei einem Induktionsmotor, der als Spannungssteuerung Festkörperschalter aufweist, wobei sich die angelegte Spannung durch Anschnitt- und/oder Abschnittsteuerung auf gewünschte Werte einstellen lässt. Dazu stehen die Steuerelektroden der Festkörperschalter mit den Ausgängen eines Mik- rorechners in Verbindung. Ferner sind Stromwandler zur Messung der Ströme vorgesehen. Der Induktionsmotor wird so betrieben, dass der gemessene Gesamtstrom / durch Verminderung des Anteils des Leerlaufstroms /- möglichst klein gehalten wird, wobei der Leerlaufstroms /. für den bei der Spannungssteuerung gerade verwendeten Zündwinkel α als Kurve gespeichert ist. Aus dem Gesamtstrom / und dem Leerlaufstrom /o wird der benötigte Laststrom /</ bestimmt. Anschließend wird der Zündwinkel α verändert, um den Anteil des Leerlaufstromes am Gesamtstrom zu vermindern, und überprüft, ob der benötigte Laststrom noch erzeugt wird. Durch mehrfache (empirische) Variationen des Zündwinkels α wird der minimale Gesamtstrom für einen bestimmten Laststrom ermittelt. Mit dem bekannten Verfahren soll also das Stromminimum erreicht werden. Dies entspricht aber nicht dem Verlustminimum, welches bei einer etwas anderen Spannung liegt. Das bekannte Verfahren ist daher einer weiteren Verbesserung zugänglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand die Verluste in einem Asynchronmotor lastabhängig zu minimieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Zum verlustminimierten Betrieb von Asynchronmotoren sind eine Spannungssteuerung mittels Drehspannungssteller, eine Strommeßeinrichtung, eine Spannungsmeßeinrichtung sowie eine Steuereinrichtung zur Spannungssteuerung vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschrit- te auf:
Ablegen von zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb in der Steuereinrichtung, die für gegebene Stromwerte diejenigen Spannungswerte angeben, bei denen die Verluste im Asyn- chronmotor minimal sind. Messen des aktuellen Stromes, Auslesen der Spannung bei dem jeweils gemessenen Strom aus den zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb und Ansteuern der Spannungssteuerung (Drehspannungssteller) derart, daß sich der aus den Wertepaaren entnommene Spannungswert an den Motorklemmen einstellt. Hierbei wird die Spannung an den Motorklemmen gemessen, da eine Verlustminimierung nur möglich ist, wenn die tatsächliche Spannung bekannt ist. Die Spannung wird dann über die Spannungssteuerung auf den dem gemessenen Strom zugeordneten Spannungswert gesteuert, der durch die Spannungsmessung verifizierbar ist. Hierdurch lässt sich eine Minimierung der Motorverluste erreichen.
Bei diesem Verfahren wird die Spannung für einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad abhängig von dem jeweiligen Wert des Stromes gesteuert. Diese zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb werden bestimmt und in der Steuereinrichtung abgelegt. Mit Verwen- düng der beschriebenen Wertepaare ist ein verlustminimierter Betrieb (d.h. ein Betrieb bei maximalem Wirkungsgrad) des Asynchronmotors bei unterschiedlicher Belastung möglich.
In einer bevorzugten Weiterführung des Verfahrens werden die zusammengehöri- gen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb maschinenspezifisch gemessen, indem bei unterschiedlichen Belastungen des Asynchronmotors die Spannung variiert wird, zugehörige Ströme gemessen und diejenigen Spannungen und Ströme ermittelt werden, bei denen die Verluste minimal sind. Die so ermittelten Werte für Spannungen und Ströme werden als die genannten Wertepaaren abgelegt. Ein solches Verfahren stellt sicher, daß zu einem bestimmten Wert des Stromes die optimale Spannung eingestellt wird, die zum gewünschten Verlustminimum führt
In einer bevorzugten Weiterführung des Verfahrens nach der Erfindung werden die zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen ver- lustminimierten Betrieb ermittelt, indem sie unter Verwendung bekannter oder leicht ermittelbarer Maschinenparameter berechnet werden. Bei diesem Verfahren sind keine Messungen am Asynchronmotor notwendig. Vielmehr reicht es aus, von maschinenspezifischen Parametern auszugehen, die beispielsweise auf dem Typenschild des Asynchronmotors angegeben sind oder durch einfache Messungen ermittelt werden können.
In einer vereinfachten Ausbildung des Verfahrens werden die zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb linear angenähert. Dazu werden zwei Wertepaare von von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb ermittelt, und zwischen ihnen eine lineare Abhängigkeit angenommen.
Erfindungsgemäß wird die Spannung das Motors gemessen und der Steuerein- richtung als Istwert zugeführt. Dadurch wird es möglich, die Spannung an den Motorklemmen genau auf den Wert einzustellen, der im jeweiligen Belastungsfall zu dem gewünschten Verlustminimum im Asynchronmotor führt. Auch kann die Spannungsmessung dazu verwendet werden, bei sich ändernder Last eine stabile Steuerung des Asynchronmotors vorzunehmen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine Korrektur der gemessenen Spannung an den Motorklemmen vorgenommen. Dies ist notwendig, weil die bei Unterbrechung des Stromes vom noch unveränderten Hauptfeld des Motors an den Klemmen erscheinende, induzierte Spannung den von der Span- nungsmesseinrichtung gemessen Wert verfälscht. Diese Stromunterbrechung entsteht dann, wenn zwei antiparallel angeordnete Thyristoren wenigstens eines Stranges sich nicht im leitenden Zustand befinden. Dadurch wird der Motor quasi vom Netz getrennt, und auf die Spannungsmeßeinπchtung wirkt die die Meßwerte verfälschende, vom noch unveränderten Hauptfeld des Motors induzierte Spannung. ln einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die den Meßwert der Spannungsmeßeinrichtung verfälschende, bei Unterbrechung des Stromes vom noch unveränderten Hauptfeld des Motors an den Klemmen erscheinende, induzierte Spannung berücksichtigt, wodurch der tatsächlich von der Spannungssteuerung generierte Wert entsteht und der Steuereinrichtung zugeführt werden kann. Die Berücksichtigung erfolgt, indem der Controller der Steuereinrichtung die vom Hauptfeld des Asynchronmotors induzierte, berechenbare Spannung vom Meßergebnis der Spannungsmeßeinrichtung subtrahiert.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist die Spannungssteuerung in jeder Zuleitung jeweils ein antiparalleles Thyristorpaar für eine Anschnittsteuerung auf (Drehspannungssteller), wobei die Gateanschlüsse der Thyristoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Verwendung einer solchen Anschnittsteuerung ermöglicht es, vergleichsweise einfach die Spannung einzustellen. Als Spannungssteligröße dient bei der Anschnittsteuerung der Zündwinkel, der zwischen 0 und π verstellt werden kann.
Zweckmäßigerweise weist die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor auf, der die zusammengehörigen Wertepaare von Strom und Spannung für den verlustmini- mierten Betrieb speichert, Spannungsberechnungen zur Korrektur der von der Spannungsmeßeinrichtung gemessenen Werte vornimmt und die entsprechenden Steuervorgänge auslöst.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Ein- und Ausgabegerät vorgesehen, das mit der Steuereinheit verbunden ist. Über das Ein- und Ausgabegerät können Parameter für die Steuerung eingegeben und Größen des Motorbetriebs angezeigt werden. Insbesondere bei dem oben beschriebenen Steuerverfahren, das ausgehend von motorspezifischen Daten die optimalen Wertepaare von Strom und Spannung für den verlustminimierten Betrieb berechnet, ist ein solches Ein- und Ausgabegerät vorteilhaft, um die motorspezifischen Kenndaten vom Typenschild des Motors bzw. die Ergebnisse einfacher Messungen eingeben zu können.
Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Asynchronmotor 10, in dessen einer Zuleitung 12 der Strom gemessen und an den Controller 16 weitergeleitet wird. Der Controller 16 bestimmt mittels des über die Strommeßeinrichtung 14 gemessenen Stromes die Steuersignale (Zündverzögerungswinkel) für die Thyristoren 18 und 20 in Abhängigkeit von der diesem Strom zugeordneten Spannung.
In jeder Leitung zum Asynchronmotor 10 ist ein antiparalleies Thyristorpaar 18, 20 angeordnet, das eine entsprechende Anschnittsteuerung der Netzspannung vor- nimmt. Die Kurvenform der resultierenden Spannung ist im Gegensatz zur Verwendung eines Stelltransformators nicht mehr sinusförmig, sondern enthält Oberschwingungen.
Der Controller 16 ist mit einem Ein- und Ausgabegerät 22 verbunden, das eine Eingabe von maschinenspezifischen Parametern erlaubt. Ebenfalls können dort auch den Betrieb des Motors betreffende Größen angezeigt werden.
Zusätzlich zu der Strommessung 14 ist eine Spannungsmessung 24 vorgesehen, die die Spannung zwischen zwei Zuleitungen mißt und an den Controller 16 wei- terleitet.
In dem Controller 16 sind zusammengehörige Wertepaare von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb abgelegt, um eine optimale Spannungssteuerung zu realisieren. Die Wertepaare können mit Hilfe motorspezifischer Da- ten oder einfacher Messungen berechnet werden. Bei einem bevorzugten Ver- fahren der Berechnung werden folgende Angaben für den betrachteten Motor verwendet:
Bemessungsspannung U„ Bemessungsstrom /„
Bemessungsleistung E /,„ Bemessungsleistungsfaktor cosζ», Bemessungsfrequenz f„
Bemessungsdrehzahl Bemessungswirkungsgrad η„ Relativer Anzugsstrom _«
Widerstand eines Ständerstrangs bei 20 Grad Celsius R < Stern- oder Dreieckständerwicklung.
Ausgehend von diesen Parametern kann ein Maschinenmodell wie folgt berechnet werden. Zunächst wird die Bemessungsscheinleistung
Sn L,
bestimmt. Die Bemessungswerte von Strangspannung CΛ„„ und Strangstrom I,,,„ aus Un nd L werden nach Maßgabe der vorliegenden Schaltungen der Ständerwicklung ermittelt. Es gilt bei Sternschaltung:
Uslrn - In
und bei Dreieckschaltung
Usi n - Uπ Und Ltm — In Die Bezugsimpedanz für einen Strang bestimmt sich zu
r
Die Polpaarzahl p wird als kleinste ganze Zahl unterhalb des Koeffizienten C bestimmt. Die synchrone Drehzahl ergibt sich damit zu
no = /»
Der Schlupf im Bemessungsbereich ergibt sich zu
no
Der Ständerwiderstand ergibt sich hierbei zu
rlπ = Rλmlkc -
Zbbeü.z
wobei sich die Werte für den Faktor kζ in Abhängigkeit von der Referenztem- peratur der Wärmeklasse ergeben zu
Mit diesen Größen ergeben sich die Gesamtverluste als
77„
und die Wicklungsverluste im Ständer als
Die Reibungsverluste als
Die Wicklungsverluste im Läufer bestimmen sich zu
und die Ummagnetisierungsverluste ergeben sich zu
Ausgehend von den oben bestimmten Ausdrücken können die Parameter des Maschinenmodels aus den verfügbaren Angaben wie folgt bestimmt werden:
Der komplexe Strom im Durchmesserpunkt des Kreisdiagramms ergibt sich als
Der komplexe Strom im Bemessungspunkt des Kreisdiagramms ergibt sich zu
Der Magnetisierungsstrom im Kreisdiagramm ergibt sich zu
wobei der Hilfsstrom //, gegeben ist zu
h _ - i in,.e„l<fh _ Ikn — IlN
und der Winkel φι, sich ergibt aus
Der Strom i,.«,, der den Ummagnetisierungsvertusten im Bemessungsbereich zugeordnet ist, ergibt sich zu
P„„
Der Leerlaufstrom stellt sich dar als
Die Rückwirkung des Läufers auf die zugeordnete Komponente des Ständerstroms stellt sich dar als
/ |2» = 1 In- V III»
Der Läuferwiderstand rechnet sich hieraus als
Die Gesamtstreu reaktanz als
Zusätzlich zu den obigen Parametern müssen zusätzliche Parameter für das
Maschinenmodell festgelegt werden. Das Maschinenmodell berücksichtigt näherungsweise zwei Nichtlinearitäten, die mit dem Übergang zu Betriebszuständen, die außerhalb des Bemessungsbetriebs liegen, wirksam werden: Die Nichtlinea- rität der Magnetisierungskennlinie und der Einfluss der Wicklungswiderstände.
Die Magnetisierungskennlinie „ wird durch eine Funktion der Spannung
U\ angenähert, die außer einem linearen Glied ein zweites enthält, das mit H,6 geht und nach Maßgabe eines Sättigungsfaktors F.,„ wirksam wird, der zwischen 0,5 und 1 ,0 liegt und das Verhältnis des Luftspaltanteils zum gesamten magnetischen Spannungsabfall bei Bemessungsspannung angibt. Die Widerstände von Ständer und Läufer ändern sich gegenüber dem Wert, der im Bemessungsbereich vorliegt, nach der Maßgabe der Änderung des Erwärmungszustands. Dazu gelten folgende Beziehungen:
und
mit
Die Werte für ergeben sich abhängig von der Referenztemperatur der Wärmeklasse. Der Faktor Wc bringt zum Ausdruck, in welchem Maße sich die Änderung der Verluste der jeweiligen Wicklung auf ihre Übertemperatur auswirkt. Es wird zwischen 0,5 und maximal 1 ,0 liegen, wenn die Verluständerung zu einer proportionalen Änderung der Übertemperatur führt.
Von diesen Werten ausgehend kann die Steuerkennlinie il ] mn = f(m) für die optimale Steuerung der Asynchronmaschine mit folgenden Formeln berechnet werden: Der Ständerstrom als Funktion des Schlupfs stellt sich mit den obigen Parametern dar als
■ II i + (i — F ll )} ■ .!,
mit
Für die Komponente des Ständerstroms, die der Rückwirkung des Läuferstroms zugeordnet ist,
+ j • il/m ■ {F n • Hl + (l - Fwi)} • 11
mit
Die einzelnen Verluste ergeben sich in diesem Maschinenmodell wie folgt:
- Die Wicklungsverluste des Ständers
- Die Wicklungsverluste des Läufers
Die Ummagnetisierungsverluste
mit
iui — '
mit den Reibungsverlusten
Die Gesamtverluste ergeben sich als Summe der Einzelverluste, so dass
Für die aufgenommene Wirkleistung gilt
Hieraus ergibt sich die abgegebene mechanische Leistung
Pmcch ^ iiv — Pv,
so daß sich die relativen Verluste ergeben zu relp,
P„,,„
und der Wirkungsgrad sich berechnet als
Mit den vorstehenden Formeln lassen sich für eine vorgegebene Spannung die Ströme, Leistungen und Verluste sowie die relativen Verluste als Funktion des Schlupfes bestimmen. Die relativen Verluste durchlaufen bei einem bestimmten Wert des Schlupfes ein Minimum. Für diesen Wert des Schlupfes gehört ein Ständerstrom .jmιn . Das Wertpaar und <','„„„ liefert einen Punkt auf der gesuchten Kennlinie ιlmin = f( ) . Durch Variation von im interessierenden Bereich lässt sich die gesamte Kennlinie bestimmen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum verlustminimierten Betrieb eines Asynchronmotors unter Verwendung einer Spannungssteuerung mittels Drehspannungssteller, einer Strommeßeinrichtung, einer Spannungsmeßeinrichtung sowie einer Steuereinrichtung für die Spannungssteuerung mit folgenden Verfahrensschritten:
Ablegen von zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb in der Steuereinrichtung, die für gege- bene Stromwerte diejenigen Spannungswerte angibt, die zu einem Verlustminimum im Asynchronmotor führen,
Messen des aktuellen Stroms,
- Auslesen der zum aktuellen Strom gehörenden Spannungswerte,
Messen der Spannung an den Motorklemmen,
Ansteuern der Spannungssteuerung (Drehspannungssteller) über die Steuereinrichtung derart, dass die von der Spannungssteuerung generierte und mit der Spannungsmesseinrichtung meßbare Spannung an den Motorklemmen identisch wird mit der in den Wertepaaren für einen verlustminimierten Betrieb enthaltenen Größe der Spannung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengehörigen Wertepaare von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb maschinenspezifisch mit folgenden Schritten ermittelt werden:
für verschiedene Belastungen des Motors wird die Spannung variiert und der jeweils zugehörige Strom gemessen und das jeweilige Wertepaar von Strom und Spannung ermittelt, bei dem die Verluste minimal sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengehörigen Wertepaare von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb unter Benutzung maschinenspezifischer Parameter berechnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wertepaare für Spannung und Strom durch Annäherung eine lineare Abhängigkeit erhalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Unterbrechung des Stromes vom noch unveränderten Hauptfeld des Motors an den Klemmen erscheinende, induzierte Spannung, die in bestimmten Be- triebsfällen den von der Spannungsmeßeinrichtung gemessenen Wert verfälscht, bei der Bildung der für die Steuerung maßgebenden Spannung berücksichtigt wird, wodurch der tatsächlich von der Spannungssteuerung generierte Spannungswert entsteht und der Steuereinrichtung zugeführt werden kann.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung die vom Hauptfeld des Asynchronmotors induzierte Spannung vom Meßergebnis der Spannungsmeßeinrichtung subtrahiert wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Spannungssteuerung, einer Strommeßenrichtung, einer Spannungsmeßeinrichtung und einer Steuereinrichtung für die Spannungssteuerung dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerung in jeder Zuleitung jeweils ein antiparalleles Thyristorpaar für eine Anschnittsteuerung enthält, wobei die Gateanschlüsse der Thyristoren mit der Steuereinrichtung verbunden sind (Drehspannungssteller).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor enthält, in dem die zusammengehörigen Wertepaaren von Strom und Spannung für einen verlustminimierten Betrieb gespeichert sind, der Spannungskorrekturen an den von der Spannungsmeßeinrichtung gemessenen Werte vornimmt sowie entsprechende Steuervorgänge auslöst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein- und Ausgabegerät mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
EP01911705A 2000-03-01 2001-02-28 Verfahren zur verlustarmen steuerung eines asynchronmotors Withdrawn EP1269621A1 (de)

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DE10009861 2000-03-01
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