Asynchronmotor mit lastabhängiger Stern- oder Dreieck-Be- schaltung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Energieversorgung eines Asynchronmotors sowie ein Verfahren zum Ansteu ^¬ ern eines Sternschützes und eines Dreieckschützes eines Asyn ^¬ chronmotors .

Elektromotorische Antriebssysteme werden oft in Teillast be ^¬ trieben, d.h. bei gegebener Drehzahl ist das Lastmoment der Applikation geringer als das Motornennmoment. Wenn das Last ^¬ moment unter 50% der Motornennlast absinkt, verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Motors (z.B. Asynchronmotor) dras ^¬ tisch. Dadurch ist der Energiebedarf des Antriebssystems überproportional hoch, d.h. Energie wird verschwendet

Durch eine Absenkung der Versorgungsspannung des Motors kann dieser Effekt deutlich verringert werden. Die Absenkung der effektiven Spannung des Motors kann beispielsweise durch Taktung von Halbleitern (Thyristoren, IGBTs) erfolgen. In Sanftstartern wird hierbei mit einer Phasenanschnittssteuerung von Thyristoren die effektive Motorspannung gesteuert. In Fre- quenzumrichtern erfolgt eine Taktung (ON-OFF) der IGBTs über die eigentliche Netzperiode ( Pulsweitenmodulierung) . Auch hier ergibt sich über die Induktivität der Motorimpedanzen eine geringere effektive Motorspannung. Dieses Verfahren wird vor allem bei flussgeregelten Frequenzumrichtern angewendet. Ein Vorteil beider Verfahren ist, dass die effektive Motor ^¬ spannung für einen relativ weiten Spannungsbereich lastabhängig geregelt werden kann. Andererseits ist ein aktives Regeln der Motorspannung zwischen ca. 50% bis 100% der mechanischen Last am Motor überhaupt nicht erforderlich, da sich der Wir- kungsgrad des Motors in diesem Bereich kaum verändert (im Beispiel eines 15kW Motors nur ca. 1,7 %) . Von Nachteil ist bei den genannten Verfahren, dass zum Takten der Netzspannung Leistungshalbleiter benötigt werden. Diese weisen neben ihren relativ hohen Kosten, vor allem hohe Eigenverluste auf. Durch diese Energieverluste wird ein Teil der eigentlich zu erzielenden Energieeinsparung wieder zunichte gemacht (je nach Stromstärke zwischen 3% und 10% der Motorleistung) . Weitere Problem sind, dass durch das Takten der Netzspannung die Verluste im Motor zunehmen und die Netzqualität (elektromagnetische Verträglichkeit; kurz EMV) lei- det.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Asynchronmo ^¬ toren über einen großen Lastbereich mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu betreiben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß An ^¬ spruch 1, d.h. durch eine Vorrichtung für einen Asynchronmotor, wobei die Vorrichtung ein Sternschütz und ein Dreieckschütz für die Spannungsversorgung des Asynchronmotors und eine Logikeinheit umfasst, wobei die Logikeinheit das Stern ^¬ schütz und das Dreieckschütz für den Asynchronmotor ansteuern kann, wobei die Logikeinheit dazu ausgebildet ist, anhand der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors das Sternschütz und/oder das Dreieckschütz für den Asynchronmotor anzusteu- ern, und ein Verfahren gemäß Anspruch 10, d.h. durch ein Verfahren zum Ansteuern eines Sternschützes und eines Dreieck ^¬ schützes für die Spannungsversorgung eines Asynchronmotors mit einer Logikeinheit, wobei die Logikeinheit anhand der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors das Sternschütz und/oder das Dreieckschütz für den Asynchronmotor ansteuert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 sowie 11 bis 14 angegeben. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades eines Motors kann über eine Steuerung der Versorgungsspannung der Motorwicklungen erfolgen. Alternativ zum Takten der Netzspannung kann erfindungsgemäß eine Stern-Dreieck-Umschaltung der Motorwicklungen genutzt werden, um die effektive Spannungshöhe an den Motor ^¬ wicklungen des Motors, insbesondere von Asynchronmotoren, (in zwei Stufen) zu beeinflussen. Im relevanten Lastbereich, insbesondere unter 50%, der Motornennlast wird die Spannung an den Motorwicklungen durch automatisches Umschalten auf Sternbetrieb um ca. 42% abgesenkt ( 1 /Wurzel [ 3 ]) , indem nun pro Stromkreis jeweils 2 Motorwick ^¬ lungen in Reihe geschaltet werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades im relevanten unte ^¬ ren Teillastbereich des Asynchronmotors (siehe FIG 1).

Die Umschaltung zwischen Sternschaltung und Dreieckschaltung erfolgt auf Basis der vorliegenden Motorlast des Asynchronmo- tors . Dem Logikmodul liegt hierfür die aktuelle Motorlast bzw. ein die aktuelle Motorlast charakterisierender Wert vor, so dass es in Abhängigkeit der vorliegenden Motorlast bzw. des vorliegenden die Motorlast charakterisierenden Wertes das Stern- und/oder das Dreieckschütz ansteuern kann. Bei dem An- steuern erfolgt ein zu- und/oder wegschalten des Stern- und/oder Dreieckschützes an den Asynchronmotor. Hierdurch ändern sich die Netztopologie und damit auch die effektive Spannung an den Motorwicklungen. Der Zeitpunkt, an welchem das Ansteuern des Stern- und/oder das Dreieckschützes erfolgt, wird vorzugsweise durch mindes ^¬ tens einen Motorlastschwellwert der Motorlast des Asynchron ^¬ motors definiert. Hierfür ist der mindestens eine Motorlast ^¬ schwellwert in der Logikeinheit hinterlegt, so dass er mit der aktuell vorliegenden Motorlast verglichen werden kann.

Bei dem Umschalten zwischen Sternschütz und Dreieckschütz werden insbesondere bei jeder Umschaltung beide Schütze se ^¬ quentiell angesteuert (ein Schütz EIN, das Andere AUS) . Hier- bei wird vorzugsweise das erste Schütz bewusst ausgeschaltet und nach einer Verzugszeit das zweite Schütz zugeschaltet. Nachdem dieser Vorgang abgeschlossen ist, bleibt somit immer nur ein Schütz (Sternschütz bzw. Dreieckschütz) zugeschaltet. Der Vorteil einer derartigen Vorrichtung ist insbesondere, dass das Sternschütz und das Dreieckschütz technisch deutlich einfacher und vor allem aus Kostensicht deutlich günstiger zu realisieren ist. Ferner kommt es zu einer Vermeidung der re- lativ hohen Halbleiterverluste. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Netz ein geringerer Oberwellengehalt entsteht. Außerdem entstehen keine Zusatzverluste im Motor.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner Strommessmittel zur Erfassung des Motorstroms des Asynchronmotors, wobei die Logikeinheit anhand des vom Strommessmittel erfassten Motorstroms das Sternschütz und/oder Dreieckschütz für den Asynchronmotor ansteuern kann. Der Motorstrom gibt einen Rückschluss auf die vorliegende Mo ^¬ torlast. Folglich kann mindestens ein Motorlastschwellwert bestimmt werden, bei welchem ein Zu-/Abschalten des Sternschützes und/oder Dreieckschützes erfolgt. Der mindestens ei ^¬ ne Motorlastschwellwert definiert insbesondere den Lastpunkt (Umschaltpunkt) an welchem die Logikeinheit ein Steuersignal für ein Umschalten mindestens an eines der Schütze (Sternschütz/Dreieckschütz) ausgibt. Zur Erfassung der Motorströme ist vorzugsweise je Phase des Asynchronmotors ein Strommess ^¬ mittel vorhanden und mit dem Logikmodul gekoppelt.

Neben dem Motorstrom können ebenso andere Werte zur Bestimmung der vorliegenden Motorlast und somit zur Bestimmung des Umschaltepunktes herangezogen werden. Ein Rückschluss auf die vorliegende Motorlast kann beispielsweise auf Basis des Leis- tungsfaktors des Motors gewonnen werden, so dass die Logik ^¬ einheit anhand des Leistungsfaktors den Motorlastschwellwert und somit den Umschaltpunkt festlegt. Ebenso ist es denkbar, dass die Logikeinheit anhand von Informationen einer überge ^¬ ordneter Baugruppe oder Steuerung (z.B. SPS) die Befehle für das Umschalten (Zuschalten und/oder Wegschalten) des Sternschützes bzw. Dreieckschützes erhält und entsprechend das Sternschütz und Dreieckschütz ansteuert. Die Logikeinheit wird somit mit einem Eingangssignal versorgt, welches einen Rückschluss auf die vorliegende Motorlast, insbesondere im Bereich zwischen 30 bis 50% der Motornennlast des Asynchronmotors, liefert. Wird das Sternschütz bzw. Dreieckschütz durch eine übergeordnete Baugruppe oder Steuerung eigenstän- dig/direkt angesteuert, so ist in der übergeordneten Baugrup ^¬ pe oder Steuerung die Logikeinheit zu sehen. Vorzugsweise um- fasst jedoch ein Gerät das Sternschütz, das Dreieckschütz und die Logikeinheit. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Logikeinheit dazu ausgebildet, bei einem ersten Mo ^¬ torlastschwellwert des Asynchronmotors, welcher in einem Be ^¬ reich kleiner 50% der Motornennlast des Asynchronmotors liegt, das Dreieckschütz abzuschalten und daraufhin das

Sternschütz zuzuschalten. Der erste Motorlastschwellwert liegt somit in einem Bereich zwischen 0% bis 50% der Motornennlast .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der erste Motorlastschwellwert zwischen 30 bis 40% der Motornennlast des Asynchronmotors. Er liegt beispielsweise bei 35% der Motornennlast des Asynchronmotors.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Logikeinheit dazu ausgebildet, bei einem zweiten Mo ^¬ torlastschwellwert des Asynchronmotors, welche in einem Be ^¬ reich größer 30% der Motornennlast des Asynchronmotors liegt, das Sternschütz abzuschalten und daraufhin das Dreieckschütz zuzuschalten. Der zweite Motorlastschwellwert liegt somit in einem Bereich zwischen 30% bis 100% der Motornennlast.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der zweite Motorlastschwellwert zwischen 30 bis 40% der Motornennlast des Asynchronmotors.

Der zweite Motorlastschwellwert ist insbesondere größer oder gleich dem ersten Motorlastschwellwert. Die dynamische, selbsterkennende Umschaltung zwischen Stern ^¬ schaltung (Motorlast im Bereich von 0%-50% der Motornennlast) und Dreieckschaltung (Motorlast im Bereich von 30%-100% der Motornennlast) erfolgt somit insbesondere durch die Erfassung des Motorstroms, sowie des Logikmoduls, welches das Stern ^¬ bzw, das Dreieckschütz zu- und/oder wegschaltet.

Der erste und zweite Motorlastschwellwert kann ein gleicher Schwellwert der Motorlast sein, so dass er folglich im Be- reich zwischen 30% und 50 % der Motornennlast liegen kann, z.B. bei 40% der Motornennlast des entsprechenden Asynchronmotors .

Die Motornennlast, der Motornennstrom, der Nennleistungsfak- tor und/oder die Motornennleistung des von der Vorrichtung betriebenen Asynchronmotors kann der Vorrichtung und insbesondere der Logikeinheit auf unterschiedliche Weise zugeführt werden. Es kann beispielsweise eine direkte Eingabe dieses Wertes an der Vorrichtung bzw. einer mit der Vorrichtung ver- bundenen Komponente (z.B. HMI, Laptop, SPC, PLC) erfolgen.

Ebenso ist es denkbar, dass oben genannte den Motor charakte ^¬ risierende Größen anhand einer messtechnischen Analyse des Asynchronmotors bestimmt werden (teach-in) . Ferner ist es denkbar, dass der Logikeinheit bereits während der Fertigung ein oder mehrere dieser Werte hinterlegt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Motorlastschwellwert eine Hysterese vorhanden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein Hauptschütz zum Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung für den Asynchronmotor. Im Folgenden werden die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: FIG 1 einen Vergleich zweier Wirkungsgradkennlinien eines Asynchronmotors und

FIG 2 ein schematischer Aufbau einer Verschaltung eines

Asynchronmotors mit einem Hauptschütz, einem Drei ^¬ eckschütz und einem Sternschütz.

FIG 1 zeigt einen Vergleich zweier Wirkungsgradkennlinien 1,2 eines Asynchronmotors. Die abgebildeten Wirkungsgradkennli- nien 1,2 basieren auf einem vierpoligen Asynchronmotor mit 15 kW Nennleistung. Auf der horizontalen Achse 3 ist die vorliegende Motornennlast in Prozent angegeben. Die vertikale Achse 4 gibt den Wirkungsgrad des Asynchronmotors in Prozent wie ^¬ der. Die erste Wirkungsgradkennlinie 1 spiegelt den Wirkungs- grad des Asynchronmotors in einer Stern-Beschaltung wieder. Die zweite Wirkungsgradkennlinie 2 spiegelt den Wirkungsgrad des Asynchronmotors in einer Dreieckbeschaltung wieder. Es ist ersichtlich, dass bei der Sternbeschaltung des Asynchronmotors bei einer Motorlast unter 40% ein deutlich höherer Wirkungsgrad des Asynchronmotors vorliegt als bei der Drei ^¬ eckbeschaltung des Asynchronmotors.

FIG 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Verschaltung eines Asynchronmotors 13 mit einem Hauptschütz 6, einem Drei- eckschütz 7 und einem Sternschütz 8. Ferner ist der grundlegende Aufbau der Motorstromerfassung und der Schützansteue ^¬ rung über eine Logikeinheit 9 abgebildet. Der Grundaufbau, d.h. die Anzahl und Verschaltung der Schütze 6,7,8 mit den Hauptstrombahnen 14 (von links nach rechts L1,L2,L3) und den ersten Motorwindungsenden 15 (von links nach rechts U1,V1,W1) und den zweiten Motorwindungsenden 16 (von links nach rechts U2,V2,W2) unverändert zu konventionellen Stern- Dreieckstartern. Mittels des Hauptschützes 6 kann die Versor ^¬ gungsspannung der Hauptstrombahnen 14 am Asynchronmotor zu- und abgeschaltet werden.

Der Asynchronmotor 13 ist mit dem Dreieckschütz 7 und dem Sternschütz 8 verbunden, so dass durch Zu- bzw. Abschalten des Dreiecksschützes 7 bzw. Sternschützes 8 sich eine verän ^¬ derte Netztopologie für die Motorwicklungen und damit eine Absenkung bzw. Erhöhung der Versorgungsspannung an den Motorwicklungen des Asynchronmotors 13 erfolgen kann.

Im Unterschied zu konventionellen Stern-Dreieckstartern, bei welchen eine automatische zeitabhängige Umschaltung vom

Sternschütze 8 auf das Dreieckschütz 7 erfolgt, erfolgt nun die motorlastabhängige Ansteuerung des Dreiecksschützes 7 und Sternschützes 8 über die Logikeinheit 9, welche als Eingangs ^¬ größe die vorliegende Motorlast des Asynchronmotors 13 analy ^¬ siert. Hierunter ist ebenso ein die Motorlast des Asynchron ^¬ motors 13 charakterisierenden Wert zu verstehen. Der Logikeinheit 9 ist vorzugsweise der Motornennstrom des Asynchron- motors 13 bekannt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel er ^¬ folgt die Ermittlung der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors 13 anhand des vorliegenden Motorstroms des Asyn ^¬ chronmotors 13. Hierfür weisen die zwischen dem Asynchronmo ^¬ tor 13 und dem Hauptschütz 6 liegenden Hauptstrombahnen 14 jeweils ein Strommessmittel 5 auf. Das Strommessmittel 5 ist derart mit der Logikeinheit 9 verbunden, so dass es als Ein ^¬ gangsgröße für die Logikeinheit 9 den Motorstrom bzw. einen den Motorstrom charakterisierenden Wert übertragen kann. Die Ermittlung des Motorstroms kann ebenso lediglich einphasig und somit mit nur einem Strommessmittel 5 an einer Haupt ^¬ strombahn 14 erfolgen. Je mehr Hauptstrombahnen 14 (Phasen) analysiert werden, desto genauer kann die Überwachung des Asynchronmotors 13 erfolgen. Ein weiterer oder alternativer Eingangsparameter für die Logikeinheit 9 kann ebenso der Nennmotorstrom sowie der Leis ^¬ tungsfaktor des Asynchronmotors 13 sein.

Die Logikeinheit 9 kann mittels einer ersten Steuerverbindung 10 das Hauptschütz 6 ansteuern, so dass die Versorgungsspannung für den Asynchronmotor 13 zu- bzw. abgeschaltet wird. Mittels einer zweiten Steuerverbindung 11 kann die Logikeinheit 9 das Sternschütz 8 für den Asynchronmotor 13 zu- bzw. abschalten. Mittels einer dritten Steuerverbindung 12 kann die Logikeinheit 9 das Dreieckschütz 7 für den Asynchronmotor 13 zu- bzw. abschalten. Die Logikeinheit 9 kann anhand des vorliegenden Motorstroms einen Rückschluss auf die aktuelle Motorlast am Asynchronmo ^¬ tor 13 gewinnen. Die Logikeinheit 9 kann somit anhand der vorliegenden Motorlast des Asynchronmotors 13 bzw. anhand ei ^¬ nes die vorliegende Motorlast des Asynchronmotors 13 charak- terisierenden Wertes das Sternschütz 8 und/oder Dreieckschütz 7 für den Asynchronmotor 13 ansteuern. Im vorliegenden Beispiel ist ein erster Motorlastschwellwert des Asynchronmotors 13 in der Logikeinheit 9 hinterlegt, bei welchem das Dreieck ^¬ schütz 7 abgeschaltet und daraufhin das Sternschütz 8 zuge- schaltet wird. Sobald die ermittelte Motorlast diesen ersten Motorlastschwellwert unterschreitet, wird das Dreieckschütz 7 abgeschaltet und nach einer bestimmten Verzugszeit (ca. 20 - 200 ms) daraufhin das Sternschütz 8 zugeschaltet. Die Steue ^¬ rung hierfür übernimmt die Logikeinheit 9. Der erste Motor- lastschwellwert liegt im Bereich zwischen 30% und 40% der Mo ^¬ tornennlast des Asynchronmotors 13. Im vorliegenden Ausfüh ^¬ rungsbeispiel liegt der erste Motorlastschwellwert bei 30% der Motornennlast, so dass bei einem Unterschreiten des ers ^¬ ten Motorlastschwellwertes von 30% das Dreieckschütz 7 abge- schaltet und daraufhin das Sternschütz 8 zugeschaltet wird. Ferner ist in der Logikeinheit 9 ein zweiter Motorlast ^¬ schwellwert hinterlegt, bei welchem bei einem Überschreiten dieses Wertes das Sternschütz 8 abgeschaltet und nach einer bestimmten Verzugszeit (ca. 20 - 200 ms) daraufhin das Drei- eckschütz 7 zugeschaltet wird. Dieser zweite Motorlast ^¬ schwellwert liegt ebenso zwischen 30 und 40% der Motornenn ^¬ last des Asynchronmotors 13. Im vorliegenden Beispiel wird bei einem Überschreiten der Motornennlast von 40% des Asynchronmotors 13 das Sternschütz 8 abgeschaltet und daraufhin das Dreieckschütz 7 zugeschaltet.

Der entsprechende Motorlastschwellwert kann vorzugsweise sei ^¬ tens eines Anwenders eingestellt werden. Hierfür kann er bei- spielsweise die entsprechende Motorlast einstellen, welche den jeweiligen Motorlastschwellwert bildet, oder einen Motorlastnennwert des Asynchronmotors 13 bestimmen und hierzu ei ^¬ nen prozentualen Wert als Motorlastschwellwert definieren.

Im Bereich oberhalb des zweiten Motorlastschwellwertes arbei ^¬ tet der Asynchronmotor 13 somit lediglich im Dreieckbetrieb (das Dreieckschütz 7 ist zugeschaltet) . Im Bereich unterhalb des ersten Motorlastschwellwertes arbeitet der Asynchronmotor 13 lediglich im Sternbetrieb (das Sternschütz 8 ist zuge ^¬ schaltet) . Die Umschaltvorgänge zwischen dem Sternbetrieb und Dreieckbetrieb erfolgen automatisch, ohne dass ein Eingriff des Anwenders erforderlich ist. Zweckmäßigerweise sind die Umschaltpunkte mit einer Hysterese von 5% bis 10% versehen, um ein andauerndes Umschalten zu vermeiden, wenn sich die äußere mechanische Last zufällig im Bereich eines Motorlast ^¬ schwellwertes befindet.

Es ist anzumerken, dass das beschriebene Grundprinzip auf Mo- toren mit sechs Wicklungen ebenso übertragbar ist. Hierdurch können noch feinere lastabhängige Stufungen vorgenommen werden. Ferner ist die Erfassung der Motorströme im Grundsatz mit nur einer einphasigen Messung möglich. Höhere Genauigkeiten können jedoch mit zwei- oder dreiphasigen Messungen er- zielt werden. Als Aufbaualternative können die Motorströme auch aus vorhandenen Motorstrom-Messeinrichtungen z.B. eines elektronischen Überlastrelais oder einer übergeordneten Steuerung genutzt werden. Bei einer dreiphasigen Motorstrommessung kann die Logikeinheit 9 zudem als Überlast-Schutzgerät genutzt werden. Ferner können die Schaltvorgänge mit den

Schützen 6,7,8 ebenso durch andere geeignete Schalteinrichtungen (Sanftstarter, Thyristorschalter, Relais, etc.) realisiert werden. Ferner kann beispielsweise die Logikeinheit 9 in eine bestehende Steuerung (z.B. Überlastrelais), allgemei- ner Überwachungseinrichtungen (z.B. Simocode der Firma

SIEMENS), übergeordnete Steuerungen (z.B. SPS, Simocode der Firma SIEMENS) integriert werden.