einer Asynchronmaschine mit einem Umrichter

Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarte Verfahrenserfindung dient zur last- und drehzahlabhängigen Optimierung des Wirkungsgrads einer umrichter-gespeisten Asynchronmaschine.

Das Verfahren findet Verwendung bei Asynchronmaschinen, die nicht mit einer feldorientierten Regelung, sondern mit einer kennlinien-basierten Steuerung oder Regelung betrieben werden. Von dem Verfahren wird der Fluss der Maschine an die aktuelle Last und Drehzahl bzw. Drehfeldfrequenz so angepasst, dass die im Kupfer auftretenden Verluste im Stator und Rotor, welche den größten Anteil an den

Gesamtverlusten der Asynchronmaschine ausmachen, für den stationären

Betriebszustand herabgesetzt, insbesondere sogar minimiert werden.

Die heute gängigen elektrischen Antriebssysteme bestehend aus einem Frequenz- oder Servo-Umrichter und einer Asynchronmaschine werden im Allgemeinen über eine kennlinien-basierte oder eine feldorientierte Steuerung bzw. Regelung betrieben. In beiden Fällen wird versucht, den Fluss der Maschine im Spannungs-Stellbereich konstant auf seine Bemessungsgröße einzustellen, vgl. Quang und Dittrich in "Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen", 2. Auflage 1999 Expert Verlag. Dies ermöglicht ein dynamisches Verhalten bei Last- oder bei gewünschten

Drehzahländerungen sowie eine gute Kippstabilität der Asynchronmaschine. Nachteilig ist bei einer derartigen Lösung, dass insbesondere im Teillastbereich zwischen 0% und ca. 50% des Nennmoments der konstant gehaltene Fluss größer ist, als dies aus energetischer Sicht für einen stabilen Betrieb notwendig ist. Durch eine gezielte

Flussabsenkung kann im Teillastbereich eine Reduzierung des Ständerstroms der Asynchronmaschine erzielt und damit eine Wirkungsgradoptimierung erreicht werden. Eine derartige Funktion ist für viele Anwendungen, bei denen nur eine geringe Dynamik erforderlich ist und die über längere Zeiträume im Teillastbereich betrieben werden, wünschenswert. Beispielhaft können hier Anwendungen im Bereich der Lüfter- und Pumpentechnik oder im Bereich der Fördertechnik genannt werden.

Zur Minimierung der Verluste einer Asynchronmaschine sind mehrere unterschiedliche Verfahren aus verschiedenen Publikationen bekannt. Allgemein können diese in modellbasierende Lösungsansätze und algorithmen-basierte Lösungsansätze, welche nach einem effizienten Betriebspunkt suchen, unterteilt werden. Die modell-basierenden Lösungsansätze setzen hierbei im Allgemeinen auf das feldorientierte Modell der Asynchronmaschine auf.

Ein großer Teil der Publikationen befasst sich mit unterschiedlichen Varianten der sogenannten cos φ Regelung. Bei diesem Verfahren wird über die Regelung des cos φ (als 'Leistungsfaktor' bekannt) der Wirkungsgrad der Maschine optimiert.

EP 330 477 A2 verdeutlicht ein Verfahren, welches anhand der Phasenspannungen U _u , U _v und Uw sowie der gemessenen Phasenströme l _u , l _v und l _w den Spannungs- bzw. Stromzeiger berechnet und anschließend den Differenzwinkel zwischen den Zeigern bzw. den cos phi _ist (gleichermaßen als cos (p _ist ) ermittelt. In der Motorsteuerung ist hierbei eine Tabelle zugeordnet, welche jedem cos phi _ist eine eigene U/f-Kennlinie zuordnet. Die Kennlinien sind hierfür motorspezifisch mit jeweils konstantem

Lastmoment über einen gewissen Drehzahlbereich im Vorfeld zu ermitteln. Der cos phiist weist in diesem Verfahren somit auf das anliegende Lastmoment hin.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Aufwand, der mit der notwendigen

Kennlinienmessung einhergeht.

Eine alternatives cos φ Regelungskonzept ist mit einer Reihe von Schriften, so

EP 556 013 B1 , US 5,442,271 und US 5,500,581 eingeführt worden. Der

Leistungsfaktor cos phi _ist wird hier mit Hilfe des Quotienten aus Wirkleistung P und Scheinleistung S gebildet. Zur Berechnung der Leistungen werden ebenfalls die

Phasenspannungen und -ströme verwendet. Bei diesem Verfahren wird in

Abhängigkeit der Motorspannung und der Solldrehzahl ein Kompensationswert ermittelt, der vom Leistungsfaktor cos (p _ist abgezogen wird. Das Ergebnis wird mit einem für den optimalen Betriebspunkt ermittelten Faktor multipliziert und als Spannung von der auszugebenden Motorspannung abgezogen. Auf diese Weise wird indirekt der Fluss last- und drehzahlabhängig derartig minimiert, dass sich ein guter Wirkungsgrad an der Asynchronmaschine einstellt. Die Ermittlung des Kompensationswerts erfolgt anhand von Kurvenscharen, die motorspezifisch im Vorfeld aufzunehmen sind.

Ein wesentliches Merkmal der bisher genannten Verfahren ist es, dass i m Vorfeld der Anwendung der Verfahren eine motorspezifische, messtechnische Ermittlung der Kennlinien bzw. der Kompensationskurvenscharen notwendig ist. Aufgrund des dadurch resultierenden Aufwands wird eine allgemeine Serienanwendung deutlich erschwert.

Aus der Literatur ist ein weiterer algorithmen-basierter Ansatz bekannt, vgl. Kirschen, Novotny, Lipo in "On-Line Efficiency Optimization of a Variable Motor Drive", IEEE Trans. Industry Appl., Vol. 21 , Nr. 4, Mai/Juni 1 985 Seiten 61 0 bis 61 5. Dort wird ein Such-Algorithmus vorgeschlagen, der den optimalen Rotorfluss zu jedem Betriebspunkt einer Asynchronmaschine finden soll. Bei diesem iterativen Verfahren wird in festgelegten Zeitintervallen der Rotorfluss reduziert. Nach jeder Reduzierung wird nach einer gewissen Einschwingzeit die Wirkleistungsänderung analysiert. Unterschreitet die Wirkleistungsänderung eine definierte Schwelle, so ist gemäß Algorithmus das verlustoptimale Minimum nahezu gefunden. In diesem Falle wird die Schrittweite der Rotor-Flussänderung halbiert und der Fluss erhöht. Überschreitet die

Wirkleistungsänderung wieder die definierte Schwelle, wird wieder der Rotorfluss reduziert. Durch die zyklische Anpassung des Flusses in positiver und negativer Richtung kann das Verfahren auch bei sich ändernden Lasten einen stabilen und verlustoptimierten Arbeitspunkt ermitteln. Nachteilig ist, dass bei dynamischen

Änderungen das Verfahren nur eingeschränkt arbeiten kann. Weiterhin ist aufgrund der permanenten Anpassung des Flusses eine leichte Drehmomenten-Schwingung auf der Abtriebswelle der Asynchronmaschine feststellbar. Ein Vorteil der Verfahren ist, dass keine Kenntnisse über die Parameter des Motors notwendig sind.

Abweichend von den bisher beschriebenen algorithmen-basierten Ansätzen sind auch modell-basierende Ansätze bekannt. In DE 196 15 095 C1 wird eine Verlustminimierung dargestellt, die bei feldorientiert geregelten Asynchronmaschinen eine Anwendung findet. Hierbei wird der Flusssollwert aus dem Verhältnis des Flusswertes am

Nennpunkt zum Nennmoment bestimmt. Diese Kennzahl wird noch mit dem

gewünschten Sollmoment multipliziert. Somit erhält man einen Sollfluss, der mit dem Sollmoment im selben Verhältnis steht, wie jenes, das am Nennbetriebspunkt herrscht. Alternativ zum Sollmoment kann auch das berechnete Istmoment verwendet werden.

, Ψ rd ,N

^ rd ,Soll = msoll ( )

Mit dem genannten Verfahren wird der Fluss last-proportional im Teillastbereich abgesenkt. Zur Verwendung des Verfahrens ist eine feldorientiert arbeitende Regelung notwendig.

In der Literatur sind weitere Ansätze zu finden, mit denen eine wirkungsgrad-optimierte Regelung ermöglicht wird, vgl. Abrahamsen in "Energy Optimal Control of Induction Motor Drives", Institute of Energy Technology, Alborg University, Thesis Februar 2000. Zusätzlich zu den bereits erläuterten Energie-Optimierungsansätzen werden dort noch weitere Varianten angeführt. Eine dieser Varianten sieht eine Addition eines

Spannungskorrekturwerts in Abhängigkeit der ermittelten Schlupffrequenz vor. Des Weiteren werden mehrere Lösungsansätze unter dem Sammelbegriff "Modell basierende Optimierungsansätze" zusammengefasst. Dazu gehört unter anderem ein Vorschlag, bei dem der für die jeweils anliegende Last eine optimale Ständerfrequenz f _s mit Hilfe eines Modells berechnet werden soll. Ein anderer Vorschlag sieht vor, ebenfalls mittels eines Modells abhängig von der aktuellen Motorbelastung eine optimierte Spannung u _s zu berechnen.

Chang und Kim in "Minimum-Time Minimum-Loss Speed Control of Induction Motors under Field-Oriented Control", IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 44, Nr. 6, Dez. 1997 Seiten 809 bis 815, schlägt ein modellbasiertes Verfahren vor, welches gezielt Kupferverluste im Motor reduziert. Da die in dieser Quelle dargestellte Theorie für die hier vorgeschlagene Erfindung von zu beachtender Bedeutung ist, wird dieser bekannte Ansatz näher ausgeführt. Grundsätzlich wird hierbei der Versuch unternommen, das Kupferverlustminimum eines feldorientiert geregelten Systems in Abhängigkeit des Rotorflusses sowie des Lastmomentes für den stationären Betriebsfall zu ermitteln. Hierfür werden die einzelnen Kupferverluste, die im Stator und im Rotor anfallen,

P _Cu , _s = RA ² (2)

P _Cu , _r = RA ² (3) als Summe betrachtet. Nach einer Zerlegung der Ströme in zwei orthogonale Anteile (als d,q-Anteile) erhält man für die gesamten Kupferverluste folgende Gleichung

P _Cu = R _s ( ² _d + ² _q ) + R _r ( ² _d + ² _q ) (4)

Wird die d-Abszisse des Rotor-Koordinatensystems auf dem Vektor des Rotorflusses ψ _Γ gelegt, so erhält man im eingeschwungenen Zustand für die Stromkomponenten die folgenden Ausdrücke:

(6)

^{3 Z} _P Vrä

(7) 2 m, M

(8)

3 z _p ^ _rd

Setzt man Gleichung (5 bis 8) in die Gleichung (4) ein und führt weiterh

ein, so können die Kupferverluste wie folgt in Abhängigkeit des Rotorflusses und des Lastmomentes beschrieben werden:

Leitet man die Kupferverluste (10) nach dem Fluss ψ',-d ab und setzt die Ableitung zu Null (Nullstelle der Steigung), so lässt sich zu jedem Lastmoment ein Fluss berechnen, bei dem die Kupferverluste P _Cu minimal sind.

Die Gleichung belegt, dass zu jedem Lastmoment ein Rotorflusssollwert ermittelt werden kann, mit dem die Kupferverluste minimiert werden können. Dieser Lösungsweg ermöglicht somit eine verlustoptimale Regelung bei feldorientiert geregelten Systemen. Anzumerken ist hierbei, dass der optimale Rotorfluss bei steigenden Lastmomenten auch Größenordnungen annehmen kann, welche aufgrund der Sättigung nicht angefahren oder erreicht werden können und damit über dem Bemessungsfluss liegen. Der Rotorfluss ist daher auf einen sinnvollen Maximalwert, z.B. den Bemessungsfluss zu begrenzen.

Ein Großteil der genannten Veröffentlichungen setzt entweder einen feldorientiert geregelten Antrieb oder eine mit einem erheblichen Aufwand verbundene

motorspezifische Messung von Kennlinien oder Korrekturwerten oder einen iterative Flussanpassung mit begrenzter Dynamik voraus. Ferner weisen viele Verfahren den Nachteil auf, dass eine nachweisbar optimale Verlustminimierung nicht in jedem Falle möglich ist. Eine Ausnahme bildet hierbei das letztgenannte Verfahren von Chang, Kim, wo eine exakte Herleitung eines kupferverlustoptimalen lastabhängigen Rotorflusses zu finden ist.

Die vorgeschlagene Erfindung soll eine auf einer Spannungs-Frequenz-Kennlinie basierende Steuerung bzw. Regelung ermöglichen, welche ohne eine Feldorientierung die Kupferverluste in der Asynchronmaschine reduziert und so - insbesondere im

Teillastbereich - zu einer nennenswerten Wirkungsgradoptimierung beitragen. Das Verfahren soll darüber hinaus eine ausreichende Dynamik und Kippschutz bei begrenzt- dynamischen Vorgängen aufweisen. Bezüglich der Struktur soll eine cos φ Regelung verwendet werden, welche einen drehzahl- oder drehfeldfrequenzabhängig ermittelten Sollwert für cos phi nutzt, der deterministisch aus den Motorbemessungs- und

Ersatzschaltbilddaten ermittelt wird. Über diesen Sollwert soll ein kupferverlust- minimierter Betrieb erreicht werden. Darin sieht die beanspruchte Erfindung ihre technische Aufgabe.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf die Ansprüche 1 , 6 oder 1 1 verwiesen. Sie sind hier einbezogen.

Im Folgenden wird die beanspruchte Erfindung (stützend) erläutert. Das Verfahren setzt auf die Berechnung des kupferverlustoptimalen Rotorflusses gemäß Gleichung (1 1 ) aus vorgenannter Quelle. Da bei einer kennlinienbasierten Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine keine Feldorientierung vorliegt und demzufolge der

Magnetisierungsstrom bzw. Rotorfluss d opt nicht direkt auf seinen optimalen Wert geregelt werden kann, kann als Stellwert nur eine Anpassung der einzuprägenden Motorfrequenz oder der Motorspannung verwendet werden. Gemäß der Idee (der Erfindung) wird die Motorspannung so angepasst, dass sich ein kupferverlust-optimaler Fluss einstellt. Zur Anpassung der Motorspannung wird eine cos phi Regelung verwendet, die - im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren - den drehzahl- oder drehfeldfrequenzabhängigen Sollwert der Regelung kupferverlustoptimal und

deterministisch nur aus den Ersatzschaltbild- und Typenschilddaten der

Asynchronmaschine ermittelt.

Für die Ermittlung des Sollwerts wird zunächst eine feldorientierte Betrachtung durchgeführt. Wie in Gleichung (1 1 ) gezeigt hängt der optimale Magnetisierungsstrom nur vom Lastmoment und den Ersatzschaltbilddaten der Asynchronmaschine ab, vgl. Figur 1 . Geht man davon aus, dass die Ersatzschaltbilddaten der Asynchronmaschine sowie der Nennmagnetisierungsstrom bekannt sind,

MR, Nenn r d , Nenn (12) so kann gemäß Gleichung (1 1 ) das Drehmoment m _0p t,Eck berechnet werden, welches bei dieser Magnetisierung kupferverlustoptimal der Maschine entnommen werden kann.

Anhand dieses Drehmoments kann auf den feldorientierten Querstrom geschlossen werden, der zur Erzeugung des Drehmoments führt.

' i ^Z p ¹ MR,Nenn

sd .Opt.Eck ¹ MR,Nenn (15)

Anhand der bekannten orthogonalen Stromkomponenten können die dazugehörigen Spannungskomponenten ermittelt werden.

^U sd ,Opt,Eck rd .Nenn (16) sq,Opt,Eck »V rd.Nenn (17)

Durch Vereinfachung können die Spannungsgleichungen wie folgt abgebildet werden.

*sq,Opt,Eck (iL, 1 + (19)

Den Gleichungen (18) und (19) kann entnommen werden, dass die Spannungen nur von den Strömen und der Ständerfrequenz abhängen. Aus den orthogonalen Strom- und Spannungsgleichungen können der Spannungs- und der Stromwinkel ermittelt werden. Z _s = φ _υ (20)

Zi _s = <p _l = (21 )

Setzt man in die Gleichungen (20) und (21 ) die Gleichungen (18), (19), (13), (14) und (15) sowie (13) ein, so kann gezeigt werden, dass der Winkel des Stroms nur von den Ersatzschaltbilddaten des Motors und der Winkel der Spannung bei einer konstanten Drehfeldfrequenz ebenfalls für alle Magnetisierungsströme konstant ist.

Zu _s = (Pu = (22)

Zi _s = <p _l = arctan L , (23)

Gleichung (22) kann weiter vereinfacht werden, in dem der Nennmagnetisierungsstrom herausgekürzt wird. Fasst man alle nur parameterabhängigen Größen durch

Konstanten K _x zusammen, so ergeben sich für die Winkel folgende Gleichungen

Zi _s = φ ₁ = arctan(K ₂ ) (25) mit

K, (28) σΤ

Hiermit kann gezeigt werden, dass der Strom- und Spannungswinkel für einen kupferverlustoptimalen Betrieb sowohl last- als auch flussunabhängig berechnet werden können. Lediglich der Spannungswinkel ist von der Drehfeldfrequenz abhängig.

Aus dieser Erkenntnis wird abgeleitet, dass der aus der Winkeldifferenz berechenbare cos φ bei einer konstanten Drehfeldfrequenz konstant sein muss, wenn der Fluss kupferverlust-optimal geregelt werden soll. cos <p _mü (a> _s ) = cos(^ _j (ω ₈ )- φ ₁ ) (29)

Über diese Herleitung kann demzufolge ein cos phi für jede Drehfeldfrequenz ermittelt werden, welches - wenn man es über eine geeignete Regelungsstruktur einstellt - minimale Kupferverluste in der Asynchronmaschine und damit eine hohe

Energieeffizienz auch bei kennliniengestützten Steuerungen oder Regelungen erreicht.

Die Erfindung sieht daher ein Regelsystem vor, welches über einen cos phi Regler drehfrequenzabhängig ein optimales cos phi einstellt. Die Sollwerte cos phi _So ii der Regelung können bei bekannten Typenschild- und Ersatzschaltbilddaten der Maschine im Vorfeld berechnet und im Umrichter als Kennlinie hinterlegt werden.

Das beanspruchte Verfahren setzt keine Feldorientierung voraus und kann sowohl für beliebige Spannungs-Frequenz Kennliniensteuerung mit oder ohne Rückführung einer Drehzahl bzw. mit oder ohne Schlupfkompensation angewendet werden.

Prinzipiell ist eine Erweiterung aller bestehenden Kennliniensteuerungen um eine cos cpsoii Regelung möglich.

Beispiele erläutern die Erfindung und vertiefen ihr Verständnis.

Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine;

Fig. 2 ist ein prinzipieller Aufbau eines Frequenz-Umrichters:

Speisendes Netz 1 , Gleichrichter 2, Wechselrichter 3, zwei- oder drei-phasige Stromerfassung 4, Asynchronmaschine 5,

Messsignal-Aufbereitung 6 und gegebenenfalls eine

Transformation, Regelung 7;

Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Darstellung der Winkeldifferenz- Regelung ;

Fig. 4 ist ein Vergleich des Wirkungsgrads einer bekannten U/f-

Kennliniensteuerung mit einer U/f-Kennliniensteuerung gemäß einem Beispiel einer erfindungsgemäßen cos phi Regelung in

Abhängigkeit des Lastmoments bei unterschiedlichen

Solldrehzahlen bzw. Sollfrequenzen (Simulation an einem

750W Normmotor unter Vernachlässigung der Reib- und

Eisenverluste);

Fig. 5 ist eine beispielhafte Darstellung von cos phi _So ii in

Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz.

Figur 2 zeigt in prinzipieller Weise eine Vorrichtung zur Verwirklichung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darin wird über einen Gleichrichter 2 die

Netzspannung 1 zu einer Gleichspannung gleichgerichtet, welche dem Wechselrichter 3 als Zwischenkreisspannung zugeführt wird. Der Asynchronmotor 5 ist mit den

Ausgangsklemmen des Wechselrichters verbunden. Die Ansteuerung der Ventile des Wechselrichters erfolgt über eine Steuerschaltung. Es werden mindestens zwei der drei Motorphasenströme erfasst (bei 4 sowie 6) und dem Regelsystem 7 zugeführt.

Innerhalb des Regelsystems wird aus den erfassten Motorströmen der

Ständerstromvektor bestimmt. Der Ständerspannungsvektor kann messtechnisch über eine Messung der Spannung an den Ausgangsklemmen des Wechselrichters ermittelt oder aus der erfassten Zwischenkreisspannung und dem Schaltzustand des

Wechselrichters rekonstruiert werden. Ferner kann die Zwischenkreisspannung messtechnisch erfasst oder geschätzt werden. Ein Teil des Regelsystems ist in der Figur 3 dargestellt. Die Struktur baut auf einer beliebig ausgeführten Spannungs-Frequenz-Kennliniensteuerung auf. Diese wird um die wirkungsgradoptimierte cos phi Regler erweitert. Anhand der Ausgangs- bzw.

Drehfeldfrequenz fModuiator, die entweder direkt aus der Sollfrequenz bzw. Solldrehzahl gewonnen oder z.B. über eine Schlupfkompensation, einen Maximalstromregler oder einer Drehzahlregelung angepasst werden kann, wird über eine Kennlinie ein Sollwert cos phisoii der cos phi Regelung ermittelt.

In der Figur 5 ist beispielhaft eine derartige Kennlinie dargestellt.

Der Istwert der cos phi Regelung kann, z.B. aus der Winkeldifferenz zwischen dem Spannungsvektor und dem Stromvektor ermittelt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den cos phi _ist anhand der Wirk- und Scheinleistung oder anhand der gemessenen DC-Zwischenkreisstroms zu ermitteln. Über einen Regler, der z.B. als Pl- Regler ausgeführt sein kann, wird eine Spannung U _A dd ermittelt, mit der anschließend die Ausgangsspannung U Modulator des Umrichters beeinflusst wird. Um eine

Übermagnetisierung des Motors zu vermeiden, wird am Ausgang der cos phi Regelung eine Begrenzung empfohlen, die eine Erhöhung der Ausgangsspannung U _M oduiator durch eine Begrenzung von U _A dd auf ausschließlich positive Werte vermeidet. Ferner kann das regelungstechnische Verhalten verbessert werden, wenn die positive Begrenzung des Reglerausgangs U _A dd in Abhängigkeit der aktuellen Ausgangsfrequenz fModuiator angepasst wird.

Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens ist weiterhin empfohlen, bei generatorischen Lasten die Eingangsdifferenz der cos phi Regelung auf Null zu setzen und so den für den motorischen Betrieb optimierten cos phi Regler am Eingriff zu hindern.

Ferner wird bei Verwendung einer Pl-Reglerstruktur für den cos phi Regelung eine Anpassung der Proportionalverstärkung in Abhängigkeit der Drehfeldfrequenz empfohlen.

Die Ausgangsfrequenz fModuiator und die Ausgangsspannung U _M oduiator werden an den Pulsbildungssatz übergeben, welcher unter Kenntnis der Zwischenkreisspannung die Steuersignale für die Ventile der Endstufe ermittelt. Der Pulsbildungssatz kann entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt werden, z.B. in einer Zweischalter- Modulation, Raumzeigermodulation oder Sinus-Dreieck-Modulation. Zur Optimierung des Verhaltens kann bei der Berechnung des Aussteuergrads kann die

Wechselrichterfehlerkennlinie Berücksichtigung finden. Der Effekt der Wirkungsgradverbesserung ist exemplarisch in der Figur 4 dargestellt. Der Abbildung ist zu entnehmen, dass insbesondere im Teillastbereich (0 ... 0,4 m _Nenn ) durch die beschriebene neue cos φ Regelung eine deutliche Wirkungsgradoptimierung erzielt werden kann.

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