Verfahren und Vorrichtung zur Online-Verfolgung der thermischen Belastung eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur während des Betriebs mitlaufenden Verfolgung (Online- Verfolgung) der thermischen Belastung eines Elektromotors vorzugsweise beim asynchronen Anfahren seines Rotors. Die Er- findung bezieht sich zudem auf ein zugehöriges Computerpro ^¬ gramm (-produkt) und ein computerlesbares Medium.

Technischer Hintergrund Die Erfindung liegt insbesondere auf dem Gebiet von Elektro ^¬ motoren. Überhitzung schädigt Elektromotoren. Gerade bei großen Antrieben, deren Rotoren beim Anfahren hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es sehr wichtig, die Tempe ^¬ ratur des drehenden Rotors zu kontrollieren. Gerade große An- triebe, etwa für die Gas-, Öl- oder Chemieindustrie, sind besonders kritisch. Hier werden häufig sogenannte Schenkel ^¬ polmotoren als Antrieb eingesetzt, die beim asynchronen Anfahren kurzzeitig viel Wärme erzeugen. Wird so ein Motor mehrmals hintereinander gestartet, dann entstehen in seinem Inneren schnell extrem hohe Temperaturen. Daher müssen zwischen dem Ausschalten des Motors und dem neuen Hochfahren Abkühlzeiten eingehalten werden. Die Temperaturen in den kritischen Bereichen im Inneren des Motors lassen sich technisch nicht direkt messen. Ein Messen der Temperatur im Motorinne- ren ist hierbei, wenn überhaupt, nur mit sehr großem Aufwand möglich. Die erforderliche Abkühlzeit - zum Beispiel zwölf Stunden - wird daher bislang konservativ ermittelt, um eine thermische Beschädigung des Antriebs sicher auszuschließen. Oftmals sind die Abkühlzeiten so deutlich länger, als es not- wendig wäre.

Ein Messen der Temperatur ist hierbei, wenn überhaupt, nur mit sehr großem Aufwand möglich. Nach einem erneuten, zweiten Start des Elektromotors wird es oftmals kritisch. Wird ein Elektromotor zu häufig gestartet, dann droht eine dauerhafte Beschädigung des Elektromotors.

Während der Entwicklung der Motoren entstehen in der Regel CAD-Modelle. Ausgehend von solchen Modellen können mathemati sehe Modelle aufgestellt werden, die die Geometrie und Mate ^¬ rial des Motors erfassen, um die Eigenschaften der Antriebe zu bestimmen. Es werden in der Regel datenbasierte Verfahren verwendet, um auf die erforderlichen Ruhezeiten des Motors schließen zu können. Solche Modelle sind jedoch zu komplex, um in Echtzeit zu rechnen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu entwickeln, mit dem/der das Geschehen im Inneren eines Motors in Echtzeit verfolgt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur während des Betriebs mitlaufenden Verfolgung der thermischen Belastung eines Elektromotors durch die Drehbewegung seines Rotors auf ^¬ weisend :

- eine Steuereinheit, welche dazu ausgelegt ist, auf die Elektrizität und/oder auf die Kinetik des Elektromotors bezogene Messdaten gemessen während des Betriebs des Elektromotors zu empfangen und mittels eines aus einer vorgebbaren Motorgeometrie abgeleiteten mathematischen Modells für physikalische Größen des Gesamtzustandes des Motors sowie den Messdaten als Eingabedaten in Echtzeit mitlaufend wenigstens einen an einen fiktiven Realwert angenäherten Temperaturwertes zu ermitteln und einen vom Gesamtzustand des Motors abhängigen und/oder von der Konfiguration des Motors abhängigen Temperaturverlauf zur Definition eines Abkühlzeitraums zur Reduzierung der thermischen Belastung des Elektromotors zu prognostizie ^¬ ren, wobei der aus dem wenigstens einen aus der mitlau ^¬ fenden Ermittlung resultierende, angenäherte Temperaturwert als Startwert in den zu prognostizierenden Tempera ^¬ turverlauf eingeht, und

- eine Freigabeeinheit zur Freigabe eines weiteren

und/oder erneuten Betriebes des Elektromotors nach Ab ^¬ lauf des prognostizierten Abkühlzeitraums.

Die thermische Belastung des Elektromotors entsteht dabei insbesondere durch die Drehbewegung des Rotors beim asynchro ^¬ nen Anfahren des Elektromotors. Die Elektrizität des Elektro ^¬ motors kann durch die Stromstärke ausgedrückt werden. Die Ki ^¬ netik des Elektromotors kann durch die Drehzahl des Rotors ausgedrückt werden. Es wird ein Temperaturwert an einen fik ^¬ tiven Realwert angenähert. Der fiktive Realwert für den Tem ^¬ peraturwert ist nicht messbar und kann deshalb nur angenommen bzw. simuliert werden. Der angenäherte Temperaturwert kann als Startzustand für die Prognose des Temperaturverlaufs die ^¬ nen. Die thermische Belastung des Elektromotors kann durch die Temperatur an messbaren Stellen ausgedrückt werden kann. Damit kann eine dynamische Korrektur des ermittelten wenigs ^¬ tens einen an den fiktiven Realwert angenäherter Temperaturwert mit Hilfe von empfangenen und/oder berechneten Temperaturwerten an messbaren Stellen am Motor vorgenommen werden, um eine vorgegebene Modellgenauigkeit zu erzielen und ggf. das mathematische Modell in Echtzeit anzupassen.

Zur Befähigung von rechenintensiven räumlichen und zeitlichen Temperaturverteilungsberechnungen zu echtzeitfähigen Berechnungen ist das abgeleitete mathematische Modell auf die

Elektrizität und/oder auf die Kinetik des Elektromotors bezo ^¬ gene Eingabedaten, insbesondere die Größen Stromstärke und Drehzahl, reduziert.

Die Erfindung ermöglicht eine so exakte Berechnung der Tempe ^¬ ratur im Motor während des Betriebs, als ob direkt im Motor die Temperatur gemessen würde. Die aktuellen Bedingungen und Zustände können erfasst werden und daraus der Zeitpunkt prog ^¬ nostiziert, wann der Motor wieder eingeschaltet werden kann. So können die eingangs erwähnten konservativ geschätzten Ab- kühlzeiten deutlich verkürzt werden.

Aufgrund von Größen wie Stromstärke, Drehzahl des Rotors, und gegebenenfalls Druck und Zustand des Motors kann eine Art virtuelle Messung der Temperatur simuliert werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Schwellenwert für den mindestens einen angenäherten Temperaturwert vorgebbar ist, wobei bei dessen Überschreiten die Freigabe gesperrt werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Konfidenzintervall für den Realwert vorgebbar ist.

Aufgrund von eines oder gegebenenfalls mehreren vorgebbaren Konfidenzniveaus (in Prozent) können alle auf Grundlage von gemessenen Daten berechneten Konfidenzintervalle den wahren Wert der zu ermittelnden Temperatur beinhalten. Daraus kann die damit verbundene, zu prognostizierende Abkühlzeit berech ^¬ net werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Freigaben und/oder die zeitlichen Abstände der Freigaben vorgebbar sind.

Die Einrichtung bzw. Vorrichtung sieht Mittel und/oder Einheiten bzw. Einrichtungen und/oder Module zur Durchführung des oben genannten Verfahrens vor, die jeweils hardwaremäßig und/oder firmwaremäßig und/oder softwaremäßig bzw. als Compu ^¬ terprogramm bzw. Computerprogrammprodukt ausgeprägt sein kön ^¬ nen .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur wäh- rend des Betriebs mitlaufenden Verfolgung der thermischen Belastung eines Elektromotors durch die Drehbewegung seines Ro ^¬ tors, aufweisend folgende Schritte: - Empfangen auf die Elektrizität und/oder auf die Kinetik des Elektromotors bezogene Messdaten gemessen während des Betriebs des Elektromotors,

- in Echtzeit mitlaufend Ermitteln wenigstens eines an den Realwert angenäherten Temperaturwertes mittels eines aus einer vorgebbaren Motorgeometrie abgeleiteten mathematischen Modells sowie aus den Messdaten als Eingabedaten,

- Prognostizieren eines Abkühlzeitraums zur Reduzierung der thermischen Belastung des Elektromotors aus dem wenigstens einen angenäherten Temperaturwert, und

- Freigabe eines weiteren und/oder erneuten Betriebes des Elektromotors nach Ablauf des prognostizierten Abkühlzeitraums .

Das Verfahren kann entsprechend wie die Vorrichtung weiterge ^¬ bildet werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt bzw. ein Computerprogramm mit Mitteln zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, wenn das Computerpro ^¬ gramm (-produkt) in einem oben genannten System bzw. in einer oben genannten Vorrichtung oder in Mitteln der Vorrichtung zur Ausführung gebracht wird. Das Computerprogramm bzw.

-produkt kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein. Das Computerprogramm bzw. -produkt kann in einer üblichen Programmiersprache (z.B. C++, Java) erstellt sein. Die Verarbeitungseinrichtung kann einen marktüblichen Computer oder Server mit entsprechenden Eingabe-, Ausgabe- und Spei ^¬ chermitteln umfassen. Diese Verarbeitungseinrichtung kann in der Vorrichtung oder in deren Mitteln integriert sein.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine technische Anla ^¬ ge vor.

Die Anlage umfasst dabei mindestens eine Komponente und ist unter anderem durch einen Anlagentyp charakterisiert.

Beispiele hierfür sind: eine Automatisierungsanlage,

eine Fertigungs- bzw. Produktionsanlage,

eine Reinigungsanlage,

eine Wasseraufbereitungsanlage,

eine Maschine,

eine Strömungsmaschine,

eine Energieerzeugungsanlage.

Ausführungsbeispiel (e) :

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt die einzige Figur schematisch eine Freigabe eines

Ein-/Ausschalters eines Motors, welcher durch eine virtuelle Messdatenerfassung unterstützt wird.

In der Figur wird ein (Elektro- ) Motor M gezeigt, dessen nicht in der Figur näher dargestellter, drehbarer Rotor T durch einen Schalter S ein- (on) bzw. ausgeschaltet (off) werden kann. Von dem Motor sind die Motorgeometrie G und gegebenenfalls die Motorkonfiguration durch ein Modell z.B. ein CAD- Modell (CAD = Computer aided design) bekannt. Ein solches Modell ist in der herkömmlichen Simulation üblicherweise ein 3D- Modell. Die die Simulations-Berechnungen sind somit sehr rechenintensiv und somit oft nicht echtzeitfähig . Eine sogenannte virtuelle Erfassungseinheit V umfasst eine Freigabe ^¬ einheit R, die dem Schalter S das Einschalten des Motors freigibt. Diese Freigabeeinheit wird mittels einer den Schal ^¬ ter S kontrollierenden Steuereinheit C gesteuert. In einer Dateneinheit L sind beispielsweise Temperaturgrenzen bzw. Schaltergrenzen wie z.B. die maximale Anzahl der Schaltungen und der damit verbundenen Freigaben sowie zeitliche Abstände der Schaltung bzw. der Freigaben als Schwellenwerte

vorgebbar. Des Weiteren weist die virtuelle Erfassungseinheit V eine Prognostiziereinheit F auf, die am Motor messbare Grö ^¬ ßen DATA, wie Stromstärke (englisch: Current) und Drehzahl (englisch: revolution) , während dessen Betriebes über die Zeit (englisch: over time) aufnimmt und Kenntnis über die vorgegebenen bzw. vorgebbare Motorgeometrie bzw. - konfiguration hat.

Aufgrund der Größen wie Stromstärke und Drehzahl des Rotors sowie ggf. Druck, die am Motor während seines Betriebs in Echtzeit (online) mitlaufend gemessen werden kann, und Zu ^¬ stand des Motors kann eine Art virtuelle Messung der Tempera ^¬ tur im Motorinneren simuliert werden. Der reale bzw. exakte Temperaturwert im Inneren des Motors kann technisch nicht ge ^¬ messen werden, jedoch kann ein mathematisches Verfahren für die Simulation des Temperaturmesswertes verwendet werden, das gegenüber den eingangs genannten Simulationsverfahren auf ein geeignetes Maß reduziert wird, um in Echtzeit berechenbar zu sein. Deshalb wird eine mathematische Ordnungsreduktion des 3D-Modells durchgeführt. Mit dem reduzierten mathematischen Modell werden weniger Zustände und/oder Konfigurationen des Motors bei der Simulation berücksichtigt. Im Zusammenhang mit dem Umfeld von komplexeren Anlagen wird zur Reduktion des mathematischen Modells nicht nur mit Eigenwerten gerechnet, sondern zusätzlich noch einer mathematische Transformation durchgeführt. Dadurch werden EchtZeitberechnungen bzw. Simulationen ermöglicht. Der simulierte Temperaturmesswert ist an den fiktiven Realwert der Temperatur im Motorinneren angenähert. Der Realwert ist deshalb fiktiv, da er tatsächlich nicht gemessen, sondern nur angenommen bzw. simuliert werden kann. Es wird in Echtzeit während des Betriebs mitlaufend die thermische Belastung des Motors durch die Drehbewegung seines Rotors verfolgt.

Es können Stellen, die zur Messung geeignet sind, Temperaturwerte für den Motor abgenommnen werden, die beispielsweise zur Kalibrierung bzw. Einstellung des Simulationsverfahrens verwendet werden. So können die simulierten, virtuellen (berechneten) Temperaturwerte mit den gemessenen Temperaturwerten abgeglichen werden, um ein exaktes bzw. adaptiertes Modell für Simulation der fiktiven Temperatur im Motorinneren zu erhalten. Mitlaufend werden mehrere fiktive Temperatur ^¬ messwerte ermittelt, die laufend mit vorgebbaren Schwellen ^¬ werten verglichen werden. Wird ein oder mehrere Schwellenwerte überschritten, führt dies letztendlich zur nachstehend er- läuterten Sperrung. Anhand einer mit der Steuereinheit C und der Freigabeeinheit R verbundenen Ausgabeeinheit 0, die in Form von Dioden bzw. einer Art Ampelanzeige oder auch durch einen Webservice realisiert sein kann, wird das Freigeben bzw. dass Sperren der Freigabe des Schalters S zum Ein- /Ausschalten des Motors angezeigt.

Aufgrund von eines vorgebbaren Konfidenzniveaus (in Prozent) können alle auf Grundlage von genannten gemessenen Daten berechneten Konfidenzintervalle den Realwert bzw. exakten Wert der zu ermittelnden Temperatur des Motorinneren einschließen. Abhängig von der simulierten Temperatur kann die damit verbundene Abkühlzeit prognostiziert werden. Ein Temperaturver ^¬ lauf kann abhängig von verschiedenen Szenarien, die den Gesamtzustand des Motors bzw. dessen Konfiguration beinhalten können, prognostiziert werden. Konfigurationen können sein, dass die Drehzahl bestimmte Wert und/oder die Stromstärke ei ^¬ nen bestimmten Wert und/oder die Stromstärke einen bestimmten Wert beinhalten kann. Ein Szenario ist im Beispiel das „Wie ^¬ dereinschalten". Es können auch andere Szenarien z.B. „wäh- rend des Betriebs des Motors" und/oder weitere versendet wer ^¬ den .

Es können Temperaturgrenzen und ggf. Schaltergrenzen als Schwellenwerte vorgegeben werden, die bei deren über- bzw. unterschreiten (je nach gegebener Situation) zur Sperrung bzw. Freigabe des Schalters S mittels der Freigabeeinheit F führen können. Abhängig von der prognostizierten Abkühlzeit kann der Motor wieder eingeschaltet werden. Ein dazu mögliches Simulationsmodell arbeitet wie folgt: Zwei kleine Elektromotoren sind über eine Welle gekoppelt. Der eine Motor bremst den anderen und erzeugt so eine Dauer ^¬ last. Temperatursensoren messen die Temperatur außen auf dem Motor. Gleichzeitig werden Daten zu Betriebsdauer und Last erfasst. Aus diesen Eingabeparametern und einem

mathematischen Modell des Motors berechnet bzw. simuliert die Prognostiziereinheit F, auch als Simulator bezeichnet, die Temperatur im Inneren des Antriebs des anderen Motors. Unterschiedliche Motortypen erwärmen sich unterschiedlich. Zum Beispiel heizt sich der kleine Motor beim Anfahren kaum auf, dafür aber langsam und kontinuierlich unter Dauerlast.

Die Erfindung bringt zudem den Vorteil mit sich, dass das ma ^¬ thematische Modell mit einem kommerziellen Softwarewerkzeug wie z.B. Matlab beschrieben und berechnet werden kann. Damit lässt sich aus Sicht der Software-Architektur die Simulation in ein herkömmliches rein datengetriebenes

Konditionsmonitoring integrieren. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Die Implementierung der vorstehend beschriebenen Prozesse oder Verfahrensabläufe kann anhand von Instruktionen erfol ^¬ gen, die auf computerlesbaren Speichermedien oder in flüchti- gen Computerspeichern (im Folgenden zusammenfassend als computerlesbare Speicher bezeichnet) vorliegen. Computerlesbare Speicher sind beispielsweise flüchtige Speicher wie Caches, Puffer oder RAM sowie nichtflüchtige Speicher wie Wechselda ^¬ tenträger, Festplatten, usw.

Die vorstehend beschriebenen Funktionen oder Schritte können dabei in Form zumindest eines Instruktionssatzes in/auf einem computerlesbaren Speicher vorliegen. Die Funktionen oder Schritte sind dabei nicht an einen bestimmten Instruktions ^¬ satz oder an eine bestimmte Form von Instruktionssätzen oder an ein bestimmtes Speichermedium oder an einen bestimmten Prozessor oder an bestimmte Ausführungsschemata gebunden und können durch Software, Firmware, Microcode, Hardware, Prozes ^¬ soren, integrierte Schaltungen usw. im Alleinbetrieb oder in beliebiger Kombination ausgeführt werden. Dabei können verschiedenste Verarbeitungsstrategien zum Einsatz kommen, beispielsweise serielle Verarbeitung durch einen einzelnen Pro- zessor oder Multiprocessing oder Multitasking oder Parallelverarbeitung usw.

Die Instruktionen können in lokalen Speichern abgelegt sein, es ist aber auch möglich, die Instruktionen auf einem ent- fernten System abzulegen und darauf via Netzwerk zuzugreifen.

Der Begriff "Prozessor", "zentrale Signalverarbeitung",

"Steuereinheit" oder "Datenauswertemittel " , wie hier verwen ^¬ det, umfasst Verarbeitungsmittel im weitesten Sinne, also beispielsweise Server, Universalprozessoren, Grafikprozesso ^¬ ren, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische inte ^¬ grierte Schaltungen (ASICs) , programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und be ^¬ liebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungsmittel. Prozessoren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bzw. Einrichtungen bzw. Einheiten bestehen. Besteht ein Prozessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung bzw. Ausfüh- rung von Instruktionen ausgelegt bzw. konfiguriert sein.