CN101328897B - 离心泵输送的液体温度的获取方法 - Google Patents

Abstract

由永磁电机驱动的离心泵输送的流体温度的获取方法，所述离心泵的转子在充满流体的分离管内部运转，其中根据电机的用电量确定转子温度，并根据转子温度确定输送流体的温度。所述方法可以对由永磁同步电机驱动的循环泵的输送流体进行无传感器的温度测量。

Description

离心泵输送的液体温度的获取方法

技术领域

本发明涉及一种由离心泵输送的液体温度的获取方法。

背景技术

对于离心泵，特别是对于具有中小结构尺寸的热循环泵而言，根据现有技术，泵转数是根据输送流体的温度来进行控制的。特别地相比于背景技术，即在当前的供暖设备中，除了供电电压的调配、接通和切断之外，泵的控制元件与其它供暖设备的控制元件是分开的，并且是独立的。通过获取输送流体的温度，泵的控制元件能对供暖设备的热负荷作出反应并相应地对泵转数进行控制，如此使得在高热负荷下，同样当输送流体在运行中具有高温时，提高转数并由此提高泵功率，并在低温时能够降低转数并由此减小泵功率。但是，由于其它原因，有目的地或必须地获取输送流体的温度也是非常有意义的。在现有技术中，典型地是借助温度传感器来获取输送流体的温度。

这种温度传感器相当于附加构件，另外还需要附加的计算电子元件，这也进一步提高了成本。此外，温度传感器的设置意味着增加了一个潜在的薄弱环节，因为传感器必须热传导地与输送流体联系在一起的。

发明内容

相比于背景技术，本发明的目的在于提供一种用于获取离心泵的输送流体温度的方法，在当前循环泵配备标准硬件的条件下，泵输送流体温度的获取不需使用温度传感器就能实现，另外所述方法成本低廉并且操作简单。

根据本发明，所述目的通过根据本发明的获取由离心泵输送的流体的温度的方法得以实现。按照本发明所述的用于获取离心泵的输送流体温度的方法根据目前已知的情况可应用在离心泵上，所述的离心泵具有永磁电机，此外典型地，该离心泵具有中小结构尺寸。按照本发明所述的方法确定为用于电机，即离心泵，其中电机转子在充满输送流体的分离管（Spaltrohr）中运转，特别地是在输送流体流经的分离管中运转。按照本发明，转子温度是根据电机的用电量（electrische）来确定的，并根据转子温度来确定输送介质的温度。

按照本发明所述的方法和由此驱动的、无温度传感器的泵机组的基本构思是，输送流体温度的获取是通过一般总是可以获取的电机用电量来实现的。按照本发明所述的方法是基于这样的假设，即转子温度基本上取决于输送流体的温度。对于当前的具有中小结构尺寸的永磁电机来说，在转子中产生的损耗此时很小，使得转子本身实际上不再产生热损耗。因此，典型地，转子温度与输送流体的温度相当，或至少取决于输送流体的温度。由于该温度的获取不需要传感器，并纯粹是借助所确定的转子温度通过计算来完成的，因此能够利用本发明所述的方法获取上述效果。

特别优选的，为了使转子温度能等于输送流体的温度，需要使输送流体和转子之间完成充分的热交换。这对于输送流体流经分离管的分离管泵（Spaltrohrpump）来说是典型的情况。然而，在实际情况中，输送流体流经分离管并不是必须的，更多的是应用充满流体的分离管，例如分离管罐（Spaltrohrtopf），所述分离管的法兰与输送流体面接触，并由此确保输送流体和转子之间的充分热传导。

优选的，按照本发明所述的确定输送流体温度的方法是借助变频电子元件来完成的，所述变频电子元件是和电机串接在一起以对转数进行控制。典型的，所述变频器具有数字控制元件，所述计算过程能在所述数字控制元件中通过软件完成。另外，其还具有其它综合功能，因为在变频控制元件中，所有相关的电机用电量总是可以获取或可以简单方式进行确定，从而其不但能在能量方面同样也可在噪声方面进行优化，这在现有技术中有所介绍。在供暖循环泵领域中，具有永磁同步电机的泵机组是已知的，所述的电机和电子变频器串接在一起，借助所述变频器，电机可以加速运转并可在不同的运行转数下运行。在结构或其它的硬件方面不必变化的情况下，当前的电机可仅通过应用软件来实现输送流体温度的确定。

典型地，通过计算确定转子温度，可以最终确定输送流体的温度，其可以根据本发明以不同的方式来实现。特别有效的是通过转子磁通量来确定转子温度。两者间的关系存在于公知的如下数学关系中：

公式（1）      λ_m=λ_m0(1+β_m(T_m-T_m0))

其中，

λ_m为转子磁通量，

λ_m0为温度T_m0时转子磁通量，

β_m为电磁体的温度常数，并且

T_m为转子温度。

根据公式（1）可求得转子温度，并由此得出

公式（1′）       $T_m=\frac{{\mathrm{\λ}}_m+({\mathrm{\β}}_m{T}_{m0}-1){\mathrm{\λ}}_{m0}}{{\mathrm{\β}}_m{\mathrm{\λ}}_{m0}}.$

根据公式（1′），转子温度依据已知的转子磁通量和其它的材料常数/常数通过计算来确定。

公式（2） $\frac{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{BEMF}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}}={\mathrm{\λ}}_m,$

其中，

υ_BEMF为在定子中的感应电压，以及

ω_re为转子的电气转数。

附图说明

图1为示出按照本发明方法的方框图；

图2为图1所示方法的图解说明；

图3示出了本发明的方法事实上是如何实现的；

图4示出了转子温度、定子温度和转子转矩的计算方式；

图5示出了按照本发明的方法考虑误差的情况。

具体实施方式

根据本发明，转子磁通量的确定可用不同方法来实现。在图1的方框图中示出了本发明的第一种方法。此外，为了获取转子磁通量，电机首先要设置在运行状态，然后，为了获取在定子中的感应电压或电流，并随后确定出转子磁通量，在运行时须将电机短时间地和电源网络隔开。

根据图1的方框A，开始时运转的电机应和电源网络隔开，大约经过一段特定时间后，当由外部电压产生的电流逐渐消失时，随后确定在将要再次运转的电机中有多大电流在定子中感应生成，或多大电压在定子中生成。这在图1中以反电动势BEMF（back electromotive force的缩写）表示。

因为为了测量电机而必须使电机和电源隔离，因此，所述隔离必须在尽可能短的时间内完成，以对电机的正常运行尽可能少地进行干扰。因为根据本发明，定子中的感应电流优选地至少在一个周期内，即电机的一个通电全转动内进行确定，所以电机至少要与电源网络隔离足够长的时间。

在随后的测量中，主要存在着三个问题，即其中之一是转子转速在测量时不必恒定，其二是谐波振动和反电动势（gegen-EMK）的叠加，以及测量精度的问题。这是因为反电动势的峰值具有在运行过程中产生的微小电压值。另外，当转子的温差在100℃时，其反电动势的差仅为大约20%。因为测量在正常运行中必须承受住电压峰值，故测量必须一方面包含一个大的测量范围，但另一方面又必须高度精确。

按照本发明的另一实施形式，转子磁通量的确定这样实现，即在一个完整的周期内完成测量，即通过三个过零点来完成。另外，按照本发明，为了能从测量结果中得到平均值，并以此平均值作为电压值作为进一步计算的基础，特别优选的，在一个所述完整周期内进行多次，优选超过10次的测量。然而，按照现有技术，首先必须进行将三相系统换算到两相系统的转换。另外根据所述周期可以确定转子的平均转速，然后再以转子的平均转速来计算转子磁通量。所述反电动势的统计值以图1中的方框B示出。随后，由此得出的转子磁通量λ_m可根据方框N在转子温度T_m下按照公式（1′）进行换算。

前述按照本发明所述的方法在取值技术上相对简单，然而其也具有缺点，即哪怕只是一秒钟长的间隔，电机也必须和电源网络进行隔离，这在特定情况下是不期望的。

为了规避上述缺点，按照本发明在所述方法的其它实施形式中这样进行设置，即转子磁通量可在电机的运行期间进行确定。此外，按照本发明还设置有两种解决途径，即其一是磁通量的确定通过参数辨识（parameteridentification）来进行，其二是通过适合的检测器（adaptive observer）来进行。对于永磁同步电动机来说，这种参数确定方法是公知的。如在下面文献中就对此分别进行了描述，并在一定范围内涉及了所述方法：

1.Flavia Khatounian,Sandrine Moreau,Eric Monmasson,Alexandre Janot,and Francois Louveau;Simultaneous identification of the initial rotor positionand electrical parameters of a PMSM for Haptic interface;EPE-PEMC2006,Portoroz,Slovenia；

2.Shinji Ichikawa,Muntuwo Tomita,Shinji Doki,and Shigeru Okuma;Sensorless control of permanent-magnet synchronous motors using onlineparameter identification based on system identification theory;IEEETransactions on industrial electronics,Vol52.No.2.April2006（2006年4月）。

典型地，在参数确定时对电源电压的高频信号进行叠加，以便随后以已知的方法来确定参数。只要参数确定完毕，则所确定的参数和转子温度或定 子温度间的关系就是已知的了。除了转子温度之外，另外还可以根据下面的公式（3）确定定子电阻：

公式（3）    R_s=R_s0(1+α_w(T_s-T_s0))

其中：

R_s0为温度T_s0时的定子电阻，

T_s0为定子电阻为R_s0时的定子温度，

T_s为定子温度，以及

α_w为定子电阻的温度系数。

另外，由公式（3′）可以给出定子的温度。

公式（3′）     $T_s\frac{R_s+({\mathrm{\α}}_w{T}_{s0}-1)R_{s0}}{{\mathrm{\α}}_w{R}_{s0}}$

上述的方法根据图2进行图解说明。按照方框C，定子电压V_sa、V_sb和V_sc以及定子电流i_sa、i_sb和i_sc，电气转数ω_re以及转子与定子之间的电气角度θ_re可以作为输入量，并通过磁通量λ_m和定子电阻R_s的参数确定而被确定。随后，如在按照图1在方框N中的方法变化中，由磁通量λ_m确定了转子的温度并由此也确定了输送流体的温度。此外，在方框O中由定子电阻按照上述公式（3′）确定了定子的温度。

在上述已经说明的方法中，转子磁通量可以通过适合的检测器在电机运行时进行确定，这种方法可特别地参阅专利文献EP 1383231 A1，其中对所述的检测器进行了描述。此外，定子的电流和电压可根据数学电机模型进行模拟，并且另一方面也可通过测量来确定。如此确定的电流彼此进行比较并通过比较来确定转子磁通量。在专利文献EP 1383231 A1中，可以通过检测器来确定磁通量、转子位置和转子速度。相应的，在本发明所述的方法中，可借助检测器来确定转子磁通量，从而按照所述方法来确定转子温度并由此确定输送流体的温度。

根据图3可以说明这种方法事实上是如何实现的。根据方框D，获取了定子电压V_sa、V_sb、V_sc以及定子电流i_sa、i_sb和i_sc，另外借助检测器来确定转子磁通量λ_m和定子电阻R_s。随后，在上述方法中，按照方框N根据定子磁通量来确定转子温度T_m，并按照方框O来确定定子温度T_s。

然而，按照本发明所述方法的其它实施形式，转子温度不仅可以通过确定转子磁通量的方法，也可通过设定电机热平衡表和/或功率平衡表的方法来进行确定。通过电机吸收的电功率、相电流优选是相电流的有效值（RMS值）、以及电机上的电压频率的确定，在电机运行时完成设定电机热平衡表和/或功率平衡表是十分有益的。此外，当具有中小功率的此种典型的永磁同步电机和变频器串接时，吸收的电功率可根据变频器的中间回路电流和中间回路电压进行确定。所述的中间回路电流和电压值在变频控制元件中总是可供使用的。此外，转子温度T_m可以根据下列公式进行确定：

（4）  T_M=f₁(I_rms,T_m)

=3λ_m0(1+β_m(T_m-T_m0))I_rms

（5）   $T_M=f_2(P_1,I_{\mathrm{rms}},f,T_s)$

$=\frac{P_1-(3R_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_s(T_s-T_{s0})){I_{\mathrm{rms}}}^2+k_{F}f+k_{\mathrm{Iron}}{\mathrm{fI}}_{\mathrm{rms}}+P_{l0})}{2\mathrm{\πf}}$

（6）   $T_s=f_3(I_{\mathrm{rms}},T_m)$

$=\frac{1}{B_m}3R_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_s(T_s-T_{s0})){I_{\mathrm{rms}}}^2+T_m,$

其中：

T_M为电机转矩，

λ_m0为温度T_m0时的转子磁通量，

β_m为磁体的温度系数，

T_m0为转子磁通量为λ_m0时的温度，

I_rms为相电流的有效值，

P_l为电机吸收的功率，

R_s0为温度T_s0时的定子电阻，

α_s为定子电阻的温度系数，

T_s为定子温度，

T_s0为定子电阻为R_s0时的定子温度，

k_F为转子的固有损耗，

f为电机的电源频率，

k_Iron为定子的铁损，

P_l0为变频器的损耗，以及

B_m为定子和流体之间的热阻。

公式（4）示出了电机转矩作为定子电流以及转子温度的有效值的函数。公式（5）示出了电机转矩作为吸收功率、相电流的有效值、电机上的电压频率以及定子温度的函数。公式（6）示出了定子温度作为定子电流和转子温度的有效值的函数。正如在图4中按照方框E示出的那样，由所述三个公式可以计算出转子温度、定子温度和转子转矩。在图中，吸收功率P_l、相电流的有效值I_rms和电机上的电压频率f是输入量。当相电流的有效值由另外一个包含有相应信息的电流量替代时，具体公式可以相应地进行变化。

公式（4）、公式（5）和公式（6）示出的是简化的公式，此外，所述公式还没有考虑环境温度造成的损失。然而，出乎意料的是，特别对于供暖循环泵来说，在所述存在的结构形式中所述的损失可以忽略，然而，在某些情况下所述损失可能也要考虑。

所述的方法尤其可用于与变频器串接并具有中小功率的永磁同步电机上，然而其应用不仅限于此。

如今在市场上可以买到的可用于所述电机的转子中的磁体，就其磁性而言具有相对大的误差。当此种磁体用于永磁同步电机中时，如根据图5按照方框图所示出的那样，按照本发明的另一个实施形式可以在确定转子温度时考虑所述误差。由方框D示出的检测器对应于根据图3的检测器，其也可如图2中特别是如方框C的上述说明那样通过参数确定来实现其作用。同样，可以根据方框D或C以前述方法来确定转子磁通量λ_m以及定子电阻R_s。然而，以与前述方法不同的方式来确定材料常数λ_m0、温度T_m0时的转子磁通量、以及温度T_s0时的定子电阻R_s0。这根据图5在方框F中实现，即借助热力学模型和参数确定来实现。此外，转子磁通量、定子电阻和定子内部损耗的时间变化也要进行确定，从而确定磁体和/或定子的与温度确定相关的材料常数，其中最终值典型的可以表格形式确定，因为这些值通常不会有大的变动。

这些材料常数的确定可以根据下面的公式进行：

公式（7） $\frac{{\mathrm{dR}}_s}{\mathrm{dt}}=-a_1{R}_s+a_2{\mathrm{\λ}}_m+a_3+a_4{P}_{\mathrm{loss}}$

公式（8） $P_{\mathrm{loss}}=R_s{i}_{\mathrm{sa}}^2+R_s{i}_{\mathrm{sb}}^2+R_s{i}_{\mathrm{sc}}^2$

公式（9） $S=\frac{B_m}{a_1}$

公式（10） $R_{s0}=a_4\frac{S}{{\mathrm{\α}}_s}$

公式（11） ${\mathrm{\λ}}_{m0}=\frac{S}{{\mathrm{\β}}_m}\frac{a_1{a}_4}{a_2}$

其中：

V_sa,V_sb,V_sc为电机的三相实际电压，

i_sa,i_sb,i_sc为电机的三相实际电流，

λ_m为转子磁通量，

R_s为定子电阻，

λ_m0为温度T_m0时的转子磁通量，

R_s0为温度T_s0时的定子电阻，

T_m为转子温度，

T_s为定子温度，

P_loss为定子内部损耗，

a₁,a₂,a₃,a₄为用来描述定子电阻、转子磁通量和定子内部损耗之间动态关系的常数，

s为定子的热容量，

B_m为定子和流体之间的热阻，

α_s为定子电阻的温度系数，以及

β_m为磁体的温度系数。

随后根据方框N和O，以所述方法确定的常数λ_m0和R_s0可用于计算转子温度T_m和定子温度T_s，其原理可同样根据图2和图3中所述的方框N和O来实现。

Claims (24)

1.一种由永磁电机驱动的离心泵输送的流体温度的获取方法，所述离心泵的转子在充满流体的分离管内部运转，其中，根据所述电机的用电量确定转子的磁通量λ_m，借助该磁通量确定转子温度T_m，并根据所述转子温度确定输送流体的温度，其中，

λ_m=λ_m0(1+β_m(T_m-T_m0))    公式（1）

$T_m=\frac{{\mathrm{\λ}}_m+({\mathrm{\β}}_m{T}_{m0}-1){\mathrm{\λ}}_{m0}}{{\mathrm{\β}}_m{\mathrm{\λ}}_{m0}}$     公式（1′）

其中，

λ_m为转子磁通量，

λ_m0为温度T_m0时转子磁通量，

β_m为电磁体的温度常数，并且

T_m为转子温度，

其中，所述转子温度等于所述输送的流体温度。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述转子在输送流体流过的分离管内部运转。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述电机由变频器控制，该方法借助该变频器的变频电子元件来完成。

4.按照权利要求3所述的方法，其中，所述变频电子元件是数字变频控制元件。

5.按照权利要求1所述的方法，其中，为了得到转子的磁通量，使电机在运行时与电源网络分离，并测量在定子中的感应电压。

6.按照权利要求5所述的方法，其中，测量至少一个周期内的所述定子中的感应电压。

7.按照权利要求6所述的方法，其中，所述周期是所述电机旋转一周。

8.按照权利要求6所述的方法，其中，在一个周期内至少完成十次测量，基于该测量的结果确定电磁通量。

9.按照权利要求1所述的方法，其中，所述转子磁通量是在所述电机运行时进行确定的。

10.按照权利要求1所述的方法，其中，通过在所述电机运行时的参数测量并在实际电压和电流值的基础上来确定转子磁通量。

11.按照权利要求9所述的方法，其中，通过在所述电机运行时的参数测量并在实际电压和电流值的基础上来确定转子磁通量。

12.按照权利要求1所述的方法，其中，在所述电机运行时通过检测器并在实际电压和电流值的基础上确定转子磁通量。

13.按照权利要求9所述的方法，其中，在所述电机运行时通过检测器并在实际电压和电流值的基础上确定转子磁通量。

14.按照权利要求12所述的方法，其中，借助检测器，一方面可以在数学电机模型中确定电机电流，另一方面可以通过测量来确定电机电流，其中，如此确定的电流可以彼此比较，并根据比较结果来确定转子磁通量。

15.按照权利要求13所述的方法，其中，借助检测器，一方面可以在数学电机模型中确定电机电流，另一方面可以通过测量来确定电机电流，其中，如此确定的电流可以彼此比较，并根据比较结果来确定转子磁通量。

16.一种由永磁电机驱动的离心泵输送的流体温度的获取方法，所述离心泵的转子在充满流体的分离管内部运转，其中，在所述电机运行时建立电机的热平衡表和/或功率平衡表，并且根据所述平衡表来确定转子温度T_m，并根据所述转子温度确定输送流体的温度，

所述转子温度T_m根据下列公式来确定：

T_M=f₁(I_rms,T_m)

=3λ_m0(1+β_m(T_m-T_m0))I_rms               （4）

$T_M=f_2(P_1,I_{\mathrm{rms}},f,T_s)$

$=\frac{P_1-(3R_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_s(T_s-T_{s0})){I_{\mathrm{rms}}}^2+k_{F}f+k_{\mathrm{Iron}}{\mathrm{fI}}_{\mathrm{rms}}+P_{l0})}{2\mathrm{\πf}}---\left(5\right)$

$T_s=f_3(I_{\mathrm{rms}},T_m)$

$=\frac{1}{B_m}3R_{s0}(1+{\mathrm{\α}}_s(T_s-T_{s0})){I_{\mathrm{rms}}}^2+T_m---\left(6\right)$

其中，

T_M为电机转矩，

λ_m0为温度T_m0时的转子磁通量，

β_m为磁体的温度系数，

T_m0为转子磁通量为λ_m0时的温度，

I_rms为相电流的有效值，

P_l为电机吸收的功率，

R_s0为温度T_s0时的定子电阻，

α_s为定子电阻的温度系数，

T_s为定子温度，

T_s0为定子电阻为R_s0时的定子温度，

k_F为转子的固有损耗，

f为电机的电源频率，

k_Iron为定子的铁损，

P_l0为变频器的损耗，以及

B_m为定子和流体之间的热阻

其中，所述转子温度等于所述输送的流体温度。

17.按照权利要求16所述的方法，其中，在所述电机运行时根据所述电机吸收的电功率、相电流，并根据所述电机上的电压频率来确定转子温度。

18.按照权利要求17所述的方法，其中，所述相电流为相电流的有效值。

19.按照权利要求16所述的方法，其中，在所述电机运行时根据所述电机吸收的电功率、相电流，并根据所述电机上的电压频率来确定转子温度。

20.按照权利要求19所述的方法，其中，所述相电流为相电流的有效值。

21.按照权利要求17所述的方法，其中，根据与所述电机串接在一起的变频器的中间回路电流以及中间回路电压来确定所述电机吸收的电功率。

22.按照权利要求19所述的方法，其中，根据与所述电机串接在一起的变频器的中间回路电流以及中间回路电压来确定所述电机吸收的电功率。

23.按照权利要求1或16所述的方法，其中，根据所述转子磁通量、定子电阻以及定子内部损耗的时间变化来确定与温度确定相关的磁体和/或定子的材料常数。

24.按照权利要求23所述的方法，其中，所述材料常数的确定根据下列公式来实现：

$\frac{{\mathrm{dR}}_s}{\mathrm{dt}}=-a_1{R}_s+a_2{\mathrm{\λ}}_m+a_3+a_4{P}_{\mathrm{loss}}---\left(7\right)$

$P_{\mathrm{loss}}=R_s{i}_{\mathrm{sa}}^2+R_s{i}_{\mathrm{sb}}^2+R_s{i}_{\mathrm{sc}}^2---\left(8\right)$

$S=\frac{B_m}{a_1}---\left(9\right)$

$R_{s0}=a_4\frac{S}{{\mathrm{\α}}_s}---\left(10\right)$

${\mathrm{\λ}}_{m0}=\frac{S}{{\mathrm{\β}}_m}\frac{a_1{a}_4}{a_2}---\left(11\right)$

其中，

i_sa,i_sb,i_sc为电机的三相实际电流，

λ_m为转子磁通量，

R_s为定子电阻，

λ_m0为温度T_m0时的转子磁通量，

R_s0为温度T_s0时的定子电阻，

T_m为转子温度，

T_s为定子温度，

P_loss为定子内部损耗，

a₁,a₂,a₃,a₄为用来描述定子电阻、转子磁通量和定子内部损耗之间动态关系的常数，

s为定子的热容量，

B_m为定子和流体之间的热阻，

α_s为定子电阻的温度系数，以及

β_m为磁体的温度系数。

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