CN102439318B - 用于确定做功机械的工作点的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定做功机械的和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点的方法和装置，其中，由做功机械所消耗的功率和/或其输送量表征工作点，做功机械的一个或多个取决于工作点的测量参数通过一个或多个传感器来检测且测量值在做功机械的运行期间被评估并且/或者保存。在不使用驱动的异步电动机的电气测量参数的情况下工作点以如下方式来确定，即，由机械的测量参数即压力、压力差、力、振动、固体传声或空气传声中的一个，借助于信号分析、尤其频率分析来确定与做功机械的转动声音线性成比例的频率。由此确定做功机械的转速(n)且由此在使用异步电动机(52)的转速-转矩相关性(M(n))的情况下确定通过由做功机械所消耗的功率(P₂)和/或其输送量(Q)表征的工作点。

Description

用于确定做功机械的工作点的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定做功机械(Arbeitsmaschine)和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点的方法，其中，由做功机械所消耗的功率和/或其输送量表征工作点，做功机械的一个或多个取决于工作点的测量参数通过一个或多个传感器来检测且测量值在做功机械的运行期间被评估并且/或者保存。另外，本发明涉及一种用于监控工作点的方法。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的装置。

背景技术

为了确保做功机械的可靠的且有效率的运行，其工作点必须是已知的。

在由泵和驱动该泵的异步机器构成的泵组件、尤其离心泵组件的运行中，关于其工作点的说明经常是必需的。流动做功机械、尤其离心泵(在其输送流量-扬程(Foerderhoehe)特性曲线或Q-H特性曲线上)的工作点尤其通过其输送流量(下面也称为输送量)来表征。对于它的确定，存在不同的可能性。它可经由输送流量的测量或通过压力测量来确定。在后者的情况下，通常测量在泵的压力侧与抽吸侧之间的压力差。扬程作为由压力差、密度和重力加速度构成的商数被估量。在水作为输送流体的情况下，1bar压力差对应于大约10米的扬程。此外，离心泵的工作点通过电气的测量来确定，其中，在考虑电动机的效率的情况下由电流测量和电压测量来计算所发出的电动机功率。

输送量的直接测量通常要求磁感应的流量测量仪。输送量在计算的路径上的间接确定关联有附加的困难。如果输送量例如从输送流量-扬程特性曲线(Q-H特性曲线)(在其中关于输送流量描绘扬程H)的或输送流量-功率特性曲线(Q-P特性曲线)(在其中关于输送流量Q描绘功率P)的值中被推导出，则这在那些在其中存在平的或不连续上升的Q-H特性曲线或Q-P特性曲线的情况中是困难的或完全不可能的。如果输送量应利用从离心泵的Q-H特性曲线中测得的压力来确定，则Q-H特性曲线须是单一的(eindeutig)，即每个H值可精确地关联有一个Q值。在实践中，该条件经常不被满足。Q-H特性曲线或者太平或者完全不明确。当输送量Q借助于从输送流量-功率特性曲线(Q-P特性曲线)测得的功率消耗来确定时，也存在相同的问题。Q-P特性曲线的走向也经常是平的或完全不单一的。

通过文件WO 2005/064167A1已知一种上述方法的组合。它引起巨大的在测量技术上的成本，这是因为不仅须测量泵的压力差而且须测量电气功率。

在实践中，电动机-泵总成的电气功率消耗的测量关联有一些成本。有效功率测量在开关柜中实现，在该处要求尤其用于通过电流转换器测量电动机电流的地方且引起可由电工花费的装配成本。

在文件DD 258 467 A1中描述了一种用于确定感应电动机的功率和/或力矩的组件和方法。无接触开关布置在感应电动机的转子处用于检测电动机轴的每次旋转的一个或多个脉冲，并且用于从网络频率(Netzfrequenz)确定同步转速的脉冲形成器级(Impulsformerstufe)在电网与微计算器之间被接通。附加地，该组件具有用于检测电动机的温度的装置和微计算器(在其中所有测量数据被检测且为了调整进一步的流程而被评估)。感应电动机的功率和/或力矩由电动机转速的一个或多个周期的时间和同步转速的一个或多个周期的时间来确定。感应电动机的功率和/或力矩通过电动机轴在所谓的门时间(Torzeit)(其通过同步转速的一个或多个周期来确定)内的脉冲的计数来确定。为了确定功率和/或力矩使用“Kloss方程”。该方法要求多个输入变量，其中也包括由电气测量参数确定的同步转速。附加地，结果须根据电动机的工作温度来修正，这以每种电动机类型需要的修正因子的事先的在测量技术上的确定和保存为前提。该组件设计较复杂。在工业实践中，该方法证实为不合适的。特别不利的是，如即使在异步电动机的有效功率消耗通过有效功率测量仪和电流转换器的传统的测量中，这种组件通过电工安装是一定需要的。

通过文件DE 10 2006 049 440 A1已知一种用于识别在泵设备中的泵、尤其离心力泵或容积式泵的工作状态的方法。该方法和其装置用于相比所保存的正常状态识别泵、泵设备和液压设备的错误的工作状态。压力传感器检测在输送介质中的在时间上的压力曲线。算得的特征值表征压力曲线和/或流动曲线在计算时间间隔中的脉动。通过比较算得的特征值与至少一个预先给定的特征值或与由该预先给定的特征值所限定的特征值范围(其中，预先给定的特征值或由其所限定的特征值范围对应于泵的感兴趣的工作状态)，确定且发出工作状态。对于带有所联接的压力传感器和附加的振动传感器的诊断仪，泵的转速由压力传感器信号确定且被提供给振动传感器。对此的原因未被公开。转速信息还有任何其它的参数均未提供对此的说明，即，在Q-H特性曲线或者Q-P特性曲线上的哪个工作点和/或在哪个所消耗的功率的情况下运行泵。利用该方法仅指示与事先确定的且保存的参考值的偏差。

DE 196 18 462 A1公开了另一种用于确定能量转换装置的外在的功率参数(如通过由电机驱动的离心泵的体积流量或质量流量)的方法和装置，在其中取决于工作状态的内在的变量被连续地确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法和装置供使用，通过该方法和装置，做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的当前的工作点的较便宜的且可靠的确定和必要时的监控是可能的。

该目的根据本发明由此实现，即，工作点在不使用驱动的异步电动机的电气测量参数的情况下被确定，即，由机械的测量参数即压力、压力差、力、振动、固体传声(Koerperschall)或空气传声，借助于信号分析、尤其频率分析来确定与做功机械的转动声音(Drehklang)线性成比例的频率，其中，由此确定驱动机械的转速且由异步电动机的由转差率决定的转速-转矩相关性确定工作点。

根据本发明，工作点在不使用电气测量参数的情况下被确定。代替地，由测得的机械的测量参数的信号曲线确定与做功机械的转动声音线性成比例的频率，尤其做功机械的转动声音频率。接下来简化地讨论转动声音频率。该转动声音频率由转速与振荡的或旋转的构件的激发振动的结构的数量(尤其泵工作轮的叶片数量)的乘积得出。由此确定做功机械的转速且在所保存的数据的辅助下确定由做功机械所消耗的功率(下面也称作轴功率)和/或其输送量。压力(尤其在离心泵的压力侧上的压力)、压力差(尤其在离心泵的抽吸侧与压力侧之间的压力差)、力、振动、固体传声或空气传声(尤其离心泵的或由离心泵所引起)等等适合作为机械的测量参数。做功机械的工作点可由唯一的、非电气测量参数来确定。通过放弃电气测量参数，可相对成本有利地且以最简单的安装耗费执行根据本发明的用于工作点确定的方法。

本发明的一种设计方案设置成，做功机械的所消耗的功率通过以下步骤来确定：

-尤其通过预先给定的电动机参数即设计功率和设计转速、必要时同步的转速、停转力矩(Kippmoment)、停转转速或停转转差率确定电动机的转速-转矩特性曲线。

-由电动机的经确定的驱动转速和转速-转矩特性曲线确定电动机的所消耗的功率或转矩。

用于确定电动机的转速-转矩特性曲线的必要的参数由异步电动机的铭牌数据推导出，例如设计转矩或额定转矩M_N由异步电动机的设计功率P_2N和额定转速n_N的商数得出：

$M_N=\frac{P_{2N}}{{\mathrm{\ω}}_N}=\frac{P_{2N}}{2\·\mathrm{\π}\·n_N}---\left(1\right)$

在异步电动机的已知的停转力矩M_K和/或停转转差率S_K的情况下，利用Kloss方程

$\frac{M}{M_k}=\frac{2}{\frac{s}{s_k}+\frac{s_k}{s}}---\left(2\right)$

描绘出异步电动机的转速-转矩特性曲线、n-M特性曲线。利用异步电动机的转差率s

$s=\frac{n_0-n}{n_0}---\left(3\right)$

得出n-M特性曲线的走向

$M=\frac{2\·M_K}{\frac{n_0-n}{n_0-n_K}+\frac{n_0-n_k}{n_0-n}}---\left(4\right)$

带有停转转速n_k

$n_k=n_0\·(1-(\sqrt{{(\frac{M_k}{M_N}\·\frac{n_0-n_N}{n_0})}^2-{\left(\frac{n_0-n_N}{n_0}\right)}^2}+\frac{M_k}{M_N}\·\frac{n_0-n_N}{n_0}))---\left(5\right)$

替代地，在做功机械的工作范围中异步电动机的转速-转矩特性曲线可以被近似为穿过由在额定转速n_N下的额定转矩M_N所给定的点(M_N；n_N)和由在同步的转速n₀下的转矩M等于零所给定的点(M＝0；n₀)的直线。那么得出异步电动机的下面的、近似的或简化的转速-转矩特性曲线、n-M特性曲线，其走向通过下面的公式来描述：

$M\left(n\right)=M_N\·\frac{n-n_0}{n_N-n_0}---\left(6\right)$

由做功机械所消耗的功率的确定由事先确定的驱动转速(下面也称作轴转速)和电动机的转速-转矩特性曲线、n-M特性曲线实现。轴功率P₂相对转矩M和转速n的关系通过该方程给定：

P₂＝ω·M＝2·π·n·M    (7)

根据本发明，做功机械(尤其泵)的工作点(通过其所消耗的功率来表征)被确定。这利用现有的、布置在泵处的传感器实现。

在泵、尤其离心泵作为做功机械的情况下，一种有利的设计方案设置成由其驱动转速确定其输送量。由非电气测量参数的信号曲线，借助于信号分析、尤其频率分析例如通过快速傅里叶变换(FFT)或自相关来确定转动声音频率。由此确定驱动转速。在离心泵作为做功机械的示例中，转速得出为转动声音频率f_D与工作轮的叶片数z的商数：

$n=\frac{f_D}{z}---\left(8\right)$

借助于转速-转矩相关性可由转速确定轴功率和/或输送量。电气变量的测量被取消，由此用于执行工作点确定的耗费相对于基于电气有效功率测量的传统的工作点确定而显著降低。同样地，相对于输送量的直接测量(例如借助于超声-流量测量技术或磁感应流量测量技术)存在巨大的成本优势，这是因为所使用的机械的测量参数即压力、压力差、力、振动、固体传声或空气传声，被更便宜地检测和处理。

证实为适宜的是，泵的输送量从由驱动转速确定的所消耗的功率或轴功率来确定。由驱动转速或轴转速，首先如先前所描述的那样在已知的n-M特性曲线或由此推导出的n-P特性曲线的辅助下根据公式(7)确定泵的轴功率。在下面的步骤中，由轴功率借助于所保存的Q-P特性曲线确定泵的输送量Q。

泵的输送量可由电动机的描述电动机的转速-转矩特性曲线的参数以及由泵的描述输送流量-功率特性曲线的参数和驱动转速来确定。Q-P特性曲线例如可以以带有多个支点(Stuetzpunkt)(下标_{_1}至_{_i})的参数表格的形式来描述。在工作点确定期间，该方法利用这种提前保存的表格，以便于由轴功率确定输送量：

输送量Q  Q_{_1}  Q_{_2}  Q_{_3}  … Q_{_i}

轴功率P₂ P_{2_1} P_{2_2} P_{2_3} … P_{2_i}

该表格可附加地包含用于相应的转速的支点，以此由所确定的转速直接确定输送流量变得可能。

尤其在Q-P特性曲线的不单一的区域中，为了进一步改善该方法可附加地引用扬程或压力差用于确定泵的输送量。此外，在确定工作点时不仅可考虑Q-P特性曲线而且可考虑Q-H特性曲线。对此，例如商值P₂/H可被保存：

输送量Q   Q_{_1}      Q_{_2}      Q_{_3}      … Q_{_i}

轴功率P₂  P_{2_1}     P_{2_2}     P_{2_3}     … P_{2_i}

扬程H     H_{_1}      H_{_2}      H_{_3}      … H_{_i}

商数P₂/H  P_{2_1}/H_{_1} P_{2_2}/H_{_2} P_{2_3}/H_3 … P_{2_i}/H_{_i}

同样地设置成由示出取决于负荷的转速变化对泵的输送量的特性曲线来确定离心泵的输送量。这种转速-输送量特性曲线可由电动机的转速-转矩特性曲线与输送流量-功率特性曲线相联系地来计算。

输送量Q  Q_{_1}  Q_{_2}  Q_{_3}  … Q_{_i}

轴功率P₂ P_{2_1} P_{2_2} P_{2_3} … P_{2_i}

转速n    n_{_1}  n_{_2}  n_{_3}  … n_{_i}

替代地，在不了解Q-P特性曲线和Q-H特性曲线的情况下也可确定用于由取决于负荷的转速变化确定输送量的特性曲线。对此，在泵的例如在调试的情况下实现的试运转中，在带有已知的输送量的多个工作点(其中包括例如Q₀即输送流量等于零，和Q_max即最大允许的输送流量)中确定且保存相应的工作转速。由此，下面得出通常示出的参数表格：

输送量Q  Q_{_1}  Q_{_2} Q_{_3} … Q_{_i}

转速n    n_{_1}  n_{_2} n_{_3} … n_{_i}

替代地可能的是，在泵的惯常的运行期间“通过学习(lernend)”确定且保存转速。因此，对于带有在其中P与Q成比例地严格单调升高的Q-P特性曲线的离心泵，例如对于带有径向轮的大多数泵，出现的最大转速关联于出现的最小功率消耗和最小的输送流量，必要时对于关闭的阀即为零输送流量。如果转速在运行中再次降低，则推断出增加的输送流量。因此，在离心泵的运行持续时间上，在(Q_min’；n_max’)和(Q_max’；n_min’)(其在所研究的运行时间段中出现)的界限中的运行范围被习得，而对此不测量或确定Q的具体的值。所习得的界限值被用于分类离心泵的在在所研究的运行时间段中出现的最小与最大的输送流量Q_min′与Q_max′之间的相应地目前的输送流量。

根据该设计方案，异步电动机的转速-转矩相关性同样被使用。在此，本发明利用该知识，即，该相关性引起在输送流量范围上的可评估的转速变化。利用这种特性曲线(其通常对于泵而言不被记录)可直接由转速确定离心泵的输送量。

一种方法是特别可靠的，据此由一个或多个压力传感器的测量值确定用于确定泵、尤其离心泵的工作点的驱动转速或轴转速。在此，适宜的是，压力传感器合适用于动态测量压力、尤其脉动的压力。泵、尤其离心泵的通过轴功率和/或输送量来表征的工作点即仅由一个或多个压力传感器的测量值来确定。在离心泵处，使用一个或多个压力传感器，以便检测离心泵的抽吸压力和/或最终压力。压力传感器(尽管设置用于测量静态压力)大多数同样适合用于压力的动态测量。试验显示，标准压力传感器动态地且无阻尼地直至大约1kHz的频率范围地检测压力。这种压力传感器能够检测在离心泵内部出现的脉动的压力。根据本发明的方法对于在泵的压力侧上使用仅仅一个压力传感器的情况下的许多应用而言获得足够的精度。附加地，可在泵的抽吸侧上设置有压力传感器。同样地设置成评估在泵的压力侧与抽吸侧之间的泵压力差(可通过压差传感器获得)。通过根据本发明的方法，可在不使用附加的传感器的情况下仅由一个或多个压力传感器信号成本有利地确定工作点。

另一设计方案设置成，用于确定做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点的驱动转速由一个或多个固体传声传感器和/或空气传声传感器的测量值来确定。在此，固体传声传感器和/或空气传声传感器可布置在做功机械处和/或在驱动该做功机械的异步电动机处。这些传感器也可布置在做功机械的周围环境中。在各种情况下，由检测机械的测量参数的传感器的信号检测与做功机械的转动声音线性成比例的频率，由此确定做功机械的转速。并且，由此在使用异步电动机的转速-转矩相关性的情况下确定工作点。

根据本发明，经确定的工作点可接着被监控，该工作点是否处于预先给定的、允许的范围之内或之外。根据处于预先给定的范围之外的工作点辨认出做功机械和/或异步电动机的错误的工作状态，尤其过载或欠载。通过监控或评估离心泵的功率消耗，例如可推断在部分负荷中的运行或最佳的运行。在使用固体传声或空气传声作为测量参数的情况下，也可探测离心泵的干运转。试验显示，异步电动机的过载的根据本发明的探测可靠地且耐用地起作用。在相比于记录的且给定参数的功率消耗增加的功率消耗的情况下可推断泵或电动机的过载。意即，所以为增加的功率消耗的原因也可以是供给侧的低压，这导致增加的转差率。在这种情况下，对于由泵和电动机构成的总成的诊断过载还是准确的，这是因为在低压和因此增加的转差率的情况下电动机的电流消耗增加。当电网电压处于公差之外并且例如处于比额定电压低多于10％时，那么该影响是重要的。在这种情况中，尽管实际所消耗的功率处于额定功率之下，在额定转速n＝n_N的情况下推断P₂＝P₂N。如果转速进一步下降(即n＜n_N)，则推断泵或电动机的过载，这是正确的，因为与电流成比例的损失、尤其异步电动机的转子损失上升，这致使电动机的过度的加热。

对于用于确定做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点的装置(其设有一个或多个用于检测取决于工作点的测量参数的输入端)，根据本发明设置成，该装置具有用于做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的技术数据的数据存储器，且由机械的测量参数即压力、压力差、力、振动、固体传声或空气传声，借助于信号分析尤其频率分析确定与做功机械的转动声音线性成比例的频率，由此确定驱动机器的转速且由此在使用异步电动机的由转差率决定的转速-转矩相关性的情况下由非电气测量参数在不使用驱动的异步电动机的电气测量参数的情况下确定且必要时监控工作点。

在数据存储器中，可保存描述异步电动机的转速-转矩相关性的电动机参数和/或做功机械装置的其它的技术数据。可在做功机械的运行期间为了确定工作点取用这些数据。电气测量参数通过该装置的检测不是必需的。该装置可由唯一的测量信号(例如压力传感器信号)确定做功机械的工作点。

根据本发明的一个设计方案，该装置通过以下步骤确定做功机械的所消耗的功率：

-尤其通过预先给定的电动机参数即设计功率和设计转速、必要时同步的转速、停转力矩、停转转速或停转转差率确定电动机的转速-转矩特性曲线。

-由电动机的转速-转矩特性曲线和驱动转速确定电动机的所消耗的功率或转矩。

在泵、尤其离心泵作为做功机械的情况下设置成，泵的输送量的确定由驱动转速实现。在泵处仅检测机械的测量参数。由所确定的转动声音频率确定泵的驱动转速或轴转速。

相对于输送量的直接测量例如借助于超声-流量测量技术或磁感应流量测量技术存在巨大的成本优势。相对于基于电气有效功率测量确定输送量，耗费和成本也被最小化。

该装置可布置在泵处、在其驱动电动机处或在其周围环境中并且/或者与泵或其驱动电动机集成地实施。

该装置可从由驱动转速或轴转速确定的所消耗的功率或轴功率确定泵、尤其离心泵的输送量。

证实适宜的是，该装置由电动机的描述电动机的转速-转矩特性曲线的参数以及由泵的描述输送流量-功率特性曲线的参数和驱动转速或轴转速确定泵、尤其离心泵的输送量。

同样良好地设置成，装置直接由示出取决于负荷的转速变化对泵的输送量的特性曲线确定泵、尤其离心泵的输送量。这种特性曲线可通过试运转来确定且被保存在数据存储器中，使得它在离心泵的运行期间可取用。此处，异步电动机的转速-转矩相关性仍然被使用，其导致在输送流量范围上的转速变化。由此可特别简单地确定通过由做功机械所消耗的功率和/或其输送量所表征的工作点。

当该装置具有至少一个用于压力传感器的接口且由所联接的压力传感器的测量值确定用于确定做功机械的工作点的驱动转速或轴转速时，这是理想的。用于检测静态压力的压力传感器同样能够检测动态的压力波动。这种压力传感器总归被安装在许多泵处，尤其为了检测其最终压力。用于借助于例如在可编程存储的控制部处或在变频器处的模拟输入端检测压力传感器信号的常用设备通常使得能够利用经过滤的、即在动态中经衰减的测量值。对于检测根据本发明所感兴趣的动态压力信号部分，这种输入端太缓慢且不灵敏。

测量装置的能够检测在若干千赫兹的频率范围中的信号部分的高动态的输入端，在工业实践中大多数不足够耐用且此外较昂贵。

根据本发明的装置由此区别于所提及的工业常用装置，即，它使得能够在伴随较高的动态的情况下检测压力信号的脉动的部分。由此在感兴趣的频率范围中确保脉动的压力部分的频率的精确确定。适宜地，该装置具有用于直至大约500Hz的信号部分的输入端，其中，输入端过滤器(Eingangsfilter)的临界频率相应更高。

证实为有利的是，对于确定的泵所感兴趣的频率范围是整个测得的频率范围的通过下和上转动声音频率f_{D_min}或者f_{D_max}所限定的较小的区段。因此，可相应地选择性地且精确地实现评估。在离心泵的示例中，感兴趣的频率范围在已知叶片数z的情况下通过下和上转动声音频率f_{D_min}或者f_{D_max}的界限来预先给定：

f_{D_min}＝n_min·z和f_{D_max}＝n_max·z    (9，10)

在此，最小的转速n_min和最大的转速n_max由驱动离心泵的异步电动机的参数已知。简化地，最小的转速可由n_N计算，例如

n_min＝0.95·n_N(11)

并且/或者最大的转速可假定为

n_max＝n₀(12)

随着异步电动机的效率优化伴随有作为轴转速与同步转速的偏差的转差率的最小化。带有22kW和更大的额定功率的IEC标准电动机通常具有低于2％的额定转差率，对于更大的功率，转差率还更小且甚至可处于1％之下。由此得出，最小与最大的转速和最小与最大的转动声音频率可处于彼此非常接近。为了可由转动声音频率确定工作点，它们必须被非常精确地确定。因此，该装置根据本发明具有信号处理单元，其优选地以1/10赫兹或若干1/100赫兹精度执行转动声音频率的精确确定。这借助于非常高的扫描频率和/或通过相应较长的扫描间隔实现。

在此，脉动的压力部分的幅度相对较小。在具体的示例中，脉动的信号部分的幅度为小于压力的1％。该装置相应较高地分辨压力信号的测量范围，使得压力脉动尽管较小的幅度仍然在模拟-数字转换之后可毫无问题地分析，即转动声音频率可被确定。根据本发明的装置因此使得泵的可靠的工作点确定成为可能。

替代地和/或附加地，该装置可具有至少一个用于固体传声传感器和/或空气传声传感器的接口，且由所联接的固体传声传感器和/或空气传声传感器的测量值确定用于确定做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点的驱动转速。

为了检测取决于工作点的噪声测量参数，该装置适宜地可与麦克风相连接或具有集成的麦克风。

在此，当该装置是用于做功机械的工作噪声的检测且用于工作点确定和/或监控的电话、尤其移动电话时，这是有利的。这种装置利用根据本发明的方法。对此，在该装置的数据存储器中可保存可由处在该装置中的计算单元完成的程序流程。

该装置也可在空间上与做功机械分开地确定且必要时监控其工作点。在此设置成，该装置利用通讯器件、尤其电话或移动电话和通讯网络，以便在不同于做功机械的工作地点的地点处执行工作点确定和/或监控。在此，通讯器件用作信号检测器件和/或信号传输器件。例如，移动电话借助于所安装的麦克风可检测做功机械的固体传声信号和/或空气传声信号且借助于通讯网络传输到用于工作点确定和/或监控的与做功机械在空间上分开的装置处。

在由至少一个带有轴和驱动该轴的异步电动机且带有一个或多个用于检测取决于工作点的测量参数的传感器的离心泵构成的离心泵组件中可有利地利用本发明。该装置可布置在离心泵处并且/或者集成到离心泵和/或异步电动机中。也可设置成在离心泵组件的周围环境中的布置或在空间上分开的布置。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出且接下来作进一步描述。其中：

图1a显示了离心泵的Q-H特性曲线，

图1b显示了离心泵的Q-P特性曲线，

图2显示了根据本发明的方法的总的示意性图示，

图3显示了用于确定工作点的第一方法的方法步骤的示意性图示，

图4a显示了在离心泵的出口处的压力曲线，

图4b在详细视图中显示了压力曲线，

图5a显示了异步电动机的转速-转矩特性曲线，

图5b显示了异步电动机在其工作范围中的简化的转速-转矩特性曲线，

图6a、6b显示了异步电动机的由此推导出的n-P特性曲线，

图7显示了在使用取决于负荷的转速-输送流量特性曲线的情况下的一个替代的方法的示意性图示，

图8显示了取决于负荷的转速-输送流量特性曲线，

图9显示了用于工作点确定的组合的方法的示意性图示，

图10显示了带有用于由测得的压力脉动确定工作点的根据本发明的装置的离心泵组件，

图11显示了带有用于以移动电话的形式确定工作点的根据本发明的装置的离心泵组件，以及

图12显示了带有利用移动电话和通讯网络以便在不同于离心泵的工作地点的地点处执行工作点确定的装置的另一布置。

具体实施方式

图1a显示了离心泵的输送流量-扬程特性曲线2(所谓的Q-H特性曲线)。根据现有技术，由在离心泵的压力侧与抽吸侧之间测得的压力差可确定泵的扬程H，且经由输送流量-扬程特性曲线2可确定离心泵的工作点。然而，这样的工作点确定在较小输送流量的范围中是不充分的，在该范围中输送流量-扬程特性曲线2是不单一的或不稳定的。这种不稳定的特性曲线引起，即在确定的测得的压力差的情况下对于一个确定的扬程H存在两个输送流量值3、4。因此不能明确地推断离心泵的输送量Q(H)。

图1b显示了离心泵的输送流量-功率特性曲线10(所谓的Q-P特性曲线)。此处所显示的输送流量-功率特性曲线10是单一的，使得利用关于泵的功率消耗的信息，关于泵的输送量Q(P)和因此关于其工作点的说明是可能的。在实践中，离心泵总成的电气功率消耗的测量关联有一些成本，因为该测量在开关柜中实现且引起可由电工花费的装配成本。不仅Q-H特性曲线2而且Q-P特性曲线10对于确定的离心泵典型地被记录。

图2显示了根据本发明的方法21的总的示意性图示，在该方法中做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的工作点在不使用驱动的异步电动机的电气测量参数的情况下被确定。在机械的测量参数的检测22之后，在步骤23中由测量参数借助于信号分析、尤其频率分析来确定与做功机械的转动声音线性成比例的频率、转动声音频率f_D。由此在接下来的步骤24中确定做功机械的转速n。并且在另一步骤25中确定通过由做功机械所消耗的功率(此处标以P₂)和/或其输送量Q表征的工作点。根据本发明，对此使用驱动做功机械的异步电动机的由转差率决定的转速-转矩相关性。如此确定的工作点在步骤29中供进一步的处理和/或指示使用。

图3显示了用于确定工作点的方法21的方法步骤的相比图2更详细的示意性图示。所显示的是用于由测得的压力脉动或测得的固体传声或空气传声经由所存储的电动机模型和泵特性曲线确定输送流量或输送量Q的方法21。对于执行各个方法步骤所必需的参数可保存或者存储在数据存储器30中且可供执行各个方法步骤使用。必需的电动机参数(所发出的设计功率或额定功率P_2N和额定转速n_N)以及可选的电动机参数(电网频率f、极对数p或同步转速n₀)在此形成电动机模型，其适宜地存放在数据存储器30的第一部分31中。同步转速n₀也可由电网频率f和极对数p来确定或者由额定转速n_N作为最靠近它更高的在理论上可能的同步转速(例如3600min^-1、3000min^-1、1800min^-1、1500min^-1、1200min^-1、1000min^-1、900min^-1、750min^-1、600min^-1或500min^-1)推导出。如果已知，电动机的停转力矩M_K可选地可被保存。此外，最小的转速n_min和最大的转速n_max可被保存。在数据存储器30的第二部分32中，离心泵的输送流量-功率特性曲线(Q-P特性曲线)被保存。该特性曲线通过多个(i)基值(Stuetzwert)(P_{2_1}；Q_{_1})、(P_{2_1}；Q_{_2})、...(P_{2_i}；Q_{_i})给出。同样地，可使用离心泵的工作轮的叶片数z。在做功机械的运行期间，在步骤22中检测机械的测量参数的测量值。在方法步骤23中，此时例如在根据公式(9)的f_Dmin＝n_min·z和根据公式(10)的f_Dmax＝n_max·z的界限中借助于信号分析由信号脉动确定转动声音频率f_D。在进一步的方法步骤24中，由转动声音频率f_D和叶片数z确定泵的瞬时的驱动转速。适用如下：

$n=\frac{f_D}{z}---\left(8\right)$

在下一方法步骤25中，由如此确定的驱动转速n确定由电动机发出的功率P₂。在此适用如下：

P₂＝ω·M＝2·π·n·M    (7)

其中，

$M=\frac{2\·M_K}{\frac{n_0-n}{n_0-n_K}+\frac{n_0-n_k}{n_0-n}}---\left(4\right)$

由电动机发出的功率P₂对应于泵的轴功率。因此，可在下一方法步骤26中在泵的Q-P特性曲线的辅助下确定其输送量Q。由测量参数和其信号脉动，通过该方法在不测量电气测量参数的情况下确定做功机械(此处为离心泵)的工作点。

在图4a中根据时间t示出了压力的信号曲线p(t)，其在离心泵的出口处在离心泵的运行期间被测量。可辨认出的是，压力近似在保持相等的、恒定的水平上移动。

图4b在详细视图中显示了该压力曲线p(t)。可辨认出的是，在p(t)信号曲线中存在压力脉动。根据本发明认识到，该压力脉动可通过用于测量静态压力的市场上通用的压力传感器来检测。这种压力传感器总归安装在许多泵处，尤其以便检测其最终压力。这种压力传感器检测压力信号的脉动的部分。脉动的压力部分的频率(转动声音频率f_D)由周期持续时间T的倒数得出。根据本发明的方法在感兴趣的频率范围中确定脉动的压力部分的频率。感兴趣的频率范围在已知叶片数z的情况下通过下和上转动声音频率f_{D_min}和f_{D_max}的界限来预先给定。适用如下：

f_{D_min}＝n_min·z和f_{D_max}＝n_max·z    (9，10)

其中，n_min是驱动离心泵的异步电动机的最小转速而n_max是最大转速。这些或者是已知的或者可简化地计算出，例如通过

n_min＝0.95·n_N或(11)

n_max＝n₀(12)

其中，n₀是同步的转速。为了精确确定在感兴趣的频率范围内的转动声音频率，在根据本发明的方法中优选地以十分之一赫兹或甚至百分之几赫兹的精度执行转动声音频率的精确确定。这或者借助于非常高的扫描频率并且/或者通过相应较长的扫描间隔来实现。转动声音频率f_D借助于信号分析、尤其频率分析例如通过快速傅里叶变换(FFT)或自相关分析来确定。由转动声音频率f_D(如已说明的那样)可确定离心泵或驱动该离心泵的驱动电动机的驱动转速n。

图5a和5b用于方法步骤25的说明。图5a显示了异步电动机的转速-转矩特性曲线M(n)(下面也称作n-M特性曲线)。在这样的转速-转矩特性曲线M(n)中，关于异步电动机的转速n描绘转矩M。对于异步电动机本身已知的且典型的该特性曲线在对于额定转矩M_N和额定转速n_N的点(M_N，n_N)(这里圈出)处示出异步电动机的设计工作点或额定工作点。在同步的转速n₀的情况下，异步电动机的转矩等于0。根据公式得出转矩M(n)：

$M=\frac{2\·M_K}{\frac{n_0-n}{n_0-n_K}+\frac{n_0-n_k}{n_0-n}}---\left(4\right)$

图6a显示了异步电动机的由此推导出的转速-功率特性曲线或n-P特性曲线，其中：

$P_2\left(n\right)=\frac{4\·\mathrm{\π}\·n\·M_k}{\frac{n_0-n}{n_0-n_K}+\frac{n_0-n_K}{n_0-n}}---\left(13\right)$

在此，对于计算特性曲线M(n)或者P₂(n)所必需的电动机参数可由异步电动机的铭牌数据推导出。当仅由铭牌数据(设计功率P_2N和设计转速n_N)确定n-P特性曲线的走向时，在此是特别有利的。由这两个通常在每个异步电动机上在其铭牌上可见的参数可推导出同步的转速n₀。停转力矩M_K通常由制造商说明已知或可被近似地置于额定转矩的合适的倍数(例如三倍)上。停转转速n_K可根据公式(5)来计算。

在做功机械的工作范围中，来自图5的异步电动机的转速-转矩特性曲线可近似为穿过由在额定转速n_N下的额定转矩M_N所给定的点(M_N；n_N)和由在同步的转速n₀下的转矩M＝0所给定的点(M＝0；n₀)的直线。得出异步电动机的以下的简化的转速-转矩特性曲线(n-M特性曲线)。

$M\left(n\right)=M_N\·\frac{n-n_0}{n_N-n_0}---\left(6\right)$

该近似的或简化的转速-转矩特性曲线在图5b中示出且由此推导出的简化的转速-功率特性曲线在图6b中示出：

$P_2\left(n\right)=P_{2N}\·\frac{n-n_0}{n_N-n_0}---\left(15\right)$

在两种情况中，利用根据公式(15)的简化的线性的n-P特性曲线或在使用根据公式(13)的由Kloss’schen公式推导出的n-P特性曲线的情况下，可由驱动转速n在方法步骤25中确定由做功机械所消耗的功率P₂(n)。

利用做功机械的所消耗的功率P₂的了解且在使用Q-P特性曲线的情况下，输送量Q可在方法步骤26中被确定。

图7显示了在使用取决于负荷的转速-输送流量特性曲线或n-Q特性曲线的情况下的一个替代的根据本发明的方法21的示意性图示。在该方法中，在数据存储器33中保存叶片数z以及通过多个(i)基值(n_{_1}；Q_{_1})、(n_{_2}；Q_{_2})、...(n_{_i}；Q_{_i})给出的取决于负荷的转速-输送流量特性曲线n(Q)。根据本发明可认识到，在输送流量范围上存在可评估的转速变化。这种取决于负荷的转速-转矩特性曲线可在泵的正常的运行期间通过学习被确定且保存。替代地，在泵的试运转(其例如在泵的调试的情况下实现)中对于带有已知的输送量(其中包括例如Q₀、Q_max)的多个工作点确定且保存相应的工作转速。在图7中所示出的方法中再次实现测量参数的检测22且经由方法步骤23和24确定做功机械的驱动转速n。在图7中所显示的方法中，此时在方法步骤27中在基值(n_{_1}；Q_{_1})、(n_{_2}；Q_{_2})、...(n_{_i}；Q_{_i})的辅助下确定瞬时的输送量Q。因此，离心泵的输送量Q可直接由转速n确定。这种取决于负荷的转速-输送流量特性曲线(其通常对于泵而言不被记录)在图8中示出。

图9显示了一种用于确定Q的组合的方法，其不仅由扬程H而且由功率P₂执行工作点确定。在该方法中，压力侧的压力P₂的压力脉动也被用于确定轴功率P₂和输送量Q。该方法再次包括已在图3中所描述的方法步骤23、24和25。在数据存储器30中再次保存已在图3中所描述的参数以及Q-P特性曲线。附加地存放离心泵的输送流量-扬程特性曲线(Q-H特性曲线)。对此，用于Q-P特性曲线的支持表格(Stuetztabelle)以相应的扬程值H_{_1}、H_{_2}、...H_{_i}来补充。

为了确定输送量Q，在方法步骤28中根据一种组合的方法由离心泵的输送流量-扬程特性曲线和输送流量-功率特性曲线确定输送量。因此，可更精确地且更可靠地执行工作点确定。所需的扬程H在方法步骤15中由最终压力P₂和抽吸压力P₁来计算。

图10显示了离心泵组件50，在其中离心泵51经由轴53与驱动离心泵51的异步电动机52相连接。对此，异步电动机52由电网供给管路(Netzzuleitung)54供电。异步电动机52具有带有异步电动机52的独特的特性参数的铭牌55。在离心泵51的压力接管56处布置有用于测量离心泵51的压力侧的压力或最终压力的压力传感器57。压力传感器57经由管路58与根据本发明的装置61相连接。根据本发明的装置61评估压力传感器57的测量信号并且确定做功机械51的工作点。它对此利用根据本发明的方法。为了执行该方法，铭牌数据(额定功率P_2N和额定转速n_N)足以作为异步电动机的独特的特性参数。所有其它的电动机参数可由此导出或计算出。装置61具有适合用于检测压力信号的接口或信号输入端62。证实为适宜的是设计用于直至500Hz的信号部分的信号输入端62。这种输入段比可检测在若干千赫兹的频率范围中的信号的高动态的输入端成本更低，并且提供了足够快速的且灵敏的信号检测的可能性。此外，装置61具有信号处理单元64，其以足够的精度确定转动声音频率f_D。信号处理单元64能够以十分之一赫兹或百分之几赫兹的精度确定转动声音频率。它具有较高的扫描频率和/或具有相应较长的扫描间隔。在装置61中进行的(ablaufend)方法由计算单元65来控制和协调。此外，装置61具有指示单元和/或操作单元66。在该装置处可设置有这里未示出的、另外的压力传感器接口，其例如用于检测泵抽吸压力。此外，该装置可具有另外的、这里未示出的信号输入端和/或串行总线接口(例如用于参数的读入或读出)。

图11显示了一种由离心泵51和异步电动机52构成的离心泵组件和一种用于确定工作点的以移动电话71的形式的装置。该装置从由离心泵51传输的空气传声确定离心泵51的工作点。对此，移动电话71具有集成的麦克风72。在该实施例中，移动电话71利用根据本发明的方法。对此，可在移动电话71的(这里未示出的)数据存储器中保存对应的程序流程，其由处于移动电话中的(这里未示出的)计算单元来完成。

如在图12中所示，该装置也可在空间上与做功机械分开地确定其工作点。在图12中显示了与在图11中相同的由离心泵51和异步电动机52构成的离心泵组件。带有集成的麦克风72的移动电话71在离心泵51和异步电动机52的通过虚线变得可辨认的工作地点78处检测做功机械51的工作噪声。此外，移动电话71检测空气传声信号。用于工作点确定的装置61在空间上与做功机械51相分开地布置在地点79处，在地点79处执行工作点确定。装置61利用用作信号传输器件的通讯器件，以便在空间上与做功机械51相分开地执行工作点确定。离心泵51的由移动电话71所检测的空气传声信号借助于通讯网络77被传输或发射到装置61处。

Claims (30)

1. 一种用于确定做功机械的工作点的方法，其中，由所述做功机械所消耗的功率和/或其输送量表征工作点，所述做功机械的一个或多个取决于工作点的测量参数通过一个或多个传感器来检测且所述传感器的测量值在所述做功机械的运行期间被评估并且/或者保存，其特征在于，所述工作点在不使用驱动所述做功机械的异步电动机的电气测量参数的情况下被确定，即，由机械的测量参数即压力、压力差、振动、固体传声或空气传声，借助于信号分析来确定与所述做功机械的转动声音线性成比例的频率，其中，由此确定所述做功机械的驱动转速(n)且由所述异步电动机(52)的由转差率决定的转速-转矩相关性确定所述工作点。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号分析为频率分析。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述做功机械的所消耗的功率(P₂)通过以下步骤来确定：

- 确定所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))；

- 由所述电动机(52)的所确定的驱动转速(n)和转速-转矩特性曲线(M(n))确定所述电动机(52)的所消耗的功率(P₂)或转矩(M)。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))通过预先给定的电动机参数即设计功率(P_2N)和设计转速(n_N)来确定。

5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))通过同步的转速(n₀)、停转力矩(M_K)、停转转速(n_K)或停转转差率(S_K)来确定。

6. 根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，在泵作为做功机械的情况下，由其驱动转速(n)实现所述泵的输送量(Q)的确定。

7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述泵为离心泵(51)。

8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述泵的输送量(Q)从由所述驱动转速(n)确定的所述所消耗的功率(P₂)来确定。

9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述泵的输送量(Q)由所述电动机(52)的描述所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))的参数以及由所述泵的描述输送流量-功率特性曲线(10)的参数和所述驱动转速(n)来确定。

10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述离心泵(51)的输送量(Q)由示出取决于负荷的转速变化对所述泵的输送量(Q)的特性曲线来确定。

11. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于确定所述泵的工作点的驱动转速(n)由一个或多个压力传感器(57)的测量值来确定。

12. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，用于确定所述做功机械的工作点的驱动转速(n)由一个或多个固体传声传感器和/或空气传声传感器的测量值来确定。

13. 一种用于监控做功机械的根据权利要求1至12中任一项所确定的工作点的方法，其特征在于，根据处在预先给定的范围之外的工作点辨认出所述做功机械和/或所述异步电动机(52)的有错误的工作状态。

14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述有错误的工作状态为过载或欠载。

15. 一种用于确定和/或监控做功机械的工作点的装置，其中，由所述做功机械所消耗的功率和/或其输送量表征工作点，带有一个或多个用于检测取决于工作点的测量参数的输入端，其特征在于，所述装置(61)具有用于所述做功机械和/或驱动该做功机械的异步电动机的技术数据的数据存储器(30, 33)且由机械的测量参数即压力、压力差、振动、固体传声或空气传声，借助于信号分析来确定与所述做功机械的转动声音线性成比例的频率，由此确定所述做功机械的驱动转速(n)且从所述异步电动机(52)的由转差率决定的转速-转矩相关性由非电气测量参数确定和监控所述工作点。

16. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述信号分析为频率分析。

17. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述做功机械的所消耗的功率通过以下步骤来确定：

- 确定所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n)),

- 由所述电动机(52)的驱动转速(n)和转速-转矩特性曲线(M(n))确定所述电动机(52)的所消耗的功率(P₂)或转矩(M)。

18. 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))通过预先给定的电动机参数即设计功率(P_2N)和设计转速(n_N)来确定。

19. 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))通过同步的转速(n₀)、停转力矩(M_K)、停转转速(n_K)或停转转差率(S_K)来确定。

20. 根据权利要求15至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述做功机械是泵，且确定工作点包含由所述驱动转速(n)确定所述泵的输送量(Q)。

21. 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述泵为离心泵(51)。

22. 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述装置(61)从由所述驱动转速(n)确定的所消耗的功率(P₂)来确定所述泵的输送量(Q)。

23. 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述装置(61)由所述电动机(52)的描述所述电动机(52)的转速-转矩特性曲线(M(n))的参数以及由所述泵的描述输送流量-功率特性曲线(10)的参数和所述驱动转速(n)来确定所述泵的输送量(Q)。

24. 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述装置(61)由示出取决于负荷的转速变化对所述泵的输送量(Q)的特性曲线来确定所述泵的输送量(Q)。

25. 根据权利要求15至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(61)具有至少一个用于压力传感器(57)的信号输入端(62)且由所联接的压力传感器(57)的测量值确定用于确定所述做功机械的工作点的驱动转速(n)。

26. 根据权利要求15至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(61)具有至少一个用于固体传声传感器和/或空气传声传感器的信号输入端且由所联接的固体传声传感器和/或空气传声传感器的测量值确定用于确定所述做功机械的工作点的驱动转速(n)。

27. 根据权利要求15至19中任一项所述的装置，其特征在于，用于检测取决于工作点的测量参数的所述装置能够与麦克风(72)相连接或具有集成的麦克风(72)。

28. 根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述装置是用于检测所述做功机械的工作噪音和用于工作点确定和/或监控的电话或移动电话(71)。

29. 根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述装置(61)利用通讯器件和通讯网络(77)，以便在不同于所述做功机械的工作地点(78)的地点(79)处执行所述工作点确定和/或监控。

30. 根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述通讯器件为电话或移动电话(71)。