CN110710099A - 数据获取方法、逆变器和旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供结构不复杂也能管理装置的工作状态的数据获取方法、逆变器和旋转电机。为此，提供一种使用用于控制同步电动机的逆变器进行的数据获取方法，逆变器的位置速度运算部基于同步电动机与逆变器之间的电流值计算同步电动机的电角度，对用于与该电角度的信息同步地控制同步电动机的逆变器内的内部数据进行取样，来获取对应于每个电角度的数据。

Description

数据获取方法、逆变器和旋转电机
技术领域
本发明涉及数据获取方法、逆变器和旋转电机，尤其涉及使用旋转电机来驱动的进行具有周期性的动作的机械装置的异常检测。
背景技术
作为使用旋转电机来驱动的机械装置，例如钢铁厂的轧机等因故障而停止时，可能会导致生产线或整个钢铁厂停止运转，因突发性的异常的发生引起设备停止时损失较大。因此，需要在可能引起设备停止的故障发生前检测异常，进行预防性维护，有各种在发生故障前进行异常检测的技术。
一般而言，为了详细地检测作为对象的机械装置的状态而安装各种传感器，对从这些传感器获得的数据进行详细的分析，判断状态。此外，通过长期地持续进行这些作业，管理各部分的状态的经时变化，在异常发生前进行预防性维护。
通常，这些异常检测系统由于由与设备独立的测量器和专用的分析装置构成，因此仅以需要一直监视的重要设备为对象。
作为本技术领域的背景技术，例如有专利文献1。专利文献1公开了一种装置，其包括：对电气机械系统的多个电流和/或电压信号进行测量的单元；对所述电气机械系统的对象的旋转轴的角度位置进行测量的单元或对所述电气机械系统的对象的旋转轴的离散的角度位置的值进行推算的单元；使多个电流和/或电压信号与所述旋转轴的尺度分析后的角位移同步的单元；将多个同步电信号划分为与所述旋转轴的各全旋转对应的多个区间的单元；对几个区间的多个同步电气信号进行计算均值的单元；从平均同步电气信号的多个值提取较大的特性数据，将所述较大的被提取出的特性数据与设定为限制值的阈值进行比较的单元；和在超过所述限制值的情况下，向用户提示警报的单元。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2014-516154号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
专利文献1提出了这样的方法：以用异步的感应电动机驱动的电气机械系统为对象，使旋转轴的角位移与电动机的电流、电压等各种电气数据相关联，将旋转轴的角度划分为多个范围，计算其区间内的平均值，求取平均同步电信号，之后通过对这些平均同步电信号进行加工分析而输出警报，但是，在使用各种传感器收集电动机的电流、电压和旋转速度等的数据后，为了分析这些数据，需要设置各种传感器和状态监视用数据的分析装置等新的设备。此外，需要与旋转轴的角位移同步地对电流、电压等各种传感器数据进行取样，由于这些需要进行高速处理，因此需要专业的设备。因此，存在装置结构变得复杂、昂贵的问题。
因此，希望不用使结构复杂就能够管理装置的工作状态的技术。
用于解决技术问题的技术手段
本发明就是鉴于上述背景技术和技术问题而完成的，例如提供一种利用控制同步电动机的逆变器进行的数据获取方法，逆变器的位置速度运算部根据所述同步电动机与所述逆变器之间的电流值计算同步电动机的电角度，对用于与该电角度的信息同步地控制同步电动机的逆变器内的内部数据进行取样，获取每个电角度的数据。
发明的效果
依照本发明，能够提供一种能够用最小限的设备结构提供电气机械系统的预兆监视手段的数据获取方法、逆变器和旋转电机。
附图说明
图1是使用应用了本发明的实施例的旋转电机组装体的电气机械系统的结构框图。
图2是本实施例的旋转电机组装体的外观图。
图3是用本实施例的旋转电机组装体驱动往复式压缩机的系统结构图。
图4是表示本实施例的往复式压缩机的压缩步骤1个循环的转矩特性的图。
图5是表示本实施例的机械轴角度、电动机轴角度和电角度的关系的图。
图6是表示本实施例的往复式压缩机的压缩步骤1个循环与机械轴角度、电动机轴角度、电角度的关系的图。
图7是表示本实施例中压缩步骤1个循环的电角度与取样数据数的关系的图。
图8是表示保存在本实施例的监视数据存储部110中的同步数据的取样及其保存方法的图。
图9是本实施例的同步取样数据的例子，是表示转矩特性的关系的图。
图10是表示本实施例的负载机械的1个循环的各种同步取样数据与机械轴角度的关系的图。
图11是使用本实施例的其它旋转电机组装体的电气机械系统的结构框图。
具体实施方式
下面使用附图说明本发明的实施例。
实施例
图1是使用了本实施例中的旋转电机的电气机械系统的结构框图。下面，将旋转电机称为旋转电机组装体。此外，在图1中，由虚线包围的部分是旋转电机组装体1，图2表示其外观。在图2中，旋转电机组装体1在内部内置了永磁铁式同步电动机3和驱动该同步电动机3的逆变器2。逆变器2中安装了作为同步电动机的控制装置的同步电动机控制微机10和加速度传感器8。通常这些部件由于被直接固定于作为机械部件的永磁铁式同步电动机3，因此利用填充剂等固定，使得不会因电动机的运转而产生不需要的谐振。由此，能够获得这样的效果：电动机和由电动机的轴固定的电气机械系统的振动信息被直接传递至加速度传感器8。此外，旋转电机组装体1还安装有外部通信接口201，使得通过同步电动机控制微机10与外部设备之间的相互通信能够发送接收各种数据。
下面，使用图1对本实施例中的电气机械系统进行详细的说明。在图1中，旋转电机组装体1在内部内置有转换器7、逆变器2和永磁铁式同步电动机3，逆变器2具有未图示的半导体开关元件和作为对该半导体开关元件进行通断控制的控制装置的同步电动机控制微机10，根据指令值生成PWM控制脉冲，利用PWM控制脉冲使半导体开关元件开关，来控制施加至永磁铁式同步电动机3的电压。此外，旋转电机组装体1的轴输出经变速器6驱动压缩机等机械装置5。
在同步电动机控制微机10中，利用电压指令运算部102将来自生成速度指令、转矩指令等指令值的指令生成部103的指令转换为电压指令后，经d/q转换部104利用PWM控制脉冲生成部101生成PWM信号，驱动逆变器2。
此外，使用来自逆变器2内部的电流检测器11的瞬时电流值，利用位置速度运算部105计算永磁铁式同步电动机3的轴相位角、即电角度，进行同步控制。
在本实施例中，采用这样的方式，即，在进行永磁铁式同步电动机1的驱动时不使用轴位置检测器，而是根据电流和电压信息推算并控制磁极位置。
由于利用同步电动机控制微机10实时地推算并控制所内置的永磁铁式同步电动机3的电角度，因此存在控制上的虚拟的同步电动机的模型。由于以使得该模型与实际的永磁铁式同步电动机3的相位差总为0的方式进行控制，因此虚拟的同步机的模型大致正确地再现永磁铁式同步电动机3。当虚拟的模型与实际的同步电动机的相位差变大时，偏离同步，不能进行同步机的控制，控制停止。因此，正常地运转期间的虚拟的模型大致正确地表现实际的永磁铁式同步电动机3的状态。
进而，由于是同步机，因此没有异步感应电动机这样的滑偏，因此进行驱动的机械装置的轴相位与控制上的虚拟的模型的相位总是同步。
因此，能够使控制上的电角度与机械装置5的轴相位相关联，因此同步电动机控制微机10能够将机械装置5的轴相位作为控制的电角度进行管理。
具体而言，将位置速度运算部105的电角度的信息输入至电角度计数器109，生成同步数据取样的触发信号输出至电角度同步取样处理部108。
电角度同步取样处理部108在根据触发信号对用于驱动同步电动机的各种内部数据和来自加速度传感器的数据进行取样后，保存并存储至监视数据存储部110。
当机械系统的动作周期1个循环的量的同步监视数据的取样完成时，在异常判断处理部111对这些数据进行判断，在判断为异常的情况下，经上级传送处理部112将同步数据传送至上级控制装置。此外，也可以采用这样的处理，即，定期地将同步数据传送至上级控制装置，在上级控制装置侧进行异常判断。
在机械装置5的动作周期不明或非定期等的情况下，通过将针对机械装置5的同步检测器9等的原点脉冲输出向电角度计数器109输入，还能够使同步数据取样的触发开始时间与机械装置的原点一致。
成为同步取样的对象的数据有转矩电流、直流电压、角速度、各轴加速度、通过未图示的温度传感器检测到的温度变化等。
接着，使用往复式压缩机的例子，说明与相当于机械装置的动作1个循环的量的电角度的间隔和取样数据数的关系，以及在进行同步电动机的控制的同时对这些大量的同步数据进行取样的方法。
图3是利用旋转电机组装体1经例如10：1的变速器(减速机)6驱动往复式压缩机301的系统结构图。旋转电机组装体1例如在内部安装了极对数为4、额定转速为3600rpm的永磁铁式同步电动机。在图3中，利用与永磁铁式同步电动机的电动机轴302连结的驱动齿轮303和与该驱动齿轮303啮合的从动齿轮304，与从动齿轮304连结的机械轴305被减速，机械轴305以电动机轴302的转速的10分之1旋转。往复式压缩机301是机械轴305旋转一圈时为压缩步骤1个循环的单气缸活塞式的压缩机。
图4表示往复式压缩机的机械轴旋转一圈、即压缩步骤1个循环的转矩特性401。如图4所示，是大致有4个动作步骤A～D，具有机械轴305每旋转一圈重复一次该动作的周期性的负载。
图5表示作为往复式压缩机的机械轴305的角度的机械轴角度501、旋转电机组装体的电动机轴302的角度即电动机轴角度502、以及同步电动机控制的电角度503的关系。在本实施例中，以每10°的电角度对数据进行取样。因此，对于360°的电角度503，以每10°度共在36点进行取样。此外，因为是极对数4的电动机，所以旋转电机组装体的电动机轴角度502的360°相当于电角度的1440°。因此，对于360°的电动机轴角度，每2.5°取样时取样数为144点。进而，由于经10：1的减速机驱动往复式压缩机，所以对于往复式压缩机的360°的机械轴角度，每0.25°取样时取样数为1440点。由于相对于机械装置的机械轴角度每0.25°获得各种同步监视数据，因此能够非常详细地掌握机械装置的状况。
图6表示往复式压缩机的动作1个循环与机械轴角度、电动机轴角度、电角度的关系。如图6所示，当压缩机的动作1个循环即机械轴旋转一圈时，旋转电机组装体的电动机轴角度为10圈，电角度为40圈。即，往复式压缩机的机械轴旋转1圈相当于电角度14400°。在每10°的电角度进行取样的情况下，往复式压缩机的动作1个循环的取样数为36×40＝1440点。
这里，在同步电动机控制微机的电动机控制处理中需要执行各种数据的取样，在每电角度10°进行取样时，由于周期变短，因此本来的电动机的同步控制发生控制延迟等的影响。尤其是在使电角度的间隔从10°改为1°等的情况下，设想取样处理的负载变重，不能连续地进行正常的同步控制的状态。对于该问题，在本实施例中，着眼于往复式压缩机的动作等那样机械装置的动作具有反复周期性的情况，并不是每电角度10°作为同步数据进行取样，而是每电角度旋转1圈360°在1点取样。
图7是表示压缩步骤1个循环的电角度与试样数据数的关系的图。
即，为了每电角度10°对1440点的数据进行取样，电角度为1440×360＝518400°(电角度)。
换算成电动机轴角度时，为518400/4＝129600°。
此外，由于经10：1的减速机驱动往复式压缩机，因此机械轴角度为129600/10＝12960°。
机械轴转速为12960/360＝36圈。
因此，当往复式压缩机旋转36圈，即压缩步骤进行36个循环时，上述1440点的同步取样完成。
在旋转电机组装体以额定的3600rpm运转的情况下，进行1440点的取样所需的时间为(36*10)/3600＝0.1min＝6sec，用6秒完成1440点的取样。
因此，以3600rpm运转的情况下的取样周期为1440/6＝240Hz，可知相对于例如加速度传感器的输出数据传输率的最大值400Hz为足够小的值。同样能够设置即使相对于对各种的传感器输出进行AD转换的时间也足够的间隔。这样，通过利用机械装置的重复周期性，能够对进行时分所需的数据数进行取样。
图8是表示保存在图1的监视数据存储部110中的同步数据的取样及其保存方法的图。如图8所示，具有与监视项目的数量相应的数据表，事先考虑机械装置的周期特性，与电动机控制相位同步地将各个监视项目作为依照电角度的数据取样。作为监视项目，有X、Y、Z这3轴的加速度、转矩值等。
这样，相对于现有技术中，例如在对振动传感器的数据大量地取样后，通过对它们进行FFT分析而提取频率成分，推算异常发生部位，而依照本实施例，通过与电动机控制相位同步地进行依照电角度的数据取样，不用进行FFT分析就能够进行异常部位的推算和检测。
图9是本实施例的同步取样数据的例子，表示机械动作1个循环中的机械轴角度、电动机轴角度、电角度与作为监视项目的X、Y、Z这3轴的加速度的关系。其中，白色箭头表示各角度的1圈(360°)。
图10是表示负载机械的1个循环的各种同步取样数据与机械轴角度的关系的图，是负载机械的1个循环的取样数据的变化示意图。在图10中，负载机械是在1个循环进行步骤A～D，具有机械轴每旋转1圈反复进行该动作的周期性的负载。作为试样项目，对加速度X、Y、Z和转矩T进行取样。
驱动负载机械的电动机是同步机，没有滑偏，因此进行驱动的机械装置的机械轴相位与电动机控制的相位总是同步。因此，能够使控制上的电角度与机械装置的机械轴相位相关联，于是，同步电动机控制微机通过对控制的每电角度的数据进行取样，例如能够从安装在逆变器上的加速度传感器获得机械装置的振动信息，能够进行机械装置的异常部位的推算和检测。
为了排除意外产生的噪声信息，也可以通过对取样得到的数据进行平均，与正常模型比较而进行异常部位的推算和检测。
此外，由于取样的数据有周期性，因此能够按电角度每旋转一圈在1点取样，能够蓄积时分所需的各种同步数据。
此外，即使没有加速度传感器，也能够检测逆变器内部的电流检测部检测到的转矩电流等负载的变化、温度等。
在本实施例中，以单气缸的压缩机为例进行了说明，安装在电动机上的应用并不限定于此。可以是安装了叶轮的泵装置，也可以是螺杆压缩机、涡旋压缩机等。在任一应用中，1个循环都是指，至应用侧的状态成为与电动机开始旋转的初始状态相同的状态为止为1个循环。如果是泵或风扇等，则叶轮旋转1圈至相同位置为止为1个循环，如果是涡旋压缩机，则旋转涡旋件的位置返回至开始动作时的位置时为1个循环。换言之，应用侧的机械轴旋转1圈相当于1个循环。
在本实施例中，对如图1那样在旋转电机内执行全部取样处理的情况进行了说明，但是例如也可以如图11那样，电角度同步取样处理部108、监视数据存储部110、异常判断处理部111等一部分功能经网络在旋转电机组装体1的外部执行。
如上所述，依照本实施例，能够对与被旋转电机组装体的同步电动机驱动、进行周期性动作的机械装置的轴相位同步的各种数据进行取样。即，通过使驱动机械装置的旋转电机组装体具有数据记录机能，不用设置以机械装置的预兆监视为目的的电流传感器、电压传感器、加速度传感器等检测器之类以及对这些检测器之类的数据进行分析的专用的处理装置等，并且不用设置这些数据分析装置，就能够对机械装置的动作1个循环的量的、与机械装置的旋转轴的相位同步的状态监视用的各种数据进行取样，能够用最小限度的机械结构提供电气机械系统的预兆监视装置。
旋转电机组装体部件能够应用于驱动机械装置的用途，还能够在与作为可再生能源的动力转换机械的水力发电机、风力发电机等组合的发电用途中应用，同样能够进行这些发电系统的故障预兆监视。
附图标记的说明
1：旋转电机组装体，2：逆变器，3：永磁铁式同步电动机，4：电源，5：机械装置，6：变速器，7：转换器，8：加速度传感器，9：同步检测器，10：同步电动机控制微机，11：电流检测器，101：PWM控制脉冲生成部，102：电压指令运算部，103：指令生成部，104：d/q转换部，105：位置速度运算部，106：电流检测部，107：电动机控制用数据，108：电角度同步取样处理部，109：电角度计数器，110：监视数据存储部，111：异常判断处理部，112：上级传送处理部，201：外部通信接口，301：往复式压缩机，302：电动机轴，303：驱动齿轮，304：从动齿轮，305：机械轴，401：转矩特性，501：机械轴角度，502：电动机轴角度，503：电角度。

Claims (10)

1.一种使用用于控制同步电动机的逆变器的数据获取方法，其特征在于：
所述逆变器的位置速度运算部基于所述同步电动机与所述逆变器之间的电流值计算所述同步电动机的电角度，
对用于与该电角度的信息同步地控制所述同步电动机的所述逆变器内的内部数据进行取样，来获取对应于每个所述电角度的数据。
2.如权利要求1所述的数据获取方法，其特征在于：
所述同步电动机具有加速度传感器，
与所述电角度的信息同步地对来自所述加速度传感器的外部数据进行取样，来获取所述外部数据。
3.如权利要求1或2所述的数据获取方法，其特征在于：
按每360°的所述电角度进行所述取样。
4.一种控制同步电动机的逆变器，其特征在于：
该逆变器具有半导体开关元件、对该半导体开关元件进行通断控制的控制装置和电流检测部，
所述控制装置包括：
生成指令值的指令生成部；
根据来自该指令生成部的指令生成PWM信号的PWM控制脉冲生成部；
使用来自所述电流检测部的电流值推算所述同步电动机的电角度的位置速度运算部；
从该位置速度运算部接收电角度的信息，并将触发信号输出至电角度同步取样处理部的电角度计数器；
电角度同步取样处理部，其将该电角度计数器的输出作为触发信号来对数据进行取样而将取样的数据作为同步监视数据输出；和
存储该同步监视数据的监视数据存储部。
5.如权利要求4所述的逆变器，其特征在于，包括：
异常判断处理部，其在由该逆变器控制的所述同步电动机所驱动的机械装置的动作周期1周期的量的所述同步监视数据的取样完成时，判断这些数据是否异常；和
上级传送处理部，其在由该异常判断处理部判断为异常的情况下，向上级控制装置传送所述同步监视数据。
6.如权利要求4所述的逆变器，其特征在于，包括：
上级传送处理部，其在由该逆变器控制的所述同步电动机所驱动的机械装置的动作周期1周期的量的所述同步监视数据的取样完成时，将这些数据定期地传送至上级装置。
7.如权利要求4所述的逆变器，其特征在于：
所述逆变器具有加速度传感器，
电角度同步取样处理部将所述电角度计数器的输出作为触发信号对来自所述加速度传感器的数据进行取样而将取样的数据作为同步监视数据输出，并将该同步监视数据存储至所述监视数据存储部。
8.如权利要求4所述的逆变器，其特征在于：
将来自由该逆变器控制的所述同步电动机所驱动的机械装置的同步检测器的原点脉冲信号输入至所述电角度计数器，使得所述同步监视数据的触发开始时间与机械装置的原点一致。
9.如权利要求4所述的逆变器，其特征在于：
所述电角度同步取样处理部按每360°的所述电角度进行所述取样。
10.一种旋转电机，其特征在于，包括：
同步电动机；和
控制所述同步电动机的逆变器，
该逆变器具有半导体开关元件、对该半导体开关元件进行通断控制的控制装置和电流检测部，
所述控制装置包括：
生成指令值的指令生成部；
根据来自该指令生成部的指令生成PWM信号的PWM控制脉冲生成部；
使用来自所述电流检测部的电流值推算所述同步电动机的电角度的位置速度运算部；
从该位置速度运算部接收电角度的信息并将其输出至电角度同步取样处理部的电角度计数器；
电角度同步取样处理部，其将该电角度计数器的输出作为触发信号来对数据进行取样而将取样的数据作为同步监视数据输出；和
存储该同步监视数据的监视数据存储部。
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