CN111480086A - 用于监测马达的操作的状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种状态监测装置(CDM)，其被配置成监测马达的功率消耗和载荷。所述CDM接收马达的定子中的测量电流的值，并且测量马达周围的磁通量和马达中的振动中的至少一个。在预定时间窗口内测量定子中的磁通量、振动和电流。所述CDM计算马达的各种参数，并且使用存储在所述CDM中的测量和额定参数来估计电流值。将电流的所估计参数与电流的测量值进行比较。改变转子速度(额定参数中的一个）的值，直到所估计电流的值近似等于测量电流的值。考虑电流值以监测马达的功率消耗和载荷。

Description

用于监测马达的操作的状态监测装置

背景技术

感应马达广泛用于工业自动化中。典型的感应马达将具有指示马达的一个或多个参数的额定值的铭牌。一个或多个参数也称为铭牌参数。铭牌参数通常在制造马达期间估计。通常，铭牌参数包括额定功率、在额定负载下汲取的电流、在额定负载下的马达速度、马达供应频率、马达供应电压、在额定负载下的功率因数、额定负载的同步频率和效率。铭牌参数用作公用语言，使得安装和维护人员能够在新的安装或替换过程期间快速理解和准确识别马达的类型。当在变化负载下估计马达参数(如定子电流、转子电流、转子速度等)期间，铭牌参数也用作参考。

通常，在估计马达参数时，允许铭牌参数的额定值的小的变化。马达参数的值从额定值的大的变化可能不会导致最佳性能。此外，在一些实例中，马达参数的值从额定值的大的变化可能导致对马达的损坏。如同国际电工委员会(IEC)和国家电气制造商协会(NEMA)的传统标准规定铭牌速度不可能变化超过同步速度和额定速度之间的差的20%，该差是在25℃的环境温度下在额定频率、电压和负载下测量的。然而，铭牌参数中的误差在估计如同滑差（slip）的马达参数中反映，并且最终影响操作功率和马达载荷（loading）的计算。因此，存在用来估计准确的铭牌参数的需要。

发明内容

在实施例中，本公开公开了一种状态监测装置(CDM)，其被配置成监测马达的功率消耗和载荷。所述CDM被配置成测量马达周围的磁通量和马达中的振动。此外，所述CDM还被配置成接收使用至少一个电流测量装置所测量的马达的定子中的电流的值。在实施例中，磁通量、振动和定子中的电流在预定义的时间窗口内被测量。所述CDM还可以接收一个或多个额定参数/铭牌参数的值。在实施例中，一个或多个额定参数可包括转子速度。在一个实施例中，一个或多个额定参数可以存储在CDM的存储器中。此后，CDM使用磁通量和振动来计算第一滑差，并且使用额定参数的值来计算第二滑差。此外，使用第一滑差和第二滑差来估计电流的值。电流的所估计值与所测量电流的值之间的比较表示一个或多个额定参数中的误差。如果所估计电流的值处于所测量电流的值周围的第一范围之外，则校准转子速度的值，使得所估计电流的值处于第一范围内。优选地，所估计电流的值是第一范围中的电流的值的中值。

在实施例中，当马达的温度相对于与马达相关联的负载的变化稳定时，测量磁通量、振动和定子中的电流。

在实施例中，磁通量、振动和定子的电流的测量被同步，以用于在预定义的时间窗口内进行测量。在一个实施例中，可以通过接收定子中的电流的测量时间值来同步测量。随后，可以在自接收到定子中的电流的测量时间值起的预定义的时间实例内测量磁通量和振动。本领域技术人员将理解，可以使用任何同步技术，并且同步不限于本公开中所公开的技术。

在实施例中，所述CDM还可以使用处于第一范围内的所估计电流来计算额定负载下的额定功率的校准值。

在实施例中，本公开公开了一种用于监测马达的功率消耗和载荷的方法。在实施例中，测量马达周围的磁通量、马达中的振动和马达的定子中的电流的值中的至少一个。在实施例中，当测量马达的定子中的电流的值时，接收马达周围的磁通量的值。在实施例中，当测量马达周围的磁通量时，接收定子中的电流的值。在实施例中，磁通量、振动和定子中的电流在预定义的时间窗口内被测量。在实施例中，该方法还包括接收一个或多个额定参数/铭牌参数的值。在实施例中，一个或多个额定参数可包括转子速度。在一个实施例中，一个或多个额定参数可以存储在存储器中。此后，该方法包括使用磁通量和振动来计算第一滑差，并且使用额定参数的值来计算第二滑差。此外，使用第一滑差和第二滑差来估计电流的值。电流的所估计值与所测量电流的值之间的比较表示一个或多个额定参数中的误差。如果所估计电流的值处于所测量电流的值周围的第一范围之外，则校准转子速度的值，使得所估计电流的值处于第一范围内。

附图说明

本公开的新颖特征和特性在所附权利要求中阐述。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本公开本身及其优选使用模式、另外的目的和优点。现在仅通过示例的方式，参考附图描述一个或多个实施例，其中相似的参考数字表示相似的元件，并且其中：

图1说明了根据本公开的实施例的包括状态监测装置和电流传感器的马达示意图；

图2示出了根据本公开的实施例的状态监测装置的功能框图；以及

图3示出了图示用于配置状态监测装置以用于监测马达操作的方法步骤的框图。

具体实施方式

本公开的实施例涉及一种状态监测装置和一种用于配置状态监测装置以用于监测马达的功率消耗和载荷的方法。状态监测装置(CDM)容纳至少一个传感器以测量马达周围的磁通量。CDM还包括用于接收定子中的电流(I_m)测量的值的接口。在实施例中，在预定义的时间窗口内测量磁通量和定子中的电流。CDM还包括处理器和存储器。处理器基于一个或多个额定参数的值和磁通量、振动和电流(I_m)的值来估计电流(I_tune)。一个或多个额定参数包括转子速度(N_r)。将所估计电流(I_tune)的值与所测量电流(I_m)的值进行比较。当所估计电流(I_tune)的值处于所测量电流(I_m)的值周围的第一范围之外时，校准转子速度(N_r)的值。因此，所估计电流(I_tune)的值落在第一范围内。因此，确定一个或多个额定参数的准确值。因此，使用一个或多个额定参数的准确值进行操作的马达的功率消耗和载荷可以由CDM监测。

现在参考图1，其示出了马达（101） (优选地为感应马达（101）)的示意图。马达(101)可以利用来自功率源(105)的AC电压和电流来供电。在实施例中，功率源(105)可提供3相供电。马达接线端(104)从功率源(105)接收功率供应。马达(101)可以具有公开一个或多个额定参数的值的铭牌。一个或多个额定参数可包括但不限于在额定负载(I_r)下汲取的电流、额定功率(P₀)、在额定负载下的转子速度(N_r)、同步频率/线路频率(f_s)、马达(101)供应电压(V)、在额定负载下的功率因数(PF)和在额定负载下的效率(E)。

马达(101)与状态监测装置(102) (CDM)和电流测量装置(103)相关联。在实施例中，电流测量装置(103)可以安装在连接在功率源(105)和马达接线端(104)之间的缆线上。电流测量装置(103)被配置成测量在马达(101)的定子中流动的电流(I_m)的值。在另一实施例中，电流测量装置(103)可以被适当地安装以测量定子中的电流的值。例如，电流测量装置可以是安培计。在实施例中，电流测量装置(103)可连接到CDM (102)，并且可由CDM(102)启动以测量定子中的电流(I_m)的值。电流测量装置(103)可以通过接口(203)向CDM(102)提供所测量的电流(I_m)的值。在另一实施例中，电流测量装置(103)可与服务器/计算机(图中未示出)相关联，并且电流测量装置(103)可将所测量电流(I_m)的值传递到服务器，所述服务器又可通过接口(203)将所测量电流(I_m)的值提供给CDM (102)。

CDM (102)安装在马达(101)的主体/框架上。CDM (102)包括能够附于马达(101)的主体/框架的壳体主体(图中未示出)。壳体主体容纳至少一个传感器。所述至少一个传感器能够测量至少所述马达(101)周围的磁通量和所述马达(101)中的振动。所述至少一个传感器可放置在CDM (102)的壳体主体内部，使得所述至少一个传感器的感测元件靠近马达(101)主体/框架以生成准确测量。在实施例中，在预定义的时间窗口内测量磁通量、振动和电流(I_m)。所述至少一个传感器和所述电流测量装置(103)被同步以在所述预定义的时间窗口内进行测量。在一个实施例中，所述至少一个传感器与所述电流测量装置(103)同步。反之，电流测量装置(103)也可与至少一个传感器同步以测量相应的参数。例如，CDM (102)可以接收电流测量装置(103)测量电流(I_m)的值所处于的时间值。此外，在自接收到时间值起的预定义的时间实例内，CDM (102)可以启动所述至少一个传感器以测量磁通量和振动。然而，该示例不应被认为是限制，并且任何技术可用于使磁通量、振动和电流测量同步。磁通量、振动、所测量电流(I_m)的值和一个或多个额定参数的值被用来估计电流(I_tune)的值。将所估计电流(I_tune)的值与所测量电流(I_m)的值进行比较。当所估计电流(I_tune)的值处于所测量电流(I_m)的值周围的第一范围之外时，CDM (102)校准转子速度(N_r)的值，使得所估计电流(I_tune)的值处于第一范围内。理想地，所估计电流(I_tune)的值可以是第一范围的所有值的中值。然而，所估计电流(I_tune)的值可以等于第一范围内的任何值。在实施例中，转子速度(N_r)的值以预定义间隔变化，并且验证所估计电流(I_tune)的值是否处于第一范围内。在实施例中，对于转子速度(N_r)的多个值，所估计电流(I_tune)的值可落在第一范围内。在这样的实例中，可以对多个值求平均，或者多个值可以构成第二范围。

现在参考图2，其中根据本公开的实施例示出了CDM (102)的功能框图。CDM (102)包括处理器(201)、存储器(202)、接口(203)、磁传感器(204)、振动传感器(205)和温度传感器(206)。在本公开通篇中，磁传感器(204)、振动传感器(205)和温度传感器(206)被共同表示为至少一个传感器。

在实施例中，磁传感器(204)或磁力计可以用来测量马达(101)周围的磁通量。磁传感器(204)是将磁场强度转换为电信号的换能器。所测量的磁通量用来计算马达(101)的同步频率(f_s)。在实施例中，振动传感器(205)可用来测量马达(101)中的振动，该振动然后由CDM (102)用来确定转子的转子速度(N_r)。类似地，声学传感器可用来测量出自转子的声学信号，并因此测量振动的频率。声学信号中的振动可用来确定转子的速度(N_r)。在实施例中，振动传感器(205)也可以用来确定线路频率/同步频率(F_s)。温度传感器(206)用来测量马达(101)的温度值。在实施例中，当温度值相对于与马达(101)相关联的负载稳定时，测量磁通量、振动和电流(I_m)的值。

存储器(202)存储一个或多个额定参数的值。一个或多个额定参数也被称为一个或多个铭牌参数。额定参数和铭牌参数在本公开中可互换地使用。一个或多个额定参数的值可以由用户存储在存储器(202)中。存储器(202)还可以存储从电流测量装置(103)接收的所测量电流(I_m)的值。

在另一实施例中，接口(203)可以被配置成促进处理器(201)与外部实体之间的通信。外部实体可以包括服务器、传感器、便携式服务装置等。

在一个实施例中，处理器(201)可以从温度传感器(206)接收马达(101)的温度的值。此外，处理器(201)确定马达(101)的温度相对于与马达(101)相关联的负载是否稳定。当马达(101)的温度稳定时，处理器(201)使磁传感器(204)和振动传感器(205)与电流测量装置(103)同步。例如，处理器(201)通过接口(203)接收定子中的电流的值以及测量时间值。此外，处理器(201)配置磁传感器(204)和振动传感器(205)以分别在自接收到时间值起的预定义的时间实例内测量磁通量和振动。在实施例中，电流(I_m)的值、磁通量的值和振动的值可以存储在存储器(202)中。处理器(201)使用磁通量和振动的值来计算第一滑差(S_m)。如前所述，f_s表示从磁传感器(204)确定的马达(101)的同步频率。假设f_r表示使用振动传感器(205)所确定的转子的旋转频率。第一滑差(S_m)计算如下：

处理器(201)使用一个或多个额定参数将第二滑移(S_r)计算如下：

此外，额定负载下的功率(P_i)rated，的计算如下：

(P_i)rated= 1.732 * V * I_r * PF (3)

此后，功率因数(PF)以弧度表示：

此外，在无负载状态下，电流I_{0_ max}的最大值计算如下：

此外，计算电流I₀的值：

使用I_r、I₀和Φ计算额定负载下的转子电流(I₂)的值：

此后，估计I_r和I₂之间的角度(

)的最大值：

然后，从所测量的第一滑差(S_m)计算新功率(P_i)的值：

(P_i) = (S_m/S_r)*(Pi)rated

使用所测量的电流(I_m)的有功功率由下式给出：

其中

被实现为

对于

的值计算：

使用(I_m)的值和来自等式(6)的

的值，角度

的值被确定如下：

通过对等式(7)右边的函数执行反tan来计算

的值。

然后，如下计算与第一滑差和第二滑差的比率成比例的转子电流(I_{2_ load})的值：

从等式(7)、等式(8)和等式(4)，如下估计电流(I_tune)的值：

然后将所估计电流(I_tune)的值与所测量电流(I_m)的值进行比较。如果所估计电流(I_tune)的值不处于所测量电流(I_m)的值周围的第一范围内，则改变在额定负载下的转子速度(N_r)的值，并且考虑转子速度(N_r)的变化值来估计(I_tune)的值。校准(N_r)直到所估计电流(I_tune)的值处于第一范围内。例如，让我们考虑所测量的电流(I_m)的值是4A。让我们假设第一范围包括从3.95A到4.18A的值。此外，我们考虑(I_tune)的估计是3.1A，并且转子速度(N_r)是3500 rpm。显然，(I_tune)的值处于第一范围之外。将(N_r)的值从2500 rpm改变到3502 rpm，让我们假设(I_m)的值改变到3.97A。这里，(I_m)的值处于第一范围内。因此，(N_r)的校准值代表在额定负载下的准确的转子速度。在实施例中，转子速度的值可被校准，使得(I_m)的值近似为第一范围的所有值的平均值。考虑到上述情况，让我们假设第一范围中的所有值的平均值为4.66A。当(N_r)的值改变为3506时，(I_m)的值可以是4.06A，其近似等于第一范围的值的平均值。在实施例中，当(I_m)的值处于第一范围内时，电流(I_m)的值可以被称为所估计电流(I_m)的调整值。

在实施例中，所估计电流(I_tune)的调整值还用来计算功率(P_{i _ tune})的调整值；

此外，功率(P_{i _ tune})的调整值和所估计电流(I_tune)的调整值由CDM (102)使用以监测马达(101)的功率消耗和载荷。在实施例中，使用校准值和调整值来准确地估计功率消耗和载荷。

图3示出了图示用于配置状态监测装置(102)以用于监测马达(101)操作的方法步骤的框图。

在实施例中，在预定义的时间窗口内测量定子中的电流(I_m)的值、马达(101)周围的磁通量和马达(101)中的振动中的至少一个。在实施例中，当测量马达的定子中的电流的值时，接收马达周围的磁通量的值。在实施例中，当测量马达周围的磁通量时，接收定子中的电流的值。

此外，如等式(1)中所示的，使用磁通量和振动来计算第一滑差(S_m)。如等式(2)中所示的，使用额定负载下的转子速度(N_r)和同步速度(N_s)来估计第二滑差(S_r)。此外，如等式(3)中所示的，使用一个或多个铭牌参数来确定额定负载下的功率(P_i)rated。此外，如等式()中所示的，计算额定负载下的转子电流（I_{2_load}）的值。

此后，估计在无负载状态下的电流(I₀)和转子电流(I₂)。此外，如等式(8)中所示的，计算与第一滑差和第二滑差的比率成比例的转子电流。使用等式(4)、等式(7)和等式(8)，如等式(9)中所示的那样估计(I_tune)的值。

此外，将(I_tune)的值与所测量的电流(I_m)的值进行比较。如果所估计电流(I_tune)的值处于第一范围之外，则校准转子速度(N_r)的值，使得所估计电流(I_tune)的值落在第一范围内。

在实施例中，电流(I_tune)的调整值用来估计调整功率(P_i)tune。因此，调整值用于准确地估计功率消耗和马达(101)载荷。

术语“一实施例”、“实施例”、“多个实施例”、“该实施例”、“所述多个实施例”、“一个或多个实施例”、“一些实施例”和“一个实施例”表示“本发明的一个或多个(但不是全部)实施例”，除非另有明确说明。

术语“包含”、“包括”、“具有”及其变体表示“包括但不限于”，除非另有明确说明。

除非另外明确规定，否则列举的项目列表并不暗示着任何或所有项目是互斥的。术语“一”、“一个”和“该”表示“一个或多个”，除非另有明确说明。

具有彼此通信的若干组件的实施例的描述并不暗示需要所有此类组件。相反，描述了各种可选组件以说明本发明的各种可能的实施例。

当本文描述单个装置或物品时，将易于显然的是，可以使用多于一个的装置/物品(无论它们是否协作)来代替单个装置或物品。

图3的所图示的操作示出了以一定顺序发生的某些事件。在备选实施例中，某些操作可以以不同的顺序执行、修改或移除。此外，可以将步骤添加到上述逻辑中，并且仍然符合所描述的实施例。此外，本文所述的操作可以顺序地发生，或者某些操作可以并行地处理。更进一步，操作可以由单个处理单元或由分布式处理单元执行。

虽然本文已经公开了各种方面和实施例，但是其它方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的，而不是要限制，其中真实范围和精神由所附权利要求指示。

参考数字：

。

Claims (10)

1.一种状态监测装置，所述状态监测装置被配置成监测马达的功率消耗和载荷，所述状态监测装置包括：

壳体主体，其能够附于所述马达的主体；

接口，其用于接收所述马达的定子中的电流(I_m)的值，其中使用至少一个电流测量装置来测量所述电流(I_m)；

容纳在所述壳体主体内的至少一个传感器，其用于测量所述马达周围的磁通量和所述马达中的振动，其中所述磁通量、所述振动和所述电流(I_m)在预定义的时间窗口内被测量；

存储器，其被配置成存储所述马达的一个或多个额定参数的值，其中一个或多个额定参数的所述值在所述马达的制造时被预定义；

一个或多个处理器，其被配置成：

基于所测量的磁通量和所述振动来计算所述马达的第一滑差(S_m)，以及使用一个或多个额定参数的所述值来计算在额定负载状态下所述马达的第二滑差(S_r)和额定功率(P_i)rated，其中所述一个或多个额定参数包括至少在额定负载状态下的转子速度(N_r)；

基于所述第一滑差(S_m)、所述第二滑差(S_r)和额定负载下的额定功率(Pi)rated的值来计算新功率(P_i)的值和转子电流(I_{2_ load})的值；

基于电流(I_m)的测量值、在无负载状态下所计算的电流(I₀)的值和转子电流(I_{2_ load})的值来估计电流(I_tune)的值；以及

当电流(I_tune)的所估计值处于所测量电流(I_m)的值周围的第一范围之外时，校准所述转子速度(N_r)的值，以用于调整电流(I_tune)的所述值，其中因此电流(I_tune)的所述值处于所述第一范围内，以用于监测马达的功率消耗和载荷。

2.如权利要求1所述的状态监测装置，其中当所述马达的温度相对于与所述马达相关联的负载的变化稳定时，测量所述磁通量、所述振动和所述电流(I_m)。

3.如权利要求1所述的状态监测装置，其中通过使所述至少一个传感器和所述电流测量装置的测量同步来在所述预定义的时间窗口内测量所述磁通量、所述振动和所述电流(I_m)，其中同步包括：

接收所述电流(I_m)的测量时间值；以及

在自接收到所述时间值起的预定义的时间实例内测量所述磁通量和所述振动。

4.如权利要求1所述的状态监测装置，其中所述一个或多个额定参数还包括在额定负载(I_r)下汲取的电流、额定功率(P₀)、在额定负载下的转子速度(N_r)、线路频率(f_s)、马达供应电压(V)、在额定负载下的功率因数(PF)和在额定负载下的效率(E)中的至少一个。

5.如权利要求1所述的状态监测装置，其中通过将(S/S_r)的比率与额定功率(P_i)rated的值相乘来计算所述新功率(P_i)，其中通过将(S/S_r)的所述比率与转子电流(I₂)的值相乘来计算转子电流(I_{2_ load})的所述值，其中使用电流(I_r)的所述值、电流(I₀)的值和PF的值来确定转子电流(I₂)的所述值，并且其中基于(I_r)和PF来计算(I₀)的所述值。

6.如权利要求1所述的状态监测装置，其中所述一个或多个处理器被配置成通过下列来调整电流(I_tune)的所述值：

基于所述(I_m)和所述(P_i)确定所述I_r和所述I₂之间的角度(

)以及角度(

)；

基于函数(f_n)计算电流(I_tune)的所述值，其中所述函数(f_n)是具有指数2的被开方数，并且其中所述函数包括与(

)的值相乘的电流(I_m)的所述值、电流(I₀)的所述值、PF的所述值、转子电流(I_{2_ Load})的所述值和(

)的余弦值；

以及

基于通过计算电流(I_tune)的所述值与所测量电流(I_m)的值之间的差而获得的值来校准转子速度(N_r)的所述值，其中校准包括以规则间隔改变转子速度(N_r)的所述值。

7.如权利要求1所述的状态监测装置，其中所述一个或多个处理器还被配置成使用所述电流(I_tune)来计算在额定负载下的额定功率(P_C)的校准值。

8.一种用于配置状态监测装置以用于监测马达的功率消耗和载荷的方法，所述方法包括：

使用容纳在状态监测装置的壳体主体内的至少一个传感器来测量马达周围的磁通量、所述马达中的振动和所述马达的定子中的电流(I_m)的值中的至少一个；

接收在测量所述马达周围的磁通量时所述马达的定子中的电流(I_m)的所述值和在测量所述定子中的电流的所述值时所述马达周围的磁通量的值中的一个，其中所述电流(I_m)、所述磁通量和所述振动在预定义的时间窗口内被测量；

基于所测量的磁通量和振动来计算所述马达的第一滑差(S_m)以及使用存储在所述状态监测装置的存储器中的一个或多个额定参数的值来计算在额定负载状态下所述马达的第二滑差(S_r)和额定功率(P_i)rated的值，所述一个或多个参数包括至少在额定负载状态下的转子速度(N_r)，其中所述一个或多个额定参数的值在所述马达的制造时被预定义；

基于所述第一滑差(S_m)、所述第二滑差(S_r)和额定功率(P_i)rated的值来计算新功率(P_i)的值和转子电流(I_{2_ load})的值；

基于所测量的电流(I_m)的值、在无负载状态下所计算的电流(I₀)的值和转子电流(I_{2_ load})的所述值来估计电流(I_tune)的值；

以及

当电流(I_tune)的所估计值处于所测量电流(I_m)的值周围的第一范围之外时，校准所述转子速度(N_r)的值，其中因此电流(I_tune)的所述值处于第一范围内，以用于监测马达的功率消耗和载荷。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过使相应的测量同步来在所述预定义的时间窗口内测量所述磁通量、所述振动和所述电流(I_m)，其中同步包括：

接收所述电流(I_m)的测量时间值；以及

在自接收到所述时间值起的预定义的时间实例内测量所述磁通量和所述振动。

10.如权利要求8所述的方法，其中调整电流(I_tune)的所述值包括：

基于所述(I_m)和所述(P_i)确定所述I_r和所述I₂之间的角度(

)以及角度(

)；

基于函数(f_n)计算电流(I_tune)的所述值，其中所述函数(f_n)是具有指数2的被开方数，并且其中所述函数包括与(

)的值相乘的电流(I_m)的所述值、电流(I₀)的所述值、PF的所述值、转子电流(I_{2_ Load})的所述值和(

)的余弦值；

以及

基于通过计算电流(I_tune)的所述值与所测量电流(I_m)的值之间的差而获得的值来校准转子速度(N_r)的所述值，其中校准包括以规则间隔改变转子速度(N_r)的所述值。

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