CN116829965A - 用于监控由变频器馈电的电机的馈送线路的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于监控由变频器馈电的电机的馈送线路的装置，用于预测馈电线路的故障、磨损和/或老化。其中，所述馈电线路被配设和敷设成用于将工业机器或设备中或者陆上或天空交通工具中的电机与变频器连接在一起。所述变频器被配置和指定为通过所述馈电线路为电机供应具有优选可变的电压振幅和脉冲持续时间的单相或多相交流电压，其中所述交流电压的脉冲持续时间和/或电压振幅的变化用于改变所述电机的转速或转矩。所述变频器被配置和指定为将所述交流电压的每个相作为高边沿陡度的方波脉冲序列提供，以便为所述电机馈电。检测与评价装置被配置和编程为在所述馈电线路的至少一个芯线上或至少两个芯线之间对所述电压信号曲线进行检测和处理，以便由所述电压信号曲线得到所述线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且将所述得到的大小在输出端输出。
Description
技术领域
在此揭示了一种用于监控电机的馈送线路的系统，所述电机由变频器馈电。这种监控作为装置以及作为方法实现。所述装置和所述方法的特征和特性在权力要求中定义；但说明书和附图同样揭示了所述装置和所述方法的特性以及其不同方面和关联。
背景技术
为了维持电动设备和机器的运行，其高效维护成为一个越来越重要的因素。迄今为止，电缆和电线主要采用反应性维护，也就是在损坏情况下更换线缆、线路或连接器等，以及采用预防性维护。后者是按照事先确定的时间间隔来实施维护措施以及更换磨损件。针对预见性维护，在运行过程中收集设备和机器的特性数据并进行评价。为了优化设备和机器的成本和运行安全性，维护措施的实施不应过早(意味着高成本)或过迟(意味着设备和机器故障)。
在工业电气设备和机器中，在部分情况下，环境因素对线路有极大的影响。在移动的和导轨导引的应用中，例如在电缆拖链中，线路承受巨大的弯曲和挤压负荷(Walkbelastung)。在机器人应用中，扭力额外地起作用。这些线路还包括本文所论述的变频器馈电电机的馈送线路。即使这些线路是专门针对这种负荷所设计的，但其仍被视为磨损件。这种线路的典型故障模式为：芯线断裂、护套或绝缘层损坏、线路结构中的几何位移以及屏蔽元件损坏。这些故障导致用电设备的工作能源馈送减少甚至中断。外部环境影响所造成的这种非期望的退化或故障通常成本高昂，因为其在工业机器和设备等中导致停机，并且导致相应的运行/生产故障或者机器和设备损坏。
现有技术
由DE 1 038 140已知，具有吸收性绝缘材料的线缆芯线被浸渍物质(在此即石蜡)包围。当温度变化时，介电常数发生变化。由此，通过对参考导体的运行时间测量来测定温度和故障点。这需要与目前的线缆明显不同的线缆结构，此外，会引起认证(例如消防安全)方面的重大问题。本文所描述的配置在线缆两端安装了评价设备。
时域反射仪(TDR)为用于对电线的阻抗变化进行分析，以便根据这个阻抗变化识别出相关的异常的装置。TDR将电能脉冲馈入电线。如果电脉冲沿电线长度遇到阻抗变化，则脉冲的一部分能量反射回时域反射仪。可以通过对例如反射波的振幅和极性进行评价测定出阻抗变化的大小。此外，也可以通过测量脉冲的传播时间来测定阻抗变化的位置。可能引起阻抗变化典型异常包括磨损、损坏、中性腐蚀、导体断裂等，但不局限于此。
美国专利No.12/820886《在线时域反射计系统》涉及的是无需断电即可运行的就地使用的时域反射计。
针对连接线或控制线，基本上已确立两个方法组：一方面，附加的传感元件在形式为过载时断开的应变线的线路中进行测量，或者温度/湿度传感机构，参见DE 20 2017 102410U1、DE 10 2013 227 051 B4、DE 10 2018 204 171 A1。另一方面，在设备停工时断开电线，并且半自动测量电阻、TDR、电容、击穿电压强度，参见EP 3 199 960 A1。
DE 10 2020 111 743 A1涉及一种集成电路、一种监控开关晶体管的方法和一种电机系统。为此，应用布置在单片集成电路上的监控电路，并且在监控接口处对第一开关晶体管的输出信号的第一输出边缘转换进行监控。集成电路上的计时电路用于对第一控制信号的第一输入边缘转换与第一输出边缘转换之间的第一时延进行测量。其中，第一控制信号被设计成引起第一开关晶体管的状态变化。布置在集成电路上的分析电路用于将测得的第一时延与预定的第一阈值进行对比，以形成第一比较结果，并且基于该第一比较结果指示第一故障状态。
DE 101 12 844 A1、US 6,657,437 B1、EP 2 157 438 A1、DE 10,2010 000249A1、DE 10 2005 055429 A1、DE 10 2018 204 173 A1、DE 10 2018 204 171 A1、DE 102018 204 177 A1和DE 10 2018 204 174 A1涉及其他技术背景。
特别是在电机连接线/伺服线中，通常由变频器制造商针对相应机器的安装和运行指定容量优化且对称的线路。这是为了对因变频器运行而传输至保护导体和电位补偿线的共模电流/干扰进行限制。因此，在这种线路类型中，例如为将牺牲线或传感机构装入线路而干预线路结构是非期望/不可行的。
因此，需要一种低成本的通用解决方案，其能够在不安装额外的传感元件的情况下，在运行期间对电机连接线/伺服线进行持续监控，从而确保较高的设备可用性。
技术问题
有鉴于此，应稳定、高效且准确的检查、评估并且输出变频器馈电电机的移动馈送线路的故障概率。
所提出的解决方案
为了解决这个问题，本发明提出具有独立权利要求的特征和步骤的装置或方法。
用于监控由变频器馈电的电机的馈送线路的装置用于预测馈电线路的故障、磨损和/或老化。其中，所述馈电线路被配设和敷设成用于将工业机器或设备中或者陆上或天空交通工具中的电机与变频器连接在一起。所述变频器被配置和指定为通过馈电线路为电机供应具有优选可变的电压振幅和旋转场频率的单相或多相交流电压，其中交流电压的脉冲持续时间/调制率和/或电压振幅的变化用于改变电机的转速或转矩。所述变频器被配置和指定为将交流电压的每个相作为高边沿陡度的方波脉冲序列提供，以便为电机馈电。检测与评价装置被配置和编程为在馈电线路的至少一个芯线上或至少两个芯线之间对电压信号曲线进行检测和处理，以便由电压信号曲线得到线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且将所得到的大小在输出端输出。
“电机”在此是指内转子或外转子电机和发电机。以电机-发电机交替模式运行的机器也包括在内。同样地，这种电机是被设计成旋转电机还是线性电机是无关紧要的。在此特别是指作为同步或异步电机工作的电机，其通过变频器馈送可变的转速而运行。除转速(rpm)之外，在相应的技术方案中，变频器的调节同样改变电机的转矩或馈电电流。在线性电机或步进电机中，可以通过改变脉冲控制系统来接近精确的角位。
借助于这种装置和下文将详细说明的方法实现设备和机器中的线路和线缆诊断。所述装置和所述方法特别是适用于工业机器和设备或者陆海空交通工具中的连接/控制或伺服线路。不同于光纤线路，所有这些不同的具有一或多个芯线、芯线对(横截面相同或不同)、单屏蔽或集体屏蔽、绝缘层和/或护套的金属导电(铜)线路和线缆在此被称为“电线”、“馈送线路”或“线路”。这种馈送线路是针对作为由横截面大体恒定的线路和接地线组成的双线系统的单相电机设计的。在此可以理解的是，来自变频器的控制脉冲的脉冲持续时间大于线路的横向延伸度。在纵向均匀的双导体(横截面恒定)中，电压脉冲作为纯横波沿线路的纵向延伸度方向传播。相应内容也适用于多相电机。由此，例如三相电机(如采用三角形连接)由三芯线和地线提供。在三线系统中，设有相线、中性线、保护用地线，视情况还设有编织屏蔽层。星形/三角形运行中无需中性线。
由于变频器与电机之间的馈送线路具有最终长度且端部不暴露(该处连接电机)，因此，每当线路阻抗根据机器绕组阻抗针对来自变频器的电压脉冲调整时，会出现反射和由反射叠加的脉冲。只有在线路在机器侧以其特征阻抗终接的情况下，线路才在该处无反射。在有所其他情况下(即使在空载和短路的情况下)均会出现反射。由于线路的终端通常与线路的特性阻抗不匹配，因此，线路末端会发生反射。将返回的脉冲与输出的脉冲之比称为反射系数。在新的/理想的馈送线路中，反射系数在线路沿其长度的任意位置上均相同，因为特性阻抗沿理想的线路是均匀的。为此，在从机器出发的相应的距离上观察反射系数。其中，沿线路长度的某个位置上的反射系数由这个位置上的返回的电压波的振幅与输出的电压波之比定义。
实际的馈送线路针对交流电压或脉冲模式具有单位长度电感，且因欧姆分量而具有串联的单位长度电阻。此外，实际的馈送线路还具有单位长度(横向)电容以及电介质中的单位长度导纳。这四个系数首先确定线路的复电阻。由于外部环境影响，线路的复电阻沿其长度局部有变化。
由沿线路的纵向延伸度且因线路退化而非线性变化的反射系数形成线路的反射轮廓。由测得的电压信号曲线得到的这个反射轮廓由检测与评价装置确定。
变频器视具体负载以转速可控的方式为电机(同步或异步电机)供应电流。为此，整流器将均匀的电网交流电压(例如380伏，50赫兹)转换为具有可变的振幅和脉冲持续时间的脉冲交流电压。通过控制脉冲持续时间和电压，实现对电机的转速和转矩的无级调节。变频器在输入侧具有整流器-桥接电路。
这个整流器-桥接电路将输入的(例如单相或多相，例如三相)电网交流电压转换成脉动直流电压。这个脉动直流电压被缓冲电容器和视情况可能存在的电感器平滑成被称为中间电路的直流电压电路。
中间电路下游的可控逆变电路将来自中间电路的平滑电压转换成例如三相电压(u、v、w)。每个相均具有包含较短的周期/脉冲长度(例如约20μs-约500μs)、较高的边沿陡度(例如约100V/μs-约1000V/μs)和数百伏的脉冲振幅(例如约120V-约560V)的方波脉冲，以为电机供电。为此，逆变电路中设有具有GTO晶闸管或IGBT晶体管的受控半(或全)桥电路。这些桥电路的时间和相位控制系统定义电机的转速、转矩或馈电电流。
当然，施加小电压(最高50V AC，120V DC)、低压(400V、500V、690V)、中压和高压(3000V、3300V、5000V、5500V、6000V、6300V、6600V、10000V、10500V、11000V)范围的的工作电压也可以配设本解决方案。
在此提出的解决方案基于以下情形：检测与评价装置由变频器馈入馈电线路的矩形电压脉冲得到线路的状态以及其故障可能性的大小。这样就无需外部的或单独的信号发生器。线路的反射轮廓可以(在来自变频器的方波脉冲的相应边沿陡度下)由检测与评价装置评价。在一个技术变体中，检测与评价装置为信号处理器，其在输入侧分配有一个模/数转换器。在另一技术变体中，检测与评价装置由组件形成，这些组件为变频器的部分。因此，在线路的反射轮廓中，沿馈送线路至所连接电机的故障点所引起的电压反射可以被检测到，因为，故障点可以作为一个相(对地测量)上或两个相之间的电压跳变被记录下来。在大体矩形的脉冲中，这些电压跳变在脉冲增加与脉冲平台的过渡处出现。在给定的线路中，来自变频器的电压脉冲的时间梯度(ΔU/Δt)越大，这些电压跳变就越明显；其在检测与评价装置中进行处理。
反射轮廓示出，脉冲陡增结束时，在向脉冲平台过渡时梯度减小。脉冲平台最初具有第一平坦区段。第一平坦区段结束后紧接着是另一次明显的脉冲增加，增加至脉冲平台的第二平坦区段。在功能正常的，例如新的线路中，脉冲陡增的结束与第一平坦区段结束时的脉冲增加之间的第一平坦区段的持续时间代表其在变频器与电机之间的长度。在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价这个持续时间。
从脉冲陡增加过渡至第一平坦区段时，线路电容会影响脉冲的电压曲线。在第一平坦区段中，线路的特性阻抗基本恒定。第一平坦区段结束时的脉冲增加代表脉冲在电机处的反射，确切而言，代表电机的定子线圈上的阻抗跳变；在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价该阻抗跳变。
当线路运行时，进入第一平坦区段的过渡与第一平坦区段结束时的电压脉冲增加之间的时间间隔，以及当线路运行时该区段内的电压曲线，代表线路的故障、磨损和/或老化的位置和程度的大小。线路沿该路线的这种退化导致在之后第一平坦区段结束时脉冲增加的时间更早。其原因在于，例如线路的(实或复)电阻在线路退化的区域内发生变化，例如增加。这种线路退化可能是由于线路在某个点或某个区域，例如拖链或机械手关节中的强力挤压、弯曲、扭曲或弯折而引起。在这个位置或这个区域内，变频器的脉冲在线路的这个增大的电阻/增大的阻抗上发生反射，并且导致第一平坦区段内线路的故障点上脉冲增加。第一平坦区段至电压脉冲增加的这种缩短/延长指示线路退化的位置；在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价该退化位置。
当线路断裂时，电压脉冲陡增至达到最大振幅。在线路具有电气上更短的长度，也就是从反射轮廓观察，损伤位置不是线路的末端的情况下，可以认为线路断裂(对电机的能量传输中断)；在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价这个电气上更短的长度。
相对于最初测得的电压信号曲线，电压振幅在第一平坦区段内在运行期间平缓的逐渐增加和逐渐陡峭的增加指示线路在受到机械应力的情况下的退化位置；在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价该退化位置。
在所述装置的一个技术变体中，所述检测与评价装置检测和评价被构建和配置成，相对于最初测得的电压信号曲线，对从第一平坦区段起在运行期间的逐渐下降和/或陡然下降进行评价，其代表馈送线路的退化位置或区域。
在所述装置的一个技术变体中，所述检测与评价装置对应于电机启动后提供转速、转矩或转数大小的数据采集。在一个技术变体中，作为补充或替代方案，所述检测与评价装置被配置和设计成在电机的预设转速下开始对电压信号曲线进行检测和评价。测量由此更加精确，因为始终在转速、转矩等的定义的参考值下进行测量。
在一个技术变体中，所述检测与评价装置被配置和设计成在两相之间电压差最大的时间段内对两相之间的电压信号曲线进行检测和评价。这同样改进了测量的品质和精度。
在一个技术变体中，所述检测与评价装置被配置和设计成与作为电机的步进电机连接。
作为步进电机，所述电机可以以磁阻步进电机、永磁式步进电机或混合步进电机的结构形式设计，该步进电机被设计成可以在正常模式、波驱动模式或半步模式或微步模式中单极或双极控制的2相、3相或5相机器，以及/或者，该步进电机基于高极数而适于接近极为精确的角位。
变频器可以包括步进电机控制器，其适于通过切换陡沿方波脉冲来使步进电机运行。
在一个技术变体中，本技术方案涉及一种配置，包括电机、所述电机的馈送线路，所述馈送线路布置在所述电机与变频器之间，所述变频器被配置和指定为通过馈电线路为电机供应具有优选可变的电压振幅和旋转场频率的单相或多相交流电压，其中交流电压的脉冲持续时间/调制率和/或电压振幅的变化用于改变电机的转速或转矩。所述变频器被配置和指定为将交流电压的每个相作为高边沿陡度的方波脉冲序列提供，以便为电机馈电。检测与评价装置被配置和编程为在馈电线路的至少一个芯线上或至少两个芯线之间对电压信号曲线进行检测和处理，以便由电压信号曲线得到线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且将所得到的大小在输出端输出。
在另一技术变体中，所述检测与评价装置被配置成，例如通过评价线路的单位长度电容和电感电阻来区别故障类型“绝缘层损伤”和“芯线开始断裂”。
一个用于测定线路的故障、磨损和/或老化的位置和程度的技术变体以上述类型的装置工作，以为线路提供有意义的特性。在所述方法的一个运行阶段中，测定线路的特性(视情况存储下来)，并且与所存储的对应阈值以及所存储的允许的过冲/下冲的数目进行对比，和/或将实测轮廓与参考反射轮廓进行对比。这通过以下计算规则执行：
其中，Char是运行期间脉冲的当前电压与馈电线路的长度0…Lsl上的参考电压/>的平方差的积分。换言之，从实际曲线中减去原本的反射轮廓，使其自乘，并且通过馈送线路的长度求积分。由此，在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测、评价并且计算出图中两条曲线相差的面积。
作为替代或补充方案，在所述方法的一个技术变体中，将过去在相应线路上在相应条件下测得的退化曲线存储起来。所存储的这些曲线具有有意义的区段和位置，且优选从线路的开始运转延伸至发生故障。通过基于这些有意义的区段或位置，借助于计算出的按相应变量的相应拉伸/压缩、倾斜、位移，根据线路尚未发生故障的线路的当前退化曲线调整所存储的这些退化曲线，测定出线路故障或线路使用寿命中的其他有意义的事件的时间段或时间点，视情况还测定出这个故障或事件发生的概率。作为按相应变量的相应拉伸/压缩、倾斜、位移的补充或替代，也可以使用计算机辅助的模式识别，以便与一或多个所存储的退化曲线相比，由线路尚未发生故障的线路的当前退化曲线的特性区段或位置提供对故障或线路使用寿命中的其他有意义的事件的预报。在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置检测和评价这些计算/计算机辅助的模式识别。
在所述装置的一个技术变体中，为监控馈电线路，在运行阶段确定线路的相应特性是否低于上阈值和/或高于下阈值。在“是”的情况下，测定时间上的下一相应特性，在“否”的情况下，增加一个计数器，以便与所存储的视情况在预设的时间间隔内允许的过冲/下冲的相应数目进行对比。在达到的情况下激活/发出警报。
在所述装置的一个技术变体中，为监控馈电线路，在运行作阶段根据被激活的警报的次数将线路的故障、磨损和/或老化的出现概率用信号表示为增加。
在所述装置的一个技术变体中，为监控馈电线路，在运行阶段根据警报被激活的频率，将线路的故障、磨损和/或老化的出现概率换算成剩余的开关操作循环、剩余的运行时间/使用寿命，具体方式是，参考这些特性以及过去的，例如来自试验运行或运行中的其他线路的参考特性。
这种装置特别是能够对工业仪器和设备中的电机的移动馈送线路进行(准)持续监控。但例如腐蚀性环境下的固定线路也可以用所述装置实施预见性监控。由此，实现对工业机器和设备中或者陆上或天空交通工具中处于外部影响下的馈送电缆的持续或间歇性监控。所述装置也能对例如机床、(多轴的)加工中心、门式机械手或机械臂的伺服电机的馈送线路进行监控，以预报线路的故障、磨损和老化现象。即使在机器/设备运行过程中，也可以持续地或以重复采样的方式对线路的故障、磨损和老化的出现概率的大小进行评价。出现概率的大小可以作为信号波形的测量值的函数形成。在一个技术变体中，信号波形为来自电机中的变频器的馈送电压的曲线。在一个技术变体中，在变频器的输出端，也就是通向机器的馈送线路的输出端处检测信号波形。在线路安装后(紧接着)的第一的测量时段中，可以对通过线路流向电机的馈送电压的最初的信号波形进行检测，随后用运行期间馈送电压的后续信号波形结算，以测定出线路的故障、磨损和老化的出现概率的大小。将通过线路流向电机的馈送电压的这个最初的信号波形存储下来并且用作参考。
装置中所实现的用于检测和评价信号波形的测量值的函数的组件和程序的确定由线路的类型、线路的使用场所和使用目的、线路是可动的还是固定的、周围大气等等决定。在一个技术变体中，将变频器所提供的用于电机运行的脉冲信号的信号波形，也就是有用信号进行评价。这样就能在不影响电机运行的情况下特别简单地实现持续或间歇性监控或采样。由此，一方面，线路仅用于当前的设备运行。另一方面，通过线路发送的当前运行的有用信号也不会与馈入的诊断数据竞争/被干扰。但在一个技术变体中，作为用于电机运行的脉冲信号的替代，也可以通过逆变电路将来自中间电路的电能转换为专用的测量信号包，将其输出并且进行评价。
用所述装置/所述方法得到的数据用于预报线路的故障、磨损和老化现象。
在此所提出的装置和方法的技术变体在设备运行过程中对所得到的数据进行评价。由这些数据确定可用于触发电线的预见性维护的标准。可以借助于所述装置和所述方法对线路的状态进行评估，视情况同样在薄弱点导致线路故障并且带来一切负面后果之前清除这些薄弱点。对线路的这个诊断不会损伤管线。
对馈送线路的外部影响是指电磁场、机械应力、变形(弯曲、弯折、拉伸、压缩、扭转等)、温度变化、湿度、腐蚀性气氛、接触油、卤素或盐水等等。
与现有技术相比，在此所提出的技术变体成本更低且提供相对更可靠的预测结果，因为一方面，评价持续进行，另一方面，测量在实际使用中的线路上实施(不同于借助于附加传感元件的方法)。这样就能可靠地对线路的退化进行检测。
为此，在一个技术变体中，将过去在相应线路上在相应条件下测得的退化曲线存储在装置中。这些曲线具有有意义的区段和位置，且从线路的开始运转延伸至发生故障。通过在电子控制单元和/或信号处理器中基于这些有意义的区段或位置，通过计算出的按相应变量的相应拉伸/压缩、倾斜、位移，根据线路尚未发生故障的线路的当前退化曲线调整所存储的这些退化曲线，测定出线路故障或线路使用寿命中的其他有意义的事件的时间段或时间点，视情况还测定出这个故障或事件发生的概率。
在所述装置的一个技术变体中，所述电子控制单元为信号处理器的部分，或者独立于这个信号处理器地作为所述装置的部分与这个信号处理器连接，以便接收和处理检测到的特性。在另一技术变体中，所述装置集成在变频器中或利用变频器的部件和功能来实施测量并且对测量进行评价。
在此所揭示的方法用于监控由变频器馈电的电机的馈送线路，以预测馈电线路的故障、磨损和老化。所述方法包括以下步骤：
敷设馈电线路，以将工业机器或设备中或者陆上或天空交通工具中的电机与变频器连接在一起。
设置变频器，以通过馈电线路为电机供应具有可变的电压振幅和脉冲持续时间的单相或多相交流电压，其中交流电压的脉冲持续时间和/或电压振幅的变化用于改变电机的转速或转矩。
将交流电压的每个相作为方波脉冲序列提供，以通过变频器为电机馈电。
检测与评价装置对馈电线路的一个芯线上或两个芯线之间的电压信号进行检测和处理，以便由电压信号得到线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且将所得到的大小在输出端输出。
上述解决方案的技术变体部分地在装置术语中公开。当然，在此揭示的解决方案变体也作为方法公开和实施。
在一个技术变体中，在此所揭示的用于监控馈送线路以预测线路的故障、磨损和老化的方法以上述类型的装置实施。在将馈送线路敷设/安装在变频器与电机之间后，记录下参考反射轮廓并且保存下来。
附图说明
所述装置和所述方法的更多特征、特性、优点、适当性参阅下文结合附图的说明。同样地，参照下文结合附图的说明，所有可能的变更对本领域技术人员都是清楚的。附图示出本文所讨论的装置的实施方式。
其中：
图1为设备的示意图，所述设备包括在电网上运行的变频器，所述变频器连接暴露于外部环境的馈送线路，以控制电机；
图2为控制电机时施加在馈送线路一相上的电压的示意图；以及
图3为当暴露于外部环境的馈送线路开始运行以及继续运行时，控制电机时施加在馈送线路一相上的电压的示意性放大图。
具体实施方式
图1示出用于监控由变频器馈电的电机M的多芯馈送线路12的装置10。这个装置10用于预测馈送线路12的故障、磨损和/或老化。馈送线路12例如用于将机床中的电机M与变频器14连接在一起。变频器14通过馈电线路12为电机M供应在此为三相的交流电压u v w。交流电压uvw在此具有可变的电压振幅和可变的脉冲持续时间。交流电压uvw的脉冲持续时间和/或电压振幅的变化用于改变电机M的转速或转矩。这个改变通过将实际转速信号从电机提供至电子控制系统ECU，以及通过将额定转速信号输出至变频器14来起作用。特别是在具有编码器的设备中应用这个技术方案。也可以应用不将信号反馈至电子控制系统ECU的技术方案。在此过程中，电子控制系统ECU从电机参数中推导出转速/转矩。
变频器14将交流电压的每个相作为高边沿陡度的方波脉冲序列提供，以便为电机馈电。在此处所示的技术变体中，检测与评价装置20在馈电线路12的两个芯线v、w之间对电压信号曲线进行检测，以便对其进行处理。在一个未进一步图示的技术变体中，检测与评价装置20与电子控制系统ECU和/或变频器14的电子设备结构统一。检测与评价装置20由芯线上的电压信号曲线测定出馈送线路12的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小。将所得到的大小在输出端D输出。
电机M在此为内转子电机，其例如作为同步或异步电机由变频器14驱动。
借助于这个装置10和下文将详细说明的方法实现对馈送线路12的线路诊断。这个馈送线路12是指暴露于外部环境应力的铜线，具有多个芯线、一个集体屏蔽、绝缘层和护套。馈送线路12作为屏蔽层上有地线的三芯线为三相电机M通电，在此采用三角形连接。
检测与评价装置20由从馈送线路12的芯线传来的电压信号测定出该处发生的反射。当线路有故障时，如果馈送线路12的(复)电阻不是纵向均匀的，或者因故障而成为位函数时，则会发生反射。在退化的情形下，线路沿其长度的每个位置上的系数均不同，因此，检测与评价装置20由发生的反射测定出线路故障的位置。
由馈电线路12的运行期间的退化引起的反射系数沿馈电线路12的纵向延伸的变化不是线性的。由此得到馈电线路12的反射轮廓。由测得的电压信号曲线得到的这个反射轮廓由检测与评价装置20确定。
变频器14视具体负载以转速可控的方式为电机(同步或异步电机)供应电流。为此，变频器14借助于整流器将均匀的电网交流电压(例如400伏，50赫兹)先转换成中间电路的直流电压，并且借助于逆变器转换成具有可变振幅和脉冲持续时间的交流电压，这个脉冲调制交流电压的均方根值相当于正弦交流电压的均方根值。通过控制脉冲持续时间和电压，实现对电机M的转速和转矩的无级调节。
变频器14在输入侧具有整流器-桥接电路14a。这个整流器-桥接电路14a将此处的三相电网交流电压L1、L2、L3转换成脉动直流电压。这个脉动直流电压被缓冲电容器C和视情况可能存在的电感器平滑成被称为中间电路的直流电压电路14b。
中间电路14b下游的可控逆变电路14c将来自中间电路14b的平滑电压转换成此处的三相电压u、v、w。在此处所示的技术变体中，每个相均具有包含例如约20μs-约500μs的较短脉冲长度的方波脉冲。方波脉冲具有例如约100V/μs-约1000V/μs的边沿陡度和数百伏的脉冲振幅，在此例如约120V-约400V，以为电机M馈电。为此，逆变电路14c中设有在此未详细图示的具有GTO晶闸管或IGBT晶体管的受控半(或全)桥电路。在正确的时间和相位控制这些桥电路，以基于转速额定信号rpm nom或另一特性参数，例如转矩，由电子控制系统ECU实现电机M的实际转速rpm act。控制系统ECU视情况由未进一步图示的外部预设值定义电机M的转速、转矩或馈电电流。
检测与评价装置20由变频器14馈入馈电线路12的矩形电压脉冲测定暴露于外部环境应力的馈送线路12的状态以及其故障可能性的大小。矩形电压脉冲SP是指被作为工作能源馈入电机M的馈送线路12的脉冲。馈送线路12的反射轮廓可以由检测与评价装置20检测和评价。因此，在馈送线路12的反射轮廓中，沿馈送线路12至所连接电机M的故障点所引起的电压反射可以被检测到，因为，故障点可以作为一个相u、v、w或两个相u、w之间的电压跳变被检测到。
图2示出矩形电压脉冲SP，其被输往电机M的三相u、v、w中的每个相。这个脉冲模式在变频器14的输出端测得。通过中间电路14b中的电容器C的电荷反转过程引起的叠加波列将图2中可见的波形调制成大体矩形的电压脉冲SP。这个叠加波列在这个技术变体中具有约6毫秒的周期长度。在各电压脉冲SP上出现的其他脉冲在这个技术变体中具有约200μs的周期长度。
图2和图3示出上述电压跳变是如何出现以及如何产生的。在未连接馈送线路12且无电机M的情况下，变频器14提供三相u、v、w作为矩形电压脉冲。在连接馈送线路12且有电机M的情况下，在矩形电压脉冲的第一次脉冲增加PA1与脉冲平台PP的过渡处出现这些电压跳变。在具有预设长度以及单位长度电容和电感线路的给定线路中，变频器14中的电压脉冲的时间梯度(ΔU/Δt)越大，这些电压跳变就越明显；其由检测与评价装置20检测和评价。
反射轮廓示出，当过渡结束时，随着第一次脉冲增加PA1，在向脉冲平台过渡时梯度减小。脉冲平台PP最初具有第一平坦区段FA1。第一平坦区段FA1结束后紧接着是另一次明显的脉冲增加PA2，增加至脉冲平台PP的第二平坦区段FA2。在功能正常的，例如新的馈送线路12中，脉冲陡增PA1的结束与第一平坦区段FA1结束时的脉冲增加之间的第一平坦区段FA1的持续时间k*Lsl代表其在变频器14与电机M之间的长度Lsl。其中，k为维度为m/s的系数。在所述装置的一个技术变体中，通过检测与评价装置20检测和评价这个持续时间。
从第一次脉冲增加PA1过渡至第一平坦区段FA1时，线路电容会影响脉冲的电压曲线。在第一平坦区段FA1中，线路的特性阻抗基本恒定。第一平坦区段FA1结束时的脉冲增加PA2代表脉冲在电机M处的反射，确切而言，代表电机M的定子线圈上的阻抗跳变；在所述装置10的一个技术变体中，通过检测与评价装置20检测和评价该阻抗跳变。当馈送线路12运行时，进入第一平坦区段FA1的过渡与第一平坦区段FA1结束时的电压脉冲增加之间的时间间隔代表线路长度的大小。在馈送线路12进一步退化的情况下，不同于新线路中原本水平的曲线，在这个平坦区段内出现电压过冲，这可能表示在越来越多的故障点上发生反射。馈送线路12沿该路线的这种退化可导致在第一平坦区段FA1结束时脉冲增加的时间更早。例如在线路末端区域内有故障的情况下就是这种情形。但故障也可能出现在线路中间，在此情况下，形成特定的曲线，其中在第一平坦区段FA1的中间区域更早出现脉冲增加。
馈送线路12的(实或复)电阻在线路退化的区域内增加。在这个位置或这个区域内，变频器14中的脉冲在馈送线路12的这个增大的电阻/增大的阻抗上发生反射，并且导致第一平坦区段FA1结束时的脉冲增加。因此，第一平坦区段FA1直至平坦区段FA1结束时的脉冲增加相对于最初测得的电压信号曲线发生变化。检测与评价装置20由这个变化计算出馈送线路12的退化位置。当馈送线路12断裂时，电压脉冲陡增至达到最大振幅(脉冲平台PP的第二平坦区段FA2)。由此形成馈送线路12的“电气上更短的长度”。在馈送线路12具有比其原始长度Lsl更短的电气长度的情况下，检测与评价装置20在线路断裂(对电机M的能量传输至少近似完全中断)的意义上对信号进行评价。图3中的曲线Deg0、Deg1、Deg2示出这一点。曲线形状的变化通过检测与评价装置20检测和评价。在所示示例中，可以从曲线Deg1和Deg2看出馈送线路12的损伤；其出现在线路长度的后三分之一处。在此，例如馈送线路12的一个线路段可能处于拖链中，该线路段在该拖链中暴露于机械负荷。在用双点划线示出的曲线Deg2中，该曲线陡升至第二平坦区段FA2，达到最大振幅。在此，可以认为馈送线路12断裂；该线路具有电气上更短的长度。
检测与评价装置20在第一运行阶段，例如安装后立即开始运转时对馈送线路12的特性进行检测并且存储下来。这些特性例如包括电压信号曲线的变化。将这些变化与所存储的对应阈值以及所存储的允许的过冲/下冲的数目进行对比，和/或将实测轮廓与参考反射轮廓进行对比。这通过以下计算规则执行：
其中，Char是运行期间脉冲的当前电压与线路的长度0…Ll上的参考电压/>的平方差的积分。根据应用和线路长度设定阈值或极限值，以便及时发出线路退化或要求更换的信号。
在另一种评价中，最初测量同样用作针对每个线芯检测和存储的参考轮廓。将第一平坦区段FA1的电压水平设置为100％值，对应于功能正常的馈送线路12。将第二平坦区段FA2的电压水平设置为0％值，对应于故障的馈送线路12。在馈送线路12的退化曲线中，在原本应存在第一平坦区段FA1的电压水平的区域内，出现振幅在第二平坦区段FA2的电压水平与第一平坦区段FA1的电压水平之间的电压脉冲。如果这些振幅超过预定水平的例如70％，且如果在一个测量周期内出现了预定的次数，则检测与评价装置20同样将其评价为不可接受的老化并且相应地发出信号。
上述装置的技术变体、其结构和操作方面，以及所述方法的技术变体仅用于使结构、操作方式和特性更易理解；公开内容并不因此而局限于实施例。在部分情况下，附图为示意图且比例不受限制。其中，基本特性和效果部分地被放大图示，以阐明功能、作用原理、技术设计和特征。其中，附图或正文中所公开的每一种操作方式、每一个原理、每一种技术设计和每一项特征均可与所有权利要求、正文中和其他附图中的每一项特征、本公开中所包含的或从中得出的其他操作方式、原理、技术设计和特征自由且任意地相结合，以便所有可设想的组合均可对应于所述处理方式。正文中(即说明书的每一章节中)和权利要求书中所有单个实施方案之间的组合，以及正文中、权利要求书和附图中不同变体之间的组合也被包括在内。权利要求书也不限制公开内容，进而也不限制所有被披露特征相互之间的组合可能性。所有被公开的特征在此也明确地被单独公开，并且与所有其他特征相结合地被公开。
Claims (25)
1.一种用于监控由变频器(14)馈电的电机的馈送线路(12)，以预测所述馈电线路(12)的故障、磨损和老化的装置(10)，其中
-所述馈电线路(12)被配设和敷设成用于将工业机器或设备中或者陆上或天空交通工具中的电机(M)与所述变频器(14)连接在一起，以及
-所述变频器(14)被配置和指定为通过所述馈电线路(12)为所述电机(M)供应具有可变的电压振幅和脉冲持续时间的单相或多相交流电压(u、v、w)，其中所述交流电压(u、v、w)的脉冲持续时间和/或电压振幅的变化用于改变所述电机(M)的转速或转矩，
-所述变频器(14)被配置和指定为将所述交流电压(u、v、w)的每个相作为高边沿陡度的方波脉冲序列提供，以便为所述电机(M)馈电，且其中
-检测与评价装置(20)被配置和编程为--在所述变频器的输出端，在所述馈电线路(12)的一个芯线上或两个芯线之间对电压信号进行检测和处理，以便由所述电压信号得到所述线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且
--将得到的所述大小在输出端(D)输出。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其中所述电机(M)设计为内转子或外转子同步或异步电机，以及/或者，其中所述馈送线路(12)为具有横截面相同或不同的一或多个芯线或芯线对、单屏蔽或集体屏蔽、绝缘层和/或护套的金属导电铜线路或线缆，以及/或者，其中所述馈送线路(12)针对单向电机(M)设计为双线配置，针对三相电机(M)配设有三个芯线和一个接地线。
3.根据权利要求1或2所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)被配置和编程为在所述馈电线路(12)的一个芯线上或两个芯线之间由所述检测到的电压信号对来自所述变频器的电压脉冲和通过所述馈电线路(12)中的反射与所述电压脉冲叠加的脉冲进行评价，以确定由所检测到的所述电压信号的曲线得到的反射轮廓。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置(10)，其中所述变频器(14)被配置为为所述电机(M)供应电能，具体方式是将大体均匀的电网交流电压转换为具有可变的振幅和脉冲持续时间的交流电压，并且通过所述馈电线路(12)输往所述电机(M)，其中通过控制所输送的电压脉冲的脉冲持续时间和电压，所述电机(M)的转速和转矩可变；以及/或者，其中
所述变频器(14)在输入侧具有整流器-桥接电路(14a)，其被配置成将输入的单相或多相电网交流电压(L1、L2、L3)转换成脉动直流电压，以及/或者，其中所述整流器-桥接电路(14a)下游连接有使所述脉动直流电压平滑的中间电路(14b)；以及/或者，其中
所述中间电路(14b)下游连接有可控逆变电路(14c)，其被配置成将来自所述中间电路(14b)的平滑电压转换成单相或三相电压(u、v、w)，其中每个相均具有方波脉冲，所述方波脉冲具有约20μs-约500μs的脉冲长度、约100V/μs-约1000V/μs的较高的边沿陡度和范围在低压、中压或高压的脉冲振幅，以为所述电机(M)供电。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)由所述变频器(14)馈入所述馈送线路(12)的电压脉冲测定所述线路的状态，其中所述检测与评价装置(20)对所述线路(12)的反射轮廓进行测定和评价。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)对作为对地相或两相之间的电压跳变的故障点进行检测和评价，其中所述检测与评价装置特别是对在大体矩形的脉冲中在所述脉冲陡增(PA1)与脉冲平台的过渡处(aa)出现，以及/或者在大体矩形的脉冲中在脉冲平台(aa)与脉冲陡降的过渡处出现的电压跳变进行评价。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)对所述脉冲陡增(PA)结束时，在向所述第一脉冲平台(PP1)过渡时梯度的减小进行检测和评价。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-对所述脉冲平台(PP)的最初的第一平坦区段(FA1)进行检测和评价，以及/或者
-对所述第一平坦区段(FA1)结束时增加至所述脉冲平台(PP)的第二平坦区段(FA2)的另一次脉冲增加(PA2)进行检测和评价，且其中
-将在功能正常的馈送线路(12)中，所述脉冲陡增(PA1)的结束与所述第一平坦区段(FA1)结束时的另一次脉冲增加(PA2)之间的所述第一平坦区段(FA1)的持续时间长度评价为其在所述变频器(14)与所述电机(M)之间的长度的代表性大小。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将所述第一平坦区段(FA1)结束时的另一次脉冲增加(PA2)评价为所述脉冲在所述电机(M)处的反射，且将当线路运行时，进入所述第一平坦区段(FA1)的过渡与所述第一平坦区段(FA1)结束时的所述另一次脉冲增加(PA2)之间的时间间隔评价为所述馈送线路(12)的故障、磨损和/或老化的位置和程度的大小，其且中
-将相对于最初测得的所述电压信号曲线，所述第一平坦区段(FA1)至所述第一平坦区段(FA1)结束时的另一次脉冲增加(PA2)的缩短评价为所述馈送线路(12)的退化位置或区域的代表性衡量标准。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将与先前在功能正常的状态下测得的所述馈送线路(12)的电气长度相比，检测到所述馈送线路(12)的电气长度有所缩短评价为线路断裂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将相对于最初测得的所述电压信号曲线，从所述第一平坦区段起在所述运行期间的平缓的逐渐增加和/或陡然增加评价为所述馈送线路(12)的退化位置或区域的代表性衡量标准。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将相对于最初测得的所述电压信号曲线，从所述第一平坦区段起在所述运行期间的逐渐下降和/或陡然下降评价为所述馈送线路(12)的退化位置或区域的代表性衡量标准。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-对应于所述电机(12)启动后提供转速或转数大小的数据采集，以及/或者
-所述检测与评价装置(20)被配置和设计成在所述电机(12)的预设转速下开始对所述电压信号曲线进行检测和评价。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-被配置和设计成在两相之间电压差最大的时间段内对两相(u、v、w)之间的电压信号曲线进行检测和评价。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-被配置和设计成，在两相之间电压差最大的时间段内以高极步进电机对两相(u、v、w)之间的电压信号曲线进行检测和评价。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的装置(10)，其中所述电机设计为磁阻步进电机、永磁式步进电机或混合步进电机的结构形式的步进电机，所述步进电机设计成可在正常模式、波驱动模式或半步模式或微步模式中单极或双极控制的2相、3相或5相机器，以及/或者，所述步进电机基于高极数而适于接近极为精确的角位。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置(10)，其中所述变频器包括步进电机控制器，所述步进电机控制器适于通过切换陡沿方波脉冲使步进电机运行。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-在所述馈送线路(12)的第一运行阶段中，测定所述馈送线路的特性并且存储下来，并且
-在所述馈送线路(12)的第二运行阶段中，将存储下来的所述馈送线路的特性与所存储的对应阈值以及所存储的允许的过冲/下冲的数目进行对比，和/或将实测轮廓与参考反射轮廓进行对比。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-在所述馈送线路(12)的第一运行阶段中，测定作为参考反射轮廓的参考电压并作为特性存储下来，并且
-在所述馈送线路(12)的第二运行阶段中，将存储下来的所述馈送线路的参考反射轮廓的参考电压与所存储的对应阈值以及所存储的允许的过冲/下冲的数目与当前的运行实测轮廓进行对比，且其中优选地通过运行期间所述脉冲的当前电压与所述线路的长度上的参考电压的平方差求积分。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将过去在相应线路上在相应条件下测得的退化曲线存储起来，所述退化曲线具有有意义的区段和位置，且其中所述检测与评价装置(20)被配置和编程为，通过基于所述有意义的区段或位置，借助于计算出的按相应变量的相应拉伸/压缩、倾斜、位移，根据线路尚未发生故障的线路的当前退化曲线调整所存储的所述退化曲线，以测定出所述线路发生故障或所述线路使用寿命中的其他有意义的事件的时间段或时间点，视情况测定出所述故障或所述事件发生的概率。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-将过去在相应线路上在相应条件下测得的退化曲线存储起来，所述退化曲线具有有意义的区段和位置，且其中所述检测与评价装置(20)被配置和编程为，通过所存储的退化曲线的模式识别法，与一或多个所存储的退化曲线相比，由线路尚未发生故障的线路的当前退化曲线的特性区段或位置提供对所述线路发生故障或所述线路使用寿命中的其他有意义的事件的预测。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-为监控所述馈电线路(12)，在所述运行阶段确定所述馈电线路(12)的相应特性是否低于上阈值和/或高于下阈值，在“是”的情况下，测定时间上的下一相应特性，在“否”的情况下，增加一个计数器，以便与所存储的视情况在预设的时间间隔内允许的过冲/下冲的所述相应数目进行对比，并且在达到的情况下激活/发出警报。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的装置(10)，其中所述检测与评价装置(20)
-为监控所述馈电线路(12)，在所述运行阶段根据警报被激活的频率，将所述馈电线路(12)的故障、磨损和/或老化的出现概率换算成剩余的开关操作循环、剩余的运行时间/使用寿命，具体方式是，参考所述特性以及过去的，例如来自试验运行或运行中的其他线路的参考特性。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的装置，其中所述电子控制单元(ECU)为所述信号处理器(DSP)的部分，或者独立于所述信号处理器地作为所述装置的部分与所述信号处理器连接，以便接收和处理检测到的所述特性。
25.一种用于监控由变频器(14)馈电的电机(M)的馈送线路(12)，以预测所述馈电线路(12)的故障、磨损和老化的方法，具有所述步骤：
-敷设所述馈电线路(12)，以将工业机器或设备中或者陆上或天空交通工具中的电机(M)与所述变频器(14)连接在一起，以及
-设置所述变频器(14)，以通过所述馈电线路(12)为所述电机(M)供应具有可变的电压振幅和脉冲持续时间的单相或多相交流电压(u、v、w)，其中所述交流电压(u、v、w)的脉冲持续时间和/或电压振幅的变化用于改变所述电机(M)的转速或转矩，
-将所述交流电压(u、v、w)的每个相作为方波脉冲序列提供，以通过所述变频器(14)为所述电机(M)馈电，且其中
-检测与评价装置(20)对所述馈电线路(12)的一个芯线上或两个芯线之间的电压信号进行检测和处理，以便由所述电压信号得到所述线路的故障、磨损和/或老化的发生概率的大小，并且
-将所述得到的大小在输出端(D)输出。
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