CN1938520B - 用于确定泵单元运行时的故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定泵装置运行时的故障的方法。检测至少两个确定马达电功率的电变量以及泵的至少一个变化的液压变量。利用电子数据处理自动地对所述检测的值或通过算法由所述变量形成的值与预设存储值进行比较，然后利用所述比较结果确定是否出现故障。

Description

用于确定泵单元运行时的故障的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定泵装置运行时的故障的方法。

背景技术

EP-A-1286056属于现有技术，其借助传感器检测泵区域中泵装置的空化，其中这些传感器感测泵压力和流速。由这些传感器感测到的数据被传输到分类系统，并通过系统网络确定是否存在空化以及空化的程度。

EP-A-0321295属于现有技术，其借助多个传感器检测泵马达的液压系统数据和机械数据，以便检测泵的危急驱动情况，并且必要时在泵例如无润滑运行或逆着关闭的阀输送时，及时关闭泵。

现有技术还在多个泵装置中设置有多个传感器系统，以一方面检测运行情况、另一方面确定设备(installation)和/或泵装置的故障情况。采用这种方式，不利的是，对此所需的传感器系统不但复杂昂贵，而且常易于发生故障。

发明内容

相比于背景技术，本发明的目的是提供一种用于确定泵装置运行故障的方法以及用于实现该方法的设备，该方法利用尽可能少的传感器技术便可得以实现。

根据本发明，提高了一种用于确定泵装置运行时的故障的方法，该方法检测马达的至少两个确定马达电功率的电变量、泵的至少一个变化的液压变量、以及确定该泵的功率的至少一个另外的机械或液压变量，其中，一方面，对所述确定马达电功率的电变量中的两个电变量进行数学运算，以获得至少一个比较值；另一方面，对所述泵的至少一个变化的液压变量以及所述确定该泵的功率的至少一个另外的机械或液压变量进行数学运算，以获得至少一个比较值，其中，所述数学运算采用数学的机械-液压泵/马达模型与数学的电动马达模型的结合，并且通过所述数学运算的结果与预设值进行比较来确定是否出现故障。

根据本发明的方法的优选实施方式由从属权利要求、随后的说明以及附图中给出。

根据本发明的方法不仅可以确定是否出现故障，而且还可以具体说明所述故障，即确定出现了哪一种故障。

具体实施方式

本发明的基本构思是：通过马达的电变量(马达的电变量通常都能获得或者易于确定)以及通过泵的至少一个变化的液压变量(泵的液压变量通常由传感器确定)，来获得电动马达及液压机械泵(hydraulicmechanical pump)的特性数据，并且评估此特性数据经数学运算(联合)之后的情形。最简单的形式下，这通过与预设值进行比较来实现，其中所述比较及结果通过电子数据处理来自动实现，从而确定在泵的运行中是否出现故障。

根据本发明的方法需要最少的传感器技术，并且通常利用现代泵通过软件来实现，所述现代泵一般由变频器控制、并且在任何情况下都采用数字数据处理。因此，特别有利的是，用于确定马达电功率的变量(特别普通的是操纵马达的电压以及馈入马达的电流)在任何情况下都可以在变频器的电子设备中获得，于是只需压力传感器来确定液压变量(例如压力)，并且这已被认为属于现代泵的标准配置。用于比较的预设值可以以数字形式存储在马达电子设备的合适的存储器元件中。

根据本发明进行如下设置：一方面对于确定马达电功率的两个马达的电变量而言，优选为操纵马达的电压以及馈入马达的电流，这些变量将进行数学运算以获得至少一个比较值；另一方面，对于泵的至少一个变化的液压变量以及确定泵功率的另外的机械变量(mechanical variable)或液压变量而言，这些变量将进行数学运算以获得至少一个另外的比较值；然后由通过数学运算的结果与预设值进行比较，以确定是否出现故障。因此通过确定泵中的电和/或磁关系的合适的方程式来实现对于马达部分的数据的所述数学运算，其中描述液压和/或机械系统的方程式用于泵。分别运算得到的值或者直接进行比较或者与存储在存储器中的预设值进行比较，于是电子数据处理自动确定是否出现故障。对于直接比较，故障变量确定为从马达模型导出的变量(例如Te或ω)和从机械-液压模型导出的相应变量之间的差值。根据本发明的方法的优点在于预设值需要小的存储空间。

因此，采用根据本发明的方法，不仅可以确定是否出现故障，而且还可以具体说明所述故障，即确定出现了哪一种故障。

优选地，泵产生的压力或压差用作待检测的液压变量，因为在该装置部分可以检测该变量，并且设置这种压力记录器现今被认为是属于各种泵结构类型中的现有技术。

对于检测压力，可选择地或另外地，也可优选使用泵的输送量作为液压变量。在该装置部分上同样可以堆该输送量进行检测，并且这里同样地，可以利用复杂性更低的长期稳定的测量系统。

由于对泵产生的压力中的绝对压力检测总是表示相对于外部大气压力的压差测量，因此常常优选检测在泵的吸入侧和压力侧之间形成的压差，而不是绝对压力，并进而将该压差作为泵的液压变量以更有利的方式进行处理。

根据本发明，采用机械-液压泵/马达模型，该模型用于对确定马达电功率的变量进行数学运算以及对机械-液压泵变量进行数学运算。因此，对于电动马达模型，优选采用方程式(1)-(5)或者方程式(6)-(9)或者方程式(10)-(14)定义的模型。

$L_s^{\′}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}=-R_s^{\′}{i}_{\mathrm{sd}}+\frac{L_m}{L_r}(R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}+z_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}})+v_{\mathrm{sd}}---\left(1\right)$

$L_s^{\′}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}=-R_s^{\′}{i}_{\mathrm{sq}}+\frac{L_m}{L_r}(R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}-z_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}})+v_{\mathrm{sq}}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}=-R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-z_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+R_r^{\′}{L}_m{i}_{\mathrm{sd}}---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=-R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+z_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}+R_r^{\′}{L}_m{i}_{\mathrm{sq}}---\left(4\right)$

$T_e=z_p\frac{3}{2}\frac{L_m}{L_r}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{sq}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}{i}_{\mathrm{sd}})---\left(5\right)$

方程式(1)-(5)表示用于异步马达的电动的、动态马达模型。

V_s＝Z_s(s)I_s     (6)

ω＝ω_s-sω_s    (7)

$I_r=\frac{V_s}{Z_r\left(s\right)}---\left(8\right)$

$T_e=\frac{{3R}_r{I}_r^2}{s}---\left(9\right)$

方程式(6)-(9)同样表示用于异步马达的电动的、静态马达模型。

$L_s\frac{d{i}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}=-R_s{i}_{\mathrm{sd}}+z_p\mathrm{\ω}{L}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+v_{\mathrm{sd}}---\left(10\right)$

$L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}=-R_s{i}_{\mathrm{sq}}-z_p\mathrm{\ω}{L}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}{+v}_{\mathrm{sq}}---\left(11\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}=-z_p\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}---\left(12\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rd}}---\left(13\right)$

$T_e=z_p\frac{3}{2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{sq}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}{i}_{\mathrm{sd}})---\left(14\right)$

方程式(10)-(14)表示专用于永磁马达的电动的、动态马达模型。

在方程式(1)-(14)中：

i_sd为d方向上的马达电流

i_sq为q方向上的马达电流

ψ_rd为d方向上的转子磁通量

ψ_rq为q方向上的转子磁通量

T_e为马达转矩

v_sd为d方向上的马达供电电压

v_sq为q方向上的马达供电电压

ω为转子和叶轮的角速度

R′_s为定子绕组的等效电阻

R′_r为转子绕组的等效电阻

L_m为定子绕组和转子绕组之间的感应耦合阻抗

L′_s为定子绕组的感应等效阻抗

L_r为转子绕组的感抗

z_p为极对数

I_s为相电流

V_s为相电压

ω_s为供电电压的频率

ω为转子和叶轮的实际转速

s为马达转差率(motor slip)

Z_s(s)为定子阻抗

Z_r(s)为转子阻抗

R_r为转子绕组的等效电阻

R_s为定子绕组的等效电阻

L_s为定子绕组的感抗

其中d方向和q方向均都垂直于马达轴，并且两个方向彼此垂直。

方程式(15)和方程式(16)及(17)中的至少一个优选应用于该机械-液压泵/马达模型。

因此，方程式(15)表示马达和泵之间的机械上的关系，而方程式(16)及(17)描述泵的机械-液压关系。这些方程式为：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_e-\mathrm{B\ω}-T_p---\left(15\right)$

以及以下方程式中的至少一个：

H_p＝-a_h2Q²+a_h1Qω+a_h0ω²(16)

T_p＝-a_t2Q²+a_t1Qω+a_t0ω²(17)

其中

为转子角速度的时间微分

T_p为泵扭矩

J为转子、叶轮以及容置于叶轮中的输送液体的转动惯量

B为摩擦常数

Q为泵的输送流量

H_p为泵产生的压差

a_h2，a_h1，a_h0为描述叶轮的转速、输送流量以及压差之间关系的参数

a_t2，a_t1，a_t0为描述叶轮的转速、输送流量以及转动惯量之间关系的参数

所述参数a_h0-a_h2和所述参数a_t0-a_t2在所述方程式(16)和(17)中是固定的，而所述摩擦常数B和所述转动惯量J在所述方程式(15)中固定的；其中，所述马达转矩T_e由根据所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)的该电动马达模型来确定；所述角速度ω根据所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)来计算、或者通过测量获得；其中，一方面通过所述方程式(16)和/或(17)确定所述压差与所述输送流量之间的关系，和/或另一方面确定所述功率/所述马达转矩与所述输送流量之间的关系；由此，通过所述方程式(15)检查利用该机械-液压泵/马达模型计算的变量是否等于代入测量的所述液压变量后利用该机械-液压泵/马达模型计算的那些变量，其中，如果不相等，则记录故障。因此，通过上述的方式限定了实现数学运算的方式，以确定是否出现故障。原理上，在此完全可以无需存储预设值来实现。一方面，该特定方法的基本构思在于，利用马达模型基于电机轴的变量中的电变量来确定马达转矩并确定转速，其中转速也可以测量。利用方程式(16)和/或(17)，一方面可以确定压力与输送量之间的关系，或者另一方面可以确定功率/转矩与输送量之间的关系。然后，优选地，利用方程式(15)，检查通过马达模型计算的变量是否等于代入测量的液压变量后通过泵模型所计算的那些变量，其中当它们不相等时，记录故障。因此可类似地比较，由电动马达模型得到的驱动变量是否等于那些由液压-机械泵模型得到的变量。如果是，则泵装置无故障运转，否则则可能出现故障，并且可对这种情况下出现的故障做进一步具体说明。

为了给该系统提供一定量的公差(tolerance)，有用的是，通过a_h0至a_h2、a_t0至a_t2以及B和J中的至少一个变量的变化来定义公差范围，从而当此也与运行有关时，仅记录故障。

为了能够以更准确的方式详细说明故障类型，有用的是，除了两个电变量之外，优选通过测量来确定两个液压变量，并将确定的变量代入上述的方程式(方程式(1)到(17))，从而得到四个故障变量r₁至r₄。然后，通过预设边界值的各种组合来确定故障类型。这也是通过电子数据处理来自动完成。

在根据本发明的方法的再一替代形式中，为了确定故障类型，除了两个电变量之外，也可以(优选通过测量)确定两个液压变量，并且将确定的值与预设值进行比较。其中，在各种情况下，所述预设值均定义了三维空间中的一个面，而且确定所确定的值是否位于这些面(r^* ₁至r^* ₄)上，并且基于这些值的组合，通过所述预设边界值的组合来确定故障类型。例如，故障类型可通过以下示例的表格确定：

因此，利用根据本发明的方法，不仅可以确定泵装置的无故障或故障运行情况，而且可以在出现故障时利用最少的传感器技术来详细说明故障情况，以便可在该泵装置中产生相应的故障信号，该故障信号显示故障类型。当故障情况可能出现时，该信号可以传送到待监测泵装置运行的远程位置。

在三维空间中通过所述预设值形成的面一般为空间弧形面，这些面的值事先在工厂中基于不同的装置或装置类型来确定，并且存储在装置部分上的数字数据存储器中。由此，前述的比较面r^* ₁至r^* ₄排列在三维空间中，其中r^* ₁面由转矩、输送量(throughput)以及转子速度形成，r^* ₂面由输送压头(deliveryhead)、输送量以及转子速度形成，r^* ₃面由转矩、输送压头以及转子速度形成，r^* ₄面由转矩、输送压头以及输送量形成。

在该表中，由比较面r^* ₁至r^* ₄定义的变量表示不同运行情况的特征，其中数字0表示各自的值位于预设值限定的面上，而数字1表示各自的值位于预设值限定的面之外。这样，在该表中，由于机械缺陷而使摩擦增加所限定的故障组合例如可表示轴承损坏或者以任何其它方式造成的、装置的转动部分与静止部分之间的摩擦阻力增加。在输送减少/失压的主项下表示的故障组合例如可以是由泵叶轮的故障或磨损、或者泵的入口或出口处的障碍所造成的。在吸入区的缺陷/无输送量的主项下表示的故障组合例如可以是由于泵吸入部的环密封的缺陷所造成的。在输送中断的主项下表示的故障组合可能具有很多的原因，并且当情况可能如此时，有待进一步具体说明。这种输送中断可能是由于轴的阻滞或者泵叶轮的阻滞、轴的故障、泵叶轮的脱离、泵入口处不能允许的低压导致的气蚀(cavitation)以及干运转(running dry)而引起。

该表格中通过变量r₁至r₄表示的运行情况是基于根据方程式(19)至(22)对故障变量r₁至r₄所进行的数学计算，其中当运行良好时，各故障变量取0；当出现故障时，各故障变量取1。涉及故障类型的该表格将以与上述对应的方式来理解。如所示，各故障变量r₁至r₄表示至相应面r^* ₁至r^* ₄的距离。然而，所述故障变量并非必须对应于面r^* ₁至r^* ₄。所述故障变量r₁至r₄符合方程式(19)至(22)，并且对应于图7至图10中的面r^* ₁至r^* ₄。

为了进一步区分故障类型，在本发明的又一实施例中，设想在确定故障时，以变化的转速致动泵装置，从而能够根据随后引入(set in)的测量结果以更接近的方式指出所确定的故障。

优选地，该机械-液压泵/马达模型不仅包括泵装置本身，而且还包括受泵影响的至少部分的液压系统部分，因此该液压系统的故障也可以被确定。

因此，该液压系统优选由表示输送流量随时间变化的方程式(18)来定义。

$K_J\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=H_p-(p_{\mathrm{out}}+\mathrm{\ρ}{\mathrm{gz}}_{\mathrm{out}}-p_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\ρgz}}_{\mathrm{in}})-\left(K_V{+K}_L\right)Q^2---\left(18\right)$

其中：

K_J为描述管道系统内液柱质量惯性的常数

K_V为描述在阀中与流量相关的压力损失的常数

K_L为描述在管道系统中与流量相关的压力损失的常数

H_p为泵的压差

p_out为设备排出侧(consumer side)一端的压力

p_in为供液压力

z_out为设备排出侧一端的静压力水平

z_in为泵入口的静压力水平

p为输送介质的密度

g为重力常数

故障变量r₁至r₄优选由方程式(19)至(22)来定义：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1-(-a_{t2}{Q}^2+a_{t1}\mathrm{Q\ω}+a_{t0}{\text{\ω}}^2)T_e+k_e(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1)\\ r_1=q_1(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1)\end{array}\right.---\left(19\right)$

{r₂＝q₂(-a_h2Q²+a_h1ωQ+a_h0ω²-H_p)    (20)

$\left\{\begin{array}{c}{Q}^{\′}=\frac{a_{h1}\mathrm{\ω}+\sqrt{a_{h1}^2{\mathrm{\ω}}^2-4a_{h2}(H_p+a_{h0}{\mathrm{\ω}}^2)}}{{2a}_{h2}}\\ J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3-(-a_{t2}{Q}^{\′2}+a_{t1}{Q}^{\′}\mathrm{\ω}+a_{t0}{\mathrm{\ω}}^2)+T_e+k_3(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3)\\ r_3=q_3(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3)\end{array}\right.---\left(21\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{-a_{h1}{H}_p+\sqrt{a_{h1}^2{H_p}^2-{4a}_{h2}(H_p+a_{h0}{Q}^2)}}{{2a}_{h2}}\\ J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4-(-a_{t2}{Q}^2+a_{t1}{\mathrm{Q\ω}}^{\′}+a_{t0}{\mathrm{\ω}}^{\′2})+T_e+k_4\left({\mathrm{\ω}}^{\′}{-\widehat{\mathrm{\ω}}}_4\right)\\ r_4=q_4({\mathrm{\ω}}^{\′}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4)\end{array}\right.---\left(22\right)$

其中：

k₁，k₃，k₄为常数

q₁，q₂，q₃，q₄为常数

Q′为基于当前转速和测得的压力所计算得到的输送量

为基于机械-液压方程式(15)和(17)所计算得到的转子转速

为基于方程式(15)、(16)和(17)所计算得到的转子转速

为基于方程式(15)、(16)和(17)所计算得到的转子转速

ω′为基于测得的输送压力和输送量所计算得到的转子转速

r₁至r₄为故障变量

r^* ₁至r^* ₄为由所述三个变量确定的表示泵无故障运行的面

为了实现用于确定离心泵装置运行情况的故障的根据本发明的方法，提供用于检测确定马达功率的两个电变量的装置、检测泵的至少一个变化的液压变量的装置、用于检测确定该泵的功率的至少一个另外的机械或液压变量、以及基于所检测的变量确定泵装置故障情况的电子评估装置。在其最简单的形式下，设有用于检测供电电流和在马达处的供电电压的传感器装置、和检测压力(优选泵产生的压差)以及检测输送量或者转速的传感器装置。此外，设有评估装置，该评估装置可设计成数字数据处理的形式(例如微处理器)，其中根据本发明的方法可利用软件来实现。此外，还设有电子存储器，以能够实现检测的或计算的值与预设值(例如在工厂部分中检测或存储的值)之间的比较。利用由变频器控制的现代泵装置，所有与硬件相关的事先预处理已经具备，因此仅须确保该电子数据处理装置(特别是该存储器装置和该评估装置)足够的计算(dimensioning)。除了传感器系统之外，所有检测液压变量所需的元件优选为马达电子设备和/或泵电子设备的集成元件，故如此所述的，在结构上无需进行进一步的设置以实现根据本发明的方法。另一实施例形式可为设置于开关面板或者控制面板上的独立元件，其设置方式与马达电路断路器相同，但是具有如上所述的监控和诊断特性。

在此所述的实施例形式与离心泵有关，并且这也源自机械-液压泵模型。这种泵例如可以是工业泵、用于排污或供水的潜水泵、以及加热循环泵。根据本发明的诊断系统特别优选具有屏蔽泵(canned motor pump)，因为作为预防，通过早期故障识别可以防止容器(can)磨穿以及因此输送的液体例如流入居室。本发明在容积式泵(displacement pump)领域的应用中，机械-液压泵模型必须根据不同的物理关系来修改。同样也适用于在其它马达类型中应用该电动马达模型。

此外，根据本发明，设有产生至少一个故障通知并将其传送到设置于泵装置或其它地方的显示器件上的装置，该故障通知为一个或多个控制光源(control light)的形式或者是利用α-数字显示器的显示形式。因此，传送可以以通过例如红外线或无线电的无线形式实现，或者也可以通过线路连接来实现，所述传送优选采用数字形式。

图1示出了简化的方法。在此，确定功率的变化的电变量(特别是电压V_abc和电流i_abc)输入电动马达模型。这些变量的乘积限定马达所采用的电功率。从例如由方程式(1)至(5)或方程式(6)至(9)或方程式(10)至(14)给出的该马达模型可导出基于该马达模型的、作为数值结果的马达轴上的转矩T_e和马达的转速ω。马达的这些取决于功率的电变量与例如根据方程式(16)和(17)的泵模型2确定的机械输送压头H(压力)进行运算，然后将该结果与通过规定的运行点确定并预设的运行值进行比较。当这些输入变量和预设值一致时，则泵装置无故障运行。但是，如果当差值超过一定的测量结果时，则产生表示泵故障运行的误差信号r。

对于图2所示的根据本发明的实施例，以与图1相同的方式，输入电压V_abc和马达电流i_abc用作马达模型1的输入值，以确定作用在马达轴上的转矩Te和轴的转速ω。由马达模型1获得的这些值、以及通过传感器确定的输送压头H(压力)和输送量Q在例如通过方程式(19)至(22)进一步形成的机械-液压泵模型3中彼此作数学运算。在此，产生四个故障变量r₁至r₄，其中，当这些值都取为0时，表示无故障运行，并且因此运行点分别位于图7至图10的面r^* ₁至r^* ₄上。这里示出的这些面由与设想的泵装置的适当运行相关的多个运行点来限定，而且在工厂部分制作，并且以数字形式存储在评估电子设备的存储元件中。可替代地或附加地，确定的是，不管根据机械-液压泵模型确定的故障变量r₁至r₄是否为0，而根据该结果按照前述表格进行评估。根据产生故障时是否存在误差变量，可以整体上确定泵装置的四种故障运行情况，并且具体的是前述主项下的这些故障运行情况：

1、由于机械缺陷而使摩擦增加

2、输送减少/失压

3、吸入区的缺陷/无输送量

4、输送中断

采用根据本发明的方法，不仅可以监控泵装置本身，还可以监控安装有该泵装置的设备的部件。因此，该系统如图3详细所示进行分解。在此也设有电动马达模型，其输入变量为V_abc和i_abc，并且该电动马达模型基于根据方程式(6)至(9)的静态马达模型(诸如现在已熟知并由图5所示的)。该静态马达模型的输出变量为马达转矩T_e，其通过方程式(15)再进入泵模型的机械部分3a。泵模型的液压部分3b由方程式(16)和(17)确定，通过所述方程式将设备4的液压部分耦合。该设备的液压部分由方程式(18)确定并由图4示意性地表示，其中P_in表示泵的供液压力，H_p表示泵的压差，Q表示输送流量，P_out表示在该设备排出侧一端的压力，以及V₁表示泵的流量损失。z_out表示在该设备排出侧一端的静压水平，而z_in表示泵入口的静压水平。

由此，图3着重马达模型、泵模型的机械部分、泵模型的液压部分以及设备的液压部分之间的关系。但是，输送压头和输送量进入和流出泵模型的液压部分3b以及设备的液压部分，进入泵模型的液压部分3b的转速ω_r也进入马达模型。由泵模型的液压部分3b评估的转矩反过来再进入泵模型的机械部分3a，以确定转速。

前述用于数学上描述泵和马达的方程式仅通过实例来理解，并且可以由相关技术文献得知的其它适当公式代替。上述在泵装置运行中可由这些模型确定的故障或者根据故障类型的区别，可以通过适当的故障运算法则进一步多样化。

为了保证已经很小的制造公差或者测量误差不会导致发出故障信号，有益的是，不以恒定的方式选择方程式(16)和(17)中指定的参数a_h和a_t，而是如图6所示，在各种情况下选择成使下限或上限固定以获得一定的带宽。在图6左侧的曲线示出功率对输送量的关系曲线，在图6右侧的曲线示出输送压头对输送量的关系曲线。

附图标记列表

1-电动马达模型

2-简化的泵模型

3-扩展的泵模型

3a-该泵模型的机械部分

3b-该泵模型的液压部分

4-该设备的液压部分

Claims (16)

1.一种用于确定泵装置运行时的故障的方法，该方法检测马达的至少两个确定马达电功率的电变量、泵的至少一个变化的液压变量、以及确定该泵的功率的至少一个另外的机械或液压变量，其中，一方面，对所述确定马达电功率的电变量中的两个电变量进行数学运算，以获得至少一个比较值；另一方面，对所述泵的至少一个变化的液压变量以及所述确定该泵的功率的至少一个另外的机械或液压变量进行数学运算，以获得至少一个比较值，其中，所述数学运算采用数学的机械-液压泵模型和/或马达模型与数学的电动马达模型的结合，并且通过所述数学运算的结果与预设值进行比较来确定是否出现故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，检测操纵该马达的电压以及馈入该马达的电流作为所述确定马达电功率的电变量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，当确定出现故障后，进一步确定出现的故障的种类。

4.如权利要求1所述的方法，其中，检测的所述液压变量为该泵产生的压力。

5.如权利要求1所述的方法，其中，检测的所述液压变量为该泵的输送量。

6.如权利要求1所述的方法，其中，检测的所述液压变量为该泵的吸入侧和压力侧之间的压差。

7.如权利要求1所述的方法，其中，该电动马达模型通过以下方程式形成：

$L_s^{\′}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}=-R_s^{\′}{i}_{\mathrm{sd}}+\frac{L_m}{L_r}(R_r^{\′}{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{rd}}+z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rq}})+v_{\mathrm{sd}}---\left(1\right)$

$L_s^{\′}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}=-R_s^{\′}{i}_{\mathrm{sq}}+\frac{L_m}{L_r}(R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}-z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rd}})+v_{\mathrm{sq}}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}={-R}_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rq}}+R_r^{\′}{L}_m{i}_{\mathrm{sd}}---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=-R_r^{\′}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rd}}+R_r^{\′}{L}_m{i}_{\mathrm{sq}}---\left(4\right)$

$T_e=z_p\frac{3}{2}\frac{L_m}{L_r}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{sq}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}{i}_{\mathrm{sd}})---\left(5\right)$

或

V_s＝Z_s(s)I_s                   (6)

ω＝ω_s-sω_s                  (7)

$I_r=\frac{V_s}{Z_r\left(s\right)}---\left(8\right)$

$T_e=\frac{{3R}_r{I}_r^2}{s}---\left(9\right)$

或

$L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}=-R_s{i}_{\mathrm{sd}}+z_p{\mathrm{\ω}{L}_s\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+v_{\mathrm{sd}}---\left(10\right)$

$L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}=-R_s{i}_{\mathrm{sq}}-z_p{\mathrm{\ωL}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}+v_{\mathrm{sq}}---\left(11\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}={-z}_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rq}}---\left(12\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}=z_p{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{rd}}---\left(13\right)$

$T_e=z_p\frac{3}{2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}{i}_{\mathrm{sq}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}{i}_{\mathrm{sd}})---\left(14\right)$

其中：

i_sd为d方向上的马达电流；

i_sq为q方向上的马达电流；

ψ_rd为d方向上的转子磁通量；

ψ_rq为q方向上的转子磁通量；

T_e为马达转矩；

v_sd为d方向上的马达供电电压；

v_sq为q方向上的马达供电电压；

ω为转子和叶轮的角速度；

R′_s为定子绕组的等效电阻；

R′_r为转子绕组的等效电阻；

L_m为该定子绕组和该转子绕组之间的感应耦合阻抗；

L′_s为该定子绕组的感应等效阻抗；

L_r为该转子绕组的感抗；

z_p为极对数；

I_s为相电流；

V_s为相电压；

ω_s为该供电电压的频率；

s为该马达转差率；

Z_s(s)为定子阻抗；

Z_r(s)为转子阻抗；

R_r为该转子绕组的等效电阻；

R_s为该定子绕组的等效电阻；

L_s为该定子绕组的感抗；

I_r为转子电流；

其中该d方向和该q方向都垂直于马达轴，并且该d方向和该q方向相互垂直；

其中，该机械-液压泵模型和/或马达模型通过以下方程式形成：

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_e-\mathrm{B\ω}-T_p---\left(15\right)$

和以下方程式中的至少一个

H_p＝-a_h2Q²+a_h1Qω+a_h0ω²                 (16)

T_p＝-a_t2Q²+a_t1Qω+a_t0ω²                 (17)

其中：

为转子角速度对时间的微分；

T_p为该泵的扭矩；

J为该转子、该叶轮以及该叶轮包含的输送液体的转动惯量；

B为摩擦常数；

Q为该泵的输送流量；

H_p为该泵产生的压差；

a_h2，a_h1，a_h0为描述该叶轮的转速、输送流量以及压差的关系的参数；

a_t2，a_t1，a_t0为描述该叶轮的转速、输送流量以及转动惯量的关系的参数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述参数a_h0-a_h2和所述参数a_t0-a_t2在所述方程式(16)和(17)中是固定的，而所述摩擦常数B和所述转动惯量J在所述方程式(15)中固定的；其中，所述马达转矩T_e由根据所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)的该电动马达模型来确定；所述角速度ω根据所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)来计算、或者通过测量获得；其中，一方面通过所述方程式(16)和/或(17)确定所述压差与所述输送流量之间的关系，和/或另一方面确定所述功率/所述马达转矩与所述输送流量之间的关系；由此，通过所述方程式(15)检查利用该机械-液压泵模型和/或马达模型计算的变量是否等于代入测量的所述液压变量后利用该机械-液压泵模型和/或马达模型计算的那些变量，其中，如果不相等，则记录故障。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述参数a_h0-a_h2、a_t0-a_t2、所述摩擦常数B和所述转动惯量J中的至少一个的变化来固定公差带。

10.如权利要求8所述的方法，其中，为了确定故障类型，除了所述两个电变量之外，还确定两个液压变量，所述两个液压变量通过测量来确定，并且确定的值代入根据权利要求8所述的方程式以导出故障变量r₁至r₄，其中通过所述故障变量的组合并通过预设边界值的组合以确定所述故障类型。

11.如权利要求10所述的方法，其中，将所述确定的值或者由所述确定的值导出的值与所述预设值进行比较，其中，所述预设值在各种情况中均限定一个比较面r^* ₁至r^* ₄，其中，所述确定的值或者由所述确定的值导出的值是否位于比较面r^* ₁至r^* ₄的其中一个面上得以确定，并且通过所述故障变量的组合并通过所述预设边界值的组合来确定所述故障类型。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述故障类型的评估通过下述表格来进行：

其中数字0表示所述比较面的值位于所述预设值限定的面上，

数字1表示所述比较面的值位于所述预设值限定的面之外。

13.如权利要求10所述的方法，其中，在确定所述故障时，所述泵装置以变化的转速致动，从而根据随后引入的测量结果，以更准确地具体说明被确定的故障。

14.如权利要求1所述的方法，其中，该机械-液压泵模型和/或马达模型还包括受该泵影响的液压系统的至少部分，以使该液压系统的故障也能被确定。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该液压系统由以下方程式限定：

$K_J\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=H_p-(p_{\mathrm{out}}+{\mathrm{\ρgz}}_{\mathrm{out}}-p_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\ρgz}}_{\mathrm{in}})-{(K_V+K_L)Q}^2---\left(18\right)$

其中：

K_J为描述管道系统内液柱的质量惯性的常数；

Q为该泵的输送流量；

K_V为描述在阀中与流量相关的压力损失的常数；

K_L为描述在该管道系统中与流量相关的压力损失的常数；

H_p为该泵的压差；

p_out为该液压系统在排出侧一端的压力；

p_in为供液压力；

z_out为该液压系统在排出侧一端的静压力水平；

z_in为该泵入口的静压力水平；

ρ为输送介质的密度；

g为重力常数。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述故障变量r₁至r₄由以下方程式限定：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1-({-a}_{12}{Q}^2+a_{t1}\mathrm{Q\ω}+a_{t0}{\mathrm{\ω}}^2)+T_e+k_1(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1)\\ r_1=q_1(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_1)\end{array}\right.---\left(19\right)$

{r₂＝q₂(-a_h2Q²+a_h1ωQ+a_h0ω²-Hp)           (20)

$\left\{\begin{array}{c}{Q}^{\′}=\frac{a_{h1}\mathrm{\ω}+\sqrt{a_{h1}^2{\mathrm{\ω}}^2-{4a}_{h2}(H_p+a_{h0}{\mathrm{\ω}}^2)}}{{2a}_{h2}}\\ J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3-(-a_{12}{Q}^{\′2}+a_{t1}{Q}^{\′}\mathrm{\ω}+a_{t0}{\mathrm{\ω}}^2)+T_e+k_3(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3)\\ r_3=q_3(\mathrm{\ω}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_3)\end{array}\right.---\left(21\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{{-a}_{h1}{H}_p+\sqrt{a_{h1}^2{H_p}^2-{4a}_{h2}(H_p+a_{h0}{Q}^2)}}{{2a}_{h2}}\\ J\frac{d{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4}{\mathrm{dt}}=-B{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4-({-a}_{t2}{Q}^2+a_{t1}Q{\mathrm{\ω}}^{\′}+a_{t0}{\mathrm{\ω}}^{\mathrm{\ω}2})+T_e+k_4({\mathrm{\ω}}^{\′}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4)\\ r_4=q_4({\mathrm{\ω}}^{\′}-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_4)\end{array}\right.---\left(22\right)$

其中：

k₁，k₃，k₄为常数；

q₁，q₂，q₃，q₄为常数；

Q′为基于当前转速和测得的压力所计算得到的输送量；

为基于所述方程式(15)和(17)计算得到的转子转速；

为基于所述方程式(15)、(16)和(17)计算得到的转子转速；

为基于所述方程式(15)、(16)和(17)计算得到的转子转速；

ω′为基于测得的输送压力和输送量计算得到的转子转速；

r₁至r₄为故障变量；

r^* ₁至r^* ₄为由三个变量确定的表示该泵无故障运行的比较面；

B为摩擦常数；

Q为该泵的输送流量；以及

ω为转子和叶轮的角速度。

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