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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein die genaue Messung einer Winkeldrehung
und insbesondere die Leistungsprüfung
von rotierenden Maschinen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Herkömmliche
Herangehensweisen zur Leistungsprüfung von Elektromotoren messen
im Allgemeinen eine stationäre
Leistung des Motors nach der Eliminierung von transienten Effekten.
Hierzu werden Motordrehzahldaten als eine Funktion der Zeit gesammelt
und die Daten werden gefiltert, um so Schwankungen zu entfernen,
um so Standardmotorleistungskennlinien abzuleiten, wie beispielsweise
in den entsprechenden IEEE-Standards beschrieben ist. Solche Kennlinien
beziehen sich ausnahmslos auf die Drehzahl-Drehmoment-Leistung des
Motors im Leerlauf, wobei der Motor von der Nulldrehzahl unter Leerlaufbedingungen
beschleunigt wird, und das Drehmoment wird als eine Funktion der
Zeitableitung der Drehzahlkurve in Übereinstimmung mit dem zweiten
Newton'schen Bewegungsgesetz
abgeleitet. Zusätzlich
werden sogenannte "Signatur"-Prüfungen ebenso
wie Lasttests durchgeführt,
obwohl die Wirkungen von Schwankungen in allen Fällen eliminiert sind.
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Das
Signaturprüfen
ist eine Erweiterung des Leerlaufprüfens, wobei das Signaturprüfen schnellere Messtechniken
und Verarbeitung verwendet, um eine Leerlaufleistung eines spezifischen
Motors mit der eines vorkalibrierten "Master"-Motors zu vergleichen, welcher als
ein Maßstab
dient, gegen welchen Motoren aus der Produktionslinie beurteilt
werden. Lastprüfungen
messen die Leistung des Motors unter Betriebsbedingungen, wobei
ein spezifisches Drehmoment auf den laufenden Prüfungsmotor beaufschlagt wird,
und die sich ergebende Drehzahl, Strom und Leistung werden gemessen.
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Typischerweise
wird die Motordrehzahl unter Verwendung eines an die Achse des Motors
gekoppelten Tachometers gemessen. Dies gestattet die Erfassung der
Motordrehzahl in analoger Form und weist den Nachteil einer geringen
Auflösung
und eines schweren Verrauschens auf. Aus diesem Grunde werden digitale Verfahren
bevorzugt und ein bedeutsamer Aufwand wurde während der letzten zwei oder
drei Dekaden aufgebracht, um eine genauere digitale Abtastung der
Drehgeschwindigkeit von Motorwellen und ähnlichem zu ermöglichen.
Viele solcher Verfahren verwenden immer noch im Wesentlichen analoge
Transducer, um das Drehzahlsignal abzuleiten und digitalisieren
dann das Drehzahlsignal unter Verwendung von A/D-Konvertierern,
so dass eine nachfolgende Verarbeitung digital durchgeführt werden
kann.
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R.
Szabados et al. beschreiben solch ein Verfahren in "Measurement of the
Torque-Speed Characteristic of Induction Motors using an improved
new digital approach",
welche in der Transaction on Energy Conversion, Vol. 5, No. 3, September
1990 erscheint. Ihr Verfahren verwendet ein schnelles Datenerfassungssystem,
um den Ausgang eines Gleichstrom-(d.c.)-Tachometers, ebenso wie
andere relevante Parameter, wie z.B. Strom und Spannung abzutasten.
Die gemessenen Daten werden dann digital verarbeitet, um das Rauschen
zu entfernen, dynamisches Durchschnittsfiltern (dynamic average
filtering) auszuführen,
um von außen kommende
Kopplungsvibrationen zu eliminieren sowie das relative Drehmomentprofil
von der Zeitableitung der Drehzahlkurve unter Verwendung des Newton'schen Gesetzes zu
ermitteln. Da ein Entfernen von Rauschen auch die Schwankungen eliminiert,
ergibt sich somit, dass die Elimination von Schwankungen durch Filtern
der Rohdrehzahldaten ein inhärentes
Merkmal des in diesem Artikel vorgeschlagenen Verfahren ist.
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Tatsächlich wird
weiter gezeigt, dass die Rohdrehzahldaten verrauscht sind und dass
die erste Aufgabe der Datenverarbeitungsphase ein Entfernen der
von außen
kommenden Signale einbezieht, ohne das Drehzahlprofil zu stören. Ein
Hauptbeitrag der obigen Veröffentlichung
besteht in den dargestellten verbesserten Filteralgorithmen.
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Das
US-Patent Nr. 5,218,860 (Storar), welches der Automation Technology,
Inc. erteilt ist, offenbart eine alternative Herangehensweise, wobei,
anstatt die Drehzahl unter Verwendung analoger Transducer zu messen,
ein digitaler Graustufen(inkremental)-Geber (digital gray-scale
encoder) verwendet wird.
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1 zeigt
bildhaft einen Motortestaufbau
10, wobei ein Motor
11 gemäß dem US-Patent
Nr. 5,218,860 mechanisch mit einem Prüfsystem über eine Prüfinstallation gekoppelt ist,
welche aus einer rotierenden Welle
12 besteht, welche auf
Lagern
13 von hoher Qualität gelagert ist. Auf der Welle
12 sind
eine Schwungscheibe
14 mit bekanntem Trägheitsmoment sowie ein digitaler
Drehgeber mit hoher Auflösung
15 angebracht.
Die Schwungscheibe
14 wirkt als eine Trägheitslast, wobei das Drehmoment
entsprechend der Gleichung
ermittelt werden kann, wobei
T
= Drehmoment,
I = Trägheitsmoment
der Schwungscheibe,
v = Drehzahl, und
t = Zeit
sind.
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Wie
in dem US-Patent Nr. 5,218,860 erklärt ist, wird die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
während
der Zeit, die der Motor zum Erreichen einer vollen Drehzahl von
dem Stillstand benötigt,
bei regelmäßigen bekannten
Zeitintervallen abgetastet. Das Messzeitintervall ist durch einen
Kristalloszillator festgelegt und beträgt für gewöhnlich 16,67 ms, entsprechend
der Periode eines 60 Hz Stromnetzzyklus. Die Drehzahländerung
wird durch den Drehgeber ermittelt, welcher bereits eine so geringe
Drehung wie 0,0072° auflöst. Drehmoment
und Drehzahl werden für
jede 16,67 ms Periode berechnet, ab der Zeit, wo der Strom eingeschaltet
ist, bis die maximale Leerlaufdrehzahl erreicht ist. Das Trägheitsmoment
der an dem Motor befestigten Schwungscheibe ist so ausgewählt, dass
der Motor seine volle Drehzahl in etwa 4 Sekunden erreicht. Dies
ist die Zeit, um etwa 240 Drehmoment- und Drehzahlwerte abzutasten,
was ausreichend ist, um die vollständige Drehmoment-Drehzahlkurve
vom Stillstand bis zur vollen Drehgeschwindigkeit zu beschreiben.
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Der
digitale Drehgeber, wie in dem US-Patent Nr. 5,218,860 beschrieben
ist, stellt eine bedeutende Verbesserung gegenüber analogen Transducern dar
und ermöglicht
die Messung von bestimmten Motorkennlinien, die zuvor nicht leicht
erhalten wurden. Jedoch ist die Auflösung dieses Geräts immer
noch relativ gering, weil tatsächlich
eine sehr große
Anzahl an Pulsen während
jeder Abtastzeitperiode ermittelt werden. Insbesondere wird in dem
US-Patent Nr. 5,218,860 erklärt,
dass der inkrementale Geber 25.000 Pulse während jeder vollständigen Drehung
der Motorwelle erzeugt. Unter Annahme einer durchschnittlichen Motordrehzahl
von 10.000 UPM (rpm) bedeutet dies, dass die Anzahl an Pulsen, die
pro 16,67 ms Zeitperiode erzeugt werden, etwa 70.000 beträgt. Die
tatsächliche
Anzahl an Pulsen wird durch einen Binärzähler gezählt, um so eine genaue Angabe
der Drehgeschwindigkeit des Motors bereitzustellen. Jedoch sind
während
einer Abtastperiode, die so groß ist
wie 16,67 ms, die Schwankungen nicht mehr messbar: Auf diese Weise
kann nur die geglättete Kennlinie
ermittelt werden. Weiterhin würde
kein besonderer Vorteil vorliegen, wenn ein Drehgeber mit solch einer
hohen Auflösung
verwendet wird, ebenso wie Kosten, wenn solch ein grobes Abtastintervall
verwendet wird. Theoretisch könnte
die Auflösung
einfach verbessert werden, indem mit kleineren Zeitperioden abgetastet
wird. In der Praxis ist es jedoch schwierig, dies genau und kostengünstig unter
Verwendung der gegenwärtigen
Technik zu erreichen.
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Weiterhin
belastet die an der Motorwelle angebrachte Schwungscheibe den Motor.
Während
diese die statische Leistung des Motors nicht schmälert, eliminiert
sie im wesentlichen die Schwankungen, welchen die transienten Effekte
ausgesetzt sind. Ein Belasten des Motors, wie in US-Patent Nr. 5,218,860
gelehrt ist, gestattet daher nicht die Messung der dynamischen Motorleistung.
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Der
Erfinder hat herausgefunden, dass die dynamische Leistung des Motors
wertvolle Information über
den Motor bereitstellt, derart dass ohne eine Kenntnis der dynamischen
Leistung des Motors es nicht möglich
ist, ein grundlegendes Verhalten des Motors abzuleiten. Aus den
oben genannten Gründen
jedoch sind die dynamischen Leistungsdaten während einer so großen Abtastperiode
von 16 ms unerreichbar, weil während
dieser Zeitperiode die meisten Schwankungen in dem transienten Teil
der Kurve verloren sind. Sogar unabhängig von der tatsächlichen
Größe der Abtastzeitperiode,
und auch wenn man beachtet, dass einige Verbesserungen gleich durch
Reduzieren der Abtastzeitperiode mit herkömmlicher Technik und Kosteneinschränkungen
erreicht werden kann, ist die Reichweite jeglicher Verbesserung
eingeschränkt.
Dies folgt aus der Tatsache, dass das Zählen von Pulsen während einer
festen Zeitperiode, unabhängig
davon wie klein sie ist, es niemals gestattet, optimale Ergebnisse
zu erreichen. Sogar falls die Abtastzeitperiode unendlich reduziert
werden könnte
(was natürlich
nicht möglich
ist) kann sie daher niemals auf weniger als eine Periode eines einzelnen
Pulses reduziert werden, weil in solch einem Falle keine Daten während der
Abtastperiode erhalten würden.
Während
andererseits eine Vergrößerung der
Abtastzeitperiode sicherstellt, dass Abtastdaten erhalten werden,
wird dies zu Lasten einer Erzeugung mehrerer Daten pro Abtastung
erreicht. Dies bedeutet, dass die auf diese Weise erreichte Auflösung unvermeidbar
kleiner als das theoretische Maximum ist.
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Um
eine ausreichende Anzahl von Abtastpunkten unter Verwendung der
durch das US-Patent Nr. 5,218,860 offenbarten Herangehensweise zu
erhalten, ist es weiterhin notwendig, sicherzustellen, dass die Zeit,
die erforderlich ist, bis der Motor eine Höchstdrehzahl erreicht, auf
mehrere Sekunden erweitert ist. Dies wird mittels der Schwungscheibe
erreicht, welche ein ausreichendes Trägheitsmoment aufweist, um die
stationäre
Antwort des Motors zu verzögern.
Es ist offensichtlich vorzuziehen, dass die relevante Drehzahlkennlinie in
kürzerer
Zeit abgeleitet werden kann, ohne natürlich einen Kompromiss hinsichtlich
der Anzahl der Abtastpunkte einzugehen und, gleichzeitig, Einzelheiten
der Schwankungen an der transienten Leistung bereitzustellen, welche
verschwinden, wenn der Motor unter Last läuft.
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In
dem US-Patent Nr. 4,535,288 von Joseph L. Vitulli, Jr. ist ein Verfahren
zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle in
einer räumlich
begrenzten Umgebung offengelegt, wobei die Zeit zwischen einem aufeinanderfolgenden
Paar von Geber-(Transducer)-Pulsen verwendet wird, um die Drehzahl
zu bestimmen. Eine aktualisierte Drehzahl wird aus einem weiteren
Paar aufeinanderfolgender Pulse berechnet, welche nicht in der Folge
(non-sequential) der früheren
Pulse auftauchen. Der von Vitulli beschriebene Drehgeber kann mit
einem gezahnten Rad verglichen werden, welches sechzig in gleichem
Abstand angeordnete Zähne
aufweist, von welchen jeder ein Ausgabesignal mit einem ersten Spannungslevel
auslöst,
wenn er an einem Aufnehmer vorbeidreht. Wenn der Raum zwischen benachbarten
Zähnen
den Aufnehmer passiert, wird ein Ausgabesignal mit einem zweiten
Spannungslevel erzeugt. Das erste und zweite Spannungslevel werden üblicherweise
in digitale Signale mit jeweils HIGH- und LOW-Leveln übersetzt,
so dass ein Pulszug erzeugt wird. Unter der Annahme, dass sechzig
Zähne in
gleichem Abstand vorliegen, welche den selben Winkel für HIGH-
und LOW-Level ergeben, beträgt
daher der jedem HIGH-Level entsprechende Drehwinkel 2π/120 Radian.
Bei Messung der Zeitdauer von jedem logischen HIGH-Level kann auf
diese Weise die Drehgeschwindigkeit berechnet werden.
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In
der Praxis jedoch haben sogar die besten Drehgeber eine Arbeitszyklusgenauigkeit
von lediglich ± 10%.
Dies bedeutet, dass während
der Abstand zwischen dem Beginn benachbarter Zähne (was der Periode des Pulszuges
entspricht) konstant ist, die Breite jedes Zahns einer Genauigkeit
von ± 10%
genügt.
Da die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der für jeden
Zahn, welcher den Aufnehmer passiert, gemessenen Zeit berechnet
wird, ist es klar, dass dies abhängig
von der tatsächlichen
Breite jedes Zahns ist und daher einen Maximalfehler von 20% ergibt.
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JP 59 160766 (Fanuc) offenbart
ein Drehzahlerfassungsgerät
eines Servomotors, wobei unter Verwendung eines Drehgebers, ähnlich wie
bei dem beschriebenen US. Patent Nr. 4,535,288 erfasst wird, und unterliegt
daher den selben Ungenauigkeitsproblemen aufgrund der Arbeitszyklusfehler.
Es gibt allerdings keinen Vorschlag, die Maschine im Leerlauf zu
prüfen.
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GB 2 127 549 offenbart einen
Testaufbau, um einen Motor während
einer Messung des Drehmoments des Motors zu haltern. Das offenbarte
System erscheint hierbei dem in Länge oben diskutierten US-Patent
Nr. 5,218,860 sehr ähnlich
zu sein und unterliegt den selben Mängeln. Insbesondere ist anzumerken,
dass der Motor, dessen stationäres
und transientes Drehmoment durch das
GB
2 127 549 gemessen werden, belastet ist, um die Beschleunigung
des Motors zu reduzieren (eine Belastung des Motors bewirkt, dass
alle die dynamischen Erscheinungen, die durch die vorliegende Anmeldung
behandelt werden, verschwinden). Von der Beschreibung in
GB 2 127 549 auf Seite 1,
Zeilen 48 bis 53, ist klar, dass solch eine Belastung erforderlich
ist, um die transiente Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors,
der von Nulldrehzahl auf Höchstdrehzahl
startet, aufzuzeichnen. Es wird offensichtlich, dass eine Reduktion
der Beschleunigung des Motors, wie in der
GB 2 127 549 vorgeschlagen ist, gegen
die Ableitung der transienten Kennlinie des Motors spricht, deren
korrekte Ermittlung ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist.
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Das
US-Patent Nr. 4,169,371 (Witschi et al.) offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments und/oder der Leistung
eines Antriebssystems in einem dynamischen Betrieb, auf der Grundlage
der Zeitableitung der Drehzahl des Antriebssystems, um eine Beschleunigung
zu ermitteln. Das System läuft
unter Last und es ist daher offensichtlich, dass die dynamische
Kennlinie, deren Ermittlung das Hauptziel der vorliegenden Erfindung
ist, verloren ist.
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Das
US-Patent Nr. 5,631,411 (Harms et al.) offenbart eine Maschinenüberwachungsvorrichtung,
welche die Drehzahl eines Motors berechnet. Von der 1 ist
klar, dass eine träge
Last (d.h. eine Schwungscheibe) mit dem Motor verbunden ist und
daher hier ebenfalls die dynamische Kennlinie verloren ist, deren
Ermittlung das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist.
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Die
EP 457 086 offenbart eine
Vorrichtung für
die berührungslose
Messung des lokalen Hineinziehungs(dragged in)-Drehmoments in einer
Gewindemaschine. Wenigstens zwei Positionssensoren oder Näherungsschalter
sind in dem Gewindegehäuse
angebracht. Während
der Drehung des Gewindeschafts, tasten die Sensoren die Oberfläche des
Gewindeschafts ab und erzeugen auf der Grundlage der erfassten Kennlinie Pulse,
welche zusammen mit einem Drehzahlsignal an einen elektronischen
Analyseschaltkreis geleitet werden können, welcher das lokale Hineinziehungsdrehmoment
in einem Segment des Gewindeschafts innerhalb des Produktraumes
berechnet. Die Vorrichtung arbeitet zusammen mit einem Gerät zum Messen
des integralen Drehmoments, wobei das Gerät zwischen dem Gewindeschaftantrieb
und dem Produktraum der Gewindemaschine angeordnet ist. Hier ist
ebenfalls kein Vorschlag gemacht, ein Drehmoment einer Maschine
im Leerlauf zu messen.
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Das
US-Patent Nr. 5,390,545 (Doan) offenbart eine Vorrichtung zum Messen
von Torsionsschwingungen von rotierenden Maschinen, wobei ein Rad
mit einer Mehrzahl von mit Abstand angeordneten Zähnen mit den
rotierenden Maschinen verbunden ist. Ein Sensor erfasst die Drehzahl
der Raddrehung und erzeugt in Antwort ein Drehzahlsignal, dessen
Frequenz proportional zu der Drehgeschwindigkeit des Rades ist.
Ein Zeitnehmergerät
empfängt
das Geschwindigkeitssignal, ermittelt die Periode der jüngsten Pulse
des Drehzahlsignals und erzeugt in Antwort ein unmittelbares Periodensignal,
dessen Wert die ermittelte Periode darstellt.
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Das
US-Patent Nr. 4,992,730 (Hagiya) offenbart ein Verfahren, die Drehgeschwindigkeit
eines sich drehenden Körpers
zu berechnen, indem Geschwindigkeit-Berechnung-Referenz-Zeit-Perioden in Bezug auf ein
von der Ausgabeeines Drehgeschwindigkeitssensors erhaltenen Pulszugsignals
gesetzt werden; Messen einer Zeitlänge von der letzten Pulskante
der vorangehenden Geschwindigkeit-Berechnung-Referenz-Zeit-Periode zu
der letzten Pulskante in der aktuellen Geschwindigkeit-Berechnung-Referenz-Zeit-Periode; und Berechnen
der Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Körpers auf der Grundlage des
Ergebnisses der Zeitlängenmessung.
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Das
US-Patent Nr. 4,204,425 (Mallick, Jr.) offenbart ein Verfahren zum
Prüfen
von Induktionsmotoren, insbesondere einphasigen fraktionalen Pferdestärkenmotoren
(single-phase fractional horsepower motors), welches Verfahren eine
Routineüberprüfung von
allen Motoren einer Produktion gestattet, sowohl für ein Anlauf-
als auch ein Betriebsdrehmoment sowie andere gewünschte Merkmale. Der Motor
wird für
eine Zeitperiode mit Strom versorgt, beispielsweise für drei oder
vier Zyklen der Versorgungsspannung. Der Strom wird dann unterbrochen
und sofort die unmittelbare Drehzahl gemessen, indem die induzierte
Spannung an den Anschlüssen
des abgeschalteten Motors gemessen wird. Das Drehmoment wird dann
aufgrund der Drehzahländerung
während
dieser kurzen Periode verifiziert. Andere gewünschte Kennlinien (characteristics)
des Motors können
auch ermittelt werden.
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US-Patent
Nr. 2,674,125 (Eagam) offenbart ein Geschwindigkeitsdrehmoment-Kurvenverfolgungsgerät, welches
einen Tachometergenerator verwendet, welcher von einer Prüfungsmaschine
angetrieben wird.
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US-Patent
Nr. 5,039,028 (Svedlund et al.) offenbart ein Verfahren und ein
Gerät,
um anzuzeigen, ob eine Überlast
an einer Last vorliegt, welche von einem Aufzug herabhängt. Der
Aufzug umfasst einen Schleifringinduktionsmotor, dessen Statorwindungen über einen
Schalter für
die Zufuhr von Eingangsstrom an den Stator mit einem Zufuhrkabel
verbunden sind. Der Eingangsstrom wird zusammen mit der Winkelbeschleunigung
des Motors gemessen und die gemessenen Werte werden in einem Computer
mittels einer vorgeschlagenen Formel zusammengestellt, um die Hakenlast
abzuschätzen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System
zur Messung einer Drehgeschwindigkeit bereitzustellen, mit welchem
die Nachteile, welche mit dem bisher Vorgeschlagenen verbunden sind,
im wesentlichen verbessert oder eliminiert sind.
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Solch
eine Aufgabe entspricht den Merkmalen der Ansprüche. Die Erfindung gestattet
daher eine verbesserte Herangehensweise, eine Motor- oder Maschinendrehzahl
zu prüfen,
gemäß der Zeit,
welche während
einer bekannten Winkeldrehung der Welle verstreicht. Entsprechend
solch einer Herangehensweise wird die Zeit gemessen, die abläuft, wenn
die logischen Zustände
von LOW nach HIGH und zurück
nach LOW wechseln, oder umgekehrt. Obwohl das Zeitintervall, während welchem
der logische Zustand entweder LOW oder HIGH verbleibt, einem Arbeitszyklusfehler
unterliegt, ist das kombinierte Zeitintervall für aufeinanderfolgende Logikzustände eine
genaue Wiedergabe einer bekannten Winkeldrehung. Daher vermeidet
ein Messen des akkumulierten verstrichenen Zeitintervalls zwischen
aufeinanderfolgenden Paaren von Logikzuständen Arbeitszyklusfehler, welche
sich auf die Drehzahlergebnisse auswirken, während eine Änderung der Drehgeschwindigkeit
gleichzeitig wiedergegeben wird. Beispielsweise sei ein Drehgeber
betrachtet, welcher 60 Pulse pro Umdrehung erzeugt. In dem Falle
des US-Patents Nr. 4,535,288 können
die Wellenumdrehungen pro Minute (UPM) (rpm) in einem Ein-Sekunden-Gradintervall
ermittelt werden, und in dem Fall eines Gebers von sehr hoher Qualität (mit einem
Arbeitszyklusfehler in der Größenordnung
von ± 10%)
wird eine Ungenauigkeit der gemessenen Geschwindigkeit von ± 10% auftreten.
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Vorzugsweise
ist ferner der Schritt enthalten, ein Drehmoment der drehenden Maschine
zu berechnen, unter Bezugnahme auf ein vorbestimmtes Massenträgheitsmoment
eines Rotors hiervon sowie der gemessenen Drehzahlkennlinie drehenden
Maschine.
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Die
Erfindung schlägt
auch eine Vorrichtung vor, zur Ermittlung dynamischer und statischer
Drehzahl-Zeit, Drehmoment-Zeit sowie Drehzahl-Drehmomentkennlinien
einer drehenden Maschine oder einer ihrer Komponenten. Unter Verwendung
eines vorkalibrierten Rotors, können
Prüfungen
auf identischen Maschinen unter Verwendung unterschiedlicher Statoren
durchgeführt
werden, um so relative Leistungsdaten (sowohl statische als auch
dynamische) der unterschiedlichen Statoren bereitzustellen. Unter
Verwendung eines vorkalibrierten Stators können in ähnlicher Weise Prüfungen an
identischen Maschinen unter Verwendung unterschiedlicher Rotoren
durchgeführt
werden, um auf diese Weise relative Leistungsdaten (sowohl statische
als auch dynamische) der unterschiedlichen Rotoren bereitzustellen.
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Es
wird daher verstanden, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
es gestattet, dynamische und statische Leistungsdaten abzuleiten,
ohne dass die Verbindung einer externen trägen Last an die Achse der Maschine
erforderlich ist. Dies gestattet, dass die Maschine einen stationären (d.h.
nicht transienten) Betrieb schneller erreicht und gestattet, dass
die Kalibrierung der Maschine schneller bewirkt ist. Dies ist von
besonderer Bedeutung, wenn kleine Maschinen in Masse produziert
werden und in der Produktionslinie getestet werden müssen. Dies
erlaubt weiterhin die Messung von Schwankungen, welche sich bisher
Messungen entzogen haben.
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Es
wird zugegebenermaßen
in dem US-Patent Nr. 5,218,860 [Spalte 1, Zeile 29] vorgeschlagen,
dass bei größeren Motoren
die Masse des Ankers hinreichend groß sein kann, so dass eine geeignete
träge Last bereitgestellt
ist. D.h., dass auch das US-Patent Nr. 5,218,860 es gestattet, dass
auf eine externe träge
Masse verzichtet werden kann, wenn auch nur für große Motoren. Dies ist jedoch
nur für
große
Motoren möglich,
welche inhärent
träge sind,
und in jedem Falle eine relativ lange Zeit erfordern, um eine stationäre Drehzahl
zu erreichen, wodurch es möglich
ist, dass hinreichend viele Abtastpunkte erhalten werden. Dies ist
nicht der Fall für
kleine Motoren mit geringer Trägheit,
bei denen die äußere träge Last
in dem US-Patent Nr. 5,218,860 obligatorisch ist, um bewusst die
Zeit bis zum Erreichen der stationären Drehzahl zu verlangsamen
und es auf diese Weise zu ermöglichen,
dass genügend
Abtastpunkte erhalten werden. Es ist daher klar, dass das US-Patent
Nr. 5,218,860 keine Extrapolation auf die vorliegende Erfindung
ermöglicht,
welche es ermöglicht,
dass auf die Schwungscheibe verzichtet werden kann, sogar für kleine Motoren,
weil es ein Hauptziel der Erfindung ist, die Zeit zum Erreichen
einer stationären
Drehzahl zu reduzieren und nicht zu vergrößern.
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Die
Erfindung gestattet auch eine Messung eines Pendelmoments und -Drehzahl
während
einer stationären
Bedingung, um so Drehzahl-Zeit sowie Drehmoment-Zeitkennlinien sowohl im Zeit- als auch
im Frequenzbereich abzuleiten. In solch einem Falle kann eine Schwungscheibe
verwendet werden, um die Zeit, bis die Maschine einen stationären Zustand
erreicht, zu verlangsamen, wodurch stationäre Pendelmomente und -Drehzahlphänomene während der
Beschleunigung erzeugt werden. Dies gestattet es, Fehler an der
Maschine anzuzeigen, welche Fehler auf andere Weise nicht erscheinen
würden.
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Die
Erfindung gestattet auch eine größere Flexibilität bei dem
Testen der drehenden Maschine. Ein Benutzer kann die Abtastzeit
sowie die Zeit, ab welcher die Abtastung beginnt, steuern. Der Benutzer
kann in ähnlicher
Weise eine x-Achse (Zeit und Frequenz) und eine y-Achse (Drehmoment
und Drehzahl) steuern, so dass das Gerät als ein Analysator für drehende
Maschinen verwendet werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Um
die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis
ausgeführt
werden kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform, lediglich als nicht
einschränkendes
Beispiel, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Hierbei zeigt oder zeigen:
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1 bildhaft
einen Motorprüfstand
aus dem Stand der Technik;
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2 ein
Blockdiagramm, welches funktional ein erfindungsgemäßes Motorprüfsystem
zeigt;
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3 ein
Blockdiagramm, das ein Detail des in 2 gezeigten
Motorprüfstandes
zeigt;
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4 ein
Flussdiagramm, welches die Hauptschritte zum Betreiben des in 2 gezeigten
Motorprüfsystems
zeigt;
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5 bis 13 grafisch
dargestellte typische Kennlinien von Wechselstrom PSC-Induktionsmotoren,
welche mit dem erfindungsgemäßen Motorprüfsystem
gemessen oder berechnet worden ist;
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14 bis 19 grafisch
dargestellte weitere Anwendungen der Erfindung zum Anzeigen von
Fehlern in einer stationären
Bedingung;
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20 bis 23 grafisch
dargestellt weitere Anwendungen der Erfindung zum Anzeigen von Fehlern
bei einem Klimaanlagenlüfter;
und
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24 ein
Blockdiagramm, welches einen Analysator für ein dynamisches Drehmoment
und -Drehzahl funktional zeigt, welcher einen Analysator, eine Drehzahl-
oder Drehmomentkennlinie einer drehenden Welle anzeigt, welche Kennlinien
erfindungsgemäß abgeleitet
wurden.
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Detaillierte
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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2 zeigt
funktional ein Motorprüfsystem,
welches allgemein mit 20 bezeichnet wird, welches einen Induktionsmotor 21 mit
einer Welle 22 umfasst, welche mit einem digitalen Welle-Drehgeber
(shaft encoder) 23 von bekanntem Typ gekoppelt ist. Der
Welle-Drehgeber 23 erfordert keine sehr hohe Auflösung und
kann in der Praxis 5.000 Pulse pro Umdrehung der Motorwelle erzeugen.
Wenn der Motor 21 rotiert, erzeugt der Welle-Drehgeber 23 Logiklevel,
die von einer Abtasteinheit 24 abgetastet werden, welche
die verstrichene Zeit für
den Wechsel der Logikzustände
von LOW nach HIGH und zurück
nach LOW, oder umgekehrt, misst. Die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle
werden einem Computer 25 zugeführt, welcher die Zeitdaten
verarbeitet, um so die dynamische Drehzahlkennlinie des Motors 21 als
eine Funktion der verstrichenen Zeit abzuleiten, und in einem Speicher
zu speichern. Der Motor 21 wird über eine Steuerungseinheit 26 ausgesteuert,
welche ansprechend mit dem Computer 25 gekoppelt ist, so
dass die dem Motor 21 zugeführte Leistung unterbrochen wird,
sobald der Motor 21 eine stationäre Höchstdrehzahl erreicht hat,
was die Fertigstellung des Prüfvorganges
anzeigt. Mit dem Computer 25 ist eine Anzeigevorrichtung 27,
wie beispielsweise ein Anzeigemonitor oder ein Plotter, verbunden.
Der Motor 21 wird durch eine Stromversorgung 28 versorgt,
welche zu einer exakt bekannten Zeit betätigt werden kann.
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3 zeigt
einen Zeitnehmerschaltkreis 30 in der Abtasteinheit 24,
wobei der Zeitnehmerschaltkreis 30 einen Oszillator 31 umfasst,
welcher den Takteingang (CLK) eines ersten Zählers 32 und eines
zweiten Zählers 33 versorgt.
Der Ausgang des Welle-Drehgebers 22 ist dem Freigabeeingang
(ENABLE) des ersten Zählers 32 zugeführt, dessen
Ausgang dem Computer 24 zugeführt ist. Der Ausgang des Welle-Drehgebers 22 wird
durch einen Inverter 34 invertiert und dem Freigabeeingang
(ENABLE) des zweiten Zählers 33 zugeführt, dessen
Ausgang ebenfalls dem Computer 24 zugeführt ist. In ähnlicher
Weise ist der Reset-Anschluss (RST) des ersten Zählers 32 ansprechend
mit dem Computer 24 gekoppelt und auch der Reset-Anschluss
(RST) des zweiten Zählers 33 ist
ansprechend mit dem Computer 24 gekoppelt, so dass es möglich ist,
den ersten Zähler 32 und
den zweiten Zähler 33 zurückzusetzen
(Reset), wie im Folgenden erklärt
wird.
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Der
Zeitnehmerschaltkreis 30 arbeitet wie folgt. Der Oszillator 31 auf
der Grundlage eines Quarzkristalls erzeugt Pulse von hoher Frequenz,
mit einer bekannten stabilen Frequenz. Wenn der Welle-Drehgeber 23 zusammen
mit der Motorwelle rotiert, erzeugt er aufeinanderfolgende einander
entgegengesetzte binäre logische
LOW- und HIGH-Zustände von
geringerer Frequenz als der des Oszillators 31. Die durch
den Welle-Drehgeber 23 erzeugten Logiklevels von relativ
geringer Frequenz werden dem Freigabeeingang des ersten Zählers 32 zugeführt und,
nach einer Inversion, dem Freigabeeingang des zweiten Zählers 33 zugeführt. Zwischen
aufeinanderfolgenden Freigabesignalen (ENABLE) misst der erste Zähler 32 folglich
die Anzahl von Pulsen von relativ hoher Frequenz, welche durch den
Oszillator 31 erzeugt wurden, wenn der Geber auf logisch HIGH
liegt, und der zweite Zähler 33 misst
folglich die Anzahl von Pulsen von relativ hoher Frequenz, welche von
dem Oszillator 31 erzeugt werden, wenn der Geber auf logisch
LOW liegt, wobei beide Ergebnisse dem Computer 24 zugeführt werden.
Der Computer 24 spricht auf eine Zustandsänderung
des ersten Zählerfreigabe
(ENABLE)-Signals an, um die Daten auf den jeweiligen Ausgängen des
ersten Zählers 32 und
des zweiten Zählers 33 zu
erfassen, und um ein Reset-Signal den jeweiligen RST-Eingängen davon
zuzuführen.
Dies löscht
den ersten Zähler 32,
wenn der Geber auf logisch LOW liegt und löscht den zweiten Zähler 33,
wenn der Geber auf logisch HIGH liegt. Der Ausgang des ersten Zählers 32 zwischen
aufeinanderfolgenden Freigabesignalen stellt daher exakt die Zeit
dar, welche für
den Welle-Drehgeber 23 genommen wurde, um auf logisch HIGH
zu bleiben. In ähnlicher
Weise stellt der Ausgang des zweiten Zählers 32 zwischen
aufeinanderfolgenden Freigabesignalen exakt die Zeit dar, welche
für den
Welle-Drehgeber 23 genommen ist, um auf logisch LOW zu
bleiben.
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Selbst,
wenn man annimmt, dass der Welle-Drehgeber 23 eine Auflösung von
lediglich 5.000 Pulsen pro Umdrehung aufweist, und dass die Drehzahl
des Motors 21 lediglich 1.000 Upm (rpm) aufweist, wird
der Welle-Drehgeber 23 fünf Millionen Pulse pro Minute
ausgeben. Jeder Puls hat daher eine Periode von angenähert 10
ms, was der Zähler 32 gut
exakt messen kann. Bei einem Vergleich mit dem in dem oben referenzierten
US-Patent Nr. 5,218,860 beschriebenen System, innerhalb eines 16,67
msec. Zeitintervalls, wird weiterhin der Welle-Drehgeber 23 etwa
1.667 Pulse ausgeben, von denen jeder ein Abtastpunkt ist, was im
Gegensatz zu dem einzelnen Abtastpunkt steht, welcher von dem US-Patent
Nr. 5,218,860 behandelt wurde.
-
Da
US-Patent Nr. 5,218,860 die Zeitmessung mit vielen Hunderten von
Pulsen verbindet, wird jeder Arbeitszyklusfehler, welcher mit jedem
Puls verbunden ist, wirksam annulliert, obgleich dies nachteilig
ein längeres
Zeitintervall zum Messen der akkumulierten Winkeldrehung der Welle
erfordert. Wie oben erklärt,
steht dies einer Ermittlung einer dynamischen Antwort der Maschine
entgegen.
-
Andererseits
schlägt
das US-Patent Nr. 4,535,288 von Josef L. Vitulli jr. eine Zeitmessung
von lediglich einem einzelnen Impuls und gestattet daher prima vacie
die Ermittlung einer dynamischen Antwort. Jedoch unterliegt seine
Herangehensweise Arbeitszyklusfehlern, welche um einer größeren Klarheit
willen im Folgenden weiter herausgearbeitet werden. Der Hersteller
eines Drehgebers spezifiziert die Anzahl an Pulsen pro Umdrehung
des Drehgebers und spezifiziert auch den Arbeitszyklus. Falls der
Arbeitszyklus zu 50% spezifiziert wird, dann entspricht die Zeit
für jeden
von Vitulli, jr. gemessenen Puls tatsächlich dem halben nominellen
Winkelinkrement während
jedes Pulses des Gebers. Falls beispielsweise 3.600 Pulse pro Umdrehung
vorliegen, entspricht dies 10 Pulsen pro Grad Drehung des Gebers.
Vitulli, jr. misst die Zeit für
einen nominellen Halb-Zyklus eines einzelnen Pulses und berechnet
hiervon die nominelle Zeitperiode von jedem Geberpuls auf der Grundlage
des von dem Hersteller spezifizierten Arbeitszyklus. Dies unterliegt
jedoch Ungenauigkeiten aufgrund der unvermeidbaren Fehler in dem von
dem Herstellen spezifizierten Arbeitszyklus, welche zur Zeit in
der Größenordnung
von +/–10%
liegen.
-
Während Vitulli,
jr. eine nominelle Winkeldrehung in einem einzelnen Puls des Drehgebers
bereitstellt, wodurch eine Winkelgeschwindigkeit während eines
einzelnen Pulses hiervon berechnet werden kann, ist daher das tatsächliche
Ergebnis ungenau.
-
4 ist
ein Flussdiagramm, welches den Betrieb des Motorprüfsystems 20 zeigt.
Daher ist anfänglich der
Motor 21 mit Strom versorgt und die Ausgabe des Welle-Drehgeber 23 wird,
wie oben erklärt
abgetastet. Die abgetasteten Daten werden von dem Computer 24 gesammelt
und verarbeitet und die verarbeiteten Daten werden auf der Anzeigevorrichtung 26 angezeigt.
Jegliche Abweichung von einem akzeptierten Leistungsbereich wird
berechnet und gestattet es, dass von dem Computer 24 ein
Warnsignal ausgegeben wird, um bei einem fehlerhaften Motor zu warnen.
Solch ein Warnsignal kann natürlich
in bekannter Weise hörbar
oder sichtbar aufbereitet werden. Wie ausführlicher unten erklärt wird,
können
die Schwankungen der transienten Effekte, welche während einer
Beschleunigung des Motors 21 erzeugt wurden, optional entfernt
werden, so dass die herkömmliche
statische Drehzahlkennlinie erzeugt wird.
-
5 zeigt
grafisch die dynamische Motordrehzahlkennlinie für einen PSC-Wechselstrominduktionsmotor, wie von
den gemessenen aufeinanderfolgenden Zeitperioden der von dem Welle-Drehgeber 23 erzeugten
Pulse berechnet wurde. Die inkrementelle Motordrehzahl zwischen
aufeinanderfolgenden Pulsen kann daher berechnet werden, weil die
jedem Puls entsprechende Winkeldrehung bekannt ist. Es wird angemerkt, dass
die Motordrehzahl und daher das Motor-Drehmoment nicht zeitlich
kontinuierlich anwachsen, sondern anwachsen, und dann für eine kurze
Zeit fallen, wonach sie wieder anwachsen. Nach etwa 0,04 sec. hört dieser
Effekt auf und die Motordrehzahl und Drehmoment wachsen mit der
Zeit, bis die stationäre
Bedingung erreicht ist. Insbesondere ist anzumerken, dass sogar
wenn der Motor den stationären
Zustand erreicht, immer noch kontinuierliche Schwankungen seiner
Drehzahl vorliegen. Diese Schwankungen werden nur bei dem Messen
der Winkeldrehung des Motors als eine Funktion einer Pulsperiode
des Drehgebers offenbar und treten nicht in Erscheinung bei den
bisherig vorgeschlagenen Verfahren, welche auf der Durchschnittsbildung
von Daten über
eine große
Anzahl von Pulsen beruhen.
-
Es
ist bereits angemerkt worden, dass es nicht erforderlich ist, eine
Schwungscheibe mit dem Motor
21 zu verbinden. Statt dessen
kann das Motordrehmoment bei einem bekannten Trägheitsmoment des Rotors in Übereinstimmung
mit dem Newton'schen
Gesetz wie folgt berechnet werden:
wobei:
M(t) = momentanes
Drehmoment zur Zeit t,
Q = Trägheitsmoment des Rotors,
ω = Winkelgeschwindigkeit
des Motors, und
L(t) = momentane externe Last zur Zeit t.
-
Da
mit dem Motor 21 keine Last verbunden ist, ist L(t) Null
und die Gleichung (2) vereinfacht sich zu:
-
-
6 zeigt
grafisch die Anstiegs-Kennlinie des Drehmoments, welche wie folgt
von der Drehzahlkennlinie des Motors 21 abgeleitet ist.
Der Motor 21 wird ohne äußere Last
betrieben und die dynamische Drehzahlkennlinie wird abgeleitet und
in dem Computer 24 gespeichert. Die Zeitableitung der dynamischen
Drehzahlkennlinie wird dann berechnet und das Ergebnis wird mit
dem bekannten Trägheitsmoment
des Rotors multipliziert. Angesichts der Tatsache, dass die Drehzahl
in Upm (rpm) bestimmt wird, muss das Ergebnis ferner mit dem Faktor
2π/60 multipliziert
werden, um in die äquivalente
Winkelgeschwindigkeit in Radian pro Sekunde zu konvertieren, um
sich so auf das dynamische Drehmoment ab dem Starten des leerlaufenden
Motors bis zu seinem Erreichen der Höchstdrehzahl zu beziehen. Diese
Kennlinie ist wiederholbar, vorausgesetzt, dass darauf geachtet
wird, dass der Motor immer zu einem vorbestimmten Punkt in dem Wechselstromzyklus
der Versorgungsspannung gestartet wird. In einem speziellen auf
die Praxis reduzierten System, wurde der Motor beispielsweise zu
dem Punkt in dem Wechselstromzyklus gestartet, in welchem die Spannung
0 Volt durchlief.
-
Die
in 6 gezeigte Anstiegsleerlaufdrehmoment-Kennlinie des Motors
gestattet die Ermittlung einer dynamischen Motorkennlinie, welche
mit herkömmlichen
Systemen nicht erreichbar ist, welche lediglich statische Drehzahl-
und Drehmoment-Kennlinien bereitstellen. Die dynamische Kennlinie
gestattet eine Identifikation von Motorfehlern, welche nicht von
lediglich statischen Daten erfassbar sind, und gestattet die Klassifikation
von Motor-Kennlinien.
Weiterhin wurde herausgefunden, dass
- (i) die
dynamische Drehmoment-Kennlinie eine Anzeige der Rauschamplitude
in dem Motordrehmoment während
seiner Beschleunigung gibt; und in gleicher Weise eine Anzeige der
Stärke
des mechanischen Rauschens in dem Motor bereitstellt, welches von
den Wechseln des Drehmoments während
der Beschleunigung herrührt;
- (ii) die dynamische Drehmoment-Kennlinie eine Anzeige von einer
Unwucht in den drehenden Teilen des Motors gibt
- (iii) die dynamische Drehmoment-Kennlinie ein besonders empfindliches
Diagnosewerkzeug bietet, um Motorfehler zu identifizieren.
-
Die
obige Diskussion konzentrierte sich insoweit auf die dynamische
Kennlinie des Motors während des
Anlaufs. Falls gewünscht,
können
jedoch Schwankungen der transienten Effekte entfernt werden, um
auf diese Weise die in 7 grafisch gezeigte geglättete Drehzahl-Zeit-Kennlinie
bereitzustellen, von welcher die herkömmliche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
abgeleitet werden kann (gezeigt in 11). Die
Entfernung der Schwankungen der transienten Effekte kann auf verschiedene
Weisen erreicht werden. Die Motorwelle kann mechanisch nur dann
verriegelt und freigegeben werden, wenn der Statorstrom einen stationären Wert einnimmt.
Falls der Motor 21 ein Induktionsmotor vom PSC-Typ (Phasenkurzschlusstyp)
ist, wobei der Stator eine Hauptspule sowie eine Nebenspule umfasst,
welche parallel zu der Hauptspule eingeschaltet werden kann, dann
wird alternativ der Rotor nur dann rotieren, wenn ein Strom beiden
Spulen zugeführt
wird. Daher wird ein Strom anfänglich
lediglich der Hauptspule zugeführt
und die Hilfsspule wird in den Schaltkreis nur dann eingeschaltet,
wenn sich die Ströme
in der Hauptspule stabilisiert haben. Es sollte nochmals angemerkt
sein, dass sowohl die Haupt- als
auch die Hilfsstatorspulen lediglich dann in den Schaltkreis geschaltet
werden, wenn die Wechselspannungsversorgungsspannung ihren ansteigenden
Null-Durchgang hat. Allgemeiner kann eine Wiederholbarkeit durch
Zuführen
einer Leistung bei einem anderen bekannten Winkel in dem Wechselspannungsversorgungszyklus
sichergestellt werden.
-
Ein
noch anderer Weg, die Schwankungen von Transienten zu neutralisieren
ist, die dynamische Drehzahlkennlinie des Motors unter Verwendung
eines geeigneten Algorithmus zu verarbeiten. Zu diesem Zweck ist
die in 5 gezeigte dynamische Drehzahlkennlinie so abgetastet,
dass Drehzahländerungen
als eine Funktion der Zeit während
einer Beschleunigung des Motors erfasst werden. Das sich ergebende
Signal wird von der Zeitdomäne
in die Frequenzdomäne
Fourier-transformiert, um so das Frequenzspektrum abzuleiten. Das
Frequenzspektrum wird gefiltert, um die höheren harmonischen Frequenzen
zu entfernen und das sich ergebende Spektrum wird zurück in die
Zeitdomäne
transformiert. In diesem Zusammenhang sollte angemerkt werden, dass
es möglich
ist, das Frequenzspektrum zu erhalten, weil die Zeitauflösung in
der Zeitdomäne,
hinreichend hoch ist. Bisher vorgeschlagene Verfahren, welche eine
grobe Zeitauflösung
verwenden, sind nicht in der Lage, das Frequenzspektrum aufzulösen.
-
Eine
weitere Herangehensweise, die Schwankungen der transienten Effekte
des Statorstroms zu eliminieren, ist, die Welle in einer Richtung
zu drehen, welche der normalen Drehrichtung entgegengesetzt ist, und
dann, während
der Zeit, in welcher der Motor die Richtung ändert, ein Abtasten der Beschleunigungs-
(d.h. Drehzahl-Zeit)-Kennlinie
zu beginnen. Solch ein Verfahren ist wohlbekannt und ist beispielsweise
in dem US-Patent 5,440,915 beschrieben, welches auch der Automation
Technology Inc. erteilt ist und den Titel "A Method and Apparatus for Measuring
Friction Torque" trägt. Die
nachfolgende Verarbeitung ist ähnlich
zu der oben beschriebenen Verarbeitung zum Ableiten der dynamischen
Drehzahlkennlinie, erzeugt allerdings die statische Drehzahlkennlinie,
weil die transiente Komponente nicht länger vorliegt.
-
Die 8 zeigt
grafisch die Geschwindigkeitsänderung
eines Vier-Pool-PSC-Induktionsmotors im Leerlauf, welcher stationär leerläuft. Die 9 zeigt
das Ergebnis einer Transformation der Drehzahlkennlinie des Motors
in die Frequenzdomäne.
Das in der 9 gezeigte Frequenzspektrum
stellt eine klarere Information hinsichtlich des Motors bereit,
als in der Zeitdomäne
aufgelöst
werden kann. Insbesondere ist eine klarere Information hinsichtlich
Drehmoment- und Drehzahlschwankungen abgeleitet.
-
Das
Trägheitsmoment
des Rotors kann durch Ableiten zweier getrennter Drehzahlkennlinien
ermittelt werden: Eine für
den leerlaufenden Motor und die andere, bei welcher eine bekannte
träge Last
auf die Motorwelle beaufschlagt wird. So werden die folgenden Schritte
durchgeführt:
- (i) Ableiten der Drehzahl-Zeit-Kennlinie des
leerlaufenden Motors und Eliminieren der Schwankungseffekte der
Transienten hiervon,
- (ii) Aufkoppeln einer trägen
Last mit bekanntem Trägheitsmoment
auf den Motor,
- (iii) Ableiten der Drehzahl-Zeit-Kennlinie des belasteten Motors
und Eliminieren der Schwankungseffekte der Transienten hiervon,
und
- (iv) Verarbeiten der jeweiligen Drehzahlkennlinien, welche in
(i) und (iii) abgeleitet sind, um auf diese Weise das Trägheitsmoment
des Rotors zu ermitteln.
-
Die
Berechnungen beruhen auf den folgenden Gleichungen: Für den leerlaufenden
Motor
wobei:
M
max =
das maximale Motordrehmoment,
Q = das Trägheitsmoment des Rotors des
Motors (zu berechnen), und
ω =
die Winkelgeschwindigkeit des Motors
ist.
-
Für den mit
einer bekannten trägen
Last Q1 belasteten Motor
-
-
Das
maximale Motordrehmoment (M
max) ist konstant
und unabhängig
von einer hierauf angewandten Last. Daher gilt:
woraus
abgeleitet werden kann, dass:
-
-
Das
Motorprüfsystem 10 ermöglicht auch
eine Ableitung des Welligkeits-Drehmoments (ripple torque) des Motors
beim Leerlauf, d.h. unter stationären Leerlaufbedingungen. Beispielsweise
kann so eine Anzeige der Größe der Stärke von
magnetischem Rauschen, welches durch einen Wechselspannungs-PSC-Induktionsmotor
im Leerlauf erzeugt wird, ermittelt werden. Während des Leerlaufens läuft der
Motor mit einer grundlegenden konstanten Geschwindigkeit, welcher
eine geringe Welligkeit überlagert
ist, aufgrund der sich ändernden
Drehmomente, welche durch das variierende drehende magnetische Feld
erzeugt werden.
-
10 zeigt
grafisch das Produkt der Zeitableitung der Drehzahl-Zeit-Kennlinie
mit dem Trägheitsmoment
des Rotors, welches die Stärke
der Drehmomentänderung
anzeigt, welche durch den Motor beim Leerlauf unter stationären Bedingungen
erzeugt wird.
-
Das
Motorprüfsystem 10 gestattet
auch eine Ableitung des variierenden Drehmoments des belasteten Motors
bei einer Arbeitsdrehzahl, wodurch beispielsweise eine Anzeige der
Größe der Stärke eines
durch den Motor erzeugten magnetischen Rauschens angegeben wird,
wenn dieser mit der Arbeitsdrehzahl läuft. Dies stellt ebenso eine
Anzeige der Größe der Stärke des
mechanischen Rauschens bereit, welches von Wirkungen gegen die Last
herrührt,
welche von Änderungen
des Motordrehmoments herrühren.
Die Motordrehzahl und angelegte Last ändern sich aufgrund der Drehmomentänderungen,
welche von:
- (i) dem Motor,
- (ii) der Last, und
- (iii) schlechter Kopplung zwischen den beiden
resultieren.
-
Das
Produkt der zeitlichen Ableitung der Drehzahlkennlinie mit dem Trägheitsmoment
des Rotors addiert zu dem der externen Last ergibt eine Anzeige
der Stärke
des sich ändernden
Drehmomentes, welches durch den belasteten Motor erzeugt ist, wenn
dieser bei einer Arbeitsdrehzahl läuft. Das sich ändernde
Drehmoment stellt auch eine Anzeige der Größe der Stärke von elektrischem und mechanischem
Rauschen bei Arbeitsbedingungen des belasteten Motors bereit.
-
Die
11 zeigt
grafisch die statische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des leerlaufenden
Motors. Am Ende von jedem Produktionszyklus wird eine externe Last
auf den Motor aufgekoppelt und die Drehzahl-Zeit-Kennlinie des belasteten
Motors wird ermittelt. Die Zeitableitung dieser Kurve, nach der
Entfernung von transienten Effekten, sowie eine nachfolgende Multiplikation
mit dem gesamten Trägheitsmoment
des Rotors und der externen Last zusammen ergeben die statische
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors abzüglich der Last. Dies kann wie
folgt gezeigt werden:
wobei:
M = das Drehmoment
des leerlaufenden Motors,
Q
1 = das
Trägheitsmoment
des Rotors,
Q
L = das Trägheitsmoment
der externen Last, und
M
L = das Drehmoment
der Last
ist.
-
Die 12 zeigt
grafisch die in 11 gezeigte statische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie,
zusammen mit der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Last, ML, welche ein Gebläse einer Klimaanlage ist. Für solch
eine Last ist die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie im Allgemeinen von
parabelförmiger
Gestalt, verläuft durch
den Ursprung und schneidet die Motordrehmoment-Drehzahl-Kennlinie
bei der tatsächlichen
Arbeitsdrehzahl des Motors.
-
Die 13 zeigt
den Unterschied zwischen der in 11 gezeigten
Motordrehmoment-Drehzahl-Kennlinie und der in 12 gezeigten
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Last, um so abzuleiten:
-
-
Der
in 13 gezeigte Graph ist während einer Beschleunigung
des Motors ab dem Anlaufen bis zu seiner höchsten Arbeitsgeschwindigkeit
unter Last abgeleitet. Die Kennlinie ist wiederholbar in Bezug auf ähnlich belastete
Motoren, vorausgesetzt dass der Motor von dem selben Punkt in dem
Wechselspannungszyklus der Versorgungsspannung gestartet wird. In
einem besonderen auf die Praxis reduzierten System wurde beispielsweise
der Motor in dem Punkt in dem Wechselspannungszyklus gestartet,
wo die Spannung ansteigend durch Null Volt verlief. Daher dient
die in der 13 gezeigte Kennlinie als ein
exzellentes Werkzeug, um einen GUT-/SCHLECHT-Test eines Stapels
von ähnlich
belasteten Motoren zu bewirken, um so anzuzeigen, welche Motor-Lastpaare
(Klimaanlage, Wasserpumpe, usw.) der Design-Spezifikation genügen. Es
sollte angemerkt werden, dass keine vorherige Benutzung der in 13 gezeigten
Kennlinie zum Ermitteln der Funktionalität einer belasteten Maschine
bekannt ist.
-
Nachdem
die in 13 gezeigte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des belasteten
Motors berechnet wurde, kann die in den 11 und 12 gezeigte
statische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
des Motors subtrahiert werden, um die grafisch in 12 gezeigte
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Last abzuleiten.
-
Die
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie im Anlaufzustand des belasteten Motors
vor der Entfernung von Schwankungen an dem transienten Teil der
Kennlinie weist eine allgemein ähnliche
Gestalt wie die des unbelasteten Motors auf, wie in 6 gezeigt,
und wird wie folgt abgeleitet. Die dynamische Drehzahlkennlinie
wird direkt wie oben erklärt
abgeleitet und ihre Zeitableitung wird berechnet. Eine Multiplikation
der Zeitableitung mit dem gesamten Trägheitsmoment des Rotors und
der externen Last zusammen ergeben die dynamische Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
des Motors abzüglich
der Last, wie von Gleichung (9) klar ist. Daher dient diese Kennlinie
als ein exzellentes Werkzeug, um die dynamische Leistung eines Stapels
von ähnlichen
Motoren zu vergleichen.
-
Es
sollte angemerkt werden, dass keine vorherige Benutzung dieser Kennlinie
zum Ermitteln der Funktionalität
einer belasteten Maschine und zum Erhalten einer Anzeige des magnetischen
Rauschens des Motors plus einer Last während einer Beschleunigung
ab dem Starten bekannt ist. In ähnlicher
Weise ist keine vorherige Benutzung dieser Kennlinie zum Erhalten
einer Anzeige eines mechanischen Rauschens bekannt, welche von Änderungen
einer Drehmomentbeschleunigung vom Starten herrührt.
-
Während normaler
Arbeitsbedingungen des belasteten Motors bewegen sich Motor und
Last bei einer Drehzahl, welche geringfügig aufgrund von Drehzahländerungen
schwankt, welche von:
- (i) Dem Motor,
- (ii) der Last und
- (iii) schlechter Kopplung zwischen den beiden
herrühren.
-
Das
Produkt der Zeitableitung der Drehzahlkennlinie mit dem Trägheitsmoment
des Rotors addiert zu derjenigen der externen Last ergibt eine Anzeige
der Stärke
des sich ändernden
Drehmoments, welches von dem belasteten Motor erzeugt wird, wenn
dieser mit der Arbeitsdrehzahl läuft.
Das sich ändernde
Drehmoment stellt auch eine Anzeige der Größe der Stärke des elektrischen und mechanischen
Rauschens bei den Betriebsbedingungen des belasteten Motors bereit.
-
Die
meisten der oben beschriebenen Tests beziehen sich auf den vollständigen Motor,
sei er belastet oder leerlaufend. Jedoch erwägt die Erfindung auch das Prüfen von
Komponenten einer Maschine durch Vergleich mit einer nominellen "idealen" Maschine. Beispielsweise
wird, um unterschiedliche Rotoren zu testen, ein vorkalibrierter
Hochleistungsstator verwendet, und die obigen Tests können ausgeführt werden,
so dass sowohl die statische als auch die dynamische Leistung des
Motors abgeleitet wird. Durch Wiederholen dieser Tests in Bezug
auf denselben Motor unter Verwendung von unterschiedlichen Rotoren,
kann die Leistung der Rotoren verglichen werden. In ähnlicher
Weise kann unter Verwendung eines vorkalibrierten Hochleistungsrotors
und Ersetzen verschiedener Statoren die Leistung der Statoren verglichen
werden.
-
Insoweit
beziehen sich die beschriebenen Verfahren auf die Messung des transienten
Teils der Drehzahl-Zeit oder Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien ab dem
Anlauf der Maschine bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Durch
Messen der tatsächlichen
Zeit von jedem Puls wurde daher gezeigt, dass die Drehzahl-Zeit oder
Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie mit einer sehr viel feineren Auflösung bestimmt
werden kann, als durch Messen der durchschnittlichen Drehung in
einer festen Zeitperiode aufgelöst
werden kann. Als ein Ergebnis können
Schwankungen, welche während
des transienten Teils der Motor-Kennlinie auftreten, auch aufgelöst werden,
so dass Informationen hinsichtlich der Motorleistung, welche Informationen
sich bisher vorgeschlagener Herangehensweisen entzogen haben, bereitgestellt
werden.
-
Es
wurde auch erklärt,
dass sogar wenn die leerlaufende Maschine einen stationären Zustand
erreicht, die nominelle konstante Drehzahl oder das nominelle konstante
Drehmoment auch Störungen
oder einer Welligkeit unterliegen, welche messbar werden, wenn die
Kennlinie erfindungsgemäß ermittelt
wird.
-
Jedoch
hat der Erfinder herausgefunden, dass, sogar, wenn die belastete
Maschine einen stationären Zustand
unter tatsächlichen
Arbeitsbedingungen erreicht, die nominelle konstante Drehzahl oder
das nominelle konstante Drehmoment ebenfalls Störungen oder einer Welligkeit
ausgesetzt sind, welche messbar werden, wenn die Kennlinie erfindungsgemäß ermittelt
wird. Dies stellt ebenfalls wertvolle Information bereit; welche vollständig verloren
ist, wenn die Drehzahl-Zeit-
oder Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie unter Verwendung herkömmlicher
Verfahren abgeleitet wird. In diesem Fall ist es natürlich nicht
erforderlich, die Drehzahl der Maschine ab dem Start zu messen und
es ist nicht mehr wichtig, für
eine Wechselstrommaschine zu wissen, wann in dem Wechselstrom-Spannungszyklus
der Maschine Leistung zugeführt
wurde. Alles was erforderlich ist, ist, die Drehzahl-Zeit-Kennlinie
der Maschine zu messen, nachdem sie einen stationären Zustand
in Realzeit erreicht hat, um etwas abzuleiten, was in Wirklichkeit
eine dynamische Realzeit-Drehzahl-Zeit-Kennlinie der Maschine in
einem stationären
Zustand ist. Es wurde herausgefunden, dass die nominelle konstante
Geschwindigkeit eine dynamische Welligkeitskomponente aufweist,
welche als wertvoller Indikator der Leistung des Motors und der
aufgebrachten Last dient. Insbesondere zeigt eine zu große Welligkeit,
dass ein Arbeitsmotor schlecht arbeitet und daher dient das Ausmaß der Welligkeit
als ein Maßstab,
ob die Leistung des Arbeitsmotors akzeptabel ist oder nicht. Durch
konstantes Überwachen
der stationären
Leistung des belasteten Motors unter Arbeitsbedingungen und Vergleichen
der Größe der Welligkeitskomponente
mit einem vorbestimmten Schwellwert kann daher eine Warnung gegeben
werden, in dem Fall, dass der belastete Motor oder eine Komponente
von diesem nicht der Designspezifikation entspricht.
-
Die
Erfindung gestattet auch eine Messung eines Pendelmoments und -Drehzahl
während
einer stationären
Bedingung, um so Drehzahl-Zeit und Drehmoment-Zeit-Kennlinien sowohl
in der Zeit als auch in der Frequenzdomäne abzuleiten. In solch einem
Fall ist es möglich,
entweder zu warten, bis die rotierende Welle ihre stationäre Geschwindigkeit
erreicht hat, oder, alternativ, eine Schwungscheibe von hohem Trägheitsmoment
an die rotierende Welle zu koppeln, um auf diese Weise bewusst die
Zeit bis zum Erreichen eines stationären Zustandes zu verlangsamen.
In solch einem Fall werden stationäre Pendelmoment- und Drehzahl-Phänomene während der
Beschleunigung auftreten, wobei diese wahrnehmbar sind, weil sehr
viel mehr Abtastpunkte verfügbar
sind als in bisher vorgeschlagenen Testaufbauten. Es wurde herausgefunden,
dass die dynamische Welligkeit Fehler der Maschine anzeigt, welche
ansonsten nicht erscheinen würden.
-
Die 14 zeigt
die Drehzahl-Zeit-Kennlinie eines Motors, wenn eine Schwungscheibe
mit einem großen
Trägheitsmoment
an seine Welle gekoppelt wird. Die Motordrehzahl steigt langsam
von Null und erreicht eine Leerlaufgeschwindigkeit nach etwa 0,35
Sekunden im Vergleich zu 0,1 Sekunden ohne die Schwungscheibe. Es
wird bemerkt werden, dass der stationären Drehzahl-Zeit-Kennlinie Oszillationen überlagert
sind, welche kleine Änderungen
der stationären
Drehzahl des Motors zeigen. Diese sind immer vorhanden, sind aber
nicht wahrnehmbar, wenn die Motordrehzahl rasch zur stationären Drehzahl
anwächst.
-
Die 15 zeigt
die Wirkung eines Eingrenzens der in 14 gezeigten
Motordrehzahl-Zeit-Kennlinie, zentriert bei einer Drehzahl von 1.260
Upm (rpm), wodurch klarer das periodische Steigen und Fallen einer stationären Motordrehzahl
gezeigt wird. Diese Kurve dient als ein Maßstab, um eine stationäre Leistung
eines belasteten Motors bei einer Geschwindigkeit von 1.260 Upm
(rpm) zu kategorisieren.
-
Die 16 zeigt
das Drehzahlspektrum, welches von der in 15 gezeigten
Drehzahl-Zeit-Kennlinie abgeleitet ist, zentriert um eine, Geschwindigkeit
von 1.260 Upm (rpm). Es wird bemerkt werden, dass das Drehzahlspektrum
eine Fundamentalfrequenz von 100 Hz anzeigt, was dem Doppelten der
Frequenz der Wechselstromversorgung entspricht.
-
Die 17 zeigt
die Drehmoment-Zeit-Kennlinie, welche durch Ableiten hinsichtlich
der Zeit der in 14 gezeigten Drehzahl-Zeit-Kennlinie
und Multiplikation mit dem kombinierten Trägheitsmoment der Schwungscheibe
und des Motors abgeleitet wurde. Die Figur zeigt ähnliche
Oszillationen des Drehmoments, wie in der Drehzahl-Zeitkurve von 14 zu
sehen ist.
-
Die 18 zeigt
die Wirkung, wenn die in 17 gezeigte
Motordrehmoment-Zeit-Kennlinie, zentriert bei einer Geschwindigkeit
von 1.260 UPM (rpm), eingegrenzt wird, was das periodische Steigen
und Fallen eines stationären
Motordrehmoments klarer zeigt. Wie von 14 gesehen
wird, erreicht der Motor bei einer Zeit t = 0,3 Sekunden eine Drehzahl
von 1.260 Upm (rpm). Die 18 ist
daher abgeleitet, indem die Motordrehmoment-Zeit-Kennlinie, zentriert um t = 0,3 Sekunden,
eingegrenzt wurde. Diese Kurve dient als ein Maßstab, um eine stationäre Leistung
eines belasteten Motors bei einer Drehzahl von 1.260 Upm (rpm) zu
kategorisieren.
-
Die 19 zeigt
das von der in 18 gezeigten Drehmoment-Zeit-Kennlinie
abgeleitete Drehmomentspektrum, welches um eine Drehzahl von 1.260
Upm (rpm) zentriert ist. Es wird wiederum bemerkt werden, dass das
Drehmomentspektrum eine Fundamentalfrequenz von 100 Hz anzeigt,
dies entspricht dem Doppelten der Frequenz der Wechselstromversorgung.
-
Die 20 zeigt
die stationäre
Frequenz-Drehzahl-Spektrumkurve
für eine
Klimaanlage, wobei ein Windstoßproblem
gezeigt ist, welches sich als eine große 3 Hz-Komponente zeigt.
-
Die 21 zeigt
die stationäre
Frequenz-Drehzahl-Spektrumkurve
für eine
gute Klimaanlage, welche eine kleine 3 Hz-Komponente zeigt.
-
Die 22 zeigt
die reguläre
stationäre
Drehzahl-Zeit-Kennlinie
für eine
Klimaanlage, welche erzeugt wurde, indem die Klappe wiederholt eingestellt
wurde und die Drehzahl-Zeit-Kennlinie
des Gebläses
für unterschiedliche
Klappenpositionen abgeleitet und angezeigt wurde. Dies zeigt, dass
Fluktuationen der Gebläsedrehzahl
klein sind, was eine Leistung hoher Qualität der Klimaanlage anzeigt.
-
Die 23 zeigt
die Drehzahl-Zeit-Kennlinie für
eine fehlerhafte Klimaanlage, wobei die Kennlinie durch wiederholtes
Einstellen der Klappe sowie Ableiten und Anzeigen der Drehzahl-Zeit-Kennlinie
des Gebläses
für unterschiedliche
Klappenpositionen erzeugt wurde. In diesem Falle sind plötzliche
Schwankungen der Gebläsedrehzahl
gezeigt, welche eine Leistung von geringer Qualität der Klimaanlage
aufzeigen.
-
24 ist
ein Blockdiagramm, welches funktional einen Analysator für dynamische
Drehmomente und Drehzahlen 40 zeigt, um Drehzahl oder Drehmoment-Kennlinien
einer rotierenden Welle 41 zu zeigen, wie sie erfindungsgemäß abgeleitet
wurden. Der Analysator für
dynamische Drehmomente und Drehzahlen 40 umfasst eine Abtastungseinheit 42 zum
Abtasten einer gemessenen Drehzahl oder eines gemessenen Drehmoments über ein
Zeitintervall und ab einer anfänglichen
Abtastzeit, welche beide durch den Benutzer gewählt sind. Eine Anzeige 43 ist
mit der Abtasteinheit 42 gekoppelt, um die abgetastete
Drehzahl und/oder Drehmoment-Kennlinie anzuzeigen. Eine Steuertafel 44 gestattet
die Steuerung eines ersten x-Achsen-Maßstabs im Hinblick auf Zeit
oder Frequenz und eines zweiten orthogonalen y-Achsen-Maßstabs im
Hinblick auf Drehmoment oder Drehzahl. Typischerweise ist die x-Achse
horizontal und die y-Achse ist vertikal, obwohl dies eine Frage
der Konvention ist, und, falls gewünscht, können die Achsen ausgetauscht
werden. Die Steuertafel 44 gestattet es, dass das Abtastzeitintervall
der Abtasteinheit 42 durch den Benutzer eingestellt wird,
was eine größere Flexibilität bereitstellt,
weil ein längeres
Abtastzeitintervall ein Erhalten von mehr Abtastungen ermöglicht.
-
Es
ist offensichtlich, dass Modifikationen an den bevorzugten Ausführungsformen
gemacht werden können,
ohne von dem Bereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert,
abzuweichen. Während
die bevorzugten Ausführungsformen
insbesondere hinsichtlich eines Wechselstrom-PSC-Induktionsmotors
beschrieben sind, ist die Erfindung daher gut geeignet für eine Verwendung
mit anderen Typen von Wechselstrom- und Gleichstrommotoren. Die
tatsächliche
Drehzahl-Zeit- und Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie von unterschiedlichen Maschinentypen
wird offensichtlich abweichen; jedoch leistet die Kennlinie eines
gegebenen Maschinentyps einen guten Indikator von unakzeptablen
Abweichungen von der Designspezifikation des Herstellers.
-
In ähnlicher
Weise werden in den bevorzugten Ausführungsformen die Zeitperioden
von aufeinanderfolgenden Pulsen, welche von dem Dreh-Welle-Geber
erzeugt werden, gemessen. In Anbetracht, dass die Erfindung typischerweise
eine tausendfältige
Verbesserung bei der Auflösung
der dynamischen Effekte der Drehzahl- und Drehmoment-Kennlinien
gegenüber
herkömmlichen
Verfahren bereitstellt, ist jedoch klar, dass eine signifikante
Verbesserung immer noch erreicht wird, sogar, wenn beispielsweise
die Perioden von lediglich jedem zweiten oder dritten Puls gemessen
werden.
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In
den folgenden Verfahrensansprüchen
sind die zum Bezeichnen von Anspruchsschritten verwendeten alphabetischen
Zeichen lediglich als Annehmlichkeit bereitgestellt und implizieren
nicht eine besondere Reihenfolge der Ausführung der Schritte.
