TWI551874B - 用於馬達變頻器之馬達效率分析方法 - Google Patents

用於馬達變頻器之馬達效率分析方法 Download PDF

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Description

用於馬達變頻器之馬達效率分析方法
本發明係有關一種用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，尤指一種藉由量測馬達一次側電流訊號並配合馬達驅動器提供之電壓數值，即可透過演算方法估測出此負載點下，馬達之轉速、扭矩、定子電阻等數據，進而計算出馬達線上運轉效率。
普遍來說，廠房內的各型製造設備，多屬於馬達及其傳動系統，而根據Baldor Electric Company在2001年所作的分析結果，從馬達終生使用成本的角度上來看，馬達能源的虛耗幾已佔了終生使用成本的98%，因此如能有效掌握馬達的能源使用效率，則將可為節能減碳的推動上帶來相當顯著的成效。
現行負責廠務的能源管理工程師在面對全廠型式不一的馬達時，往往因為系統無法隨時停機檢測，再加上缺乏適當的線上效率評估工具，因此無法即時的瞭解及掌握全廠馬達的運轉狀況(包含用電、效率及機械特性等)，所以目前大多是憑者檢修經驗來做處理；下之為等待年度歲修做全面性檢修；再下之為遭遇突發性的故障時，才來進行檢視與規劃及執行維護保養作業。上述作法不僅會影響到馬達整體的運轉效率，嚴重時還可能會 延宕生產排程，最終者為增加維護成本的支出。因此若能有一套完整的線上量測診斷分析工具，則能源管理工程師就能隨時掌握全廠馬達的運轉狀況，即時對有問題的馬達進行預防性及即時性的維護處置。
因應專利與市場分析結果，目前國內並無相關與驅動器結合，且可顯示馬達即時運轉效率。本發明構想的核心為「馬達效能分析方法」、「與馬達驅動器結合」的能效分析裝置，硬體上僅需藉由量測馬達一次側電流訊號並配合馬達驅動器提供之電壓數值，即可透過演算方法估測出此負載點下，馬達之轉速、扭矩、定子電阻等數據，進而計算出馬達線上運轉效率，將幫助使用者針對工廠中無法停機或拆卸之馬達進行整廠的馬達效能管理。本發明在馬達運轉效能分析方法上，創新考慮定子電阻Rs的即時變化等影響，使效率估測更為準確。在轉速估測時，也採用資料暫存處理方法，讓嵌入式的資料處理不須過高的核心處理能力，即可達到即時的效率預測。
基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其主要目的在於使用一變頻器驅動馬達導入一嵌入式系統，並與變頻器結合，可讓原本量測所需的硬體更為精簡，也更高度符合目前產業的需求，將幫助使用者以不停機與影響生產製程的情形下，即可進行整廠的馬達效能管理。
為達上述目的，本發明為一種用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，係包括有下列步驟：啟動馬達後量測一次側電流信號；藉由一類比/數位轉換器將該一次側電流信號轉換成數位信號，並儲 存於一資料暫存單元；藉由一資料運算單元讀取該資料暫存單元之電流信號及一馬達變頻器之一電壓信號與一頻率信號後，執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號；以及藉由該轉速信號進行一損失估算、一定子磁通估算及一轉矩估算後，獲得一運轉效率數值。
為進一步對本創作有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及新型詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。
11‧‧‧馬達
111‧‧‧一次側
12‧‧‧馬達變頻器
13‧‧‧類比/數位轉換器
14‧‧‧資料暫存單元
15‧‧‧資料運算單元
16‧‧‧資料輸入單元
17‧‧‧顯示單元
21‧‧‧啟動馬達後量測一次側電流信號
22‧‧‧藉由一類比/數位轉換器將該一次側電流信號轉換成數位信號，並儲存於一資料暫存單元
23‧‧‧藉由一資料運算單元讀取該資料暫存單元之電流信號及一馬達變頻器之一電壓信號與一頻率信號後，執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號
24‧‧‧藉由該轉速信號進行一損失估算、一定子磁通估算及一轉矩估算後，獲得一運轉效率數值
25‧‧‧該運算效率數值更係輸出至一顯示單元中，以顯示出該運算效率數值
第1圖係為本發明用於馬達變頻器之馬達效率分析方法的電路功能方塊圖；第2圖係為本發明用於馬達變頻器之馬達效率分析方法的流程圖。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審委做一瞭解。
請參閱第1圖所示，係為本發明用於馬達變頻器之馬達效率分析方法的電路功能方塊圖，其中一馬達11於一次側111連接有一馬達變頻器12，而一類比/數位轉換器(A/D Converter)13連接於一次側111，並將所量測之類比電流信號轉換成數位電流信號，儲存於一資料暫存單元14，一資料運算單元15讀取該資料暫存單元14之電流信號及一馬達變頻器12之一電壓信號與一頻率信號後執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號，若該電壓信號無法有效被擷取，可藉由一資料輸入單元16做電壓數值的輸入， 以得到電壓信號，該資料運算單元15之運算效率數值更係輸出至一顯示單元17中，以顯示出該運算效率數值。
請參閱第2圖所示，係為本發明用於馬達變頻器之馬達效率分析方法的流程圖，係包括有下列步驟：
步驟21：啟動馬達後量測一次側電流信號。
步驟22：藉由一類比/數位轉換器將該一次側電流信號轉換成數位信號，並儲存於一資料暫存單元，該資料暫存單元用以提供電流量測數值儲存用，以便於提升運算速率。
步驟23：藉由一資料運算單元讀取該資料暫存單元之電流信號及一馬達變頻器之一電壓信號與一頻率信號後，執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號。
步驟24：藉由該轉速信號進行一損失估算、一定子磁通估算及一轉矩估算後，獲得一運轉效率數值。該損失估算更係包括一定子電阻Rs變化及一馬達虛實功率變化之運算。
步驟25：該運算效率數值更係輸出至一顯示單元中，以顯示出該運算效率數值。
上述該顯示單元係為內建於該馬達變頻器中；或是該顯示單元係設置於一外接電路模組，該外接電路模組係為連接於該馬達變頻器中。該二者皆為本發明之實施結構。再者，該資料運算單元亦為內建或是外接於該馬達變頻器中。
上述步驟24中，該定子磁通估算之公式如下：λα=ʃeαdt=ʃ(vα-Rsiα)dt； λβ=ʃeβdt=ʃ(vβ-Rsiβ)dt；其中λ α 為α相的定子磁通；λ β 為β相的定子磁通；e α 為α相的電場強度；e β 為β相的電場強度；v α 為α相的電壓值；v β 為β相的電壓值；i α 為α相的電流值；i β 為β相的電流值；Rs為定子電阻值。
上述步驟24中，該電磁轉矩估算之公式如下： P G =T e ×ω r ；其中Te為電磁轉矩；Pole為磁極；λ α 為α相的定子磁通；λ β 為β相的定子磁通；PG為電磁功率；ωr為轉速，由感應馬達定子電流之轉速頻率的諧波成分求得。
上述步驟24中，該運轉效率數值之求得公式如下：P Out =P G -P iron , η=P Out /P in ；其中v α 為α相的電壓值；v β 為β相的電壓值；i α 為α相的電流值；i β 為β相的電流值；T為週期；Pout為氣隙功率；PG為電磁功率Piron為鐵損功率；Pin為輸入功率；η為運轉效率。
本發明所揭露之馬達效率分析方法具有下列優點：
(1)馬達效率估測中，考慮定子電阻Rs變化等造成之馬達功率損失，使效率估測誤差降低至2%以下。
(2)馬達效率估測中，新增暫存記憶單元，達成電流頻率分析的可能性。
(3)本技術僅需量測一次側三相電流，並配合驅動器提供之電壓數值， 即可估測出該負載下之馬達運轉效率。
(4)與變頻器結合之馬達即時運轉效率顯示裝置，高度符合目前一般現場配置，待測馬達不須停機或拆卸的情形下即可使用，取得較為準確之數據，使用端可即時監測與管理。
應該理解以上的敍述對於如權利要求所闡述的本發明僅僅是示例和說明性的，並非對其加以限制。根據本文所披露的本發明的內容，本發明的其他實施方案對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。應該指出的是本說明書和實施例僅應被看做為示例，本發明的實際範圍由權利要求確定。
21‧‧‧啟動馬達後量測一次側電流信號
22‧‧‧藉由一類比/數位轉換器將該一次側電流信號轉換成數位信號，並儲存於一資料暫存單元
23‧‧‧藉由一資料運算單元讀取該資料暫存單元之電流信號及一馬達變頻器之一電壓信號與一頻率信號後，執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號
24‧‧‧藉由該轉速信號進行一損失估算、一定子磁通估算及一轉矩估算後，獲得一運轉效率數值
25‧‧‧該運算效率數值更係輸出至一顯示單元中，以顯示出該運算效率數值

Claims (10)

  1. 一種用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其包括有下列步驟：啟動馬達後量測一次側電流信號；藉由一類比/數位轉換器將該一次側電流信號轉換成數位信號，並儲存於一資料暫存單元；藉由一資料運算單元讀取該資料暫存單元之電流信號及一馬達變頻器之一電壓信號與一頻率信號後，執行一資料運算工作，以獲得一轉速信號；以及藉由該轉速信號進行一損失估算、一定子磁通估算及一轉矩估算後，獲得一運轉效率數值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該運算效率數值更係輸出至一顯示單元中，以顯示出該運算效率數值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該顯示單元係為內建於該馬達變頻器中。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該顯示單元係設置於一外接電路模組，該外接電路模組係為連接於該馬達變頻器中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該損失估算更係包括一定子電阻變化及一馬達虛實功率變化之運算。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該資料運算單元係為內建或是外接於該馬達變頻器中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其 中該定子磁通估算之公式如下：λα=ʃeαdt=ʃ(vα-Rsiα)dt；λβ=ʃeβdt=ʃ(vβ-Rsiβ)dt；其中λ α 為α相的定子磁通；λ β 為β相的定子磁通；e α 為α相的電場強度；e β 為β相的電場強度；v α 為α相的電壓值；v β 為β相的電壓值；i α 為α相的電流值；i β 為β相的電流值；Rs為定子電阻值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該轉矩估算之公式如下： P G =T e ×ω r ；其中Te為電磁轉矩；Pole為磁極；λ α 為α相的定子磁通； λ β 為β相的定子磁通；PG為電磁功率；ωr為轉速，由感應馬達定子電流之轉速頻率的諧波成分求得。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該資料暫存單元用以提供電流量測數值儲存用，以便於提升運算速率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於馬達變頻器之馬達效率分析方法，其中該運轉效率數值之求得公式如下：P Out =P G -P iron ； η=P Out /P in ；其中v α 為α相的電壓值；v β 為β相的電壓值；i α 為α相的電流值；i β 為β相的電流值；T為週期；Pout為氣隙功率；PG為電磁功率Piron為鐵損功率；Pin為輸入功率；η為運轉效率。
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