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专利名称：在ac感应电机中的转速探测系统和方法
在AC感应电机中的转速探测系统和方法技术领域
本发明一般涉及AC (交流)感应电机，更特别地涉及用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。
背景技术：
电动机消耗大部分的发电量。工业的该“主力”的许多应用是风扇和泵工业应用。 例如，在典型的集成造纸机中，低电压和中电压电机可包含全部驱动电力负载的近70%。由于工业中这些电机流行，因而可靠并有效地操作电机是极为重要的。电机管理系统通常需要电机设计参数和性能参数以优化对电动机的控制和操作。相似地，电机状态监视使得能够可靠地操作电动机。许多电机状态监视技术同样寻找某些电机设计参数和性能参数。
在优化对电动机的控制和操作中，这种有用的电机性能参数之一是转子或电机转速。存在多种不同的用于估算电机转速的技术，包括精确度高但不可靠的(即，并不适用于所有的情况)复杂技术，和更可靠但精确度较低的简单技术。两个这种电机转速估算方法分别是(I)电机等效模型或诸如快速傅里叶变换(FFT)或其他频域信号处理运算的复杂数字信号处理技术，或(2 )实施由额定电机转速(RPM)和同步转速(RPM)得到的线性转速负载曲线(linear speed-load curve)的技术。然而,这些技术中的每个都具有关于实施有效性的局限和/或关于电机转速估算的精确度的局限。
关于基于FFT的转速估算技术的实施，已发现由于硬件和软件的限制对于低端电机控制或监视产品通常不能实现这些技术。另外，已发现这种技术可能是不可靠的。即，当信号包含足够的转速相关信息时，精确度相对较高；但当这种信息并不充分时，该方法会给出不精确的结果。
关于线性转速估算技术，已发现可将实施限制为在额定条件(额定电压和额定频率)下操作电机。然而，对于在额定条件下操作的电机，例如逆变器供电电机，由于铭牌上的额定RPM仅对额定电机操作(例如，以额定电压和额定频率)是有效的，因而通常不能使用这种电机转速估算。另外，即使对于可实施于逆变器供电电机的线性转速估算技术，已发现由于电机铭牌信息上的额定转速的误差和电机的非线性负载转速特性，线性电机转速可能存在误差。虽然这种误差可能非常小(小于4%)，但仍期望补偿这样的误差以用来得到更精确的电机转速估算。
因此，期望设计一种不取决于设定的负载、电压和频率条件的用于确定AC感应电机的转速的系统和方法，从而实现改进的管理和状态监视。进一步期望这种系统和方法以可靠的方式提供精确的转速估算，而不需考虑AC感应电机的确切操作条件。发明内容
本发明的实施例提供用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。
根据本发明的一方面，将转子转速估算系统设计为根据线性转速估算算法并基于 AC感应电机的铭牌信息(name plate information, NPI)和AC感应电机在其工作期间的参数来估算AC感应电机的转子转速，所述参数包括AC感应电机输入功率的电压和频率值以及AC感应电机的负载值。还将该转子转速估算系统设计为根据频域信号处理算法来估算AC感应电机的转子转速，且确定由频域信号处理算法估算的转子转速是否有效。如果由频域信号处理算法估算的转子转速是有效的，则转子转速估算系统根据该线性转速估算算法并部分地基于由频域信号处理算法估算的转子转速来估算AC感应电机的调谐的转子转速，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读取存储介质中。
根据本发明的另一方面，一种用于确定AC感应电机的转子转速的方法，包括获取 AC感应电机的铭牌信息(NPI )，该NPI包括AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率以及额定电压。该方法还包括确定AC感应电机在其工作期间的功率输入的电压值和频率值中的每一个，确定AC感应电机在其工作期间的负载百分比，并基于AC感应电机的NPI、AC 感应电机的电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算工作中的AC感应电机的转子转速。该方法进一步包括计算AC感应电机的修正的额定转速，基于AC感应电机的NPI、 电压和频率值以及AC感应电机的负载百分比来估算AC感应电机的调谐的转子转速，并采用修正的额定转速替换NPI中的额定转速以用于调谐的转子转速的估算，并将该调谐的转子转速存储在计算机可读取存储介质中。
根据本发明的又一方面，一种永久性计算机可读取存储介质，其上存储有包含指令的计算机程序，当该指令由至少一个处理器执行时，使得该至少一个处理器根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息(NPI)和AC感应电机在其工作期间的参数来获取AC电机的电机转速的第一估算值。该指令还使得该至少一个处理器根据基于频域的转速估算算法来获取AC电机的电机转速的第二估算值，执行关于AC电机的电机转速的第二估算值的验证处理，以及基于验证的AC电机的电机转速的第二估算值计算AC电机的额定转速值。该指令进一步使得该至少一个处理器将计算出的额定转速值输入线性转速估算算法以获得AC电机的电机转速的调谐估算值并将该调谐的电机转速存储在计算机可读取存储介质中。
从下文详细的描述以及附图，本发明的各种其它特征和优点将更加清楚。


附图示出目前预期实施本发明的优选实施例。
附图中
图I是根据本发明的一方面包括电机驱动系统的控制系统的不意图。
图2是根据本发明的另一方面包括电机驱动系统的控制系统的示意图。
图3是根据本发明的又一方面包括电机驱动系统的控制系统的不意图。
图4是根据本发明的一方面包括电机保护系统的控制系统的示意图。
图5是根据本发明的一方面包括电机起动器系统的控制系统的示意图。
图6是根据本发明的实施例用于确定电动机转子转速的技术。
图7是在选定的电压-频率及额定电压-频率上工作的电机的负载-转速曲线的图形表示。
具体实施方式
本发明的多个实施例描述为涉及一种估算AC感应电机的转速的系统和方法，该 AC感应电机可由固定频率或可变频率的电源供电。本发明的实施例因此包含多种类型的 AC感应电机，包括电机和发电机，单相的或多相的，以及所有的电压水平(低电压、中电压和高电压)。该系统选择性地实施线性转速估算算法和基于频域的转速探测算法以确定AC感应电机的转速。
图1-5中示出并描述根据本发明的实施例，关于AC电机的各种转速估算系统。参见图1，示出电机组件10的通用结构。电机组件10包括电机驱动器14，例如该电机驱动器 14可配置成设计为接收三相AC功率输入功率输入16a-16c的可调或可变转速驱动器。可选地，电机组件10可配置为驱动多相电机。根据电机组件10的一个实施例，驱动器控制单元18集成在电机驱动器14中并用作驱动器14内部逻辑的一部分，但已认识到电机组件10 的实施例可不包括这种驱动器控制单元。
电机驱动器14还包括驱动器电源�？榈ピ�20，例如可包含不可控或可控整流单元(不可控的AC至DC)、滤波感应器、DC总线电容器或电池以及脉宽调制(PWM)换流器(DC 至可控AC)。可选地，驱动器电源�？榈ピ�20可不具有这种整流单元，以致DC总线直接连接到逆变器。例如，当应用到不间断电源(UPS)时，驱动器电源�？榈ピ�可不具有整流单元。
驱动器14接收供给驱动器功率�？榈ピ�20的三相AC输入16a_16c。驱动器电源�？榈ピ�20将AC功率输入转换成DC功率，反相并使该DC功率适于作为至AC电机22的传输的可控AC功率。
电机组件10还包括驱动用户界面24或驱动控制面板，其配置为使得用户能够输入电机参数和驱动操作参数和用于驱动操作所需的其他参数。为了监视的目的，用户界面 24还用于向用户显不电机操作参数列表,例如电机输入电压(rms)、电机电流(rms)、电机输入功率、转速、扭矩等。
电机组件10包括接收输入至电机22的电压和电流信号28的转速探测算法模块 26。根据一实施例，转速探测算法模块26集成在驱动器14中并用作驱动器14内部逻辑的一部分。可选地，转速探测算法�？�26可具体实施为远离驱动器14的外部�？椴⒔邮绽醋郧�动器的数据(例如，电流和/或电压信号)，如关于图2和3详细描述的。
现在参见图2，示出根据本发明实施例的电机组件30。电机组件30包括可变频率电机驱动器32以及驱动器用户界面34。同样包括在电机组件30中的是驱动器32外部的单独的外部硬件单元，其识别为转速探测算法�？�36。转速探测算法�？�36接收包括单相电流和电压信号、多相电流和电压信号或它们的组合的电压和电流信号，使用这些信号以确定工作条件。将用户界面38耦合至单独的外部转速探测算法�？�36。驱动器控制单元 40和驱动器电源模块单元42包括在电机驱动器32中。
转速探测算法模块36是电机驱动器32的现有硬件外部的分离的硬件�？椴⒖砂沧霸谙钟械缁�驱动器中并通过现有的驱动器通信，例如ModBus、设备网(Device Net)、以太网等交换数据。�？�36使用一组电压传感器44以测量电机46的多相两线间电压。�？� 36还包括一组电流传感器48以测量电机46的多相电流。对于三相电流，例如在其中没有可用的中性点，模块36包括用于三线系统的至少两个电流传感器。由于三相电流的和为零，因此第三个电流可从另两个电流值计算出。然而，虽然第三传感器是可选的，但这种传感器增加了整个电流计算的精确性。
图3示出根据本发明的另一实施例的包括外部转速探测算法�？�52的电机组件 50。与关于图2描述的电机组件相似，电机组件50包括驱动器用户界面54和可变频率驱动器56，驱动器56具有驱动器控制单元58和驱动器电源�？榈ピ�60。然而，不同于图2 中的电机组件，外部�？�52自身不具有电压和电流传感器。替代地，将外部�？�52实施在经由数据获取单元64获得电压和电流信号62的计算装置中。
现参考图4,不出根据又一实施例的电机保护系统66。系统66包括具有至少一个电机保护装置70的电机保护组件68，例如具有多个独立的可控接触器的接触器组件，接触器配置为可选择地控制从AC电源72到电机74的供电。电机保护组件68还包括从传感器 80接收电压和电流数据的转速探测算法�？�78。转速探测算法�？�78分析电压和电流数据以及其他数据以确定出电机74的转速并将指示该转速的信号发送至通信�？�82。虽然示出转速探测算法�？�78合并入组件68，但已认识到转速探测算法�？�78也可实施为具有自身的传感器的外部�？�(例如，图2中的�？�36)或没有传感器的外部模块(例如，图3 中的�？�52)。
根据本发明的另一实施例，图5不出电机起动器系统84。电机起动器系统84包括具有多个半导体装置88的软起动器86，例如闸流晶体管和/或二极管，以在电源90和电机92之间传输电力。与图I的转速探测算法�？�26相似的转速探测�？�94包括在软起动器86中并配置为与通信�？�96交互。虽然示出转速探测算法�？�94合并入软起动器 86，但已认识到转速探测算法模块94还可实施为具有自身传感器的外部�？�(例如，图2中的模块36)或没有传感器的外部模块(例如，图3中的�？�52)。
现参考图6，示出例如可在图1-5示出的任一系统中实施的用于确定在工作中的 AC感应电机的转子转速的技术100。虽然下文关于确定AC电机中的转子转速进行讨论,但已认识到技术100也可用于确定多种AC感应电机(例如，发电机)的单相和多相的，以及可在任何电压级别上转子的转速。因此，关于在图6示出和描述的实施例，技术100可用于确定单相电机、多相电机、诸如可变频率驱动电机的逆变器驱动电机、耦合至软起动器的AC 电机和其他类型的AC电机或AC电机配置的电机转速。进一步地，本发明的实施例并不限于仅在电机的额定频率或电压下工作的电机。相反，本发明的实施例，例如技术100，对估算在变化的输入电压和/或变化的输入频率下工作的AC电机的电机转速也是有效的。
技术100提供了一种转速探测方法，其能够使用线性转速估算算法和基于频域分析的转速探测算法以确定AC电机的电机转速。根据本发明的具体实施例，FFT转速探测算法可实施为采用由用来“调谐”由线性转速估算算法估算的转速的FFT转速探测算法估算的转速的基于频域的处理方法。技术100在方框102开始，在其中获取电机铭牌数据或电机铭牌信息(NPI)。根据本发明的实施例，NPI包括电机的额定工作频率、电机的额定工作电压、电机的额定工作转速以及电机的额定工作输出功率。对于电动机在它们的铭牌标签上的这些NPI参数都是可用的。可从各种来源获取这种NPI。例如，NPI可由用户通过用户界面手动地输入。另外，可从位于控制电机的电机驱动器内部或外部的存储器单元获取 NPI0还可以设想NPI可从诸如Internet的网络中收集或获取的。
在获取/读取电机NPI以后，例如通过多个电压和电流传感器，在方框104处读取电机输入电压和电流。基于电机输入电压和电流的读�。�该技术在方框106中继续，在其中确定均方根(rms)电压、电源频率以及负载值(例如在工作期间的负载百分比或电机输出功率)。为确定电压rms，可分析随时间的测量到的电压并以已知的方式确定电压rms。为了三相电机中的电机电压rms的确定，可确定多相的电机输入电压进而求平均值以生成单个输入电压值 ，例如电压rms。
在确定在方框106中的AC电机的电机输入频率(即，电源频率)中，可分析感测/ 测量的电机电流和电压波形以及探测到的电流和电压的过零点。如由所属领域技术人员可以理解的，可预期的是可从输入或引入到电机中的电压或电流输入来确定输入频率。
考虑方框106中的负载值的计算，例如可使用诸如功率计的传感装置来感测负载值。可选地，例如电机功率输出的负载值可近似等于电机的输入功率或以其他方式确定的输入功率。下文将更详细地阐述关于负载值确定的进一步细节。
应注意到，根据本发明的实施例，如在方框102-106中示出的确定或获取的电机输入电压、电机输入频率、电机输出功率以及电机NPI的顺序可无需与在附图6中不出的顺序相同。相反，可获取NPI以及电机输入电压、电机输入频率,并且负载值可同时或以不同于在图6中不出的次序的其他顺序确定。
回头参考图6中示出的技术100的实施例，在确定在方框106中的电压rms、电源频率和负载百分比之后，技术进行到方框108，在其中通过实施基于所确定的电机输入电压、所确定的电机输入频率、所确定的负载值以及获取的NPI确定电机转速的线性转速估算算法来确定电机的转速。
根据本发明的一个实施例，通过根据如下关系的线性转速算法来估算电机转速份r —rated. — 2 ^svn _ 2 jy
ωτ_χ = —+ φνη_2 (方程 I )m _ rated _ 2
其中x指电机转速(即转子的机械角速度)。如下文中将详细示出的，可从电机输入电压、电机输入频率、电机负载值，Pm—X，例如负载百分比以及电机的NPI来确定方程I 的变量。
为了估算方程I中包含的根据本发明的电机转速，以将获取的电机NPI设定为下述项开始
额定电压，usl;
额定频率，fs l ；
额定输出功率，Pm rated l ;以及
以每秒弧度计的额定转速，ω r Eated l ；
这些NPI参数表示在额定电机工作条件下(即，电机工作在额定电压和额定频率下)的额定值。
从NPI，可按下式定义电机的额定扭矩
万程 2 )
另外，可按如下方式确定电机的额定同步转速，Osynl:
其中，P表示电机的电极数目。
接着，可按如下方式确定电机的额定滑差(slip)，Srated I
权利要求
1.一种转子转速估算系统，所述转子转速估算系统设计为根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息(NPI)和所述AC感应电机在其工作期间的参数来估算所述AC感应电机的转子转速,所述参数包括所述AC感应电机的功率输入的电压和频率值以及所述AC感应电机的负载值；根据频域信号处理算法来估算所述AC感应电机的转子转速；确定由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是否有效；如果由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是有效的，则根据所述线性转速估算算法并部分地基于由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速来估算所述AC感应电机的调谐的转子转速；以及将所述调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质中。
2.如权利要求I所述的转子转速估算系统，其中所述AC感应电机NPI包括所述AC感应电机的额定功率、额定转速、额定频率和额定电压。
3.如权利要求2所述的转子转速估算系统，其进一步设计为基于由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速计算所述AC感应电机的修正的额定转速；以及根据所述线性转速估算算法来估算所述AC感应电机的所述调谐的转子转速，其中替换来自所述AC感应电机NPI的所述额定转速将所述转子的所述修正的额定转速输入到所述线性转速估算算法中。
4.如权利要求3所述的转子转速估算系统，其进一步设计为基于所述负载值将所述AC感应电机的操作表征为落入多个箱中的一个中；以及对于所述多个箱中的每一个，计算所述AC感应电机的修正的额定转速。
5.如权利要求2所述的转子转速估算系统，其进一步设计为探测所述AC感应电机的初级和次级槽谐波；以及基于所述初级和次级槽谐波中的一个估算所述AC感应电机的转子导条数。
6.如权利要求5所述的转子转速估算系统，其进一步设计为获取预定数目的转子导条数估算值；在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的转子导条数；以及将重复最多次数的所述转子导条数设置为所确定的转子导条数Restimat-
7.如权利要求6所述的转子转速估算系统，其进一步设计为将所述AC感应电机的转子导条数与由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速相关联；将来自所述频域信号处理算法的所述转子导条数与所确定的转子导条数Restimate相比较；以及如果来自所述频域信号处理算法的所述转子导条数与所确定的转子导条数Restimate相等，则确定由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是有效的。
8.如权利要求I所述的转子转速估算系统，其进一步设计为如果发现由所述频域信号处理算法估算的所述转子转速是无效的，则放弃调谐由所述线性转速估算算法估算的所述转子转速；以及将由所述线性转速估算算法估算的未调谐的转子转速存储在所述计算机可读存储介质中。
9.如权利要求I所述的转子转速估算系统，其中所述AC感应电机包括AC电机，以及其中所述转子转速估算系统包括耦合至所述AC电机的电机驱动器的可变频率驱动器、电机保护装置、软起动器以及可移动装置中的一个。
10.一种确定AC感应电机的转子转速的方法，该方法包括获得AC感应电机的铭牌信息(NPI )，其中所述NPI包括所述AC感应电机的额定功率、 额定转速、额定频率以及额定电压；确定所述AC感应电机在其工作期间的功率输入的电压值和频率值中的每一个；确定所述AC感应电机在其工作期间的负载百分比；基于所述NPI、所述AC感应电机的所述电压值和频率值以及所述AC感应电机的所述负载百分比来估算工作中的所述AC感应电机的转子转速；计算所述AC感应电机的修正的额定转速；基于所述NPI、所述AC感应电机的所述电压值和频率值以及所述AC感应电机的所述负载百分比来估算所述AC感应电机的调谐的转子转速，采用替换所述NPI的所述额定转速的修正的额定转速用于所述调谐的转子转速的估算；以及将所述调谐的转子转速存储在计算机可读存储介质中。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括探测所述AC感应电机的槽谐波；从所述槽谐波估算所述AC感应电机的参考转子导条数。
12.如权利要求11所述的方法，其中估算所述AC感应电机的参考转子导条数包括 获取与所述AC感应电机的电极个数、所述AC感应电机的转子导条数以及所述AC感应电机的初级和次级槽谐波相关联的查询表；以及基于所述查询表，选择所述AC感应电机的所述参考转子导条数。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括获取预定数目的参考转子导条数估算值；在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的参考转子导条数；以及将重复最多次数的所述参考转子导条数设置为所述参考转子导条数Restimat-
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括根据频域信号处理算法从所述槽谐波估算转子槽速和关联的转子导条数；将与所述转子槽速相关联的所述转子导条数和所述参考转子导条数Restimato相比较； 验证与所述转子槽速关联的所述转子导条数等于所确定的转子导条数Restimato ；以及从所述验证的槽速确定所述AC感应电机的所述修正的额定转速。
15.如权利要求10所述的方法，进一步包括将所述AC感应电机的所述修正的额定转速与多个箱中的一个相关联，所述多个箱中的每一个定义所述AC感应电机的负载百分比的工作范围。
16.一种永久性计算机可读存储介质，其上存储有包含指令的计算机程序，当由至少一个处理器执行时，所述指令使得所述至少一个处理器根据线性转速估算算法并基于AC感应电机的铭牌信息(NPI)和所述AC感应电机在其工作期间的参数来获取所述AC电机的电机转速的第一估算值；根据基于频域的转速估算算法来获取所述AC电机的所述电机转速的第二估算值； 执行关于所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值的验证处理；基于所述AC电机的所述电机转速的所验证的第二估算值来计算所述AC电机的额定转速值；将计算出的额定转速值输入所述线性转速估算算法中以获得所述AC电机的所述电机转速的调谐的估算值；以及将所述调谐的电机转速存储在所述计算机可读存储介质中。
17.如权利要求16所述的永久性计算机可读存储介质，其中所述指令进一步使得所述至少一个处理器探测所述AC电机的初级和次级槽谐波；并且基于所述初级和次级槽谐波中的一个估算所述AC电机的参考转子导条数。
18.如权利要求17所述的永久性计算机可读存储介质，其中所述指令进一步使得所述至少一个处理器获取预定数目的转子导条数估算值；在所述预定数目的转子导条数估算值中识别重复最多次数的转子导条数；以及将重复最多次数的所述转子导条数设置为参考转子导条数Restimat-
19.如权利要求18所述的永久性计算机可读存储介质，其中所述指令进一步使得所述至少一个处理器根据所述基于频域的转速估算算法将所述AC电机的转子导条数与所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值相关联；将从所述基于频域的转速估算算法确定的所述转子导条数和所述参考转子导条数Restimate相比较；以及如果从所述基于频域的转速估算算法确定的所述转子导条数等于所述参考转子导条数Restimato,则验证所述AC电机的所述电机转速的所述第二估算值。
20.如权利要求16所述的永久性计算机可读存储介质，其中所述电机NPI包括所述AC 电机的额定功率、额定转速、额定频率和额定电压。
全文摘要
公开了用于确定AC感应电机的转子转速的系统和方法。将系统设计为根据线性转速估算算法并基于感应电机的铭牌信息(NPI)和AC感应电机在其工作期间的参数来估算感应电机的转子转速。还将转子转速估算系统设计为根据频域信号处理算法来估算AC感应电机的转子转速并确定由此估算的转子转速是否有效。如果由频域信号处理算法估算的转子转速是有效的，则根据该线性转速估算算法并部分地基于由频域信号处理算法估算的转子转速来估算AC感应电机的调谐的转子转速。
文档编号G01P3/489GK102947711SQ201180029721
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月16日
发明者B·陆, S·K·沙尔玛, T·闫, S·A·迪米诺 申请人:伊顿公司