確定異步電機的速度的設備和方法

專利名稱：確定異步電機的速度的設備和方法
技術領域：
本發明涉及用于確定電機、發電機或交流發電機的速度的設備和方法，并且在異步電機具有特定但不是唯一的應用。更具體地，但不是唯一地，本發明涉及確定用于電機控制器的電機的速度的設備和方法，特別地，但不是唯一地，涉及確定交流(Ac)異步電機的速度的設備和方法。
背景技術：
高效操作異步電機的關鍵要求是通過使用最小的輸入功率同時保持所需的速度來提供最優的電力驅動波形而在理想的條件下運行異步電機。為了實現這種高效操作，有必要知道它們運行的速度，但這被證明并不總是能直接知道的。通常用50赫茲(Hz)AC電源進行工作的AC異步電機制造便宜且工作可靠。發現這些電機用于諸如泵、壓縮機、風機和驅動系統等眾多的工業應用中。能夠根據電源的相數將AC電機的類型細分。例如，AC電機可以是單相或三相的。三相AC異步電機往往比單相 AC電機更高效。近年來，對于改善低效機器，降低不必要的能源浪費，并盡量減少所謂的“碳有關的排放”；即，從它們對環境條件的影響的角度，有越來越多的立法壓力。壓力來自游說的、私營壓力團體，也來自于日益嚴格的立法，并且具體針對電力電機。因此，電力電機和電機控制器的設計者集中精力在提高電機的效率及其可控性的方法上，以期在最優條件下操作它們以提取更多的有用功率。在嘗試提高電力輸入-有用功率輸出之比的效率中，有一種趨勢是使用電子換向電機(ECM)替代異步電機。相比于標準異步電機，雖然EC電機在效率方面確實具有一些優勢，然而這是有代價的。具體地，如果過載，則ECM經受磁體去飽和，從而導致絕對轉矩限制。并且，經過一段時間，磁體有磨損的趨勢。并且，由于繞組電流的脈沖特性以及轉子位置導致可能發生電機齒槽，以及在電機內可能需要旋轉傳感元件。還應指出的是，永久磁鐵的生產和處置產生了需要專門處置和處理的可能破壞環境的污染物。這就引起了其生產和壽命到期回收的問題。特別感興趣的領域之一是額定電網電壓通常為230伏而用大約50-180伏的輸入電壓驅動的AC電機。其一個原因是這些電機是很常見的，它們用于多種類型的家用設備和工業系統，諸如家電、冷氣機、通風設備和空調。通過立法和生產商覺察到采取對環境負責的態度的益處兩種方式促進生產商以保證他們滿足日益嚴格的環保要求。事實上很多AC異步電機的損耗和低效是由于通常在機械負荷、電機的工作方式以及可用功率的控制和調節等要求之間存在的不平衡導致的。最終結果是在過去，大量的能量被浪費了。通常使用諸如“轉速器”、霍爾效應器件或光學器件的外部或內部元件或器件測量異步電機的精確速度。對于具有特定負載的電機的特別制造和尺寸，還可以使用理論數學模型計算近似速度。這些模型的廣義延伸可能具有不同級別的誤差。
現有技術如上所述，很多電機的不足在于它們需要精確的傳感器來監視它們的速度并且控制它們。控制電機的一種技術是采用監視并感測轉子位置的霍爾效應傳感器。這結合反饋回路提供位置的指示，其反過來能夠與相角控制器一起使用來改變電機的速度和/或轉矩。美國專利US 4849871 (Wallingford)中描述了這樣的設備的一個實例。然而，這樣的系統的一個缺點是精密的傳感設備需要安裝在電機外殼中，而且在惡劣或振動環境中這并不總是可行的。美國專利US 5729113 (JANSEN)公開了一種異步電機控制器，其包括用于確定轉子速度而無需使用速度傳感器的裝置。一對測試信號OV和λιΟ被引入電機控制器并且被疊加在電機驅動電壓上。測試信號可以作為電流信號被引入或者作為電壓信號(V/和 V；)被直接疊加。這些疊加信號是低功率的，并且具有通常為5-30赫茲的低頻率以及被施加以抵消轉子旋轉。根據引入的信號測量電機電壓和電流(或者采用兩組測量并計算第三組)以及確定轉子速度的指示。美國專利申請US 6449567 Bl (DESAI)描述了一種根據電機電特征的分析來確定電機速度的系統的另一實例。而在日本專利申請2004-88943 (NAGOYA)中描述的又一個系統公開了一種異步電機控制器和電機速度估計器。通常，所述的所有速度確定設備需要諸如傳感器的額外元件添加到異步電機的外殼的內部或外部。近些年來，已經開展了或正在開展一些工作來完善無需使用任何額外元件來測量電機轉子速度的技術。理論上，該工作是基于電機電流波形的諧波分析。到目前為止，已經證明這需要非常復雜的數學方法，從而需要使用強大的處理器來獲得結果。要被分析的諧波分量是通過構造其本質上是不可預測的變量產生的。因此，公開的上述設備和方法沒有一個提供制造廉價、安裝簡單以及能夠在各種電機中工作的簡單的設備。因此，本發明的產生用于克服上述問題，以及特別地提供一種用于監視電機速度， 特別地用于異步電機控制器以及用于提高異步電機的效率及驅動和電機組合的整體效率的設備。本發明的另一目的是提供一種易于實現的速度監視儀器，該儀器小巧、耐用、易于制造且制造廉價；該儀器直接被加裝；以及，該儀器適用于寬范圍的功率和轉矩要求。本發明的另一目的是提供一種易于加裝到現有電機的速度監視儀器。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種用于確定異步電機的速度的設備，該電機包括至少一個定子和至少一個轉子，在使用中轉子以轉子頻率旋轉，在第一意義中，該設備包括用于將測試信號疊加到輸入電壓上的裝置，在使用中輸入電壓被施加到電機的至少一個定子繞組，測試信號的頻率基本等于轉子的頻率；用于改變測試信號的頻率、以將測試信號從第一頻率掃描到第二頻率的裝置；以及用于監視在所述至少一個定子繞組中作為所述掃頻的結果產生的結果電流的電流監視器，從而從所述結果電流導出表示旋轉頻率的信號。
根據本發明的第二方面，提供了一種用于確定異步電機的速度的方法，該電機包括至少一個定子和至少一個轉子，所述方法包括將測試信號疊加到電機的至少一個定子繞組的輸入電壓上；改變測試信號的頻率；以及監視定子繞組或者定子側上的作為測試信號頻率的函數或者依賴于測試信號頻率的參數，從其導出所述速度。根據本發明的第三方面，提供有一種用于確定異步電機的速度的設備，該電機包括至少一個定子和至少一個轉子，所述設備包括用于將測試信號疊加到電機的至少一個定子繞組的輸入電壓上的裝置；用于改變測試信號的頻率的裝置；以及用于監視定子繞組 /輸入或定子側上的作為測試信號頻率的函數或者依賴于測試信號的頻率的參數的監視裝置，以及從其導出所述速度的裝置。根據轉子的旋轉頻率確定速度。參數可以指示實際的轉子阻抗或相角。參數可以包括定子繞組中的電流。參數可以包括以下中的一個或多個測試信號電壓和/或測試信號電流和/或測試信號幅值和/或其間的相角。參數還可以包括關于定子繞組的電流、電壓和相角中的一個或多個。當所述轉子阻抗被指示為最大/無窮大時，可指示轉子的速度。可以提供用于從第一頻率到第二頻率掃描測試信號的裝置。使用中，所疊加的測試信號優選地具有小于施加到電機的每一相的電壓20_40dB 之間的幅值。用于改變測試信號的頻率的裝置優選地是脈寬調制器。因此，提供一種用于確定異步電機的速度的設備，該電機包括至少一個定子和至少一個轉子，在使用中轉子以轉子頻率旋轉，該設備包括用于將測試信號疊加到輸入電壓上的裝置，在使用中電壓被施加到電機的至少一個定子繞組，測試信號的頻率基本等于轉子的頻率；用于改變測試信號頻率以使測試信號從最小頻率到最大頻率變化的裝置；以及，用于監視所述至少一個定子繞組中的結果電流的電流監視器；以及，從所述結果電流導出表示定子頻率的信號。因此，明顯的是，優選地，以疊加的測試信號的頻率監視定子繞組中的結果電流。 優選地，只確定測試信號的效果。這可以通過使用接收測試頻率的電流同時拒絕主驅動電流的布置以在測試頻率監視來實現。例如，可以通過使用脈寬調制器(PWM)改變脈沖將測試信號引入電機；或者通過連接在供電電壓和電機之間的器件將測試信號引入電機。本發明提供了一種對于以上提及的和現有技術的系統遭受的問題的靈活的解決方案。可以提供裝置用于改變測試信號的幅值。幅值可以變化到為零伏的最小量。雖然描述了測量轉子速度的方法，然而本發明主要關于提高異步電機的非侵入性速度確定的精度以改善其有效操作。—旦獲得，則通過提供監視速度的更合適的方法，例如考慮環境和/或負載條件的變化、電機特性的變化、元件的老化或者環境影響，以通過盡可能在理想速度高效地操作電機來優化電機的運行，該信息可以用于提高異步電機尤其是AC異步電機的效率。理想地，疊加的測試信號具有大大低于(低20_80dB)施加到電機的電壓的幅值。疊加的測試信號具有低于施加的電機電壓大約20-40dB的幅值，這是因為否則其可能干擾電機的正常工作。通常，疊加的測試信號具有大于比電機電壓低大約SOdB的幅值，這是因為否則噪聲和其他環境信號的影響將趨于影響或淹沒測試信號的結果電流的值，以及任何結果信號不能從所述至少一個定子繞組可靠地導出。例如，通過改變脈寬調制(PWM)通常0. 1 %至10%的較小量或者通過連接在電源與電機之間的單元的方式，測試信號或者可以被引入電機驅動本身。例如，可以經由加裝設備引入測試信號，所述加裝設備連接到為電機供電的主電源或者直接連接到異步電機。該設備還可以被連接在現有的電機驅動與電機之間。因此，提供一種用于確定異步電機的速度的方法，該電機包括至少一個轉子，在使用中轉子以轉子頻率旋轉，該方法包括以下步驟將測試信號疊加到輸入電壓上，在使用中電壓被施加到電機的至少一個定子繞組，將頻率基本等于轉子頻率的測試信號從最小頻率改變到最大頻率；以及監視所述至少一個定子繞組中的結果電流；以及，從所述結果電流導出表示轉子頻率的信號。速度確定方法所基于的理論是已經發現異步電機能夠被認為同時作為發電機和電機。主電機驅動電壓具有電網頻率(通常為50或60赫茲)或者在電機驅動的情況下具有專門發電的頻率。在使用中，根據電機驅動電壓的幅值、電機的特性以及施加到電機的機械負載，電機以低于該頻率的轉子速度運行。測試信號可以施加到一個或多個定子繞組，以及測試頻率的旋轉方向(如果相關的話)通常與主電機驅動頻率的方向相同。因此，由于測試信號的頻率從實際的轉子旋轉頻率的任意一側掃描，則發生以下情況當測試頻率高于轉子的旋轉頻率時，電流實際上流入轉子，好像轉子是電機一樣；以及當測試信號的頻率等于轉子的旋轉頻率時，轉子阻抗實際上變為無窮大以及測試信號電流只流入定子阻抗。可以根據測試信號確定電機的同步速度。可以關于電機驅動電壓和頻率確定實際的電機速度。當測試信號的頻率低于轉子的旋轉頻率時，就測試信號而言，異步電機表現為發電機。因此，轉子發電，電能反饋到測試頻率源中。對于確定異步電機的速度的方法有對應于裝置的優選特征的同樣的優選特征。本發明的其他方面在權利要求中提及到。現在將僅通過實例并參照示圖的方式描述本發明的實施方式，其中


圖1是使用電感和電阻元件建模的電機的多個示意性表示的實例；圖加示出了例如圖1的類型的電機的驅動電流的曲線；圖2b示出了將測試信號電流疊加到主驅動電流上的驅動電流的曲線；圖2c示出了去除主驅動電流的測試信號電流的曲線；圖2d示出了測試信號電流關于測試信號電壓的典型相角變化的曲線；圖2e示出了測試信號電流關于測試信號電壓的典型幅值變化的曲線；圖2f示出了其主驅動電源和測試信號電壓源兩者都使用電感、電阻、電機/發電機反電動勢和等效負載功率/源功率元件建模的電機的示意圖表示；
圖2g示出了電機驅動電流的典型傅里葉變換分析的曲線；圖3是示出了測試電壓與導出的測試電流的相角變化的曲線，測試掃頻從10赫茲到50赫茲，轉子不旋轉；圖4是相角與旋轉測試頻率的關系曲線，并且示出了表示實際轉子速度的清晰峰值。圖5是本發明的一個實施方式的電路圖；以及圖6是電機的測量速度與實際速度的關系曲線，電機的測量速度是使用圖5中示出的實施方式測量的。
具體實施例方式模擬AC異步電機的一種方式是圖1中簡要示出的電阻器-電感器(RL)電路模型， 定子和轉子都具有電阻元件和電感元件。在單相和三相異步電機中，轉子的實際速度與驅動波形的頻率，電機的極數和轉差量有關。靜止狀態時，當轉子靜止以及電場在定子中旋轉時，轉差s = 1，以及在同步速度時，其中轉子以與定子中的旋轉場的速度完全一致的速度旋轉，S = 0，以及在旋轉場(在定子中的旋轉場或從定子產生的旋轉場)與轉子之間沒有相對運動。從而也沒有轉矩傳遞給轉子。異步電機通常以低于同步速度的速度運行。雖然轉差的程度依賴于很多因素，但是通常在0. 05至0. 5的范圍中。然而，如果異步電機以高于其同步速度的速度運行，則其實際上能夠變為異步發電機或交流發電機。相反地，當轉差值為負時，轉矩被轉子吸收并且傳遞為流出定子的能量。圖1中的傳統的模型用于描述異步電機不適于允許以同步或高于同步速度工作的這種情況。從而，開發了更精確地描述同時施加主驅動功率和測試信號的電機操作的模型。 圖2f中示出了示意圖形式。解釋該模型的一種方式是考慮多個電路的操作且一次驅動一個。假設測試信號的幅值為零，則電機使用某個頻率和幅值的主驅動運轉正常。它產生了一定量的轉矩并且低于同步速度運行。使用上述RL電路，如圖2f中所示，測試信號為零，并不改變主驅動電壓。 從而，以常規方式確定主驅動電流。如果現在施加測試信號以及測試信號的頻率被選擇為與主驅動電流相同的頻率、 相角和旋轉方向，以及幅值在主驅動電壓以下提高1/100或40dB。這具有將電機中的電壓提高大約1 %的效果。如果現在逐步降低測試頻率，則流入和流出電機的電流能夠用兩個不同頻率的兩個獨立的電流表示，兩個電流同時共存。在下文中術語“定子參數”被認為以及解釋為意指電機的任意電參數。如果觀察測試波形的電壓和電流，隨著頻率從主驅動頻率開始降低，轉子阻抗的值有效地增加，轉子的反電動勢和施加的測試信號電壓彼此接近。隨著測試信號的頻率接近轉子的旋轉速度，由測試信號傳輸到電機負載的功率和相應的轉矩也降為零。轉子阻抗、轉子反電動勢和電機輸出功率的組合效果在測試信號的頻率等于轉子的旋轉速度的這點可忽略。此時根據定子阻抗確定測試信號的電流。因此，根據定子電參數確定測試信號電流對定子電流(或其他定子電參數)的效果。由于測試頻率降低到轉子的旋轉速度以下，則轉子產生具有測試頻率的電流，該電流反饋到連接到電機的測試頻率電壓源。此時具有測試頻率的凈電流實際上是定子電流與從轉子產生的電流之和。隨著測試頻率降得更低，轉子產生的電流成比例地增大并且顯著淹沒由定子阻抗抽取的電流。因此，例如，通過掃描測試信號的頻率，理想情況下測試信號是隨時間變化的正弦波，其電壓(V)是Sin(COt)的函數，這使得可以確定同步速度而無需侵入性地監視電機。這樣做是因為需要經常直接測量轉子速度。要完成該步，用額外的電壓分量修改驅動電壓波形，該電壓分量幅值上通常比主驅動電壓低大約_40dB且具有與實際的轉子頻率大約相同的頻率。添加具有測試頻率的測試電壓可以在單相電機的主和輔相角/繞組的一個或兩個上或者在三相電機的三個相角/繞組的任意一個或全部上執行。相角的旋轉可以在與主驅動頻率的旋轉方向相同的方向。輸出電流可以從繞組電流中的至少一個導出。還可以獲得具有測試頻率的電流的相角的指示。通過掃描轉子頻率的任意一側的測試電壓頻率，能夠以接近同步的速度確定轉子的阻抗和相角。據此，可以導出三個狀態中的一個1.轉子的效果是純粹的能量吸收器。2.轉子的效果在同步速度是不可見的。3.轉子的效果是純粹的能量發電機。以下分別涉及這些效果中的每一個轉子的效果是能量的吸收器這是異步電機的正常狀態。測試頻率高于轉子頻率。如通過傳統的集總參數分析所指示的，通常方式下，轉子阻抗出現在定子繞組兩端。轉子的效果在同步諫度是不可見白勺在同步速度，轉差(s = 0)以及就測試頻率的測試電壓而言，轉子電流為零以及轉子阻抗實際上是無窮大。所測量的阻抗和相角都完全歸于定子的集總參數。轉子的效果是能量的發電機如果測試頻率低于轉子的同步速度，則就測試頻率電壓而言，異步電機表現為發電機/交流發電機。此時轉差是負值以及此時轉子阻抗實際上作為負值被反射到定子。定子阻抗和負的轉子阻抗的合成值導致合成阻抗，其中轉子阻抗遠大于定子阻抗。
_5]測Ii式{言號申/流的幅倌禾時目角的同步諫度白似爭效果發現這種測試方法產生不需要已知電機特性的結果。也沒有必要具有要從其外推的精確的等效電路模型。因此，電機和電機建模是獨立的。因此，例如，對于電壓(V)是Sin(Wt)的函數的掃頻。參照圖2f所示的等效電路， 當測試頻率等于轉子的實際旋轉速度時，發電機P2具有與測試信號發生器相等的幅值。測試信號只饋入Ll和R1。測試信號和反電動勢信號之間的相角差在該點認為是零。有多種方法從混合電流波形中提取測試信號電流和相角。一些簡要描述如下。
1.零交點添加主電機電流和測試信號電流的效果是使合成電流的零交點在該點的兩側的時間輕微震蕩，其中在該點，如果只有主電機電流時合成電流將為零。這意味著通過測量每個正到負以及負到正轉變的絕對和微分時間能夠完全確定測試信號電流的幅值和相角。該方法的優點是其使用了最低成本的微處理器或微控制器或微型計算機的最基本功能，該功能是其能夠計時時間間隔并且使用其非常準確并且能夠以高精度進行操作的時鐘計數機制來完成該功能。能夠用相對簡單的數學方法快速地計算測試信號的幅值和相角，如果使用低成本的處理器，則這是進一步的先決條件。上述過零方法的優點是其有效地抵消了由于鐵飽和導致的電機的電流奇次諧波的效果。在由于負載的對稱特性的任何情況下，即使諧波非常小，但是半周期測量有效地允許諧波被抵消掉。小電流消耗的微處理器優選地適于這里所需的任務。這是由于不需要模擬到數字轉換器(ADC)以及類似地不需要諸如傅里葉分析的復雜或“缺少處理器”的數學方法。可以使用多種方法檢測電機線圈電流為零的零交點。具體地，低值串聯電阻器可以與電機繞組串聯，以及測量該電阻器兩端的電壓，從而確定流過該電阻器的電流。例如， 該電阻器連接到比較器。當電機電流感應的磁場為零時，可以使用諸如霍爾效應器件的傳感器測量該點。驅動輸出切換器件兩端的電壓降可以被用于確定電流零點。輸出設備具有位于設備兩端的內置二極管或者外部二極管以在切換轉換時為電機感應電流提供反向電流路徑。 因此，由于其內部阻抗Rds導致輸出設備在該設備兩端具有正的電壓降Vcesat或Vdssat。 由于內部或外部二極管的Vak導致輸出設備具有負的電壓降。當流過該并聯晶體管二極管組合的電流為零時，該設備兩端的電壓為零。即使在低電流水平下，該電壓也能夠被很好地限定。用電壓比較器可容易地確定該電壓。2.模擬-數字該方法需要能夠測量在其峰值的全電機電流的模擬-數字轉換器(ADC)。由于測試信號通常比該電流值低40dB以及需要該級別的精度，因此理想情況下需要14-16位分辨率的ADC。一旦混合電流被數字轉換，即在每秒鐘1000至10000樣本，則數字在軟件域中被處理。理想情況下軟件包括傅里葉變換和其他信號處理軟件以濾出主電機電流的基次、2 階、3階和更高階諧波，從而提供不含有無用信號的波形。該波形能夠被認為是測試信號電流的基次波形。使用相對簡單的數學方法，現在可以確定測試信號電流的幅值和相角。雖然該方法提供了對轉子速度的更快速和更精確的評估，但是存在更為復雜和昂貴的處理器、顯著的軟件開銷和高芯片電流消耗等不可小視的開支。有采用測試頻率電壓、電流、相角和頻率的多種方法來確定實際的轉子速度。3a)使用最小電流法確定相角峰值和掃頻根據測試頻率繪制了測試頻率的電流幅值。當轉子阻抗實際上為無窮大時，電流達到最小，如圖加所示。關于電機驅動電壓，測試信號波形的連續的起點重新設置是又一可選的測試技術。通過根據半周期確定半周期的起點，可以大大加快轉子頻率的確定以及同時使數學方法更簡單從而更快速地計算。通過調節測試波形的起點，這使得總是能夠在測試信號與電機的主供電電壓之間的干擾的最小點、最大點進行測試。如果測試信號是連續的，則可以有其中兩個頻率之間的瞬時相位差不提供非常有用的信息的較大的時間期間。如果調節測試電壓的起點以便混合電流波形在零交點時沒有凈偏移，則可以簡單地計算測試電流相對于測試電壓的相位滯后或超前。類似地，如果調節測試電壓的起點以便混合電流波形在零交點時沒有最大偏移，則可以簡單地計算測試電流相對于測試電壓的峰值幅值。3b)混合測試方法過零方法可以被用于獲得轉子速度的快速確定，該方法可以通過在非常有限的范圍內進行簡單的快速傅里葉分析進行改進。在這種情況下，雖然所述過程的每一部分是相對快速的以及具有有限的精度，但是兩個過程一起給出了具有良好精度的快速響應。這樣的步驟的組合能夠降低處理的成本。3c)測試波形的相位關系驅動電流和測試電流的波形可以是同相位或反相位。隨著測試頻率以大約電機轉子的速度進行掃描，不同的定相導致電機的不同響應。參照圖4，通過繪制測試信號電流相對于測試信號電壓的相角與測試信號頻率的關系，圖中的峰值表示轉子速度等于測試信號頻率的點。該技術無需知道異步電機的電感或者定子或轉子的電阻的精確值、且可用于任何異步電機。有多種方法能夠將測試信號電壓疊加到驅動電壓上，以形成施加到電機定子繞組的合成的電壓波形。一個方法被稱為從驅動的內部引入，并且涉及通過將測試信號電壓添加到已有的驅動電壓來修改驅動脈寬調制(PWM)輸出來引入測試信號。這可以在軟件或硬件中進行。通過驅動中常見的電流感測可容易地獲取電機電流波形的零交點。因此，用于測量電機速度的這種修改通常是“無成本”的選擇，因為元件已經是存在的，而最初實現其的一次性軟件成本除外。還可以通過用于提供低電平測試信號和/或電流測量和計時(如果需要的話)的附加元件來實現。可選地，測試信號能夠被引入到驅動或電源外部。例如，這可以被實現為驅動(如果使用)與異步電機之間的“附加”單元或改進單元。實際上，這是修改的電流波形的直接注入或監視。因此，該方法允許測量現有的電機以及該方法具有允許實現顯著的能量和效率改善而無需干擾或替換電機或設備的優點。 該技術還允許難以或不可能接近的電機(諸如具有集成電機的壓縮機)的速度能夠被測量以及這些電機能夠被有效地監視和控制。在進一步的可選方法中，使用電機特性能夠引入測試信號。因此，在其中采用至少一個測試波形的實施方式中，由于電機已經在旋轉，對于測試信號來說并不總是需要旋轉場。這是例如在單相電容器起動類型的電機的情況，電容器起動類型的電機一旦起動并運行在工作速度上則在一個繞組上運行。因此，在電容器運行電機的測試波形的情況下，這使得通過在電容器運行電機的公共連接上引入一個測試信號來測量電容器運行電機的速度成為可能。測試信號電流也只需要到公共連接的一個連接。當有兩相或更多相時，可以只用一個測試信號和電流監視連接來測量多相電機的速度。然而，多于一個連接提高了轉子速度的精度和捕獲時間。進一步可選的實施方式是其中只有硬件(有線設備)被用于測試信號電機速度確定。參照所有示圖描述這種實施方式，但是具體參照圖5，其中示出了電機10的框圖，以頻率(Fl)將旨在驅動電機的交流電壓施加到電機10兩端。放大器引入與主電機電流串聯的測試信號。合成電機電流的零電流流過R1。比較器COMPl檢測該電流的零點。生成的方波被施加到鎖相環PLLl的一個輸入。來自PLLl的輸出與測試信號頻率相比較并對抖動進行解碼。抖動的幅值與測試頻率電流直接相關。振蕩器27調節其自身到最小抖動。最小抖動處的頻率是電機旋轉速度。通過驅動PWM輸出的修改或者輸出波形的計時同時測量電流零點的計時或測量關于時間的電流值，實現測試信號電機速度確定的所有軟件實施方式。通過最小相位偏差或最小零點時間偏差來確定電機速度。通過使用測試信號電機速度確定的技術，這使得諸如在井下或危險環境中遠程測量電機的速度成為可能。也可以同時測量多個電機的速度。但是，將理解的是需要更多處理。可以將上述速度確定的方法與驅動相結合，所述驅動能夠調節施加到電機的波形的電壓、頻率等，以通過控制驅動和電機的組合來調節在給定的電機速度的最佳功率輸出， 使所抽取的功率最小。實現其中關于給定速度和功率的電壓、頻率等值被存儲以及系統連續地調節這些值用于最佳操作的設備在本發明的范圍內。查找表隨時間的漂移將指示電機和/或負載的變化是可能的。這可以被報告為電機/負載健康狀況監視以及在問題發生(例如，電機特性可能開始偏離或明顯改變)之前 (例如在這些性能的故障和波動之前)的早期警報，這可以用作提前預警系統。測試信號電機速度確定的技術還可以被用于電機驅動波形，其中驅動波形的幅值不能通過測試信號改變。實現的方式是在分立的模擬電路或微處理器的軟件中進行主驅動波形和測試信號波形的頻率、幅值和相位的相加。通過這種相加，兩波形在幅值上相等但在極性上相反的時間點是當施加到電機的波形改變極性的時間點。如上所述檢測零電流以及推導出電機旋轉速度。這奏效的原因是通過改變施加到電機繞組的電壓的零點時間，兩個頻率即電機驅動頻率和測試頻率相加的諧波含量被加到電機上。檢測零電流時間使得從基次驅動頻率解調測試信號，以及零點時間從其平均值的改變是測試信號電流幅值的直接測量。該測試方法允許電機通過例如固定幅值的方波、正弦波或選自波形的頻率是電機的同步速度的波形的任意波形運行。僅通過具有修改和替代形式的實施方式描述了本發明，但是在閱讀并理解了本描述后，進一步的實施方式和修改對本領域的那些技術人員將是顯而易見的。所有這樣的實施方式和修改旨在落入權利要求所界定的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用于確定異步電機的速度的設備，所述電機包括至少一個定子和至少一個轉子，在使用中所述轉子以轉子頻率旋轉，在第一意義中，所述設備包括用于將測試信號疊加到輸入電壓上的裝置，在使用中所述輸入電壓被施加到所述電機的所述定子的至少一個繞組，所述測試信號的頻率實質上等于所述轉子頻率；用于改變所述測試信號的頻率以使所述測試信號被從第一頻率掃描到第二頻率的裝置；以及電流監視器，用于監視在所述至少一個定子繞組中作為所述掃描頻率的結果產生的結果電流，從而從所述結果電流導出表示所述旋轉頻率的信號。
2.一種用于確定異步電機的速度的設備，所述電機包括至少一個定子和至少一個轉子；所述設備包括用于將測試信號疊加到所述電機的所述定子的至少一個繞組的輸入電壓上的裝置；用于改變所述測試信號的頻率的裝置；以及用于監視所述定子繞組/輸入或所述定子側上的參數的監視裝置，所述參數作為所述測試信號的頻率的函數或者依賴于所述測試信號的頻率，以及從所述參數導出所述速度的裝置。
3.根據權利要求2所述的設備，其中根據所述轉子的旋轉頻率確定所述速度。
4.根據權利要求2或3所述的設備，其中所述參數指示實際的轉子阻抗或相角。
5.根據權利要求3或4所述的設備，其中所述參數是/包括所述定子繞組中的電流。
6.根據權利要求2至5中任意一個所述的設備，其中所述參數包括下列中的一個或多個測試信號電壓和/或測試信號電流幅值和/或所述測試信號電壓與測試信號電流之間的相角。
7.根據權利要求2至6中任意一個所述的設備，其中所述參數包括所述定子繞組中的電流、電壓和所述電流與電壓之間的相角中的一個或多個。
8.根據權利要求3至7中任意一個權利要求所述的設備，其中當所述轉子阻抗為最大 /無窮大時，指示所述轉子的速度。
9.根據權利要求1所述的設備，其中以所疊加的測試信號頻率監視所述定子繞組中的所述結果電流。
10.根據上述權利要求中的任意一個所述的設備，使用中，所疊加的測試信號具有小于施加到所述電機的每一相的電壓20-40dB之間的幅值。
11.根據上述權利要求中的任意一個所述的設備，其中所述用于改變所述測試信號的頻率的裝置是脈寬調制器。
12.根據上述權利要求中的任意一個所述的用于確定異步電機的速度的設備，包括與電機串聯的阻性負載。
13.根據上述權利要求中的任意一個所述的用于確定異步電機的速度的設備，包括用于切換到使用兩相或三相電源操作的開關。
14.根據上述權利要求中的任意一個所述的用于確定異步電機的速度的設備，其包含于包括以下項的組中的裝備中泵、壓縮機、冰箱、空調機組、除濕機、風扇、洗衣機、旋轉干燥器、滾筒干燥器、食品攪拌機、食品加工機、磨床、鞋拋光器和換氣扇。
15.根據上述權利要求中的任意一個所述的用于確定異步電機的速度的設備，其是封裝式的和小型的。
16.一種用于確定異步電機的速度的設備，包含于車輛中。
17.一種用于確定異步電機的速度的方法，所述電機包括至少一個定子和至少一個轉子；所述方法包括將測試信號疊加到所述電機的所述定子的至少一個繞組的輸入電壓上；改變所述測試信號的頻率；以及監視所述定子繞組或者所述定子側上的參數，所述參數作為所述測試信號的頻率的函數或者依賴于所述測試信號的頻率，及從所述參數導出所述速度。
18.根據權利要求17所述的方法，其中根據所述轉子的旋轉頻率確定所述速度。
19.根據權利要求17或18所述的方法，其中所述參數指示實際的轉子阻抗或相角。
20.根據權利要求17至19所述的方法，其中所述參數是所述至少一個定子繞組中的電流和電壓。
21.根據權利要求17至20所述的方法，其中所述參數包括以下項中的一個或多個 測試信號電壓、測試信號電流幅值和/或所述測試信號電壓與所述測試信號電流之間的相角。
22.根據權利要求17至21中任意一個所述的方法，其中所述參數包括所述定子繞組中的電流、電壓和所述電流與所述電壓之間的相角中的一個或多個。
23.根據權利要求17至22中任意一個所述的方法，其中當轉子阻抗被指示為最大/無窮大時，指示轉子的速度。
24.根據權利要求17至23所述的方法，用于確定根據權利要求1所述的異步電機的速度，所述方法包括從第一頻率到第二頻率掃描所述測試信號。
25.根據權利要求17至M中的任意一個所述的方法，其中所疊加的測試信號具有小于施加到所述電機的每一相的電壓20-40dB之間的幅值。
26.根據權利要求17至25中的任意一個所述的方法，其中改變所述測試信號的頻率包括應用脈寬調制信號。
27.一種實質上如本文中所描述的用于確定異步電機的速度的設備。
28.一種實質上如本文中所描述的用于確定異步電機的速度的方法。
全文摘要
本發明涉及用于確定電機、發電機或交流發電機的速度的設備和方法，更具體地，涉及用于確定交流(AC)異步電機的速度的設備和方法。本發明通過提供容易地加裝到現有電機的速度監視儀器克服了與先前設備有關的問題，該速度監視儀器包括用于將測試信號疊加到輸入電壓上的裝置，在使用中輸入電壓被施加到電機的至少一個定子繞組(測試信號的頻率與轉子頻率實質上相等)；用于改變測試信號的頻率以使其從最小頻率到最大頻率變化的裝置；以及，用于監視在所述至少一個定子繞組中所產生的電流的電流監視器；以及，從所產生的電流得到表示轉子頻率的信號。
文檔編號G01P3/46GK102460186SQ201080031133
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月12日 優先權日2009年5月12日
發明者雷蒙德·約翰·佩托 申請人:雷蒙德·約翰·佩托