用于马达变频器的马达效率分析方法
【专利摘要】本发明公开一种用于马达变频器的马达效率分析方法，其为与一马达变频器结合的马达即时运转效率显示装置，该装置通过初级侧电流信号测量与驱动装置提供既有的电压数值，即可通过多个演算方法来估测出此负载点下，马达的即时效率、转速、扭矩、定子电阻的相关数据，符合现场配置的设计可让用户不须停机或影响生产工艺即可进行整厂的马达效能管理。
【专利说明】
用于马达变频器的马达效率分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于马达变频器的马达效率分析方法，尤其涉及一种藉由测量马 达初级侧电流信号并配合马达驱动器提供的电压数值，即可通过演算方法估测出此负载点 下，马达的转速、扭矩、定子电阻等数据，进而计算出马达线上运转效率。
【背景技术】
[0002] 普遍来说，厂房内的各型制造设备，多属于马达及其传动系统，而根据Baldor Electric Company在2001年所作的分析结果，从马达终生使用成本的角度上来看，马达能 源的虚耗几已占了终生使用成本的98%，因此如能有效掌握马达的能源使用效率，则将可 为节能减碳的推动上带来相当显著的成效。
[0003] 现行负责厂务的能源管理工程师在面对全厂型式不一的马达时，往往因为系统无 法随时停机检测，再加上缺乏适当的线上效率评估工具，因此无法即时地了解及掌握全厂 马达的运转状况（包含用电、效率及机械特性等），所以目前大多是凭着检修经验来做处 理；下之为等待年度岁修做全面性检修；再下之为遭遇突发性的故障时，才来进行检视与 规划及执行维护保养作业。上述作法不仅会影响到马达整体的运转效率，严重时还可能会 延宕生产调度，最终者为增加维护成本的支出。因此若能有一套完整的线上测量诊断分析 工具，则能源管理工程师就能随时掌握全厂马达的运转状况，即时对有问题的马达进行预 防性及即时性的维护处置。
[0004] 因应专利与市场分析结果，目前国内并无相关与驱动器结合，且可显示马达即时 运转效率。本发明构想的核心为"马达效能分析方法"、"与马达驱动器结合"的能效分析装 置，硬件上仅需藉由测量马达初级侧电流信号并配合马达驱动器提供的电压数值，即可通 过演算方法估测出此负载点下，马达的转速、扭矩、定子电阻等数据，进而计算出马达线上 运转效率，将帮助用户针对工厂中无法停机或拆卸的马达进行整厂的马达效能管理。本发 明在马达运转效能分析方法上，创新考虑定子电阻Rs的即时变化等影响，使效率估测更为 准确。在转速估测时，也采用数据暂存处理方法，让嵌入式的数据处理不须过高的核心处理 能力，即可达到即时的效率预测。
【发明内容】
[0005] 基于解决以上所述现有技术的缺失，本发明为一种用于马达变频器的马达效率分 析方法，其主要目的在于使用一变频器驱动马达导入一嵌入式系统，并与变频器结合，可让 原本测量所需的硬件更为精简，也更高度符合目前产业的需求，将帮助用户以不停机与影 响生产工艺的情形下，即可进行整厂的马达效能管理。
[0006] 为达上述目的，本发明为一种用于马达变频器的马达效率分析方法，包括有下列 步骤：
[0007] 启动马达后测量初级侧电流信号；
[0008] 藉由一模拟/数字转换器将该初级侧电流信号转换成数字信号，并存储于一数据 暂存单元；
[0009] 藉由一数据运算单元读取该数据暂存单元的电流信号及一马达变频器的一电压 信号与一频率信号后，执行一数据运算工作，以获得一转速信号；以及
[0010] 藉由该转速信号进行一损失估计、一定子磁通估计及一转矩估计后，获得一运转 效率数值。
[0011] 为进一步对本创作有更深入的说明，乃藉由以下图示、图号说明及新型详细说明， 希望能对本领域技术人员理解本发明有所助益。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明用于马达变频器的马达效率分析方法的电路功能方块图；
[0013] 图2为本发明用于马达变频器的马达效率分析方法的流程图。
[0014] 【符号说明】
[0015] 11~马达
[0016] 111~初级侧
[0017] 12~马达变频器
[0018] 13~模拟/数字转换器
[0019] 14~数据暂存单元
[0020] 15~数据运算单元
[0021] 16~数据输入单元
[0022] 17~显示单元
[0023] 21~启动马达后测量初级侧电流信号
[0024] 22~藉由一模拟/数字转换器将该初级侧电流信号转换成数字信号，并存储于一 数据暂存单元
[0025] 23~藉由一数据运算单元读取该数据暂存单元的电流信号及一马达变频器的一 电压信号与一频率信号后，执行一数据运算工作，以获得一转速信号
[0026] 24~藉由该转速信号进行一损失估计、一定子磁通估计及一转矩估计后，获得一 运转效率数值
[0027] 25~该运算效率数值还被输出至一显示单元中，以显示出该运算效率数值
【具体实施方式】
[0028] 现在配合下列的【附图说明】本发明的详细结构，及其连结关系，以利于本领域技术 人员做一了解。
[0029] 请参阅图1所示，为本发明用于马达变频器的马达效率分析方法的电路功能方 块图，其中一马达11于初级侧111连接有一马达变频器12,而一模拟/数字转换器（A/D Converter) 13连接于初级侧111，并将所测量的模拟电流信号转换成数字电流信号，存储 于一数据暂存单元14, 一数据运算单元15读取该数据暂存单元14的电流信号及一马达变 频器12的一电压信号与一频率信号后执行一数据运算工作，以获得一转速信号，若该电压 信号无法有效被提取，可藉由一数据输入单元16做电压数值的输入，以得到电压信号，该 数据运算单元15的运算效率数值还被输出至一显示单元17中，以显示出该运算效率数值。
[0030] 请参阅图2所示，为本发明用于马达变频器的马达效率分析方法的流程图，包括 有下列步骤：
[0031] 步骤21 :启动马达后测量初级侧电流信号。
[0032] 步骤22 :藉由一模拟/数字转换器将该初级侧电流信号转换成数字信号，并存储 于一数据暂存单元，该数据暂存单元用以提供电流测量数值存储用，以便于提升运算速率。
[0033] 步骤23 :藉由一数据运算单元读取该数据暂存单元的电流信号及一马达变频器 的一电压信号与一频率信号后，执行一数据运算工作，以获得一转速信号。
[0034] 步骤24 :藉由该转速信号进行一损失估计、一定子磁通估计及一转矩估计后，获 得一运转效率数值。该损失估计还包括一定子电阻Rs变化及一马达虚实功率变化的运算。
[0035] 步骤25 :该运算效率数值还被输出至一显示单元中，以显示出该运算效率数值。
[0036] 上述该显示单元为内建于该马达变频器中；或是该显示单元设置于一外接电路模 块，该外接电路模块为连接于该马达变频器中。该二者皆为本发明的实施结构。再者，该数 据运算单元亦为内建或是外接于该马达变频器中。
[0037] 上述步骤24中，该定子磁通估计的公式如下：
[0038]
[0039]
[0040] 共屮
[0041] λ α为α相的定子磁通；
[0042] λ e为β相的定子磁通；
[0043] ea为α相的电场强度；
[0044] ee为β相的电场强度；
[0045] να为α相的电压值；
[0046] ve为β相的电压值；
[0047] i α为α相的电流值；
[0048] ie为β相的电流值；
[0049] 札为定子电阻值。
[0050] 上述步骤24中，该电磁转矩估计的公式如下：
[0051]
[0052] PG= TeX ωΓ；
[0053] 其中
[0054] ?；为电磁转矩；
[0055] Pole 为磁极；
[0056] λ a为α相的定子磁通；
[0057] λ e为β相的定子磁通；
[0058] Pc为电磁功率；
[0059] 为转速，由感应马达定子电流的转速频率的谐波成分求得。
[0060] 上述步骤24中，该运转效率数值的求得公式如下：
[0061] P0ut= PG_Piron;
[0062]
[0063] Π = P0ut/Pin;
[0064] 其中
[0065] να为α相的电压值；
[0066] ve为β相的电压值；
[0067] i α为a相的电流值；
[0068] ie为β相的电流值；
[0069] Τ为周期；
[0070] 为气隙功率；
[0071] PG为电磁功率
[0072] Piron为铁损功率；
[0073] Ριη为输入功率；
[0074] η为运转效率。
[0075] 本发明所公开的马达效率分析方法具有下列优点：
[0076] 马达效率估测中，考虑定子电阻Rs变化等造成的马达功率损失，使效率估测误差 降低至2%以下。
[0077] 马达效率估测中，新增暂存记忆单元，达成电流频率分析的可能性。
[0078] 本技术仅需测量初级侧三相电流，并配合驱动器提供的电压数值，即可估测出该 负载下的马达运转效率。
[0079] 与变频器结合的马达即时运转效率显示装置，高度符合目前一般现场配置，待测 马达不须停机或拆卸的情形下即可使用，取得较为准确的数据，使用端可即时监测与管理。
[0080] 应该理解以上的叙述对于如权利要求书所阐述的本发明仅仅是示例和说明性的， 并非对其加以限制。根据本文所披露的本发明的内容，本发明的其他实施方案对于本领域 的技术人员来说是显而易见的。应该指出的是本说明书和实施例仅应被看做为示例，本发 明的实际范围由权利要求书确定。
【主权项】
1. 一种用于马达变频器的马达效率分析方法，其包括有下列步骤： 启动马达后测量初级侧电流信号； 藉由模拟/数字转换器将该初级侧电流信号转换成数字信号，并存储于数据暂存单 元； 藉由数据运算单元读取该数据暂存单元的电流信号及马达变频器的电压信号与频率 信号后，执行数据运算工作，W获得转速信号；W及 藉由该转速信号进行损失估计、定子磁通估计及转矩估计后，获得运转效率数值。2. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该运算效率数值还 被输出至显示单元中，W显示出该运算效率数值。3. 如权利要求2所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该显示单元为内建 于该马达变频器中。4. 如权利要求2所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该显示单元设置于 外接电路模块，该外接电路模块为连接于该马达变频器中。5. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该损失估计还包括 定子电阻变化及马达虚实功率变化的运算。6. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该数据运算单元为 内建或是外接于该马达变频器中。7. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该定子磁通估计的 公式如下： 入。=/ 0。化=/ (Vu_Rsi。）化； 、目=f e pdt = / (Vp-Rsip)化； 其中 λ。为α相的定子磁通； 入β为β相的定子磁通； e。为α相的电场强度； ee为β相的电场强度； V。为α相的电压值； Vp为β相的电压值； i α为α相的电流值； i Ρ为β相的电流值； Rs为定子电阻值。8. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该电磁转矩估计的 公式如下：Pg= TeX "r; 其中 Τ。为电磁转矩； 化le为磁极； λ。为α相的定子磁通； λ β为β相的定子磁通； Ρ。为电磁功率； ωτ为转速，由感应马达定子电流的转速频率的谐波成分求得。9. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该数据暂存单元用 W提供电流测量数值存储用，W便于提升运算速率。10. 如权利要求1所述的用于马达变频器的马达效率分析方法，其中该运转效率数值 的求得公式如下： P〇ut= Pc-Piron；5' η =P〇ut/Pin； 其中 V。为α相的电压值； Vp为β相的电压值； i α为α相的电流值； ip为β相的电流值； Τ为周期； Ρ。。,为气隙功率； Ρ。为电磁功率 Pu。。为铁损功率； Pi。为输入功率； η为运转效率。
【文档编号】G01R31/34GK105974308SQ201510441962
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年7月24日
【发明人】杨竣翔, 郑咏仁, 郭钦弘
【申请人】财团法人工业技术研究院