用于自动实现驱动诊断和预测的方法

用于自动实现驱动诊断和预测的方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于自动实现驱动诊断和预测的方法。公开了一种电机驱动系统，其包括配置成对电机驱动系统的电力电子部件进行冷却的风扇。电机驱动系统还包括设置在风扇的空气入口附近并且配置成感测进入空气入口的空气的环境温度的温度传感器。此外，电机驱动系统包括以可通信的方式耦接至温度传感器并且配置成基于所感测的环境温度来确定驱动预测和驱动诊断中的至少一个的处理器。
【专利说明】I大额定功率的一定百分比。虽然由于环境额1叩),但当机器是新的，并且在机初始分配值。也就是说，电机驱动从最大电电机的输出的特定降额要求。当电机驱动兰不同，这可能不利地影响机器的性能并且操作时的环境温度来针对电机驱动确定多机驱动通常包括位于电机驱动的电路板上1机驱动本身内部，由保护外壳密封，并且被力中，处理器通过应用能量平衡方程根据电:个估计在电机驱动初始操作时可能非常精1机驱动的内部冷却机制的操作效率低和劣期望能有一种具有改进的环境温度感测的和预测信息。子驱动单个电机的多个电机驱动电力模块孟机驱动的电力电子开关电路的示意图；配备有入口温度传感器的电机驱动的控制二确定热系统缺陷的方法的处理流程图；
二确定电力模块寿命的方法的处理流程图；二确定风扇寿命的方法的处理流程图；
孟机驱动的风扇组件的透视图；
先扇组件的分解透视图；
8和图9的风扇组件的电机驱动的某些部
8和图9的风扇组件的电机驱动的透视图。行系统确定预测和诊断的系统和方法。具体I电路14可以基本上实时地执行各种计算，诊断(例如，驱动降额要求)和预测。与没有衫则相比，这样的计算可以向用户提供更精艺些计算来提供对电机驱动12的增强的控统10的各种其他布置中的风扇入口附近。3电机驱动12来驱动单个进程的电机驱动[乍地并联耦接至驱动电机24的两个或更多和，电机驱动12中的每个电机驱动12配备1机驱动12中的每个电机驱动12的驱动电定位。可以将任意数量的电机驱动12添加食任意数量的电机驱动12，以调节输出至电
I个电机驱动12可以配备有设置在在风扇1示的实施例中，第一电机驱动50包括具有二电机驱动56包括具有第二温度传感器60
[0026]图3是详细描述电力电路18的部件的示意图。在所例示的实施例中，电力电路18包括电力电子开关电路。电力电路18可以定位在电机驱动12的电力转换模块内。如上所述，电力电路18通常例如从电网接收三相电力20作为输入。三相电力电耦接至向整流电路76提供恒定频率的三相AC电力的一组输入端子70、72和74。整流电路76包括例如对三相电压波形执行全波整流的二极管78的部件。整流后，输入的电力的所有相位进行组合，以向DC总线的低压侧80和高压侧82提供DC电力。电感器84可以耦接至DC总线的高压侧和低压侧两者并且充当用于平滑经整流的DC电压波形的扼流圈。一个或更多个滤波电容器可以连接DC总线的高压侧82和低压侧80并且也配置成用于平滑经整流的DC电压波形。电感器84和电容器86共同用于从波形中去除大部分纹波，使得DC总线承载非常近似真实DC电压的波形。需要注意的是，本文中描述的三相实现不意在限制，并且本发明可用于单相电路以及用于针对电机驱动以外的应用设计的电路。
[0027]逆变器88耦接至DC总线并且产生用于驱动连接至输出端子26、28和30的电机24的在期望频率的三相输出波形。在例示的逆变器88内，针对每个相位，两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)90串联地耦接。可以在DC总线的高压侧82和低压侧80之间从集电极到发射极耦接成对的晶体管90。对于一共六个晶体管90，则三个晶体管对并联地耦接至DC总线。输出端子26、28和30中的每一个耦接至多对晶体管90中的一对晶体管90之间的输出中的一个输出。驱动电路16向晶体管90发送信号，使其快速地闭合和断开，导致在输出端子26、28和30上的三相波形输出。由控制电路14基于各种输入来控制驱动电路16。这样的输入可以包括例如从操作者界面接收的操作者输入。另外，控制电路14可以接收表示电机驱动12的当前操作状态的反馈91。这样的反馈91可以包括来自设置在整个电机驱动系统10中一个或更多个传感器(例如，温度传感器36)的传感器反馈。
[0028]在一些实施例中，电机驱动12可以是再生电机驱动，该再生电机驱动配置成有时操作在操作的再生相位而在其他时间操作在上述驱动操作。在操作的再生相位，整流电路76可以使得三相电机24的惯性能量或致动能量能够重定向回到三相电力20的电力干线(如电网)。本领域的技术人员可以理解的是，在再生操作期间，电机24相当于三相发电机。因此,整流电路76中的开关可以通过驱动电路16以这样的方式切换:允许流经DC总线的交变电流能够流回至电力网络，从而重新捕获电机24的惯性能量。
[0029]如上所述，电机驱动12可以配备有用于在驱动操作过程中冷却电力电路18的风扇32。如所例示，风扇32可以布置在电机驱动12中，使得通过风扇32的空气入口吸入的空气(例如，箭头34)能够被引导经过电机驱动12的电力电路18。空气可以向电力电子开关部件提供冷却，否则，电力电子开关部件可能由于晶体管90的快速断开和闭合而过热。箭头92表示空气流经整流电路76、DC总线的高压侧82和低压侧80、以及逆变器88中的每一个。电力电路18可以全部部署在设置在电机驱动12的外壳中的单个电路板上，并且风扇可以引导冷却空气经过电路板。在一些实施例中，空气也可以流经驱动电路16和/或控制电路14，但这取决于这些部件是否定位在电机驱动12中以及取决于这些部件相对于风扇32的空间布置。
[0030]如上所述，定位在风扇32的空气入口附近的温度传感器32可以提供用于控制电机驱动12以及用于确定电机驱动12的相对精确的预测和诊断的入口温度反馈。图1至图3呈现了可以利用入口温度测量来确定可靠性计算、剩余寿命估计、驱动健康评估、部件健特别是在温度测量112用作控制电路14的专感器36可以基于从处理器接收的信号在这可能就是温度测量112用来确定预测并收与电机驱动12中存在的驱动计数114对目定时间间隔确定或计数、以提供用于控制妪动计数114可以包括风扇运行时间、风扇行了多长时间，而风扇速度表示风扇32的的内部的一个或更多个部件的温度，该温度个温度传感器可以连续地监测电力电路18确定(例如，通过温度传感器36感测的)环)电力电路18之间的温度变化。其他驱动
I的期望计算118。这样的计算118可以在I这样的计算基本上接近于实时计算。在电长确定驱动预测或驱动诊断中的至少一种。的整体寿命。
[0036]驱动可靠性124可以是在一定时间段电机驱动12执行其指定功能(例如，以期望的额度输出功率)的能力的度量。驱动可靠性124可以根据电机驱动12失败的概率来表达，并且可以至少部分地基于空气温度测量112来确定。电力模块寿命126可以是如基于电力模块部件中的温度变化而确定的、电机驱动12的电力转换模块(例如，电力电路18)的预期寿命或剩余寿命。运行时间128可以是如通过控制电路14、驱动电路16或电力电路18中的驱动计数114确定的、电机驱动12已进行操作的时间量。运行时间128对确定与电机驱动12的效率或剩余寿命相关的诊断是有用的。
[0037]由处理器执行的一些计算118可以用于为电机驱动12提供相对精确的预测130，而其他计算可以用于经由控制电路14生成用于执行多种动作132的控制信号。该预测130可以包括与驱动性能相关的任意预测信息，其包括风扇寿命120、驱动可靠性124、电力模块寿命126、电容器寿命134和热系统缺陷136。电容器寿命134可以是电力电路18中的一个或更多个电容器86的预测总寿命或剩余寿命，并且可以基于空气温度测量112来确定。处理器可以向操作者界面发信号以向用户提示电容器寿命134或者在几乎需要更换电容器86时提供警告。可以基于电机驱动12的冷却系统的效率或在一定入口空气温度下冷却系统从电机驱动12移除了多少热量来确定热系统缺陷136。处理器可以部分地基于空气温度测量112来确定是否在冷却系统内出现缺陷或劣化。例如，这样的缺陷可以包括电力电路18的散热片上的灰尘积聚、空气不能在足够高的流速下通过电机驱动12流通、热系统部件的不适当安装、过滤器堵塞等等。操作者可以在电机驱动系统10识别了这样的缺陷后对电机驱动12执行维护，以提高电机驱动12的操作效率。
[0038]其中，处理器可以配置成确定与电机驱动12相关的上面所列出的任意数量的预测130。再次，预测130可以取决于电机驱动12进行操作时的环境温度。因此，为了精确确定预测130，会期望环境温度的精确测量。可以经由位于风扇入口处的、与嵌入在电机驱动电路内的传感器相对的温度传感器36来获取环境温度的相对更加精确的测量。
[0039]除提供对电机驱动12的整个操作的预测130以外，处理器可以为电机驱动12的部件(例如，控制电路14)提供用于执行各种动作132的输出。这些动作可以包括控制电机驱动12的操作或向操作者提供信息(例如，预测130或警告)。
[0040]在所例示的实施例中，动作132包括调节(块138)额定驱动电流强度，使得电机驱动12在所计算的驱动降额要求122内进行操作。在空气温度测量112相对较高时，该调节可以涉及使电机驱动12的电流强度输出降额。相似地，在空气温度测量112相对较低时，该额定调节可以涉及使电机驱动12的电流强度输出升额。这可以确保电力电路18相对有效地操作(例如，更高的估计的电力模块寿命126)，同时仍然在降额要求122内进行操作。也就是说，控制电路12的处理器基于所确定的驱动降额要求122来调节电机驱动12的性倉泛。
[0041]调节(块140)风扇32的风扇速度是可以基于由处理器确定的计算118和/或预测130执行的另一动作132。在一些实施例中，当空气温度测量112更低时，可以降低风扇速度，以延长风扇寿命120和/或电力模块寿命126。在其他实施例中，可以降低风扇速度，以维持电机驱动12的预期整体效率。如前面所指出的，处理器可以将输出提供至操作者界面，用于警告用户潜在的低效率或维护的要求。例如，处理器提示的动作132可以包括基于电机驱动12内的识别的热系统缺陷136来提供堵塞热系统警告142。
[0042]图5至图7详述了如在图4中略述的计算118、所确定的预测130和由控制电路14执行的动作132的一些示例。具体地，图5是用于确定热系统缺陷136和基于该确定执行特定动作132的方法150的处理流程图。方法150包括测量(块152)入口空气温度Tin，这是由空气入口附近的温度传感器36确定的温度测量112。此外，方法150包括测量(块154) IGBT 的负温度系数(NTC, negative temperature coefficient)温度 TNTC。这是电机驱动12的电力电路18中的一个或更多个晶体管90的温度，并且可以使用嵌入在电力电路18中的温度传感器进行测量。温度传感器可以是NTC传感器或任意其他期望的传感器。使用这些监测的温度作为输入，控制电路14可以计算(块156)温度上升Τ&ε。这个值可以表示在风扇32的入口和电力电路18之间的空气温度变化，根据下面的表达式进行计算该值:
[0043]Trise=Tmc-Tin (I)
[0044]除确定THse以外，方法150还可以包括计算改158) IGBT损失ΡΚΒΤ。这些计算的损失表不通过快速切换晶体管90所生成的热而在电力电路18中损失的功率。确定该损失的计算可以基于电力电路18的控制操作(例如，切换速度)。控制电路14可以确定电力电路18的控制操作(例如，切换速度)。控制电路14可以确定该操作以及与该操作相关联的预期损失。此外，控制电路14可以基于所计算的THse162与所计算的PrcBT164之间的关系160来确定是否存在热系统缺陷136。Trisel62与PrcBT164之间的关系160可以表示电机驱动12具有特定的热系统缺陷136 (例如，堵塞或缺失)或者电机驱动12如期望的进行操作(例如，正常)。
[0045]控制电路14可以基于关系160来执行评估166以确定电机驱动12的热系统的当前操作状态。例如，控制电路14可以确定电机驱动12的热系统部件阻塞。当对于电力电路18的PKBT，Trise比预期的高时，可以做出“阻塞”的确定。这可表示电机驱动12的冷却空气和/或散热器没有向电机驱动12的内部部件提供预期的冷却，因此会阻塞。响应于该确定，控制电路14生成(块168)阻塞的空气流警报。该警报可以对应于图4的阻塞的热系统警告142。该警报可提示操作者电机驱动12的空气过滤器或散热器阻塞，风扇32劣化，或者通过电机驱动12的气流以别的方式堵塞。
[0046]控制电路14可以经由评估166确定电机驱动12的热系统部件缺失。当对于电力电路18的PrcBT，THse比预期的低时，可以做出“缺失”的确定。这可表示冷却空气以高于冷却电力电路18所需的流速流经电机驱动12。响应于该确定，控制电路14生成(块170)缺失过滤器警报，以指示操作者在电机驱动12中缺失空气过滤器，或者使用了错误类型的风扇32。
[0047]图6是用于部分基于空气温度测量112来确定电机驱动12的电力模块寿命126的方法176的处理流程图。类似于图5的方法150，该方法176对计算的I；ise和计算的Picbt进行比较。在方法176中，可以使用I；ise与Pkbt之间的不同关系178来确定晶体管90是否在正常操作、接近需要更换的点、或是需要更换。该关系178与参照图4讨论的电力模块寿命126有关。
[0048]控制电路14可以基于关系178来执行评估180以确定电力电路18的当前操作状态。例如，当根据关系178，对于电力电路18输出的热，PrcBT比预期的低(例如，基于THse)风扇32的风扇速度(例如，以为单位'以作为输入196提供，以基于输入196的特，剩余风扇寿命198是输入196中的每一个剩余风扇寿命198的评估202，并且响应于14可以确定应更换风扇32。这可能就是当的风扇速度相比风扇速度显著降低和电机续增加时的情况。当进行该确定时，控制电象或者操作者可见或可听的消息。例如，警:。尽快更换。”。响应于产生相对较低的剩:中记录(块206)—条警告。如以上所指出8动12的操作。风扇更换警告可以是具体挪一个电机驱动12有需要更换的风扇32。妪动12中特定的一个响应于其他评估166
叟执行的计算、预测以及动作的数个示例。温度传感器。如所例示，温度传感器36可从是具有高热传导性的金属片或其他材料，I风扇外壳232的主体可以用作温度的阻供稳定的信号。然而，在其他实施例中，温度。
对稳健可靠的空气温度读数。在其他实施1件230结合。例如，温度传感器36可以安I 252位于风扇外壳232内部时特别有用。2的进气管例如位于风扇32下游(例如，在、，可以使用定位在风扇32的空气入口附近区动12的环境温度。
0的电机驱动12的部件的透视图。如以上从电机驱动12的电路接收控制和电力，并器36的反馈温度信号提供至控制电路14。无线方式将反馈温度信号提供至控制电路接以可通信的方式与控制电路的处理器耦运行时间量，并最终延长电机驱动12的寿命。
[0058]虽然本文中仅示出和描述了本发明的某些特性，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真正思想范围内的所有这样的修改和变化。
【权利要求】
1.一种电机驱动系统,包括: 风扇，所述风扇配置成对所述电机驱动系统的电力电子部件进行冷却； 温度传感器，所述温度传感器设置在所述风扇的空气入口附近并且配置成感测进入所述空气入口的空气的环境温度；以及 处理器，所述处理器以可通信的方式耦接至所述温度传感器并且配置成基于所感测的环境温度来确定驱动预测和驱动诊断中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述处理器配置成在所述电机驱动系统的操作期间确定所述驱动预测和所述驱动诊断中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个包括所述风扇的预期寿命。
4.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个包括所述电机驱动系统的可靠性。
5.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个包括电力转换模块的预期寿命。
6.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个包括所述电机驱动系统的电容器的预期寿命。
7.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个包括所述电机驱动系统的热系统缺陷。
8.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述驱动诊断包括所述电机驱动系统的降额要求。
9.根据权利要求8所述的电机驱动系统，其中，所述处理器配置成基于确定的所述降额要求来输出控制信号以调节所述电机驱动系统的性能。
10.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述处理器配置成基于确定的所述预测来输出控制信号以调节所述风扇的速度。
11.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述处理器配置成基于确定的所述预测来输出控制信号以向操作者提供警告提示。
12.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述温度传感器设置在所述电机驱动系统的进气管中。
13.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述温度传感器设置成与所述电机驱动系统的风扇外壳相邻。
14.根据权利要求1所述的电机驱动系统，包括控制电路，所述控制电路经由线缆以可通信的方式耦接至所述温度传感器，所述线缆配置成在所述控制电路与所述风扇之间路由电力和/或控制信号。
15.根据权利要求1所述的电机驱动系统，包括控制电路，所述控制电路经由无线连接以可通信的方式耦接至所述温度传感器。
16.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其中，所述处理器以可通信的方式耦接至两个或更多个温度传感器，所述两个或更多个温度传感器设置在两个或更多个相应电机驱动的空气入口附近，并且其中，所述处理器配置成针对所述电机驱动中的每一个来确定驱动预测或驱动诊断中的至少一个。
17.—种电机驱动系统,包括: 第一风扇，所述第一风扇配置成对第一电机驱动的电力电子部件进行冷却； 第一温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述第一风扇的第一空气入口附近并且配置成感测进入所述第一空气入口的空气的第一环境温度； 第二风扇，所述第二风扇配置成对第二电机驱动的电力电子部件进行冷却； 第二温度传感器，所述第二温度传感器设置在所述第二风扇的第二空气入口附近并且配置成感测进入所述第二空气入口的空气的第二环境温度；以及 一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器以可通信的方式耦接至所述第一温度传感器和所述第二温度传感器并且配置成基于感测的所述第一环境温度和所述第二环境温度针对所述第一电机驱动和所述第二电机驱动中的每一个来确定驱动预测和驱动诊断中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的电机驱动系统，包括单个处理器，所述单个处理器配置成在所述第一电机驱动和所述第二电机驱动并行操作以驱动单个进程期间确定所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的电机驱动系统，包括第一处理器和第二处理器，在所述第一电机驱动和所述第二电机驱动并行操作以驱动单个进程期间，所述第一处理器配置成针对所述第一电机驱动来确定所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个，所述第二处理器配置成针对所述第二电机驱动来确定所述驱动预测或所述驱动诊断中的至少一个。
20.—种方法,包括: 经由设置在电机驱动的风扇的空气入口附近的温度传感器来感测环境空气温度，其中，所述风扇配置成通过穿过所述空气入口吸入的空气来对所述电机驱动的电力电子部件进行冷却；以及 经由以可通信的方式耦接至所述温度传感器的处理器基于所感测的环境温度来确定驱动预测和驱动诊断中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的方法，包括:基于确定的所述驱动诊断来调节驱动装置的性能。
22.根据权利要求20所述的方法，包括:基于确定的所述驱动预测来生成警报。
23.根据权利要求20所述的方法，包括:经由设置在所述电力电子部件附近的温度传感器来感测电力模块温度，计算所感测的所述环境空气温度与所感测的所述电力模块温度之间的温度差，并且基于所计算的所述温度差来确定所述驱动预测。
【文档编号】F04D27/00GK104047880SQ201410096531
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】布鲁斯·威廉·魏斯, 罗伯特·迈克尔·米哈尔斯基, 韦立祥, 加龙·科赫·莫里斯, 布赖恩·帕特里克·布朗 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司