专利名称：电动机负载监测单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对电动机进行负载监测的监测单元和方法。
背景技术：
这种监测单元和方法与电动机和驱动装置配合使用，特别应用于整合在 自动化设备中的驱动装置和电动机。
这种监测单元可实施为例如电子监测继电器。监测单元通常具有用于测 量负载相关量的测量单元。此外还借助分析单元对测得量进行分析，以实现 例如对电动机负载或驱动装置负载的监测。
一种负载相关量例如表示为驱动装置或电动机的电动机电流I或功率因 子coscp。负载监测继电器通常会为负载相关量设定阈值，并在负载相关量低 于或超过这些阈值时对转换继电器进行操作。
作为示例，功率因子coscp可用作负载相关量，其中，cp表示驱动装置电
源电压与电动机电流之间的相角。这样就可借助预先设定的复数个阈值对功
率因子coscp进行监测。也可类似地设定一个公差带。
此外，实际操作中也可将电动机电流作为负载相关量来加以监测。 负载相关量通常与电动机转矩成比例。借此可使负载相关量与电动机转 矩直接关联。由此，负载相关量可以指示电动机的当前转矩。在此情况下， 希望负载相关量与转矩在尽可能多的转矩范围内成线性关系。但实际情形通 常并非如此。无论何种量被选作负载相关量，负载相关量与电动机转矩之间 都不可能总是成线性关系。其结果是，某些转矩范围内的负载相关量计算会 产生误差。因而在这些转矩范围内，负载相关量就不再适合用于电动机或驱 动装置的负载监测。因此，对公差带或阈值的定义会局限于某些转矩范围。通过负载相关量在整个转矩范围内的线性化可实现自由的公差带选择和阈 值选择。
图1显示的是横坐标为电动机转矩、纵坐标为负载相关量(如上文所述 的电动机电流和相角余弦(P)的曲线图。如果选择电动机电流作为负载相关
量，安培标度位于右侧的曲线K1就是相关的曲线。在较大的转矩情况下， 这条负载相关量的曲线基本呈线性形式。但在较小转矩情况下，这条曲线逐 渐变平，从而削减了电动机电流被用作负载相关量时的说服力和判定力。如 果选择相角作为负载相关量，则曲线K2就是相关曲线。相应的纵轴位于曲 线图左侧。在此情况下，负载相关量的范围为0至1。此时所出现的问题与 电动机电流被用作负载相关量时所出现的问题正好相反。基于相角的曲线在 较小转矩情况下相对而言具有线性关系，但在较大的转矩情况下逐渐变平。 因此，较大转矩情况下的阈值和公差带的设定不仅很难，而且会产生误差。 也就是说，无论是将电动机电流还是将相角用作负载相关量，都无法在整个 转矩范围内获得线性曲线，因而也无法实现没有误差的负载监测。
上述负载监测方法具有以下缺点
现有设备在空载电流低于0.5 A时无法再进行规定的测量，只能以额定 电网电压进行工作。因此，无法通过分析得出结果，因而也就无法在空载电 流较低的情况下进行监测。
为了能够在电动机的启动过程中进行负载监测，迄今为止的做法是将静 态电流和延迟时间的原理相结合。如果需要在施加电网电压后将负载监测继 电器连接在位于电动机支路中的接触器的上游，就须使用附加的逻辑电路， 例如可编程控制器SPS。理想情况是，即使在不使用附加逻辑电路的情况下 也能在电动机支路中将负载监测继电器连接在合闸接触器/跳闸接触器的上 游。为此，有必要在电流开始流动时才开始对驱动装置的响应延时 (AnlaufliberbrUckungszeit)计时。由于在电流极低的情况下无法进行电动机 电流检测，因而总是需要动用其他的附加逻辑电路。EP 0 788 210 Al中公开了一种电子继电器，这种电子继电器借助测量单 元分离出基于相角的量，并借助微处理器将其用于负载监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对电动机进行负载监测的监测单元，其 中，几乎可在电动机的整个转矩范围内线性设定负载监测的阈值。
在开篇所述类型的监测单元中，达成这个目的的解决方案是监测单元
用于在电动机处于工作状态时对电动机电流和电源电压与电动机电流之间 的相角进行检测，并具有用于通过电动机电流和相角形成指示变量的构件， 该指示变量用作电动机电负载监测的度量。此外，这个目的还通过一种开篇 所述类型的方法而达成，其中，在电动机处于工作状态时对电动机电流和电 源电压与电动机电流之间的相角进行检测，通过电动机电流和相角形成指示 变量，所述指示变量用作电动机电负载监测的度量。
根据本发明，监测单元对电动机电流和电源电压与电动机电流之间的相 角进行检测。检测完毕后，在分析单元中对这两个量进行处理，确切地说是 在检测到的电动机电流和相角的基础上形成函数或指示变量。监测单元具有' 用于通过电动机电流和相角形成指示变量的构件。其中，该指示变量基于电 动机电流和相角而产生，为此需要通过例如其他的一些数学函数或电函数对 这两个检测到的量进行处理。所述指示变量用作电动机电负载监测的一种度 量。所选择的指示变量与电动机的转矩或负载之间成线性关系。此外，可使 用于形成指示变量的构件适于与待监测电动机的特性持续地匹配。借此可对 指示变量进行主动线性适配，从而实现进一步优化或与不同电动机或驱动装 置的匹配。
根据另一有利实施方式，用于负载监测的监测单元所用的指示变量由电 动机电流与相角余弦的乘积形成。由于这两个负载相关量在不同的负载范围 和转矩范围内具有不同的作用，因此，通过使用电动机电流与相角余弦的这 个乘积可以产生一种补偿效应，从而实现线性化。此外，也可通过其他负载相关量的组合来获取这种补偿效应，进而实现指示变量与转矩或负载之间的 线性关系。
指示变量可有利地由第一函数与第二函数的乘积形成，其中，第一函数 由电动机电流形成，第二函数由相角形成。通过使用其他数学函数或电子函 数可以借助第一函数和/或第二函数对检测到的负载相关量(即电动机电流和 相角)进行进一步调节，从而使线性适配得到进一步优化。进一步的线性化 可使指示变量与当前电动机负载之间产生直接联系。
根据有利方案，当积分变量的至少一个阈值和/或一个公差带被超过或超 出时，监测单元用于启用至少一项保护措施。这种处理方式虽然传统，但与 线性化的指示变量-转矩特性曲线相结合可以提高阈值的可设定性，进而可 以对电动机进行更为直接的监测。此外，线性化的特性曲线还扩展了从极低 的启动电流到较高的电动机电流(用于驱动峰值负载)的电动机监测范围。
在检测范围有所扩展以及使用宽范围电源电压的情况下，使得监测单元 具有普遍适用性。此外，如果将监测单元连接在位于电动机支路中的接触器 的上游，就无需i吏用SPS形式的附加逻辑电路。这会对其他设备产生有利影 响。就这一点而言，不仅可将监测单元的电源电压设计为带有公差的额定电
压(例如AC 400 V ± 10%)，还可将其实施为工作范围例如为AC 90 V至AC 690V的宽电压。
本发明的有利建构方案和优选改进方案可从附图描述和/或从属权利要 求中获得。
下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明，其中 图1为可选的指示变量与电动机转矩之间的关系曲线图；以及 图2为监测单元实施例的框图。
具体实施例方式
图1显示了可选的指示变量与电动机转矩之间的关系曲线图。左侧纵轴与基于指示变量的曲线K2相关，所述指示变量基于相角余弦。如
背景技术：
部分所述，曲线K2在较小的电动机转矩情况下几乎为线性曲线，但在中等 及较大的转矩情况下逐渐变平，因而无法借助曲线K2来进行可靠的监测和 启用可靠的保护措施。从图1中可以看出，大约在75%的电动机额定转矩(用 垂直加粗线表示)以上就无法再实现可行的监测。这意味着无法对剩余的 25%的转矩范围进行监测。
此外，从图l所示的曲线图中还可看到表示指示变量与转矩之间关系的 曲线K1，所述指示变量基于电动机电流。曲线K1与右侧纵轴相关。如果选 择电动机电流作为指示变量的基本量，在较小的转矩情况下，指示变量和电 动机转矩之间就不存在线性关系。因而只有在有限的范围内才能正确设定阈 值和公差带。此处仍须对监测范围加以限制。
上文所述的曲线K1、 K2的指示变量是现有技术中的已知指示变量。 根据本发明，在本实施例中提出一种指示变量，这种指示变量由电动机 电流的变量和相角的变量组合而成。这个实施例中的指示变量由电动机电流 与相角余弦的乘积构成。根据本发明的指示变量体现为图1所示的曲线图中 的曲线K3。右侧纵轴与K3相关。从中可清楚看出，仅基于两个负载相关量 中的其中一个负载相关量的指示变量的问题范围得到了补偿。指示变量与电 动机或驱动装置的转矩之间实现了近似的线性关系，其中，未出现任何问题 范围。通过这种方式可在整个转矩范围内确定阈值或公差带，指示变量与转 矩之间的直接关系并不会对负载监测产生不利影响。
通过这种线性化可对例如V带断裂、泵的空转、输送带上的荷重或刀具 磨损正确地加以确定。借此可避免机组(尤其是自动化设备)受到后续损害。 此外也无需通过附加的可编程控制器来使整个转矩范围具有可监测性。 图2显示的是监测单元1的一个实施例的框图。监测单元1具有两个相 端子Al和A2，这两个相端子用于分别与多相电网11的一个相建立电气连 接。其中，待监测电动机2的一端连接在电网11的其中一个相上，另一端连接在监测单元1的端子A3上。在这个实施例中，监测单元1实施为两相
设备。作为示例，相端子Al和A2可连接在相Ll和L2或相LX (X = 1 、 2
或3)和N (中性线)上。待监测电动机2所在的电路部分通过监测单元1。
电动机2不仅连接在相Ll上，而且还通过监测单元与相L2相连。通过电流
传感器3对电动机2的电动机电流进行测量。电流传感器3可实施为用于将
电动机电流映射成电压区间的电流互感器。这个映射电压由导线传输到测量
和评估单元。所述测量和评估单元8也与相Ll和L2相连，因而可对电动机
电流和电动机电流与电源电压之间的相角进行检测。测量和评估单元8可通
过例如控制器及其附属外围设备实现。测量和评估单元8由电压调节装置5
供给电压。电压调节装置5包含有开关稳压器6和高压级7。电压调节装置
5由整流器(特别是桥式整流器)供给直流电压。测量和评估单元8对测得
量进行评估和/或预分析。测量和评估单元8能够通过包含有至少一个继电器
的开关级10实施保护性跳闸或保护性合闸操作。作出保护性反应的判定基
于指示变量/转矩特性曲线而触发。此外，通过诊断和显示单元9还可优化指
示变量的形成。诊断和显示单元9可实施为例如操作部件印制电路板。由此，
使用者可将电动机的具体特征或实际应用的具体特征整合为特性曲线，所述 这些具体特征与保护性跳闸或保护性合闸操作相关。在此情况下，积分变量
计算方法的变化会引起特性曲线的变化。重要的是，这种计算总是基于测定 的电动机电流和测定的相角。
综上所述，本发明涉及一种用于对电动机进行负载监测的监测单元。通 过这种监测单元可在整个转矩范围内对电动机负载进行监测。为此，监测单 元对指示变量进行线性化适配。首先，监测单元用于在电动机处于工作状态 时对电动机电流和电源电压与电动机电流之间的相角进行检测。此外，监测 单元还具有用于通过电动机电流和相角形成指示变量的构件，所述指示变量 用作电动机电负载监测的度量。
权利要求
1.一种用于对电动机(2)进行负载监测的监测单元(1)，其中，所述监测单元(1)用于在所述电动机(2)处于工作状态时对电动机电流和电源电压与所述电动机电流之间的相角进行检测，以及所述监测单元(1)具有用于通过所述电动机电流和所述相角形成指示变量的构件(3)，该指示变量用作所述电动机(2)的电负载监测的一种度量。
2. 根据权利要求1所述的监测单元(1)，其中，所述指示变量由所述 电动机电流与所述相角的余弦的乘积形成。
3. 根据权利要求1或2中任一项权利要求所述的监测单元(1)，其中， 所述指示变量由第一函数与第二函数的乘积形成，其中，所述第一函数由所 述电动机电流形成，所述第二函数由所述相角形成。
4. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的监测单元(1)，其中， 所述指示变量与所述电动机(2)的转矩之间基本成线性关系。
5. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的监测单元(1),其中， 所述指示变量基本与所述电动机(2)的负载成比例。
6. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的监测单元(1)，其中， 所述监测单元(1)用于为所述指示变量设定至少一个阈值和/或一个公差带， 以启用至少一项保护措施。
7. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的监测单元(1)，其中， 所选择的所述指示变量使得所述阈值与所述电动机(2)的转矩相关联，该 转矩处于由最小可能转矩和最大可能转矩所确定的转矩区间内。
8. —种对电动机(2)进行负载监测的方法，其中， 在所述电动机(2)处于工作状态时对电动机电流和电源电压与所述电动机电流之间的相角进行检测，以及通过所述电动机电流和所述相角形成指示变量，该指示变量用作所述电动机(2)的电负载监测的一种度量。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述电动机电流与所述相 角的余弦的乘积形成所述指示变量。
10. 根据权利要求8或9中任一项权利要求所述的方法，其中，通过第一函数与第二函数的乘积形成所述指示变量，其中，所述第一函数由所述电 动机电流形成，所述第二函数由所述相角形成。
11. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，所述指示变量与所述电动机(2)的转矩之间基本成线性关系。
12. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，所述指示 变量基本与所述电动机(2)的负载成比例。
13. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，为所述指 示变量设定至少一个阈值和/或一个公差带，以启用至少一项保护措施。
14. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中，所述阈值 与所述电动机(2)的转矩相关联，该转矩处于由最小可能转矩和最大可能 转矩所确定的转矩区间内。
全文摘要
本发明涉及一种用于对电动机进行负载监测的监测单元。通过所述监测单元可在整个转矩范围内对电动机负载进行监测。为此，所述监测单元对指示变量进行线性化匹配。首先，所述监测单元用于在所述电动机处于工作状态时对电动机电流和电源电压与所述电动机电流之间的相角进行检测。此外，所述监测单元还具有用于通过所述电动机电流和所述相角形成指示变量的构件，所述指示变量用作电动机电负载监测的度量。
文档编号H02P29/02GK101322309SQ200580052185
公开日2008年12月10日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者彼得·哈姆森, 罗兰·弗莱希曼, 马丁·梅尔 申请人:西门子公司