用于机电传动系中的旋转轴的扭转变形的确定以及DC链接降级的确定的方法和装置与流程

背景技术：

机械传动系是今天的工业的最重要元素之一。它们中的许多被装备以功率电子设备并被认为是对工厂生产过程至关重要的。机械轴是传动系的元素之一，其中可能断裂并且故障可能发生。不幸的是，这意味着整个工业设施必需在紧急模式中被关闭以被修复。所以存在对于包括可变频率转换器的机械传动系的更高效率和可靠性的需要。当观察整个传动系时，存在可能出现的许多不同种类的可能缺陷。它们中的一个是轴扭转变形的问题。如果轴负荷正超过最大标称值或者传动系的不恰当控制正将更多应力施加在轴上，则存在轴可能断裂的高可能性。如果轴是由固体材料制成，则其将因裂缝在表面发起并蔓延通过到轴的核心而故障。确保对轴扭转变形等级的恰当监测是针对传动系状态确定的解决方案之一。轴劣化通常由微裂缝而显现，微裂缝最初是不可见的。轴扭转变形的早期检测允许预防性缓解动作—即，调度关闭和修复。此外，它也有助于评估故障之前的预期操作时间。另外，通常难以确定轴变形的根本原因。未知的是—以下哪项在先：轴变形（机械问题）或dc链接降级（电问题）。

从专利us5253531a已知一种用于轴扭转位移检测的方法。旋转轴扭转位移和速度检测器提供刺射（impinge）在旋转轴的一端或两端上的光束。诸如反射和非反射表面、波阻板（waveretardingplate）、和线性偏振器的束变更材料的不同组合被附加到前轴端和后轴端。这些束变更材料以可预测的方式改变光束的偏振或量值，这允许对轴速度和前轴端相对于后轴端的扭转位移的检测。

该方法的缺点是对于使用具有反射和非反射表面的附加材料的需要。此外，使用光束装置使解决方案在大小方面是大的。该解决方案没有给出关于以下问题的可能根本原因的任何信息—没有关于以下哪项在先的信息：轴变形—机械问题、或者dc链接降级—电问题。

技术实现要素：

根据本发明的所述方法使用所述传动系的所述传动电机的电流和电压信号测量以及所述轴的角速度测量，并且包括：测量转换器的dc链接单元的电压udc，其中所述单元与计算机诊断单元电连接的步骤；演算所述传动电机的负荷扭矩tload的值的步骤；检测所述负荷扭矩tload中的振荡osc（tload）以及演算dc链接单元的所述电压udc的快速傅里叶变换fft（udc）的特征频率的量值（如果振荡osc（tload））的步骤；确定针对振荡osc（tload）的时间戳指示符ttload以及针对dc链接单元的所述电压udc的fft（udc）的特征频率的量值的udc的时间戳指示符tfft的步骤；将所述时间戳指示符ttload和tfft的值进行比较，并且如果ttload＜tfft则确定所述旋转轴的扭转变形或者如果ttload＞tfft则确定dc链接劣化的步骤；在诊断单元中将所述比较的结果呈现给用户的步骤。

优选地，当所述旋转轴的所述扭转变形被确定时，在诊断单元的模块之一中触发警报。

优选地，在被并行电连接的dc链接电压测量装置和链接电路中测量所述dc链接单元的所述电压udc。

优选地，所述dc链接电路包括电容器c和串联电阻的等同物esr。

根据本发明的装置的实质是，所述转换器单元包括用于测量电压udc的dc链接单元，所述dc链接单元与计算机诊断单元电连接；所述计算机诊断单元具有部件：用于演算负荷扭矩tload的值；用于检测所述负荷扭矩tload中的振荡osc（tload）并且用于演算dc链接单元的所述电压udc的快速傅里叶变换fft（udc）的特征频率的量值的部件；用于确定针对振荡osc（tload）的时间戳指示符ttload以及针对dc链接单元的所述电压udc的fft（udc）的特征频率的量值的udc的时间戳指示符tfft的部件；用于将所述时间戳指示符ttload和tfft的值进行比较的部件以及用于如果ttload＜tfft则确定所述旋转轴的扭转变形或者如果ttload＞tfft则确定dc链接劣化的部件；用于在诊断单元中将所述比较的结果呈现给用户的部件。

优选地，所述诊断单元具有用于当所述传动系的所述旋转轴的所述扭转变形被确定时触发警报的部件。

优选地，所述dc链接单元由被并行电连接的dc链接电压测量装置和链接电路所形成。

优选地，所述dc链接电路具有电容器c和串联电阻的等同物esr的形式。

优选地，所述dc链接单元与用于将ac输入电压转换成dc输出电压的整流单元并且与用于将dc输入电压转换成ac输出电压的逆变器单元相连接。

优选地，所述整流单元具有至少一对固态开关，从而形成针对每个相a、b、c的整流切换腿。

优选地，所述逆变器单元具有至少一对固态开关，从而形成针对每个相a、b、c的整流切换腿。

根据本发明的解决方案的优点是以下项：

•所述方法使用仅一个角速度传感器以用于测量，这简化了所述装置的设计。

•所述方法使用仅一个线到线电压和电流测量，这简化了所述方法。

•所述方法提供了如何区别所述问题的根本原因（它是电还是机械故障原由）的方法论。

本发明解决方案基于扭转变形确定，其基于来自测量电信号的功率演算和速度测量并且将dc链接电压测量和此测量的频率分析相结合。这允许不期望事件的根本原因确定—以下哪项在先—机械问题还是电问题。

附图说明

在附图中解释了示范性实施例中的本发明，在附图中：

图1是机械传动系统的框图，

图2是基础dc链接电路的电示意图，

图3是针对旋转轴的扭转变形的确定的方法而执行的操作的流程图，

图4呈现检测负荷扭矩tload中的振荡osc（tload）的图表，

图5呈现电压udc的fft（udc）的特征频率的量值、和针对振荡osc（tload）的特殊时间戳指示符ttload、以及针对fft（udc）的特征频率的量值的特殊时间戳指示符tfft的图表。

具体实施方式

由三相功率供应线a、b、c供以功率的机械传动系系统包括传动电机1（例如马达）、通过轴3与机械耦合4相连接的负荷电机2，机械耦合4是可能已知种类中的一种—例如，直接耦合、齿轮箱、联轴器等。接下来传动系系统包括功率转换器单元5，其与传动电机1并与计算机诊断单元6电连接。借助于通过传动电机1的至少两个相a和b的电压传感器7b和电流传感器7a，诊断单元6与传动电机1的至少一个相a、b、c电连接。诊断单元6与放置在轴3上、在传动电机1附近的角速度传感器8电连接，从而测量轴3的角速度。功率转换器单元5具有与它们自身电连接的整流单元9、dc链接单元10和逆变器单元11。功率转换器单元5和诊断单元6由三相功率供应线a、b、c供以功率。整流单元9具有至少一对固态开关9a或9b或9c，从而形成针对每个相a、b、c的整流切换腿，以用于将ac输入电压转换成dc输出电压。整流单元9的固态开关9a、9b、9c是可能已知种类中的一种—例如，二极管、晶体管、晶闸管等。dc链接单元10包括至少一个dc链接电路10a和连接到链接电路10a的dc链接电压测量装置10b，其用于测量dc链接单元10的电压udc。dc链接电路10a包括呈现在图2中的电容器c和串联电阻的等同物esr。逆变器单元11具有至少一对固态开关11a或11b或11c，从而形成针对每个相a、b、c的整流切换腿，以用于将dc输入电压转换成ac输出电压。转换器单元11的固态开关11a、11b、11c能够是可能已知种类中的一种—例如，晶体管、晶闸管等。转换器诊断单元6是计算机装置，其具有处理器6a和存储器6b，其中处理器6a被装备以：数据获取模块6c，以用于接收和处理输入信号，诸如：至少一个相a、b、c的电流；例如ia，由传感器7a所测量；电压uab，由安装在功率供应线a、b或c之一上的传感器7b所测量；dc链接单元10的电压udc和轴3的角速度，由传感器8所测量。转换器诊断单元6的处理器6a还被装备以存储和演算模块6d，以用于存储数据（例如功率因子值pf），以及以用于演算新数据（诸如所测量的电压udc的快速傅里叶变换fft）；以用于根据所测量电流ia和电压uab来演算输出功率p（通过将所测量的信号的值乘以由用户所传递的功率值因子pf）；演算来自功率输出p的机器负荷扭矩tload（该值被除以由传感器8所测量的角速率的值）。处理器还被装备以检测模块6e，以用于检测所测量信号udc中的负荷扭矩振荡osc。此外，诊断单元6被装备以警报单元6f，以用于当在检测模块6e中确定的某些条件被满足时生成警报。针对警报的所述条件在本描述的以下部分中被呈现。

根据图3中呈现的下列步骤s1-s7来实现本发明方法。

步骤s1

在步骤s1中，传动系的一些信号被测量。dc链接的电压udc由dc链接的dc链接电压测量装置10b和链接电路10a所测量。三相功率供应线的一个相的电流ia由传感器7a所测量。通过传感器的三相功率供应线的线到线电压uab的电压由传感器7b所测量。轴3的角速度由角速度传感器8所测量。所有测量的参数被传递到诊断单元6、到数据获取模块6c，以用于在处理器6a的模块6d和6e中进一步处理。

步骤s2

由用户向诊断单元6的存储器6b传递关于功率因子pf的值的数据。pf能够具有例如等于0.9的值。

在步骤s2中，转换器输出功率p在诊断单元6的演算模块6d中根据以下公式而被演算：

其中：

p—是演算的转换器输出功率，

uab—是在转换器单元的输出处的所测量的线到线电压之一，

ia—是针对所述相之一的所测量的输出转换器电流，

pf—由用户所传递的功率因子。

步骤s3

在步骤s3中，机器负荷2的负荷扭矩tload的值在诊断单元6的演算模块6d中根据以下公式而被演算：

其中：

tload—是负荷扭矩，

p—是步骤2中所演算的输出功率，

—是步骤1中所测量的角速度。

步骤s4

在步骤s4中，执行对负荷扭矩tload中的振荡osc（tload）的检测。这在检测模块6e中进行。如果tload是数n的序列，则该序列的振荡osc（tload）的存在根据以下公式而被定义为针对n数的值tload的上极限和下极限之间的差：

当且仅当该序列收敛时，振荡为零。它是无定义的，如果和都等于或都等于的话，也就是说，如果该序列趋向于或的话。如果或极限如图4中所示那样交叉，则振荡被认为是存在的。上极限和下极限被设置为，即，=tload平均的105%并且=95%tload平均。

另外，在步骤s4中，dc链接单元10的电压udc的快速傅里叶变换fft（udc）的特征频率的量值以已知方式在诊断单元6的演算模块6d中被演算。

如果dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值和振荡osc（tload）不存在，则动作返回到步骤s1并且为步骤s6设置变形指示符d=0。

步骤s5

如果dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值和振荡osc（tload）存在，则在步骤s5中指示针对振荡osc（tload）的特殊时间戳指示符ttload和针对dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值的特殊时间戳指示符tfft。在图5中，测量窗口w1和w2被呈现在坐标图f（udc，t）、f（tload，t）中。对于每幅坐标图，特殊时间戳指示符针对振荡osc（tload）被检测到的时间而被指示。对于函数f（udc，t），时间戳指示符tfft被确定，并且对于函数f（tload，t），时间戳指示符ttload被确定。在图5中的窗口w2中，呈现了时间戳指示符tfft和ttload两者。此类频率分析的结果被存储在处理器6a的存储器6c中，以用于进一步处理。在图5中，窗口w1和w2还被呈现为udc的所测量电压的量值和频率的函数，使用特征频率fft（udc）的量值以用于确定特征频率。在窗口w1中，呈现了针对时间戳指示符tfft的任何特征频率。在窗口w2中，呈现了针对时间戳指示符tfft的一些特征频率。

特征频率的出现意味着轴的扭矩变形在系统中出现或者存在关于dc链接其自身的另一问题。

步骤s6

在步骤6中，在检测模块6e中执行udc针对相同窗口w1或w2的时间戳指示符ttload与时间戳指示符tfft的比较。此类比较允许对设置常规变形指示符d（其具有值0或1或2，由用户所建立）的确定。

如果振荡osc（tload）和dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值不存在，则设置变形指示符d=0，这取自步骤s4。

如果振荡osc（tload）和dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值存在，并且从步骤5已知的指示的特殊时间戳指示符具有满足以下关系的值：

•如果ttload＞tfft，则d=1，

它意味着问题来自于dc链接劣化。

这是由于劣化的征兆首先出现在dc链接中并然后蔓延到机械部分的事实，所以ttload＞tfft。

如果振荡osc（tload）和dc链接单元10的电压udc的fft（udc）的特征频率的量值存在并且从步骤5已知的指示的特殊时间戳指示符具有满足以下关系的值：

•如果ttload＜tfft，则d=2，

它意味着问题来自于机械故障并且发生了扭转变形。

这是由于劣化的征兆首先出现在机械部分中并然后蔓延到dc链接部分的事实，所以ttload＜tfft。

比较的结果在诊断单元6中被指示，例如，如变形指示符d的值所显示的。另外，变形指示符d的值被存储在存储器6b中。

步骤s7

在步骤7中，另外，在警报生成模块6f中生成警报。所以设置变形指示符d的值是用于在诊断单元6或连接到诊断单元6的另一装置（其未在附图中呈现）中触发警报的值。