CN103206387A - 用于检测离心设备的正确旋转方向的方法及离心设备组件 - Google Patents

Abstract

一种用于检测离心设备的正确旋转方向的方法，该方法包括以下步骤：使离心设备沿第一方向旋转；获取与使离心设备沿第一方向旋转的步骤相关的第一频率数据；使离心设备沿第二方向旋转，第二方向与第一方向相反；获取与使离心设备沿第二方向旋转的步骤相关的第二频率数据。所述方法还包括基于比较第一频率数据与第二频率数据来检测离心设备的正确旋转方向的步骤，所述比较是关于至少一个重要频率范围而执行的，其中在所述至少一个重要频率范围中的每个重要频率范围内，较小的量值被解释为表示正确旋转方向。

Description

用于检测离心设备的正确旋转方向的方法及离心设备组件

技术领域

本发明涉及离心设备（例如离心式鼓风机或离心泵）的正确旋转方向的检测。

在离心设备中，流体流动的方向独立于离心设备的叶轮的旋转方向。然而，如果离心设备沿错误方向旋转，所产生的流量和压力与沿正确旋转方向产生的流量和压力相比将显著下降。这还会显著降低离心设备的能量效率。

应当结合离心设备的安装来检查离心设备的旋转方向的正确性以及在任何可能改变离心设备的旋转方向的维护操作之后检查离心设备的旋转方向的正确性。

背景技术

传统地，通过在视觉上检查旋转方向来确定离心设备的正确旋转方向。这需要额外的人员，而并非是自动化功能。另外，离心设备可能会处于不能够执行目视检查的位置。

公开US2010/0316503公开了一种泵单元，该泵单元包括用于自动识别泵的正确旋转方向的旋转方向识别模块。在该公开中，在反向旋转和正向旋转情况下测量并比较流量、压力或功率的值。如果静态测量信号在正向旋转方向和反向旋转方向之间存在差异，则可以区分正确旋转方向。

与上述泵***相关联的问题之一是当将流量或压力用作要比较的信号时可能需要在泵***中安装额外的仪器。另一个问题涉及将由驱动泵的变频器产生的功率估计用作要比较的信号的情况。该问题起因于以下事实：在泵***中，正向转速和反向转速具有相同的轴功率要求（shaft powerrequirement）并不少见。因此，在许多情况下不能够基于功率估计来判定正确旋转方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测离心设备的正确旋转方向的方法以及用于实施该方法的离心设备组件，以克服上述问题。

本发明基于如下认识：可以通过比较与离心设备沿第一方向的旋转相关的第一频率数据和与离心设备沿第二方向的旋转相关的第二频率数据来检测离心设备的正确旋转方向，所述比较是关于至少一个重要频率范围而执行的。

当离心设备沿正向方向旋转时，流体与叶轮片之间的攻角使得在正常操作条件下叶轮片不失速。在反向旋转的情况下，攻角增大，并很可能使叶轮片失速。失速引起能够在离心设备的轴功率要求中被检测到的不均匀负载状态。

本发明的优点是：可以检测由现代变频器来旋转的离心设备的正确旋转方向，而无需任何额外的仪器。这基于以下事实：现代变频器能够结合电动机模型使用内部电流、电压和开关位置的测量值来估计感应电动机的负载状态。这些负载状态的估计尤其包括转速估计和转矩估计。

本发明的方法可以与欧洲专利申请11189925.8中提出的方法相结合。所述方法的结合进一步提高检测的可靠性。

附图说明

以下将参照附图借助于优选的实施方式来更详细地描述本发明，其中：

图1示出了离心设备的转速估计以及转矩估计的频谱；以及

图2示出了根据本发明的实施方式的离心设备组件。

具体实施方式

根据本发明的用于检测离心设备的正确旋转方向的方法包括以下步骤：

使离心设备沿第一方向旋转；

获取与使离心设备沿第一方向旋转的步骤相关的第一频率数据；

使离心设备沿第二方向旋转，第二方向与第一方向相反；

获取与使离心设备沿第二方向旋转的步骤相关的第二频率数据；以及

基于比较第一频率数据与第二频率数据来检测离心设备的正确旋转方向，所述比较是关于至少一个重要频率范围而执行的，其中在所述至少一个重要频率范围中的每个重要频率范围内，较小的量值被解释为表示正确旋转方向。

使离心设备沿第二方向旋转的步骤的基本参数与使离心设备沿第一方向旋转的步骤的基本参数是相适应的，获取第二频率数据的步骤的基本参数与获取第一频率数据的步骤的基本参数是相适应的。

使离心设备旋转的步骤的基本参数取决于离心设备组件的特性。在实施方式中，使离心设备旋转的步骤的基本参数包括参考转速和设置流量，在该情况下，第一方向旋转事件与对应的第二方向旋转事件具有相同的参考转速和相同的设置流量。

获取频率数据的步骤的基本参数可以包括采样周期和采样频率。在实施方式中，采样周期和采样频率在获取第二频率数据的步骤中和在获取第一频率数据的步骤中是相同的。

在实施方式中，通过分析离心设备的轴功率要求的低频波动来检测由现代变频器供电的离心设备的正确旋转方向。在该实施方式中，所述至少一个重要频率范围包括低频范围。首先，离心设备沿第一方向旋转，根据充分的时间间隔和充分的采样频率（分别为例如15秒和100Hz）来保存转速和转矩的变频器估计n_1,est和T_1,est。其次，离心设备沿第二方向旋转，第二方向与第一方向相反，根据相同的时间间隔来保存转速和转矩的变频器估计n_2,est和T_2,est。

在使离心设备沿第一方向旋转的步骤与使离心设备沿第二方向旋转的步骤中，用于变频器的参考指令基本上保持不变。用于变频器的参考指令可以包括参考速度。或者，用于变频器的参考指令可以包括参考转矩。

分别去除信号n_1,est的平均值、信号T_1,est的平均值、信号n_2,est的平均值和信号T_2,est的平均值，以使得偏置不影响程序的其余部分。由此得到的变量分别为

和

作为举例，对于第一方向和估计n_1,est，这可以通过下式来完成：

${\hat{n}}_1\left(k\right)=n_{1,\mathrm{est}}\left(k\right)-\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{N-1}\left(n_{1,\mathrm{est}}\left(k\right)\right),---\left(1\right)$

其中N是n_1,est的样本数，k是离散的时间索引（0,1,2,…,N）。

对信号

和

进行处理，使得仅低频分量（例如0Hz至1Hz）可见。这可以通过各种方式来完成，例如通过抽取或滤波。在本示例中，通过滤波来处理信号。滤波后的估计被称为

和

根据这些滤波后的估计，计算关于时域波动的均方根值。可以通过下式来计算关于

的均方根值RMS_n1：

${\mathrm{RMS}}_{n1}=\sqrt{\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{M-1}{\hat{n}}_{1,\mathrm{filt}}^2\left(k\right)}.---\left(2\right)$

在计算出均方根值RMS_n1、RMS_T1、RMS_n2和RMS_T2之后，将它们进行相互比较。作为比较结果，存在两种基本情况。

情况1：RMS_n2>RMS_n1成立并且RMS_T2>RMS_T1成立。这意味着第二方向的低频波动较大，因此第二方向是反向方向或不正确的方向。另外，在这种情况下，第一方向是正向方向或正确的方向。相应地，如果RMS_n2<RMS_n1成立且RMS_T2<RMS_T1成立，则第二方向是正向方向。

情况2：RMS_n2>RMS_n1成立并且RMS_T2>RMS_T1不成立。这意味着不存在表示正向旋转方向的明显方向。相应地，当RMS_n2>RMS_n1不成立并且RMS_T2>RMS_T1成立时，也不存在明显的正向旋转方向。

仅使用单个测量可能会导致错误解释。为了提高检测离心设备的正确旋转方向的步骤的可靠性，在实施方式中，使离心设备沿第一方向旋转的步骤包括多个独立的第一方向旋转事件，使离心设备沿第二方向旋转的步骤包括针对所述多个独立的第一方向旋转事件中的每个独立的第一方向旋转事件的独立的第二方向旋转事件。

所述多个独立的第一方向旋转事件可以包括如下一些事件：在所述一些事件中的每个事件中，离心设备以不同的参考转速进行旋转而离心设备的设置流量基本上相同。用于测试的参考转速可以为例如对应于离心设备的标称转速的60%、70%、80%、90%和100%的参考转速。对于具有1450rpm的标称转速的离心设备，参考转速将分别对应于870rpm、1015rpm、1160rpm、1305rpm和1450rpm的参考转速。可以根据各个旋转事件对（rotation event pair）的结果基于多数原则来判定正确旋转方向。

此外，所述多个独立的第一方向旋转事件可以包括如下一些事件：在所述一些事件中的每个事件中，离心设备以不同的设置流量进行旋转而离心设备的参考转速基本上相同。用于测试的设置流量可以为例如对应于离心设备的标称流量的0%、70%、100%和120%的设置流量。可以根据各个旋转事件对的结果基于多数原则来判定正确旋转方向。

表述“设置流量”在此指在离心设备组件的流体通道中的流阻。例如，某个设置流量对于正确旋转方向生成对应于离心设备的标称流量的流量。清楚的是，相同的设置流量对于不正确的旋转方向生成显著小于离心设备的标称流量的流量。在旋转事件之间改变设置流量是实际的，例如在离心设备组件的流体通道包括通过离心设备组件的控制单元来控制的可调节阀的实施方式中。

在另一个实施方式中，所述至少一个重要频率范围包括如下供电频率范围：该供电频率范围包含向驱动离心设备的电动机供电的供电频率。在这样的实施方式中，可以使用带通滤波。在带通滤波过程中，对信号

和

进行处理，使得仅仅所述供电频率附近的频率分量是可见的。在可替换的实施方式中，可以检查单个供电频率点。在这种情况下，所述单个频率点被解释为供电频率范围的特殊情况。在涉及带通滤波的实施方式中，可以使用式1和式2来计算关于滤波后的估计

和

的均方根值。在计算出均方根值RMS’_n1、RMS’_T1、RMS’_n2和RMS’_T2之后，可以以如上解释的相同方式将它们进行相互比较。

在本发明的实施方式中，使用转速估计和/或转矩估计的频谱来检测离心设备的正确旋转方向。图1示出了以正向方向和反向方向旋转的离心设备的转速估计和转矩估计的频谱。图1包括来自三个第一方向旋转事件和三个第二方向旋转事件的数据。转速信号的平均值和转矩信号的平均值已经被去除。供电频率为44Hz。

图1示出了每个频谱包括两个重要频率范围。第一重要频率范围是低频范围，第二重要频率范围是供电频率范围。在图1中，低频范围包括从0Hz到大约5Hz的频率，供电频率范围包括从大约40Hz到大约48Hz的频率。在实践中，在低频范围和供电频率范围之外的频率对检测离心设备的正确旋转方向而言是不重要的。

在图1中，在重要频率范围内，与正向方向相关的每条曲线显著低于与反向方向相关的对应曲线。因此，能够基于包括第一方向旋转事件和第二方向旋转事件的所描述的测试中的任一个来检测离心设备的正确旋转方向。

替代转速估计的频谱和/或转矩估计的频谱，可以使用功率谱密度（PSD）来检测离心设备的正确旋转方向。功率谱密度描述信号的功率如何随着频率而分布。可以以相似的方式根据功率谱密度而不是根据转速估计的频谱或转矩估计的频谱来检测离心设备的正确旋转方向。这意味着在至少一个重要频率范围内的较小的量值表示正确旋转方向。

当使用转速估计的频谱、转矩估计的频谱或功率谱密度来检测离心设备的正确旋转方向时，所述方法可以包括例如通过抽取或滤波来处理原始信号。

可以通过合适的已知数学方法来检测在至少一个重要频率范围内的较小的量值。可以通过计算机来实施所述数学方法。因此，可以使用于检测离心设备的正确旋转方向的整个方法自动化。或者，可以根据曲线在视觉上检测在至少一个重要频率范围内的较小的量值。

在大多数实施方式中，可以基于峰值来推断在重要频率范围内的较小的量值。然而，在一些实施方式中，正确旋转方向的重要频率范围可以具有高于不正确旋转方向的峰值的峰值。在这些实施方式中，可以使用某种类型的积分方法来检测正确旋转方向。自然地，在正确旋转方向的重要频率范围具有小于不正确旋转方向的峰值的峰值的实施方式中，积分方法同样也给出正确的答案。此外，上述滤波和均方根值计算还有利于忽略错误的峰值。

根据本发明的用于检测离心设备的正确旋转方向的方法可以包括在检测到正确旋转方向之后使离心设备沿正确旋转方向旋转的步骤。另外，该步骤可以自动化。在实施方式中，响应于按钮的按下，离心设备组件执行用于检测离心设备的正确旋转方向的方法，并随后开始沿正确旋转方向旋转离心设备。

在本文中，离心设备是具有叶轮并适于移动流体（例如液体、气体或浆）的设备。例如，离心设备可以是适于移动气体的离心式鼓风机或适于移动液体的离心泵。离心设备的旋转方向是指离心设备的叶轮的旋转方向。

在实施方式中，离心设备包括具有后弯叶片的叶轮。在可替换的实施方式中，离心设备可以包括具有前弯叶片或具有径向直叶片的叶轮。

应当理解的是，用于检测离心设备的正确旋转方向的方法的参数可以取决于离心设备的类型以及离心设备的特性而变化。例如，在一些实施方式中，低频范围可以仅包括0Hz至1Hz的频率，而大于1Hz且小于供电频率范围的频率实际上未包括与正确旋转方向相关的信息。

图2示出了根据本发明的实施方式的离心设备组件。离心设备组件包括：离心设备2；用于使离心设备2旋转的驱动装置4；以及用于控制离心设备2的旋转的控制单元6，该控制单元6适于通过使用根据本发明的方法来检测离心设备2的正确旋转方向。驱动装置4包括变频器。

对本领域的技术人员而言明显的是，可以以各种方式来实施本发明构思。本发明及其实施方式并不限制于上述示例，而是可以在权利要求的保护范围之内进行变化。

Claims (15)

1.一种用于检测离心设备的正确旋转方向的方法，所述方法包括以下步骤：

使所述离心设备沿第一方向旋转；

获取与使所述离心设备沿所述第一方向旋转的步骤相关的第一频率数据；

使所述离心设备沿第二方向旋转，所述第二方向与所述第一方向相反；

获取与使所述离心设备沿所述第二方向旋转的步骤相关的第二频率数据；

其中，所述使所述离心设备沿所述第二方向旋转的步骤的基本参数与所述使所述离心设备沿所述第一方向旋转的步骤的基本参数是相适应的，所述获取第二频率数据的步骤的基本参数与所述获取第一频率数据的步骤的基本参数是相适应的；

其特征在于，所述方法还包括基于比较所述第一频率数据与所述第二频率数据来检测所述离心设备的所述正确旋转方向的步骤，所述比较是关于至少一个重要频率范围而执行的，其中，在所述至少一个重要频率范围中的每个重要频率范围内，较小的量值被解释为表示所述正确旋转方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述离心设备沿所述第一方向旋转的步骤包括多个独立的第一方向旋转事件，所述使所述离心设备沿所述第二方向旋转的步骤包括针对所述多个独立的第一方向旋转事件中的每个独立的第一方向旋转事件的独立的第二方向旋转事件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个独立的第一方向旋转事件包括如下一些事件：在所述一些事件中的每个事件中，所述离心设备以不同的参考转速进行旋转，而所述离心设备的设置流量基本上相同。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个独立的第一方向旋转事件包括如下一些事件：在所述一些事件中的每个事件中，所述离心设备以不同的设置流量进行旋转，而所述离心设备的参考转速基本上相同。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个独立的第一方向旋转事件包括如下一些事件：在所述一些事件中的每个事件中，所述离心设备以不同的设置流量进行旋转，而所述离心设备的参考转速基本上相同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测所述正确旋转方向的步骤包括：针对所述至少一个重要频率范围来形成所述第一频率数据的频谱与所述第二频率数据的频谱，并比较所述频谱的量值。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测所述正确旋转方向的步骤包括：

去除所述第一频率数据的平均值和所述第二频率数据的平均值，以提供处置后的第一频率数据和处置后的第二频率数据；

分别对所述处置后的第一频率数据和所述处置后的第二频率数据进行处理，以提供处理后的第一频率数据和处理后的第二频率数据，所述处理后的第一频率数据和所述处理后的第二频率数据仅包括所述至少一个重要频率范围；

计算所述处理后的第一频率数据的均方根值和所述处理后的第二频率数据的均方根值；

其中，所述检测所述离心设备的所述正确旋转方向的步骤基于将所述处理后的第一频率数据的所述均方根值与所述处理后的第二频率数据的所述均方根值进行比较，较低的均方根值表示所述正确旋转方向。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个重要频率范围包括处于0Hz至5Hz的范围内的低频范围。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个重要频率范围包括如下供电频率范围：所述供电频率范围包含向驱动所述离心设备的电动机供电的供电频率，所述供电频率范围的宽度小于等于10Hz。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述离心设备由电动机驱动，所述电动机由具有多个可控开关的变频器馈电，所述第一频率数据和所述第二频率数据包括基于所述变频器的电流、电压以及开关位置而形成的至少一个负载状态估计。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一频率数据包括所述离心设备的沿所述第一方向的估计转速（n_1，est），所述第二频率数据包括所述离心设备的沿所述第二方向的估计转速（n_2，est）。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一频率数据包括所述离心设备的沿所述第一方向的估计转矩（T_1,est），所述第二频率数据包括所述离心设备的沿所述第二方向的估计转矩（T_2，est）。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在每个第一方向旋转事件和每个第二方向旋转事件期间，保持用于所述变频器的参考指令基本上不变，用于所述变频器的所述参考指令包括参考速度或参考转矩。

14.一种离心设备组件，包括：离心设备（2）；用于使所述离心设备（2）旋转的驱动装置（4）；以及用于控制所述离心设备（2）的旋转的控制单元（6），所述驱动装置（4）包括由变频器馈电的电动机，其特征在于，所述控制单元（6）适于基于根据权利要求1至5中任一项所述的方法来检测所述离心设备（2）的正确旋转方向。

15.根据权利要求14所述的离心设备组件，其特征在于，所述离心设备（2）为适于移动气体的离心式鼓风机或适于移动液体的离心泵。

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