CN102918764A - 基于整流器和逆变器的扭转模式阻尼系统和方法 - Google Patents

Abstract

扭转模式阻尼控制器系统连接到驱动包括电机和非电机的传动系统的变流器。控制器系统包括被配置为接收与变流器或传动系统的变量有关的测量数据的输入接口和连接到输入接口的控制器。控制器被配置为基于来自输入接口的测量数据，计算沿传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量；基于至少一个动态转矩分量，为变流器的逆变器和整流器生成控制数据以用于阻尼传动系统的轴中的扭转振荡；以及发送控制数据至整流器和逆变器以用于调制变流器和电机之间交换的有功功率。

Description

基于整流器和逆变器的扭转模式阻尼系统和方法

技术领域

本文公开的主题的实施例通常涉及方法和系统，更具体地，涉及用于阻尼旋转系统中出现的扭转振动的机制和技术。

背景技术

石油和天然气工业具有对于以变速驱动各种机器的增长的需求。这样的机器可以包括压缩机、电动机、膨胀器、燃气轮机、泵等等。变频电气传动增加了能量效率并且为机器提供了增加的灵活性。用于驱动例如大型气体压缩机组的一种机构是负载换相逆变器（LCI）。气体压缩机组包括例如燃气轮机、电动机和压缩机。气体压缩机组可以包括或多或少的电机和涡轮机。然而，由电力电子驱动系统引入的问题是由于电谐波导致的电机的转矩中脉动分量的生成。在传动系统的扭转固有频率下转矩的脉动分量可以与机械系统相互作用，这是不期望的。

扭转振荡或振动是振荡角运动，所述振荡角运动可以出现在例如如图1所示的具有附着于轴的多种质量的轴中。图1示出了系统10，所述系统10包括燃气轮机12、电动机14、第一压缩机16和第二压缩机18。或者这些机器的轴连接到彼此或者这些机器共用单个轴20。因为叶轮和沿轴20分布的其他质量，轴20的旋转可以被具有附着于轴的质量（例如叶轮）的不同速度的旋转产生的扭转振荡所影响。

如上面所讨论的，扭转振动典型地由驱动电动机的电力电子设备引入。例如，图1示出了提供电功率给LCI 24的电力网电源（电源）22，LCI 24又驱动电动机14的轴20。电力网可以是隔离的发电机。为了阻尼（最小化）扭转振动，如图2所示（其对应于转让给与本申请相同的受让人的美国专利No.7,173,399的图1，在这里通过引用而结合其全部的公开内容），可以将逆变器控制器26提供给LCI 24的逆变器28并且逆变器控制器26可以被配置为引入逆变器延迟角变化（                                               

）用于调制从逆变器28转移至电动机14的有功功率量。备选地，可以将整流器控制器30提供给整流器32并且整流器控制器30可以被配置为引入整流器延迟角变化（）用于调制从发电机22转移至直流环节44并且因此转移至电动机14的有功功率量。注意到，通过调制从发电机22转移至电动机14的有功功率量，有可能阻尼在包括电动机14和燃气轮机12的系统中出现的扭转振动。在这点上，注意到，电动机14和燃气轮机12的轴连接到彼此，而发电机22的轴未连接到电动机14或燃气轮机12。

两个控制器26和30分别接收来自传感器36和38的信号作为输入，并且这些信号指示了电动机14和/或发电机22所经受的转矩。换句话说，逆变器控制器26处理传感器36感测到的转矩值以用于生成逆变器延迟角变化（

），而整流器控制器30处理传感器38感测到的转矩值以用于生成整流器延迟角变化（

）。逆变器控制器26和整流器控制器30彼此独立并且这些控制器可以在给定的系统中一起或单独地实现。图2示出了传感器36监控电动机14的轴的一部分（段）40并且传感器38监控发电机22的轴42。图2还示出了整流器32和逆变器28之间的直流环节44。

然而，单独地确定整流器延迟角变化（

）或逆变器延迟角变化（

）并非总是可实现的和/或精确的。因此，将期望提供使用其他方式来阻尼振动振荡的系统和方法。

发明内容

根据示范的实施例，存在有连接到驱动包括电机和非电机的传动系统的变流器的扭转模式阻尼控制器系统。该控制器系统包括被配置为接收与变流器或传动系统的变量有关的测量数据的输入接口以及连接到输入接口的控制器。控制器被配置为基于来自输入接口的测量数据计算沿传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量，基于至少一个动态转矩分量为变流器的逆变器和整流器生成控制数据以用于阻尼传动系统的轴中的扭转振荡，以及发送控制数据至整流器和逆变器以用于调制变流器和电机之间交换的有功功率。

根据另一个示范的实施例，存在有用于驱动作为传动系统的一部分的电机的系统。该系统包括整流器，所述整流器被配置为接收来自电源的交流电并且将交流电转换为直流电；直流环节，所述直流环节连接到整流器并且被配置为传输直流电；逆变器，所述逆变器连接到直流环节并且被配置为将接收的直流电转变为交流电；输入接口，所述输入接口被配置为接收与变流器或传动系统的变量有关的测量数据；以及控制器，所述控制器连接到输入接口。控制器被配置为基于来自输入接口的测量数据计算沿传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量，基于至少一个动态转矩分量为整流器和逆变器生成控制数据以用于阻尼机械系统的轴中的扭转振荡，并且发送控制数据至整流器和逆变器以用于调制变流器和电机之间交换的有功功率。

根据又一个示范的实施例，存在有用于阻尼包括电机的传动系统中的扭转振动的方法。该方法包括接收与（i）驱动电机的变流器或（ii）传动系统或（iii）变流器和传动系统两者的变量有关的测量数据；基于测量数据计算沿传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量；基于至少一个动态转矩分量为变流器的逆变器和整流器生成控制数据以用于阻尼传动系统的轴中的扭转振荡；以及发送控制数据至整流器和逆变器以用于调制变流器和电机之间交换的有功功率。

根据再一个示范的实施例，存在有包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中在被执行时，所述指令实现用于阻尼扭转振动的方法。计算机指令包括在先前段落中记录的方法中记载的步骤。

附图说明

被结合进说明书并且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起解释这些实施例。在附图中:

图1是连接到电机和两个压缩机的常规燃气轮机的示意图；

图2是包括整流器控制器和逆变器控制器的传动系统的示意图；

图3是根据示范实施例的由控制器控制的负载、电动机和燃气轮机的示意图；

图4是根据示范实施例的变流器和相关联的逻辑的示意图；

图5是根据示范实施例的变流器和相关联的逻辑的示意图；

图6是说明具有停用的阻尼控制的轴的转矩的图表；

图7是说明根据示范实施例的具有启用的阻尼控制的轴的转矩的图表；

图8是根据示范实施例的变流器和相关联的逻辑的示意图；

图9是根据示范实施例的被配置为控制变流器以用于阻尼扭转振动的控制器的示意图；

图10是根据示范实施例的将调制提供给整流器的控制器的示意图；

图11是根据示范实施例的控制整流器以用于阻尼扭转振动的方法的流程图；

图12是根据示范实施例的将调制提供给整流器和逆变器的控制器的示意图；

图13是根据示范实施例的对变流器的逆变器、整流器和直流环节来说存在的电压的示意图；

图14是表明根据示范实施例的阿尔法和贝塔角度调制的扭转效应的图表；

图15是根据示范实施例的控制逆变器和整流器以用于阻尼扭转振动的方法的流程图；

图16是根据示范实施例的用于阻尼扭转振动的电压源逆变器和相关联的控制器的示意图；以及

图17是多质量系统的示意图。

具体实施方式

示范实施例的下面的描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记标识了相同或类似的元件。下面详细的描述并没有限制本发明。相反，本发明的范围由所附的权利要求书来限定。为了简单起见，与通过负载换相逆变器驱动的电动机的结构和术语有关地讨论下面的实施例。然而，接下来将要讨论的实施例不限于这样的系统，而是可以应用于（利用适当的调节）用其他装置（例如电压源逆变器（VSI））驱动的其他系统。

整个说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着与实施例一起描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个说明书的不同地方出现不一定指的是相同实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合特定特征、结构或特性。

根据示范实施例，扭转模式阻尼控制器可以被配置为获取关于电机（其可以是电动机或发电机）的轴和/或机械连接到电机的涡轮机的轴的电气测量和/或机械测量并且基于电气测量和/或机械测量来估计传动系统的期望的轴位置处的动态转矩分量和/或转矩振动。动态转矩分量可以是轴的转矩、扭转位置、扭转速度或扭转加速度。基于一个或多个动态转矩分量，控制器可以调节/修改驱动电机的整流器的一个或多个参数以便应用期望的转矩用于阻尼转矩振荡。正如接下来将要讨论的，存在有用于控制器的多种数据源以用于基于整流器控制确定阻尼。

根据图3所示的示范实施例，系统50包括燃气轮机52、电动机54和负载56。包括燃气轮机和/或多个压缩机或其他涡轮机作为负载56的其他配置是可能的。其他配置还可以包括一个或多个膨胀器、一个或多个发电机、或具有旋转部件的其他机器，例如风轮机、变速箱。图3所示的系统是示范性的并且为了更好地理解新颖的特征简化了该系统。然而，本领域技术人员将会认识到，可以修改具有或多或少的部件的其他系统以便包括现在讨论的新颖的特征。

各种质量（与机器的转子和叶轮相关联的）到轴58的连接使系统50易于发生潜在的扭转振动。这些扭转振动可扭转轴58，这可导致轴系统（取决于特定情形，其不但可以包括一个轴或多个轴而且可以包括耦合和变速箱）的显著的寿命减少乃至毁坏。示范实施例提供了用于减小扭转振动的机制。

为了启动电动机54，从电力网供给电功率或者在岛或类似岛电力系统的情况下从本地发电机60供给电功率。为了以变速驱动电动机54，在网60和电动机54之间设置了负载换相逆变器（LCI）62。如图4所示，LCI 62包括连接到直流环节68的整流器66，所述直流环节68连接到逆变器70。整流器66、直流环节68和逆变器70是本领域已知的，在这里不进一步讨论它们的具体结构。如上所记录的，可利用适当的变化将新颖的特征应用于VSI系统。仅仅为了说明，示出了示范的VSI并且关于图16简要地讨论了示范的VSI。图4表明从网60接收的电流和电压分别是三相电流和电压。对于通过整流器、逆变器和电动机的电流和电压来说同样如此并且在图4中通过符号“/3”示出了这个事实。然而，示范实施例的新颖的特征可应用于被配置为与不止三相（例如，6相和12相）系统一起工作的系统。

LCI 62还包括电流和电压传感器，在图4中用画上圆圈的A和画上圆圈的V表示。例如，在直流环节68中设置电流传感器72来测量电流

。备选地，基于在AC侧（例如电流传感器84或74，因为这些传感器比DC传感器更廉价）执行的测量来计算直流环节中的电流。另一个示例是测量由逆变器70提供给电动机54的电流

的电流传感器74和测量由逆变器70提供给电动机54的电压

的电压传感器76。注意到，可以将这些电流和电压作为至控制器78的输入来提供。本文中使用术语“控制器”来包括用于实现指定的控制功能的任何适合的数字、模拟或它们的组合的电路或处理单元。返回到图3，注意到，控制器78可以是LCI 62的一部分或者可以是与LCI 62交换信号的独立的控制器。控制器78可以是扭转模式阻尼控制器。

图4还示出了LCI控制器80可以接收关于图3示出的燃气轮机52、电动机54和负载56中的一个或多个的机械测量。对于控制器78来说可以同样如此。换句话说，控制器78可以被配置为接收来自图3示出的系统50的任何部件的测量数据。例如，图4示出了测量数据源79。这个数据源可以提供来自系统50的任何部件的机械测量和/或电气测量。用于更好理解并且不用来限制示范实施例的特定示例为何时数据源79与燃气轮机52相关联。燃气轮机52的扭转位置、速度、加速度或转矩可以通过现有的传感器来测量。可以将该数据提供给如图4所示的控制器78。另一个示例是在变流器62或电动机54处采取的电气测量。如果必要的话，数据源79可以将这些测量提供给控制器78或控制器80。

基于各种参考82和从传感器84接收的电流

，控制器80可以生成整流器延迟角用于控制整流器66。关于整流器延迟角

，注意到，LCI被设计为将有功功率从网60转移至电动机54或反之亦然。以最佳功率因数实现这个转移涉及整流器延迟角

和逆变器延迟角

。可以通过将例如正弦波调制应用于参考值来调制整流器延迟角

。可以在有限的时间量应用这个调制。在一个应用中，持续地应用该调制，但是调制的幅度变化。例如，当轴中不存在扭转振动时，调制的幅度可以是零，即没有调制仅仅是参考值。在另一个示例中，调制的幅度可以与轴的检测到的扭转振动成比例。

另一个控制器86可以用于为逆变器70生成逆变器延迟角

。调制逆变器延迟角

导致会引起直流环节电流调制的调制逆变器DC电压并且导致负载输入功率上的有功功率振荡。换句话说，仅仅调制逆变器延迟角以便实现扭转模式阻尼导致阻尼功率主要来自于存储在直流环节68中的磁能量。取决于旋转轴是被加速还是被减速，逆变器延迟角的调制导致旋转能量被转换成磁能量并且反之亦然。

此外，图4示出了用于整流器66的栅控制单元88和用于逆变器70的栅控制单元90，所述栅控制单元88和90基于从控制器80和86接收的信息直接地控制整流器和逆变器。可选传感器92可以定位成接近电动机54的轴以用于检测动态转矩分量，例如轴中出现的转矩或轴的扭转速度或轴的扭转加速度或轴的扭转位置。其他类似传感器92可以放置在电动机54和燃气轮机52之间或者燃气轮机52处。可以将关于测量的动态转矩分量的信息

（通过传感器92）提供给控制器78、80和86。图4还示出了将来自控制器78的信号加到由控制器80和86生成的信号的求和块94和96。

根据图5说明的示范实施例，扭转模式阻尼控制器78可以接收在LCI 62或逆变器70的输出91处测得的电流

和电压。基于这些值（没有关于电动机的轴的测量的转矩或速度或加速度的信息），计算电动机的气隙转矩并将其馈送进系统的机械模型。系统的机械模型可以通过表示机械系统的动态行为并将电参数链接到系统的机械参数的若干微分方程来表示。模型表示包括例如估计的惯性、阻尼和刚度值（其可以通过现场测量来验证）并且允许计算轴的动态行为，例如扭转振荡。因为主要地动态转矩分量的相位的精度对于扭转模式阻尼来说是相关的并且幅度信息或绝对转矩值不太重要，所以可以取得扭转模式阻尼的所需精度。

在这点上，注意到，电机的气隙转矩是传动系统的电气系统和机械系统之间的纽带。电气系统中的所有谐波和间谐波在气隙转矩中也是可见的。机械系统的固有频率处的间谐波可以激励扭转振荡并且潜在地导致机械系统中的动态转矩值超过轴的额定值。现有的扭转模式阻尼系统可以抵消这样的扭转振荡，但是这些系统需要表示电动机的动态转矩的信号并且从有效监控电动机的轴或沿电动机的轴安装的电动机的轴部件（例如齿轮）的传感器获取这个信号。根据示范实施例，不需要这样的信号，因为动态转矩分量是基于电气测量估计的。然而，正如随后将讨论的，一些示范实施例描述了其中系统的其他部件（例如燃气轮机）处可得到的机械测量可以用来确定沿机械轴的动态转矩分量的情形。

换句话说，根据示范实施例的优势是应用扭转模式阻尼而无需机械系统中的扭转振动感测。因此，可以应用扭转模式阻尼而不必在电气系统或机械系统中安装附加感测，因为可以以可比较的低成本买到电流电压和/或电流和/或速度传感器。在这点上，注意到，用于测量转矩的机械传感器对于高功率应用来说是昂贵的，并且有时不能将这些传感器添加到现有系统。因此，对于这样的情形不能实现现存的扭转模式阻尼解决方案，因为现存的扭转模式阻尼系统需要用于测量表示指示转矩的系统的机械参数的信号的传感器。相反，图5的示范实施例的方式是可靠的、成本高效的并且允许翻新改进现有系统。

当接收到图5所示的电流和电压时，控制器78可以生成适当的信号（针对和

中的一个或多个的调制）用于控制整流器延迟角和/或逆变器延迟角

。因此，根据图5示出的实施例，控制器78接收来自逆变器70的输出91的测量的电信息并且基于例如专利No.7,173,399中描述的阻尼原理来确定/计算各种延迟角。在一个应用中，可以将延迟角限定到狭窄的和定义的范围（例如2至3度），不会影响逆变器和/或变流器的操作。在一个应用中，可以将延迟角限定到仅一个方向(或者负或者正)以通过晶闸管的架空开启（overhead-firing）来防止换相失败。如图5所示，因为没有基于连接到电动机54的机械传动系统的测量信号（反馈）调节/验证各种角的校正，所以这个示范实施例是开环。此外，所执行的模拟示出了当启用控制器78时扭转振动的降低。图6示出了当停用控制器78时电动机54的轴的转矩的振荡100与时间的关系曲线，图7示出了当启用控制器78例如在时间40秒处生成阿尔法调制时如何减小/阻尼相同的振荡，同时以变速操作来操作机械传动系统并且在t=40秒处越过临界速度。两幅图描绘了y轴上模拟的转矩与x轴上时间的关系曲线。

根据图8说明的另一个示范实施例，控制器78可以被配置为基于从直流环节68获取的电量计算延迟角变化（调制）和/或中的一个或多个。更具体地，可以在直流环节68的感应线圈104处测量电流

并且可以将这个值提供给控制器78。在一个应用中，仅使用单个电流测量用于馈送控制器78。基于测量电流的值和系统的机械模型，控制器78可以生成上面所记录的延迟角变化。根据另一个示范实施例，可以基于在整流器66或逆变器70执行的电流和/或电压测量估计直流电。

可以基于闭环配置修改在关于图5和8讨论的任何实施例中由控制器78计算的延迟角变化。通过图8中的虚线110说明了闭环配置。闭环表明可以利用适当的传感器112来确定电动机54的轴的角位置、速度、加速度或转矩并且可以将这个值提供给控制器78。如果将一个传感器或多个传感器112提供给燃气轮机或沿图3所示的轴58的其他位置，则同样如此。

现在关于图9来讨论控制器78的结构。根据示范实施例，控制器78可以包括连接到处理器、模拟电路、可重配置的FPGA卡等等122的其中之一的输入接口120。元件122被配置为接收来自LCI 62的电参数并且计算延迟角变化。元件122可以被配置为存储机械模型128（关于图17更详细地公开）并将在输入接口120处接收的电气测量和/或机械测量输入机械模型128来计算电动机54的动态转矩分量中的一个或多个。基于一个或多个动态转矩分量，在阻尼控制单元130中生成阻尼控制信号并且接着将输出信号转发给求和块和栅控制单元。根据另一个示范实施例，控制器78可以是模拟电路、可重配置的FPGA卡或用于确定延迟角变化的其他专用电路。

在一个示范实施例中，控制器78连续地接收来自各种电流和电压传感器的电气测量并且基于根据电气测量计算的动态转矩分量连续地计算扭转阻尼信号。根据这个示范实施例，控制器不去确定轴中是否存在扭转振动而是基于计算的动态转矩值连续地计算扭转阻尼信号。然而，如果不存在扭转振动，则由控制器生成并发送到逆变器和/或整流器的扭转阻尼信号不影响逆变器和/或整流器，即由阻尼信号提供的角变化是可以忽略的或者是零。因此，根据这个示范实施例，仅当存在有扭转振动时，信号影响逆变器和/或整流器。

根据示范实施例，燃气轮机轴处的直接转矩或速度测量（或轴中的估计速度或转矩信息）使控制器能够与扭转振荡的扭转速率反相（counter-phase）地调制LCI中的能量转移。可以电子学方式调节发电机和LCI驱动之间交换的阻尼功率并且该阻尼功率可以具有与轴系统的固有频率相对应的频率。这个阻尼方法对于具有高Q因数的机械系统（即由具有高抗扭刚度的钢制成的转子轴系统）来说是有效的。另外，将振荡电转矩应用于电动机的轴并且具有与机械系统的谐振频率相对应的频率的这个方法使用很少的阻尼功率。

因此，可以基于LCI技术将上面讨论的控制器集成到驱动系统而不会使驱动系统过载。这便于新颖的控制器到新的或现有的功率系统的实现并且使它在经济上有吸引力。可以实现控制器而不必改变现有的功率系统，例如扩展岛网络中的LCI驱动的其中之一的控制系统。

如果LCI操作速度和转矩在大范围内改变，则扭转模式阻尼的效力可以取决于网侧（grid-side）变流器电流控制性能。扭转模式阻尼操作导致扭转固有频率处小的附加直流环节电流脉动。结果，在该频率处存在有两个功率分量：由于逆变器开启角（firing angle）控制导致的预期分量和由于附加电流脉动导致的附加分量。这个附加功率分量的相位和量值是系统参数、电流控制设置和操作点的函数。这些分量导致取决于电流控制的功率分量和取决于角度调制的分量。

根据示范实施例，可以通过控制器实现功率调制的两种备选方式。第一方式为直接使用网侧上的电流参考（要求快速电流控制实现），例如具有阻尼分量的

-调制。第二方式为调制网侧角度和机器侧角度，导致恒定的直流环节电流，例如具有阻尼频率分量的

-调制。网侧上的电流控制是这个阻尼控制的一部分，并且因此，电流控制不会抵消角度调制的效应。这样，阻尼效应更高并且独立于电流控制设置。

根据图10说明的示范实施例，系统50包括与图3和4示出的系统类似的元件。控制器78被配置为接收关于系统50的电动机54或负载56或燃气轮机（未示出）中的一个或多个的电气测量（如图4、5和8所示）和/或机械测量（参见例如图4和8或者图10中的传感器112和环节110）。仅仅基于电气测量或者仅仅基于机械测量或者基于两者的组合，控制器78生成控制信号用于将

-调制应用于整流器66。例如，通过

-调制实现电流参考调制，同时在逆变器70处维持

角不变。在图4和10两者中，例如通过

来表示

-调制。注意到，出于至少两个原因，这个

-调制与美国专利No.7,173,399中公开的

-调制不同。第一差异是在本示范实施例中从沿轴58的位置（即电动机54、负载56和/或燃气轮机52）获取机械测量（如果使用的话）而美国专利No.7,173,399使用电力发电机22（参见图2）的测量。第二差异是根据示范实施例，控制器78没有接收和使用机械测量用于执行-调制。

根据图11说明的示范实施例，存在有用于阻尼包括电机的压缩机组中的扭转振动的方法。该方法包括：接收与（i）驱动电机的变流器或（ii）压缩机组的参数有关的测量数据的步骤1100；基于测量数据计算电机的至少一个动态转矩分量的步骤1102；基于至少一个动态转矩分量为变流器的整流器生成控制数据用于阻尼压缩机组的轴中的扭转振荡的步骤1104；以及发送控制数据至整流器用于调制变流器和电机之间交换的有功功率的步骤1106。

根据图12说明的另一个示范实施例，系统50可以具有同时被控制（即

-调制和

-调制两者）用于阻尼扭转振荡的整流器66和逆变器70两者。正如图12示出的，控制器78为整流器控制器88和逆变器控制器90两者提供调制。基于（i）由电动机54、负载56和/或燃气轮机52的其中之一处的一个或多个传感器112测得的机械测量、（ii）如图4、5和8所示的电气测量、或者（i）和（ii）的组合，控制器78确定适当的调制。

更具体地，如接下来参考图13所讨论的，可以使

-调制和

-调制相关。图13示出了整流器66、直流环节68和逆变器70两端的代表性电压降。作为

-和-调制的结果，期望直流环节电流是恒定的。通过下式给出图13示出的相关联的电压降:

其中

是图12中的电力网60的电压线间（line to line）rms量值并且是电动机54的电压线间rms量值。基于整流器/逆变器结构来选择因数k，例如对于B6C配置的

。

通过求最后关系式对时间的微分并且强加

在时间上的变化为零的条件，在

-调制和

-调制之间获取下面的数学关系:

和，对于操作点周围小的信号变化来说该数学关系导致

。

正如例如图14示出的，基于这个最后关系式，同时执行-调制和

-调制两者。图14示出了在t₀=1.5秒周围增长的实际转矩200。注意到，在

和

之间没有应用

-调制202或

-调制204。在

处将激励206应用于

和

之间并且应用了调制202和204两者。在时间间隔到

的结束处，注意到，去掉了两个调制，并且由于机械传动系统的固有机械阻尼特性，转矩200的振荡呈指数减小。模拟这个示范性示例并且不在真实系统中测量这个示范性示例。因为这个原因，两个调制被严格控制，例如在

处开始并且在

处停止。然而，在-调制和

-调制的真实实现中，可以连续执行调制，其中调制的幅度基于扭转振荡的严重程度进行调节。这个组合的调制优于

-调制的优势是不存在对于不同操作点处的相位适应的需要并且LCI控制参数可以对阻尼性能没有影响。提供这个调制示例来说明调制两个延迟角对机械系统的影响。示出了将对机械系统的开环响应用于具有相反阻尼性能的扭转阻尼系统的模拟结果。

根据图15说明的示范实施例，存在有用于阻尼包括电机的传动系统中的扭转振动的方法。该方法包括：接收与（i）驱动电机的变流器或（ii）传动系统的参数有关的测量数据的步骤1500；基于测量数据计算电机的至少一个动态转矩分量的步骤1502；基于至少一个动态转矩分量为变流器的逆变器和整流器中的每一个生成控制数据用于阻尼传动系统的轴中的扭转振荡的步骤1504；以及发送控制数据至逆变器和整流器用于调制变流器和电机之间交换的有功功率的步骤1506。注意到，动态转矩分量包括与机械轴的一段有关的旋转位置、旋转速度、旋转加速度或转矩。还注意到，表述调制有功功率表达了在某个时刻调制的概念，即使在时间期间T上的平均有功功率为零。另外，如果使用VSI而不是LCI，则可以适当修改另一电量而不是有功功率。

根据图16说明的示范实施例，VSI 140包括整流器142、直流环节144和逆变器146，所述整流器142、直流环节144和逆变器146以这个顺序连接到彼此。整流器142接收来自电源148的栅压（grid voltage）并且可以包括例如基于自换相半导体器件的有源前端或二极管电桥。通过直流环节144中的电容器C对由整流器142提供的dc电压进行滤波和平滑。接着将经过滤波的dc电压施加于逆变器146，所述逆变器146可以包括生成将要施加于电动机150的ac电压的自换相半导体器件，例如绝缘栅双极晶体管（IGBT）。除了整流器控制器和逆变器控制器或者与整流器控制器和逆变器控制器集成以外，还可以为整流器142和逆变器146提供控制器152和154用于阻尼电动机150的轴上的扭转振动。整流器控制器153和逆变器控制器155被示出为连接到半导体器件中的一些半导体器件，但应当理解，所有半导体器件都可以连接到控制器。可以一起或单独地提供控制器152和154并且它们被配置为如关于图4和图5所讨论的那样，基于电气测量来确定动态转矩分量并且影响内置整流器和逆变器控制的控制参考，例如转矩或电流-控制参考。

根据图17说明的示范实施例，通用的多质量系统160可以包括具有相应的转动惯量

到

的“n”个不同质量。例如，第一质量可以对应于燃气轮机，第二质量可以对应于压缩机等等，而最后质量可以对应于电动机。假设电动机的轴不便于机械测量，例如旋转位置、速度、加速度或转矩。此外，假设燃气轮机的轴是可接近的并且可以在燃气轮机处直接测量上面所记录的机械参数的其中之一。在这点上，注意到，通常燃气轮机具有测量轴的各种机械变量以用于使燃气轮机免受可能的损害的高精度传感器。相反，常规的电动机不具有这些传感器或者即使存在一些传感器，它们的测量精度也很差。

整个机械系统的微分方程通过下式给出:

其中J（扭转矩阵）、D（阻尼矩阵）以及K（抗扭刚度矩阵）是将第一质量的特性（例如

、

、

、）连接到其他质量的特性的矩阵并且

是（例如通过电动机）应用于系统的外部（净）转矩。基于机械系统的这个模型，如果已知例如第一质量的特性，则可以确定第“n”个质量的转矩或其他动态转矩分量。换句话说，燃气轮机中设置的高精度传感器可以用来测量燃气轮机的轴的扭转位置、速度、加速度或转矩中的至少一个。基于这个测量值，可以通过系统的处理器或控制器78计算电动机（第“n”个质量）或传动系统的另一段的动态转矩分量，并且因此，正如上面已经讨论过的，可以为逆变器或整流器生成控制数据。

换句话说，根据这个示范实施例，控制器78需要接收来自连接到电动机的一个涡轮机的机械相关信息，并且基于这个机械相关信息，控制器能够控制变流器来生成电动机中的转矩以阻尼扭转振动。涡轮机不但可以是燃气轮机还可以是压缩机、膨胀器或其他已知机器。在一个应用中，对于执行阻尼来说电气测量不是必需的。然而，电气测量可以与机械测量结合用于实现阻尼。在一个应用中，应用阻尼的机器（阻尼机器）不便于机械测量并且通过在机械连接到阻尼机器的另一个机器上执行的机械测量来计算阻尼机器的动态转矩分量。

所公开的示范实施例提供了用于阻尼扭转振动的系统和方法。应当理解，本说明书不是用来限制本发明的。相反，示范实施例是用来覆盖包括在如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的备选、修改和等同物的。例如，可以将方法应用于其他电动机驱动的机械系统，例如大型水泵、抽水式水力发电厂等等。此外，在示范实施例的详细描述中，陈述了大量特定细节以便提供请求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，没有这样的特定细节也可以实施各种实施利。

尽管在实施例中以特定组合描述了本示范实施例的特征和元件，但是可以在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用每个特征或元件，或者可以与或不与本文公开的其他特征和元件进行各种组合来使用每个特征或元件。

本书面说明书使用公开的主题的示例来使得任何本领域技术人员能够实施所述示例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本主题的可取得专利权的范围由权利要求书来限定并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例意为在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种连接到变流器的扭转模式阻尼控制器系统，所述变流器驱动包括电机和非电机的传动系统，所述控制器系统包括：

输入接口，所述输入接口被配置为接收与所述变流器或所述传动系统的变量有关的测量数据；以及

控制器，所述控制器连接到所述输入接口并且被配置为，

基于来自所述输入接口的测量数据，计算沿所述传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量，

基于至少一个动态转矩分量，为所述变流器的逆变器和整流器生成控制数据以用于阻尼所述传动系统的轴中的扭转振荡，以及

发送所述控制数据至所述整流器和所述逆变器以用于调制所述变流器和所述电机之间交换的有功功率。

2.如权利要求1所述的控制器系统，其中所述控制数据α-调制所述整流器并且β-调制所述逆变器使得α-调制与β-调制相关。

3.如权利要求1或权利要求2所述的控制器系统，其中所述控制器被配置为在所述控制数据中插入将要应用于整流器延迟角和逆变器延迟角的正弦波或正弦半波。

4.如权利要求3所述的控制器系统，其中所述正弦波的幅度小于3度。

5.如前述的任何一项权利要求所述的控制器系统，其中所述控制器被配置为连续执行所述整流器的α-角度调制和所述逆变器的β-角度调制。

6.如前述的任何一项权利要求所述的控制器系统，其中所述控制器被配置为仅基于与所述变流器的电变量有关的测量数据生成所述控制数据。

7.如前述的任何一项权利要求所述的控制器系统，其中所述控制器被配置为仅基于与所述传动系统的机械变量有关的测量数据生成所述控制数据。

8.如前述的任何一项权利要求所述的控制器系统，其中所述控制器被配置为仅基于与除所述电机之外的传动系统的机械变量有关的测量数据生成所述控制数据。

9.一种用于驱动作为传动系统的一部分的电机的系统，所述系统包括：

整流器，所述整流器被配置为接收来自电源的交流电并且将所述交流电转换为直流电；

直流环节，所述直流环节连接到所述整流器并且被配置为传输所述直流电；

逆变器，所述逆变器连接到所述直流环节并且被配置为将所接收的直流电转变为交流电；

输入接口，所述输入接口被配置为接收与所述变流器或所述传动系统的变量有关的测量数据；以及

控制器，所述控制器连接到所述输入接口并且被配置为，

基于来自所述输入接口的测量数据，计算沿所述传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量，

基于所述至少一个动态转矩分量，为所述整流器和所述逆变器生成控制数据以用于阻尼所述机械系统的轴中的扭转振荡，以及

发送所述控制数据至所述整流器和所述逆变器以用于调制所述变流器和所述电机之间交换的有功功率。

10.一种用于阻尼包括电机的传动系统中的扭转振动的方法，所述方法包括：

接收与(i)驱动所述电机的变流器或(ii)所述传动系统或(iii)所述变流器和所述传动系统两者的变量有关的测量数据；

基于测量数据，计算沿所述传动系统的轴的一段的至少一个动态转矩分量；

基于所述至少一个动态转矩分量，为所述变流器的逆变器和整流器生成控制数据以用于阻尼所述传动系统的轴中的扭转振荡；以及

发送所述控制数据至所述整流器和所述逆变器以用于调制所述变流器和所述电机之间交换的有功功率。(ADR/Pa)

Images