CN103452773A - 用于传动系组件中的扭振减振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于特别是能量产生设备（100、200）中的传动系组件（101）中、特别是传动装置中的扭振减振的方法，其中传动系组件（101）具有输入轴（110）和输出轴（111），其中在传动系中与输入轴（110）的转速（113）和输出轴（111）的转速（114、103）之间的差相关地来调节输出侧的负载（102）。

Description

用于传动系组件中的扭振减振的方法

技术领域

本发明涉及一种用于特别是能量产生设备中的传动系组件中的扭振减振的方法，以及涉及一种用于执行该方法的计算单元。

背景技术

由例如传动装置、联轴器和连接元件（轴）等组件组成的传动系是不同的电能产生设备、例如风能设备、水力设备等的重要组成部分。传动系完成下述任务：建立在驱动装置（例如风能设备的转动件）和从动装置（例如相应的发电机）之间的机械连接，借助该机械连接通过转动来传递能量。传动系组件、例如传动装置用于将在驱动装置上存在的转速和转矩转换成相应于发电机的工作范围的值。在需要驱动装置和从动装置之间分开时使用联轴器，并且轴建立了所涉及的组件之间的机械连接。其它组件、如机械制动器等也能内置在传动系中。

因为涉及的组件不能任意刚性地制造，而是具有有限的刚性，所以组件会被激励产生固有振动。这种激励例如可以通过非恒定的输入功率（在风能设备中例如由于暴风或者说阵风或风扰动）、通过外部干扰或者通过其它设备组件的固有运动实现。其它来源的振动也能导致传动系中的振动，例如在风能设备中的塔振动或者基于传动装置的齿轮啮合振动。

振动对所涉及的组件、特别是传动装置的使用寿命产生不利影响。持续的脉动负荷（Schwellbelastung）提高了相关部件的磨损并导致了更短的更换间隔，这对设备和网络运营商意味着经济上和技术上的负担并减小设备收益。特别是从风能设备在海面区域在预计将来可能发展越来越多的角度看，这方面越来越重要，因为在那里进一步使得受损的组件的更换更为困难。因此，提出了减小振动以延长组件的使用寿命的目标。

为了避免振动，可以使用其负荷可调节的发电机。例如，在此发电机可以是双馈异步发电机，该双馈异步发电机在定子侧直接与电网连接并且在转子侧通过中间直流电路供给，由此不同频率和振幅的电压和电流可以作用于转子。在现有技术中还使用了同步发电机，该同步发电机通过整流器利用中间直流电路连接在电网上，并可以相应地进行调节。由于所述调节可能性可以为发电机预定转矩，该转矩与造成损坏的振动相匹配，由此转矩减小了该振动且相应地阻尼了在传动系中存在的扭矩。

因此从DE 10 2007 019 907 B4已知了一种方法，该方法根据发电机转速通过能振动的减速元件形成了控制差，由此确定了用于发电机控制的校正扭矩。

在US 2008/0067815中描述了类似的方法，据此由发电机转速的变化产生一信号，通过该信号通过发电机调整扭矩实现了减震。

这些解决方案的缺点在于，扭矩的造成损坏的振动仅以受限的精确性来查明，且因此也限制了补偿过程的质量。由转速来查明振动特别是具有显著的不精确性。

在DE 10 2009 059 669 A1中描述了由转动件和发电机位置之间的角度差来确定并阻尼传动系中的扭矩。然而为此必须非常精确地已知传动系的刚性。

因此值得期待的是，尽可能简单且有效地阻尼传动系组件中的扭振。

发明内容

根据本发明提出了一种具有权利要求1的特征的方法。有利的设计方案是从属权利要求以及随后的说明书的主题。

虽然本发明在该申请的框架内特别是参考风能设备进行描述，但是本发明绝不局限于风能设备或用于能量产生的设备，而是原则上可用于所有下述装置，其中可能出现轴、轴系等的扭振，特别是具有中间连接的传动装置的轴和轴系的扭振。

在本发明的框架内提出了如何能够简单且有效地阻尼传动系组件中的扭振的可能性。特别有利地，本发明利用简单的转速测量就足够了，为此在大多数设备中本身就存在或者可容易地加装传感器。不必已知刚性。该方案相对于传动系的数学模型中的风险是稳定的。

通过输出侧的负载的变化，将传动系组件、特别是传动装置的输入轴和输出轴之间的转速差调节至额定值，特别是调节至零（当传动比为1时或者利用传动比对测得的转速进行标准化时）或者调节至与传动装置的传动比相应的值。有利地形成调节电路，其中转速差作为调节参量，并且用于输出侧的负载的附加的负荷值作为控制参量。

可特别简单地测得转速差，这是特别有利的。一方面测得在整个传动系组件上的振动，由此能够通过干预负载而有效地阻尼振动。另一方面，转速差为与扭矩的时间导数成比例的数值，因此由于较快的调节反应（如在现有技术中流行的那样）所以不需要测量信号的额外的微分。测量信号的随后的微分的缺点在于，测量噪声（Messrauschen）必然增大，这对产生的调节信号的质量以及进而对调节质量产生负面作用。

可以有利地通过简单的比例调节器（P-调节器）实现适合用于本发明的调节器。更优选使用额外的转速适配地和非适配的过滤器，该过滤器引起调节质量的明显改善。因此，特别是可以从传动系组件中的齿轮接触中过滤出激励的齿轮啮合频率，否则该齿轮啮合频率也会被增强，这会导致发电机上的高频率的转矩走向并且进而也会导致由发电机产生的功率的高频波动。适合的过滤器特别是点阻滤波器（Kerbfilter）（notch filter）、即窄带的阻挡滤波器，其抑制频率与传动系中测得的转速的倍数相匹配。相应的倍数有利地相应于在传动系组件中、例如传动装置中出现的齿轮啮合频率来确定。

在另一种实施方案中，替代转速差还可以测量加速度差并通过积分来求得转速差。在此适合的是，在各个测量地点，例如在传动装置输入侧在风能设备的主轴上设置至少两个传感器，以便补偿干扰信号、如引力作用或弯曲振动，并且因此对调节来说不可见。

虽然基本上参考转速描述本发明，但是本发明以相同的方式同样适合于扭矩或其差。在此特别是可以有利地使用扭矩的测量、例如通过应变计。也可以设想在传动装置输入处和传动装置输出处形成扭矩或扭矩的差并提供给调节器。

为了进行测量信号检测提供了多种可能性。在能量产生设备中通常已知驱动侧和/或传动侧上的转速。在驱动侧上、例如在转速可变的风能设备的转动件中通过转速传感器记录转速并传输至设备调节器，该设备调节器以该值为基础来控制或调节设备的运行。在发电机侧上可以由发电机中的电参量导出转速，而不是同样通过转速传感器来查明该转速。在一些设备中常见的是，仅查明发电机侧上的转速并输送到设备控制或调节装置中。

在该申请的框架中，“转动件”是指能量产生设备的、例如通过水或风加载且激励的部件。相反，发电机中移动的部件称为术语“转子”。

如果输出侧的负载是发电机，则发电机转速可用作输出轴的转速，该发电机转速可通过发电机上原本存在的转速传感器测得。在此优点是，使用的调节器的随后的非常简单的设计，因为其涉及所谓的并设系统，也就是说，测量和调节干预的地点是相同的。因此在成比例的测量信号反馈时和忽略在测量和调节参量影响之间的时间延迟的情况下始终出现稳定的闭合的调节电路。

如果不考虑发电机上转速传感器的分析或者不存在这种转速传感器，则可以直接通过额外的传感装置确定输出轴的转速。要注意的是，输出轴和发电机轴之间在能量产生设备中通常存在的联轴器和制动盘会显著影响系统动力。因此，当联轴器和制动盘引起调节器带宽范围内额外的固有频率时，有利地应该在调节器设计时考虑到联轴器和制动盘。由于测量信号和调节信号的不同地点提到了非并设的系统，对简单的调节器来说该非并设的系统不再保证稳定的调节性能。在这种情况下有利地使用基于模型的调节器，因为该调节器能同时考虑到这些影响。为此所需的数学模型可以或者基于根据测量信号的理论推导、系统识别得到或者由多体模拟得到。这些模型形成方法的组合也是可行的。

此外，合适的备选方案是使用现有的传感器，以便推断出转动件侧或者说传动装置输入侧的加速度或扭矩。

对加速度来说，例如可以使用轴柜（Achsschränke）中的加速度传感器或者电动子插孔中螺距系统（Pitchsystem）的控制设备。此处的优点是，这种系统大多出于安全原因是内置的且因此已经是冗余的，即在多次实施中使用。随后可以通过积分由查明的转动件加速度再次推断出转动件转速。

根据本发明的计算单元，例如能量产生设备的控制器特别是在程序技术方面设置用于执行根据本发明的方法。计算单元作为用于测量信号处理和调节器信号产生的设备特别是设计用于，特别是通过相应地触发发电机，基于输入轴的转速和输出轴的转速之间的差来调节传动系中的负载。

作为用于提出的减震设计方案的一体的实施方案，提出了配备有加速度传感器、转速传感器和/或扭矩传感器的传动装置，该传动装置与这种计算单元一起本身智能地适配于环境、例如风能设备，并且提供用于风能设备中的其它可能的执行器的以及发电机转矩的调节信号，以便减小振动，该振动可能会缩短传动装置的使用寿命。

由说明书和附图得到本发明的其它优点和设计方案。

当然，在不背离本发明的范围的情况下，此处所述的和随后仍将说明的特征不仅能在各个给出的组合中使用，而且也能在其它组合中或单独地使用。

本发明根据实施例在附图中示意性示出并且在下文中参考附图进行详细描述。

附图说明

图1示出了根据本发明的风能设备的第一种优选实施方案；

图2示出了根据本发明的风能设备的第二种优选实施方案。

具体实施方式

图1和图2中相同的元件具有相同的附图标记。在此分别在框图中示意性地示出了根据本发明的风能设备的优选实施方案且分别整体以100或200标注。

示出了风能设备100、200的转动件109和发电机102，它们通过由转动件输出轴110、传动装置101、轴111组成的传动系必要时利用联轴器（Kupplung）机械地彼此连接。转动件安置在传动系的转动件侧的端部上，发电机安置在发电机侧的端部上。发电机102配备有转速传感器108（旋转脉冲发生器），该转速传感器检测发电机转速103并传输至计算单元105，该计算单元设置用于控制风能设备且因此称为“设备控制装置”。设备控制装置105设置用于通过调节信号104来影响发电机102的功率下降，该调节信号特别是相应地触发整流器和/或发电机的转子。

图1中，在传动装置的输入侧布置了第一传感器106且在输出侧布置了第二传感器107，该第一和第二传感器分别检测测量信号113、114（特别是一系列测量值）并传输给减振调节器112，在减振调节器中确定用于发电机102的干预措施（Eingriff）115，并传输至设备控制装置105。特别是由减振调节器112中检测到的测量信号113和114计算出用于发电机的附加的调整扭矩115作为干预措施并传输至设备控制装置105。该设备控制装置使发电机的额定负荷转矩与附加的调整扭矩相叠加。例如，发电机的额定负荷转矩可以源自于可在风能设备中实施的功率和/或转速调节。要指出的是，减振调节器112在该实施方案中可实施为设备控制装置105的一部分。测量信号113和114优选是转速信号，然而也可以是加速度信号或扭矩信号。

减振调节器112设置用于，在考虑传动装置101的传动比的情况下确定了作为传动装置101的输入轴的转动件输出轴110的转速113和作为传动装置101的输出轴的轴111的转速114之间的转速差。“在考虑传动比的情况下”意味着，转速差理论上为零。减振调节器112还设置用于，将该转速差调节为额定值，该额定值优选为零。即可以认定，当不存在转速偏差时，通过传动装置的扭振是最小的。通过这种方式可以使得通过传动系组件、例如此处是传动装置的扭振减振。在这种情况下，减振调节器的设计优选根据用于非并设的（nicht－kollokiert）系统的附件实现且例如具有基于模型的调节器。替代转速差还可以将测得的扭矩差或者单独测量的扭矩调节为零。

图2示出了风能设备200，其中在轴111上不存在传感器。替代于此将发电机转速103输送给减振调节器212。

在此减振调节器212设置用于，在考虑参与的传动比的情况下确定了作为传动装置101的输入轴的转动件输出轴110的转速113和在某种程度上可以说作为传动装置101的输出轴的发电机102的转速103之间的转速差。此外，减振调节器212设置用于，将该转速差调节至额定值，该额定值优选为零。即可以认定，当不存在转速偏差时，传动装置输入轴和发电机轴之间的扭振是最小的。通过这种方式可以使得通过传动系组件、例如此处是传动装置和发电机轴的扭振减振。在这种情况下，减振调节器的设计优选根据用于并设的（kollokiert）系统的附件实现且例如具有P调节器。

Claims (13)

1.一种用于特别是能量产生设备（100、200）中的传动系组件（101）中、特别是传动装置中的扭振减振的方法，其中所述传动系组件（101）具有输入轴（110）和输出轴（111），其中在传动系中与所述输入轴（110）的转速（113）和所述输出轴（111）的转速（114、103）之间的差相关地来调节输出侧的负载（102）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过调节所述输出侧的负载（102）将转速差调节为额定值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在考虑传动比的情况下确定所述转速差，其中所述额定值为零。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，特别是借助于传感器（106、107、180）来测量所述输入轴（110）的转速（113）和/或所述输出轴（111）的转速（114、103）。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，特别是借助于传感器（106、107、180）来测量所述输入轴（110）的加速度和/或所述输出轴（111）的加速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，借助于至少两个传感器来测量所述输入轴（110）的加速度和/或借助于至少两个传感器来测量所述输出轴（111）的加速度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，替代所述转速而使用扭矩，并且其中，替代所述转速差而使用扭矩或扭矩差。

8.根据权利要求中任一项所述的方法，其中，使用带阻滤波器、特别是点阻滤波器，其抑制频率与所述传动系中测得的转速相关地进行调节。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为输出侧的负载来调节发电机的负荷转矩。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，设定附加的调整扭矩用于所述负荷转矩。

11.计算单元（112、212、105），所述计算单元设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

12.传动系组件（101），所述传动系组件具有：输入轴（110）和输出轴（111）；用于检测所述输入轴（110）的转速（113）、加速度或扭矩的第一传感器（106）和/或用于检测所述输出轴（111）的转速（114、103）、加速度或扭矩的第二传感器（107）；和根据权利要求11所述的计算单元（112、212、105）。

13.能量产生设备（100、200）、特别是风能设备，其具有根据权利要求11所述的计算单元（112、212、105）和/或根据权利要求12所述的传动系组件（101）。