CN111894805B

CN111894805B - 针对发电机的位置和速度计算

Info

Publication number: CN111894805B
Application number: CN202010372296.5A
Authority: CN
Inventors: N.M.A.弗赖雷
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2040-05-06
Also published as: CN111894805A; EP3736970A1; US20200358384A1

Abstract

提供了一种用于计算发电机（100）的转子（103）的位置和/或速度的电路（200）。电路（200）包括：输入端口（201），其用于接收表示发电机（100）的齿槽转矩的振动输入信号（202）；速度观测器模块（210），其连接到输入端口（201），并产生齿槽位置信号（214）和齿槽频率信号（215）作为输出；转子速度模块（220），其接收齿槽位置信号（214）和齿槽频率信号（215）作为输入，并产生转子位置信号（221）和转子速度信号（222）作为输出。

Description

针对发电机的位置和速度计算

技术领域

本发明涉及一种用于计算发电机转子的位置和速度的方法和装置。此外，本发明涉及包括发电机和用于计算发电机转子的位置和速度的装置的风力涡轮机。

背景技术

风力涡轮机通常包括具有连接到其上的叶片的风力转子和发电机，特别是具有机械地连接到风力转子的发电机转子的高功率永磁同步电机。风力涡轮机可以进一步包括连接到发电机的变流器。

对转子速度和位置的了解是控制永磁同步电机的要求。通常采用估算方法来避免额外的传感器并降低硬件要求，这些方法在变流器控制系统中实施，并要求变频器处于操作中。在风力涡轮机中，变流器操作通常在给定的转子速度（即所谓的“切入速度”）以上启动。因此，发电机与变流器的同步通常需要附加的硬件，即速度传感器和/或电压传感器。事实上，在变流器操作期间不需要这些传感器，而只需要通过避免由于错误的转子位置导致的大转矩扰动来确保发电机平稳启动。启动时可能会听到转矩扰动，这是与噪音有关的问题。此外，部件疲劳可能会增加，并且涡轮寿命会缩短。

作为上述解决方案的更具成本效益的替代方案，本公开提出在不涉及由速度/位置和电压传感器输出的信号的情况下估计转子的速度和位置。

发明内容

根据独立权利要求的主题满足了上述目的。通过从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于计算发电机转子的位置和/或速度的电路。该电路包括：

输入端口，其用于接收表示发电机的齿槽转矩的振动输入信号，

速度观测器模块，其连接到输入端口并产生齿槽位置信号和齿槽频率信号作为输出，

转子速度模块，其接收齿槽位置信号和齿槽频率信号作为输入，并产生转子位置信号和转子速度信号作为输出。

在本发明的上下文中，“电路”或“模块”可以被实施为被配置和布置成用于实施指定的操作/活动的硬件电路和/或可编程逻辑电路。在可能的实施例中，可编程电路可以包括被编程为执行一组（或多组）指令（和/或配置数据）的一个或多个计算机电路。指令（和/或配置数据）可以呈存储在存储器（电路）中且可从存储器（电路）访问的固件或软件的形式。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于计算发电机转子的位置和/或速度的方法。该方法包括：

从加速度输入信号导出发电机的齿槽转矩信号，

基于齿槽转矩信号产生齿槽位置信号和齿槽频率信号，

缩放和/或偏移齿槽位置信号和齿槽频率信号，以用于产生转子位置信号和转子速度信号。

该方法可以在硬件和/或软件中实施，并且可以特别地由风力涡轮机控制器或一般地由发电机控制器来执行。发电机特别地可以是或包括永磁同步电机，在永磁同步电机中，多个永磁体附接到相对于定子旋转的转子，定子具有至少一组定子绕组，例如一组或多组三相定子绕组。发电机可以被包括在风力涡轮机中。

有利地，本发明允许通过使用加速度计信号进行速度估计作为速度和电压传感器的替代。可以使用加速度计，加速度计安装在风力涡轮机上，以便还提供独立于估计转子的速度和位置的其他功能。例如，对直接驱动风力涡轮机中转矩波动的闭环控制通常需要加速度计。因此，本发明提供了降低成本的可能性。本发明允许避免借助于测压元件和应变测量仪直接测量齿槽转矩，这可能是昂贵且不可靠的。

根据本发明的实施例，加速度计相对于发电机的定子固定。特别地，加速度计可以固定到发电机的旋转轴承的静止环。加速度计可以沿测量发电机主轴承的静止环的切向或径向或其他方向的加速度。振动信号可以包括发电机的基本电频率的一个或多个高次谐波，基本频率特别地与相对于固定定子旋转的发电机转子的旋转频率相关。

现在参考附图描述本发明的实施例。本发明不限于图示或描述的实施例。

本发明的上面限定的方面和其他方面从下文将要描述的实施例的示例是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明实施例的风力涡轮机；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的用于控制发电机的装置；

图3示出了用于图示本发明实施例的电路和方法的框图；

图4示出了用于图示本发明的曲线图。

具体实施方式

附图中的图示呈示意性的形式。注意，在不同的图中，相似或相同的元件设置有相同的附图标记。

图1以局部示意性形式图示了风力涡轮机10。风力涡轮机包括毂13，多个转子叶片15连接到毂13。毂机械地连接到主轴17，主轴17的旋转通过任选的齿轮箱转换成副轴的旋转，其中，齿轮箱可以是任选的，在这种情况下，风力涡轮机可以是直接驱动风力涡轮机（如图1所示）。主轴17或副轴驱动发电机100，发电机100特别地可以是向变流器（附图中未示出）提供功率流的同步永磁发电机，其用于将来自发电机100的可变AC功率流转换成固定频率AC功率流，该AC功率流将被提供给连接到变流器的公用电网（附图中未示出）。

图2示意性地更详细地图示了发电机100，发电机100包括定子105和相对于定子105布置在外部的转子106。根据本发明的其他实施例（未示出），转子可以相对于定子105布置在内部。转子106围绕还限定发电机100的轴向方向X的旋转轴线旋转。垂直于轴向方向X，限定了径向方向Y和切向方向Z。定子105围绕旋转轴线X布置，并且包括未图示的定子轭，该定子轭具有沿切向方向Z间隔开的齿和槽。围绕所述齿，布置了多个未示出的导体绕组。转子106借助于旋转轴承108固定地连接到主轴107，旋转轴承108具有固定到定子105的静止环109和固定到转子106（即主轴17）的旋转环（未示出）。在所附图2的实施例中，其中，转子106相对于定子105布置在外部，静止环109是发电机100的旋转轴承108的内环。加速度计111被固定并安装在静止环109上的任何位置处。加速度计111可以被安装成用于测量振动信号202。加速度计111可以被安装成用于测量沿切向方向Z的振动信号202。根据本发明的另一个实施例，加速度计111可以被安装成用于测量沿径向方向Y的振动信号。根据本发明的其他实施例，加速度计111可以被安装在定子105上的其他位置上，例如定子板上，定子板通常设置在定子105的轴向端部处。

发电机100通常示出齿槽转矩T_cog，其在机械周期内周期性地变化：

其中，m是定子105的槽数（Ns）和极数（Np）的最小公倍数，k是在1和无穷大之间变化的整数，T_k是取决于转子106和定子105的几何形状的多个常数，并且θ是转子机械位置。齿槽转矩T_cog由气隙磁阻随转子位置的变化产生，换句话说，由磁体和定子齿之间的相互作用产生（当定子105未被激励时）。根据本发明，振动信号202被用作输入信号，其是对齿槽转矩T_cog的良好表示。这一点通过实验观察得到证实。

图3示意性地图示了硬件或逻辑电路200以及用于计算转子103的位置和/或速度的方法的可能实施方式。电路200包括输入端口201，用于接收由加速度计111测量的振动输入信号202。电路200还包括连接到输入端口201并接收振动输入信号202的带通滤波器205，用于产生处于感兴趣的频率范围的振动滤波信号203作为输出。振动滤波信号203作为输入被提供给速度观测器模块210，用于产生齿槽位置信号214和齿槽频率信号215作为输出。根据本发明的实施例，速度观测器模块210可以是锁相环（PLL）。根据本发明的其他实施例，可以选择另一个合适的电路来计算齿槽位置信号214和齿槽频率信号215。振动滤波信号203被进一步提供给移相器207，移相器207接收齿槽频率信号215作为另外的输入。移相器207产生相移振动信号204作为输出。速度观测器模块210包括两个输入端口208、209，分别用于接收振动滤波信号203和相移振动信号204。相移振动信号204相对于振动滤波信号203移位90°。替代地，根据本发明的其他实施例，移相器207不存在，并且只有振动滤波信号203作为输入被提供给速度观测器模块210。电路200还包括转子速度模块220，其接收齿槽位置信号214和齿槽频率信号215作为输入，并产生转子位置信号221和转子速度信号222作为输出。在获得齿槽位置信号214和齿槽频率信号215之后，这些信号在转子速度模块220中被相应地缩放。可以附加位置偏移。要在转子速度模块220中执行的操作步骤的参数可以借助于FEM模拟或实验获得。

在图4的图表300中示出了对转子106的速度的实验结果322与转子速度信号222的比较。显然，本发明高效地允许利用估计的转子速度信号222来代替转子106的直接测量的速度。这同样适用于转子106的位置。

当发电机100处于开路时，即当发电机100低于所谓的“切入速度”并且变流器被切断时，逻辑电路200可以被激活。逻辑电路200可以在需要发电机100和变流器之间的连接时被激活，即在切入速度下或在达到“切入速度”之前立即被激活。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”或“一”不排除多个。还可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于计算发电机（100）的转子（103）的位置和/或速度的电路（200），所述电路（200）包括：

输入端口（201），其用于接收表示所述发电机（100）的齿槽转矩的振动输入信号，

速度观测器模块（210），其连接到所述输入端口（201），并产生齿槽位置信号（214）和齿槽频率信号（215）作为输出，

转子速度模块（220），其接收所述齿槽位置信号（214）和所述齿槽频率信号（215）作为输入，并产生转子位置信号（221）和转子速度信号（222）作为输出，其中，所述电路（200）还包括连接在所述输入端口（201）和所述速度观测器模块（210）之间的带通滤波器（205），其中，所述速度观测器模块（210）是锁相环电路模块，并且所述电路（200）还包括连接在所述带通滤波器（205）和所述速度观测器模块（210）之间的移相器（207），所述移相器（207）接收所述齿槽频率信号（215）作为输入，所述速度观测器模块（210）包括分别连接到所述移相器（207）和所述带通滤波器（205）的两个输入端口（208、209）。

2.一种风力涡轮机（10），包括发电机（100）和根据权利要求1所述的电路（200）。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机（10），其中，所述风力涡轮机（10）包括相对于所述发电机（100）的定子（105）固定的加速度计（111），所述加速度计产生所述振动输入信号。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机（10），其中，所述加速度计（111）固定到所述发电机（100）的旋转轴承（108）的静止环（109）。

5.一种计算发电机（100）的转子（103）的位置和/或速度的方法，所述方法包括：

从振动输入信号导出所述发电机（100）的齿槽转矩信号，

基于所述齿槽转矩信号产生齿槽位置信号（214）和齿槽频率信号（215），

缩放和/或偏移所述齿槽位置信号（214）和所述齿槽频率信号（215），以用于产生转子位置信号（221）和转子速度信号（222），

其中，所述齿槽位置信号（214）和所述齿槽频率信号（215）是在锁相环电路（210）中产生的，所述锁相环电路接收滤波振动输入信号和相对于所述滤波振动输入信号具有相移的第二信号（204）作为输入。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二信号（204）相对于所述滤波振动输入信号具有90°的相移。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的方法，其中，当所述发电机（100）处于开路时，激活所述方法。