DE102010019732B4

DE102010019732B4 - Einrichtung und Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung

Info

Publication number: DE102010019732B4
Application number: DE201010019732
Authority: DE
Inventors: Zen-Jey Guey; Yun-Yuan Chang
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2030-05-08
Also published as: TWI404942B; DE102010019732A1; US8990031B2; US20110144929A1; TW201120461A

Abstract

Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung, die umfasst: einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchrongenerator (PMSG); und einen maschinenseitigen Wandler, der mit einer dreiphasigen Statorwicklung des dreiphasigen PMSG verbunden ist und eine Steuerungseinheit aufweist, welche zuerst Orientierungsströme zum Orientieren eines Rotors des dreiphasigen PMSG an die dreiphasige Statorwicklung ausgibt, um den Rotor an eine vorbestimmte Orientierung zu drehen und anschließend Impulsströme an eine erste Phase der Statorwicklung und eine zweite Phase der Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung ausgibt, um den Rotor mechanisch anzuregen; wobei die Steuerungseinheit eine gegenelektromotorische Kraft beschafft, die an einer dritten Phase der Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung aufgrund der mechanischen Anregung des Rotors erzeugt wird, um eine Torsionsresonanzfrequenz einer Leistungsausrüstung mit einem rotierenden Element entsprechend einem Frequenzspektrum der gegenelektromotorischen Kraft zu berechnen.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Einrichtungen und Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung, die auf rotierende Elemente angewendet werden, und insbesondere eine Einrichtung und ein Verfahren, welche die Torsionsresonanzfrequenz eines rotierenden Elements, das in einem uneingeschränkt freien Antriebsstrang frei gelagert ist, durch Stoßanregung unter Verwendung eines maschinenseitigen Wandlers messen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Aufgrund der Erschöpfung fossiler Kraftstoffe und wegen Umweltbedenken haben sich in den letzten Jahren viele Länder auf die Entwicklung von Leistungserzeugung durch Wind konzentriert. Um elektrische Leistung zu erzeugen, verfügen die Windturbinen über rotierende Flügel, die vom Wind angetrieben werden, welche die Windkraft in mechanische Leistung umsetzen, und die mechanische Leistung wird dann durch einen elektrischen Generator in elektrische Energie umgesetzt, und die elektrische Energie wird schließlich durch einen Leistungswandler in eine geeignete Form umgeformt und Lasten zugeführt, wie etwa Straßenbeleuchtungen, Energiespeichereinrichtungen, wie etwa Batterien, oder einem Leistungsübertragungs- und Verteilungssystem. Im Allgemeinen werden Windturbinen, die elektrische Energie an Lasten und Energiespeichereinrichtungen einspeisen, als nicht netzgebundene Windturbinen beschrieben, und Windturbinen, welche elektrische Energie in Leistungsübertragungs- und Verteilungssysteme einspeisen, werden als netzgebundene Windturbinen beschrieben. Die meisten aktuellen großen Windturbinen sind netzgebundene Windturbinen.
Da Windturbinen im Betrieb zufällige und turbulente Windlasten aushalten müssen, sind sie oft von Vibrations- und Geräuschproblemen betroffen. Wenn rotierende Maschinen mit großen Leistungsgeneratoren oder Antriebsmotorausrüstungen (wie etwa netzgebundene Windturbinen mit großer Leistung) verwendet werden, ist die Torsionsvibration entlang des Antriebsstrangs ein bedeutender Faktor, der eine Beschädigung des Elements und Geräusche verursacht. Es ist daher ein wichtiges Thema geworden, wie man Vibrationen und Geräusche von Windturbinen unterdrückt.
Im Hinblick auf die vorstehenden potentiellen Probleme sollte die Torsionsresonanzfrequenz einer Windturbine beschafft werden, um den Betriebszustand der Windturbine zu bestimmen. In der Technik gibt es verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur Torsionsresonanzfrequenzmessung. Während eines normalen Betriebs sind im Allgemeinen zwei Enden einer Getriebewelle (Rotor) für eine Windturbine in einer uneingeschränkt freien Weise frei gelagert. Die Torsionsresonanzfrequenz einer derartigen Windturbine wird gewöhnlich durch eine Stoßanregung, eine Torsionsrüttleranregung, ein Laufen bei variablen Frequenzen und so weiter gemessen, wobei das Verfahren der Stoßanregung sehr einfach und schnell ist und am häufigsten verwendet wird.
1 ist eine Zeichnung, die das herkömmliche Stoßanregungsverfahren zum Messen der Torsionsresonanzfrequenz eines Antriebsstrangs zeigt. Mit Bezug auf 1 verwendet das Verfahren ein Signalanalysegerät 1, ein Beschleunigungsmessgerät 2 und einen Hammer 3. Um die Torsionsresonanzfrequenz eines Antriebsstrangs zu messen, wird mit dem Hammer 3 auf eine Getriebewelle 5 eines Permanentmagnet-Synchrongenerators (PMSG) geschlagen, um ein Impulsdrehmoment zu erzeugen, und Vibrationssignale werden von dem Beschleunigungsmessgerät 2 aufgenommen und Signale, die von dem Hammer 3 und dem Beschleunigungsmessgerät 2 ausgegeben werden, werden durch das Signalanalysegerät 1 abgetastet und berechnet, um die Torsionsresonanzfrequenz des Antriebsstrangs herauszufinden.
Es gibt jedoch einige Nachteile bei der Verwendung eines derartigen Stoßanregungsverfahrens. Beispielsweise müssen bei der Messung der Antriebsstränge der Windturbinen Präzisionsprüfinstrumente und Messwerkzeuge, etwa das Beschleunigungsmessgerät und der Hammer, vom Wartungspersonal zu dem Ort transportiert oder getragen werden, an dem sich eine Windturbine befindet, und die Getriebewelle eines Leistungsgenerators muss von dem Hammer getroffen werden, um ein Impulsdrehmoment zu erzeugen. Da große Windturbinen jedoch gewöhnlich an höheren Orten installiert sind und die meisten Windturbinen oder Windauffangeinrichtungen allgemein auf fernen Bergen, an der Küste oder sogar auf vor der Küste gelegenen Inseln installiert sind, um einen bevorzugten Windauffangeffekt zu erreichen und Geräuschbelästigung zu vermeiden, führt die Durchführung einer Messung vor Ort zu hohen Kosten und Zeitverschwendung. Außerdem stellen Windturbinen hoch über dem Boden ein potentielles Sicherheitsrisiko für Wartungspersonal vor Ort bereit.
In der US 2005/0193821 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen einer Torsionsvibration auf eine sich drehende Maschine offenbart.
Die US 6,034,493 A offenbart eine Steuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
In der DE 27 34 396 C3 ist ein Verfahren zur Überwachung von Torsionsschwingungen an Wellen von Turbosätzen sowie ein Messgerät zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
Die US 4,793,186 A offenbart die Überwachung einer Anregungswelle für Torsionsvibrationen.
Aus der US 2008/0106224 A1 ist eine sensorlose Positionsdetektion für einen bürstenlosen Gleichstrommotor bekannt.
Es lohnt sich daher, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung mit hoher Effizienz, hoher Sicherheit und niedrigen Kosten bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Hinblick auf die vorstehenden potentiellen Probleme stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung und ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung bereit, die bzw. das mit einem großen Leistungsgenerator oder einer Antriebsmotorausrüstung mit einem rotierenden Element verwendet werden kann, etwa einer netzgebundenen Windturbine mit großer Leistung, die bzw. das die existierende Hardwarestruktur der Windturbine verwenden kann, um die Torsionsresonanzfrequenz zu messen, sodass auf eine Messung vor Ort durch Wartungspersonal verzichtet werden kann, wodurch die Kosten für eine Parametereinstellung und eine Diagnose und Prognose der Ausrüstung verringert werden und die Wartungseffizienz und Betriebssicherheit für Wartungspersonal deutlich erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung stellt entsprechend eine Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung bereit, die bei einer Leistungsausrüstung mit einem rotierenden Element verwendet werden kann, welche umfasst: einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchrongenerator (PMSG); und einen maschinenseitigen Wandler, der mit einem dreiphasigen PMSG verbunden ist, eine Steuerungseinheit, welche dem maschinenseitigen Wandler zuerst befiehlt, Statorströme in einem spezifischen Muster auszugeben, um den Rotor des PMSG an eine vorbestimmte Orientierung zu drehen, und anschließend dem maschinenseitigen Wandler befiehlt, über zwei Phasenwicklungen Statorströme in einem anderen Muster auszugeben, um ein Impulsdrehmoment aufzubringen, um den Rotor des PMSG mechanisch anzuregen; und dann beschafft die Steuerungseinheit die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK), die an der verbleibenden Phasenwicklung des PMSG erzeugt wird. Die Gegen-EMK-Daten werden somit berechnet, indem ein FFT-Algorithmus verwendet wird, um die Torsionsresonanzfrequenz einer Leistungsausrüstung mit dem rotierenden Element gemäß einem Frequenzspektrum der gegenelektromotorischen Kraft zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung bereit, das auf eine Leistungsausrüstung mit einem rotierenden Element angewendet werden kann, welches die Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung durch eine Interaktion eines maschinenseitigen Wandlers und eines Rotors eines dreiphasigen PMSG beschafft. Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine DC-Koppelspannung geschaffen wird, die vom maschinenseitigen Wandler benötigt wird; (2) dreiphasige Ströme vom maschinenseitigen Wandler an den dreiphasigen PMSG ausgegeben werden, um den Rotor an eine vorbestimmte Orientierung zu drehen; (3) Impulsströme vom maschinenseitigen Wandler an den dreiphasigen PMSG ausgegeben werden, um den Rotor mechanisch anzuregen; und (4) die von dem mechanisch angeregten Rotor erzeugte Gegen-EMK beschafft wird und eine Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung gemäß einem Frequenzspektrum der gegenelektromotorischen Kraft berechnet wird.
Die Einrichtung und das Verfahren für die Torsionsresonanzfrequenz der vorliegenden Erfindung implementieren daher eine Messung und Diagnose einer fernen Ausrüstung in Echtzeit, um Zeit und Kosten zu sparen und die Betriebssicherheit für Wartungspersonal zu erhöhen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung, die ein herkömmliches Stoßanregungsverfahren zum Messen der Torsionsresonanzfrequenz eines Antriebsstrangs zeigt;
2 ist eine Zeichnung, die eine Windturbine zeigt, die aus einem dreiphasigen PMSG (Permanentmagnet-Synchrongenerator) und einem netzgebundenen Leistungswandler besteht;
3A ist eine Zeichnung, die eine Orientierung eines Rotors des dreiphasigen PMSG durch eine Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B ist eine Zeichnung, die die Richtung von Magnetfeldern eines Rotors und von Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG von 3A zeigt;
4A ist eine Zeichnung, die eine Anregung des Rotors des dreiphasigen PMSG durch die Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt;
4B ist eine Zeichnung, die die Richtung von Magnetfeldern des Rotors und der Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG von 4A zeigt;
5 ist eine Zeichnung, die eine Messung einer gegenelektromotorischen Kraft zeigt, die von dem dreiphasigen PMSG durch die Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
6A ist eine Wellenform im Zeitbereich des Impulsstroms, der von dem u-Phasen-Anschluss an den v-Phasen-Anschluss der Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung ausgegeben wird, und einer gegenelektromotorischen Kraft der w-Phase der Statorwicklung des dreiphasigen PMSG;
6B ist ein Frequenzspektrum von 6A; und
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden veranschaulichenden Ausführungsformen werden bereitgestellt, um die Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, wobei diese und andere Vorteile und Auswirkungen für Fachleute nach dem Lesen dieser Beschreibung offensichtlich sein können.
Um die vorliegende Erfindung klarer zu machen, ist hier eine genaue Beschreibung herkömmlicher elektrischer Verbindungen (wie etwa Leistungsquellen und Spannungssignale), Kopplungsverfahren und grundlegender Schaltungselemente (wie etwa Kondensatoren und Dioden) weggelassen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung bereit, welche auf eine rotierende elektrische Maschine, wie etwa einen großen Leistungsgenerator oder eine Antriebsmotorausrüstung, etwa eine netzgebundene Windturbine mit großer Leistung, angewendet werden können. In den folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine netzgebundene Windturbine beispielhaft als ein rotierender Motor dargestellt und die Ausführungsformen werden auf der Grundlage der netzgebundenen Windturbine im Detail beschrieben.
Ferner sind gleiche oder ähnliche Elemente in den Ausführungsformen in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Beschreibung klarer zu machen.
2 ist eine Zeichnung einer Windturbine 200, die hauptsächlich aus einem dreiphasigen PMSG (Permanentmagnet-Synchrongenerator) 22 und einem netzgebundenen Leistungswandler 23 besteht. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Windturbine 200 ein rotierendes Element 21, einen dreiphasigen PMSG 22, einen netzgebundenen Leistungswandler 23, eine Steuerungseinheit 24 und ein Netz 27. Das rotierende Element 21 kann ein Antriebsstrang eines großen Generators oder eine Antriebsmotorausrüstung (wie etwa eine netzgebundene Windturbine mit großer Leistung) sein. Der große Generator oder die Antriebsmotorsausrüstung weist einen Getriebemechanismus auf, um das rotierende Element 21 zum Rotieren zu bringen, und der Getriebemechanismus ist auf eine uneingeschränkt freie Weise frei gelagert. Zum Beispiel kann das rotierende Element 21 ein Windturbinenflügelrad sein, das aus einer Vielzahl von Flügeln 21a besteht, und der Getriebemechanismus kann ein rotierende Welle 21b sein.
Es wird angemerkt, dass der dreiphasige PMSG 22 sowohl in einem Generatormodus zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie als auch in einem Motormodus zum Umwandeln elektrischer Energie in mechanische Energie arbeiten kann.
Der dreiphasige PMSG 22 umfasst eine dreiphasige Statorwicklung und einen Rotor.
Der netzgebundene Leistungswandler 23 umfasst einen maschinenseitigen Wandler 25 mit einer Wechselstrom/Gleichstrom-Struktur (AC/DC-Struktur), einen netzseitigen Wandler 26 mit einer DC/AC-Struktur und eine Kondensatoreinrichtung 23c, die eine Funktion zur DC-Spannungsspeicherung aufweist, um eine DC-Koppelspannung zu schaffen (wie 33c in 3A).
Der maschinenseitige Wandler 25 weist darin einen AC-Anschluss 251 zum Ausgeben oder Empfangen von AC-Strom (Spannung), einen DC-Anschluss 252 zum Ausgeben oder Empfangen von DC-Spannung (Strom) und einen maschinenseitigen aktiven Gleichrichter 253 auf. Der netzseitige Wandler 26 weist einen DC-Anschluss 261 zum Ausgeben oder Empfangen von DC-Spannung (Strom), einen AC-Anschluss 262 zum Ausgeben oder Empfangen von AC-Strom (Spannung) und einen netzseitigen Gleichrichter/Wechselrichter 263 auf. Der DC-Anschluss 251 ist mit der dreiphasigen Statorwicklung des dreiphasigen PMSG 22 gekoppelt, in welchem der dreiphasige Stator Ströme i_u, i_v und i_w enthält; der DC-Anschluss 252 des maschinenseitigen Wandlers und der DC-Anschluss 261 des netzseitigen Wandlers sind beide mit der gleichen DC-Kopplung gekoppelt (wie 33c in 3A). Der maschinenseitige aktive Gleichrichter 25 ist mit der Steuerungseinheit 24 gekoppelt. Der AC-Anschluss 262 des netzseitigen Wandlers ist mit dem Netz 27 gekoppelt, um AC-Leistung an das Netz 27 auszugeben oder um AC-Leistung vom Netz 27 zu empfangen; und der netzseitige Gleichrichter/Wechselrichter 263 wird durch die Steuerungseinheit 24 gesteuert.
Es wird angemerkt, dass der maschinenseitige aktive Gleichrichter 253 nicht nur die Funktion zum Umwandeln von AC in DC aufweist, sondern gemäß den praktischen Bedürfnissen auch eine Funktion zum Umwandeln von DC zu AC aufweisen kann. Mit anderen Worten kann der maschinenseitige aktive Gleichrichter 253 die Funktion des Gleichrichters/Wechselrichters bereitstellen, wenn es notwendig ist (d. h. die Funktion des Wandelns von DC in AC).
Zum Beispiel kann bei der vorliegenden Ausführungsform eine DC-Spannung, die durch die DC-Kopplung an den DC-Anschluss 252 geliefert wird, von dem maschinenseitigen aktiven Gleichrichter 253 umgewandelt werden, um durch den AC-Anschluss 251 eine AC-Spannung auszugeben.
Die Steuerungseinheit 24 weist eine maschinenseitige Steuerungseinheit 24a zum Steuern des maschinenseitigen aktiven Gleichrichters 253 und eine netzseitige Steuerungseinheit 24b zum Steuern des netzseitigen Gleichrichters/Wechselrichters 263 auf. Entsprechend kann die Steuerungseinheit 24 dreiphasige Leistungselektronikelemente durch den maschinenseitigen aktiven Gleichrichter 253 und den netzseitigen Gleichrichter/Wechselrichter 263 ansteuern, wodurch sie einen Ausgangsstrom des netzgebundenen Leistungswandlers 23 steuert und einen Erfassungsstrom (Spannung) empfängt, der von dem netzgebundenen Leistungswandler 23 empfangen wird. Das heißt, dass die Steuerungseinheit 24 einen Strom steuern kann, der von dem maschinenseitigen Wandler 25 an den dreiphasigen PMSG 22 ausgegeben wird, und dass sie auch einen dreiphasigen Stromwert erfassen kann, der von dem maschinenseitigen Wandler 25 empfangen wird, oder einen Anschlussspannungswert der dreiphasigen Statorwicklungen durch den maschinenseitigen Wandler 25 erfassen kann.
3A ist eine Zeichnung, die eine Orientierung des Rotors des dreiphasigen PMSG 32 durch eine Einrichtung 300 zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 3A wird zuerst eine DC-Koppelspannung V_dc geschaffen. Zum Schaffen von V_dc können verschiedene Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann der netzseitige Wandler 26 mit dem Netz 27 verbunden werden, um die DC-Koppelspannung V_dc bereitzustellen; oder eine DC-Leistungsversorgung kann mit der DC-Kopplung 33c verbunden werden, um die DC-Koppelspannung V_dc zu schaffen; oder ein wiederaufladbarer Batteriesatz kann verwendet werden, um die DC-Koppelspannung V_dc zu liefern.
Anschließend steuert ein maschinenseitiger Wandler 33 dreiphasige Leistungselektronikelemente, etwa IGBTs, durch einen maschinenseitigen aktiven Gleichrichter 33d an, um Orientierungsströme auszugeben, welche die Gleichungen erfüllen: i_u = I_dc, i_v = –0,5·I_dc, i_w = –0,5·I_dc. Nach einer gewissen Dauer ist ein Rotor des dreiphasigen PMSG 32 ausgerichtet und orientiert. Dabei kann I_dc entsprechend der Spezifikation des dreiphasigen PMSG eingestellt sein. Die Orientierungsströme erzeugen ein Magnetfeld Ψ_s an den dreiphasigen Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG 32, wie in 3B gezeigt ist.
3B ist eine Zeichnung, die die Richtung von Magnetfeldern des Rotors und der Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG von 3A zeigt. Wie vorstehend beschrieben ist, werden die Orientierungsströme, welche die Gleichungen i_u = I_dc, i_v = –0,5·I_dc, i_w = –0,5·I_dc erfüllen, von dem maschinenseitigen Wandler 33 an die dreiphasigen Statorwicklungen ausgegeben, um das Magnetfeld Ψ_s an den dreiphasigen Statorwicklungen zu erzeugen, wodurch der Rotor gedreht wird. Wenn die Orientierungsströme bei der vorliegenden Ausführungsform nach einer gewissen Dauer einen stabilen Zustand erreichen, dreht sich der Permanentmagnet des Rotors des dreiphasigen PMSG 32 unter dem Einfluss des Statormagnetfelds Ψ_s in eine Position, die auf die d-Achse ausgerichtet ist. Wie in 3B gezeigt ist, entspricht die d-Achse (Direktachse) der radialen Richtung der Statorwicklung der u-Phase und die q-Achse (Quadraturachse) entspricht der radialen Richtung, die 90 elektrische Grad vor der d-Achse liegt.
Nachdem der Rotor des dreiphasigen PMSG 32 auf die d-Achse ausgerichtet ist, stellt der maschinenseitige Wandler 33 Ströme an einem u-Phasenanschluss, einem v-Phasenanschluss und einem w-Phasenanschluss auf Null, d. h. i_u = 0, i_v = 0, i_w = 0. Danach werden durch den maschinenseitigen Wandler 33 Impulsströme an den dreiphasigen PMSG 32 ausgegeben, um den Rotor des dreiphasigen PMSG 32 mechanisch anzuregen.
4A ist eine Zeichnung, die eine Anregung des Rotors des dreiphasigen PMSG 32 durch die Einrichtung 300 zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 4A werden die dreiphasigen Leistungselektronikelemente des maschinenseitigen Wandlers 33 durch den maschinenseitigen aktiven Gleichrichter 33d angesteuert, um Impulsströme an die dreiphasigen Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG 32 auszugeben, wobei die Impulsströme die Gleichungen erfüllen: i_u = I_dc, i_v = –I_dc, i_w = 0. Das heißt, dass die Leistungselektronikelemente der w-Phase des oberen und unteren Arms des maschinenseitigen Wandlers 33 in einem ausgeschalteten Zustand gehalten werden. Die Impulszeitdauer ist 5% kleiner als die mechanische Zeitkonstante (τ_m) des dreiphasigen PMSG 32. Der Impulsstrom erzeugt ein Impulsdrehmoment, das einem Stoßanregungseffekt ähnelt, der im Stand der Technik von einem Hammer erzeugt wird. Das heißt, dass der Impulsstrom ein Impulsmagnetfeld Ψ_s' an den dreiphasigen Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG 32 erzeugt, wie in 4B gezeigt ist.
4B ist eine Zeichnung, die die Richtung von Magnetfeldern des Rotors und der Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG 32 von 4A zeigt. Wie vorstehend beschrieben, werden die Impulsströme von dem maschinenseitigen Wandler 33 an die dreiphasigen Statorwicklungen des dreiphasigen PMSG 32 ausgegeben, um das Impulsmagnetfeld Ψ_s' zu erzeugen, wobei das Impulsmagnetfeld Ψ_s' ein Impulsdrehmoment erzeugt. In der Impulsdauer verdreht sich und wackelt der Magnet des Rotors des dreiphasigen PMSG 32 unter dem Einfluss des Impulsmagnetfelds Ψ_s' und aufgrund der dynamischen Eigenschaft der Getriebewelle. Das Impulsdrehmoment ist äquivalent zu einem Impulsdrehmoment, das von dem Hammer 3 von 1 erzeugt wird, und die Resonanzfrequenz kann ebenfalls durch ein Beschleunigungsmessgerät gemessen werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist K_T(Nm/A_peak) eine vorbestimmte Drehmomentkonstante des dreiphasigen PMSG 32. Einstweilen kann, da die Impulsdauer ziemlich kurz ist und der Bereich eines mechanisch angeregten Winkelversatzes des Rotors extrem klein ist, der Winkel zwischen dem Impulsmagnetfeld Ψ_s' und dem Rotor als ein 120 elektrische Grad angenommen werden. Die äquivalente Amplitude der dreiphasigen Ströme beträgt
Die Amplitude des Impulsdrehmoments (T_pulse) beträgt
Da die Impulsströme nur durch die Statorwicklungen der u-Phase und v-Phase fließen und kein Strom durch die w-Phase der Statorwicklung fließt, kann die w-Phase der Statorwicklung als eine Prüf- oder Suchspule zum Messen einer gegenelektromotorischen Kraft e_W(t) verwendet werden, die von dem mechanisch angeregten Rotor erzeugt wird. e_W(t) ist durch die folgende Gleichung dargestellt.
Darin stellt N_re die effektive Anzahl von Windungen der Statorwicklungen dar, ϕ_PM stellt die Flussdichte des Luftspalts dar, die von dem Rotormagnet erzeugt wird, λ_{PM_W} ist die Rotorflusskette der w-Phase der Statorwicklung und ω(t) ist die momentane Drehzahl des Rotors.
5 ist eine Zeichnung, die eine Messung der gegenelektromotorischen Kraft, die von dem dreiphasigem PMSG 32' erzeugt wird, durch die Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachdem die Einrichtung 300 zur Torsionsresonanzfrequenzmessung den dreiphasigen PMSG 32' mechanisch angeregt hat, kann eine gegenelektromotorische Kraft, die an der w-Phase der Statorwicklung des PMSG 32' erzeugt wird, durch den maschinenseitigen Wandler 33 beschafft werden. Der maschinenseitige Wandler 33 ist mit der u-Phase, der v-Phase und der w-Phase der Statorwicklung gekoppelt, um eine dreiphasige Impulsbreitenmodulationsumwandlung bereitzustellen und weist auch eine Stromregelfunktion auf. Ferner kann der maschinenseitige Wandler 33 Anschlussspannungen (e_UT, e_VT und e_WT) der dreiphasigen Statorwicklungen des dreiphasigem PMSG 32' messen. e_UT, e_VT und e_WT sind Anschlussspannungen an Koppelpositionen des maschinenseitigen Wandlers 33 und der dreiphasigen Statorwicklungen des PMSG 32' relativ zu dem negativen Anschluss der DC-Kopplung. Die Spannung am Neutralpunkt der dreiphasigen Statorwicklungen beträgt e_n = 1 / 3(e_UT + e_VT + e_WT). Da i_W = 0, tritt an der w-Phase der Statorwicklung kein Spannungsabfall auf. Daher kann die gegenelektromotorische Kraft an der w-Phase der Statorwicklung gemäß der gemessenen e_UT, e_VT und e_WT berechnet werden. Die Gleichung ist wie folgt. e_W = e_WT – e_n = 2 / 3e_WT – 1 / 3e_UT – 1 / 3e_VT
Die Orientierungsströme und Impulsströme der u-Phase und v-Phase der Statorwicklung können von der Steuerungseinheit 24 von 2 (in 5 nicht gezeigt) gesteuert werden. Zeitreihendaten des Impulsstroms i_u (oder i_v) und der gegenelektromotorischen Kraft e_W(t) können abgetastet und gesammelt werden und im Frequenzbereich weiter analysiert werden. Da der Impulsstrom i_u der u-Phase der Statorwicklung eindeutig proportional zu dem auf den Rotor aufgebrachten Impulsdrehmoment ist und die gegenelektromotorische Kraft e_W(t) an der w-Phase der Statorwicklung eindeutig proportional zu der Rotationsgeschwindigkeitsreaktion des Rotors ist, kann durch eine FFT-Analyse (schnelle Fouriertransformations-Analyse) der Zeitreihendaten durch die Steuerungseinheit ein Frequenzspektrum der Zeitreihendaten beschafft werden, um die Torsionsresonanzfrequenz der Getriebewelle (d. h. des rotierenden Elements 21) herauszufinden.
6A und 6B zeigen Messergebnisse der Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung, wobei 6A die Wellenform des Impulsstroms i_u(t) im Zeitbereich, die vom u-Phasen-Anschluss an den v-Phasen-Anschluss ausgegeben wurde, und der gegenelektromotorischen Kraft e_W(t) an der w-Phase der Statorwicklung ist, und 6B ein Frequenzspektrum der Zeitreihendaten von 6A unter Verwendung einer derartigen FFT-Berechnung ist. Der Spitzenwert im Frequenzspektrum entspricht der Torsionsresonanzfrequenz des rotierenden Elements, welche bei der vorliegenden Ausführungsform 84,0 Hz beträgt.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 7 wird zuerst bei Schritt S701 eine DC-Koppelspannung an der DC-Kopplung eines maschinenseitigen Wandlers geschaffen. Dann geht der Prozess zu Schritt S702.
Bei Schritt 702 werden Ströme der u-Phase, der v-Phase und der w-Phase einer Statorwicklung eines dreiphasigen PMSG gesteuert, um den Magnet des Rotors des dreiphasigen PMSG an eine Position zu drehen, die zu der radialen Richtung der u-Phase oder der v-Phase oder der w-Phase der Statorwicklung parallel ist. Insbesondere erfüllen die Ströme und die Impulsdauer die Gleichungen: i_u = I_dc, i_v = i_w = –0,5·I_dc und T_dc ≥ 10 τ_m, sodass der Rotormagnet des dreiphasigen PMSG auf die d-Achse ausgerichtet und orientiert ist. Dann geht der Prozess zu Schritt S703.
Bei Schritt 703 werden die Orientierungsströme der u-Phasen-, v-Phasen- und w-Phasen-Anschlüsse des maschinenseitigen Wandlers auf Null gesetzt; das heißt, der maschinenseitige Wandler kommt in einen Stromregelmodus, bei dem i_u = i_v = i_w = 0. Dann geht der Prozess zu Schritt S704.
Bei Schritt S704 werden Impulsströme durch den u-Phasen- bzw. v-Phasen-Anschluss an die u-Phase und v-Phase der Statorwicklung ausgegeben. Das heißt, i_u = I_dc, i_v = –I_dc, i_w = 0 und die Impulsdauer T_p ≤ 0,05 τ_m, wodurch ein Impulsdrehmoment an den Rotor geliefert wird. Dann geht der Prozess zu Schritt S705.
Bei Schritt 705 werden Anschlussspannungen der u-Phase, der v-Phase und der w-Phase der Statorwicklung beschafft, das heißt, dass e_UT, e_VT, e_WT mit einer festen Abtastperiode (T_s ≤ 50 μs) kontinuierlich gemessen werden und die gegenelektromotorische Kraft e_W(t) der w-Phase der Statorwicklung berechnet wird, bis e_W(t) auf Null abfällt. Dann geht der Prozess zu Schritt S706.
Bei Schritt 706 werden die Zeitreihendaten des abgetasteten Impulsstroms i_u (oder i_v) und der gegenelektromotorischen Kraft e_W(t) abgetastet und analysiert, um ein Frequenzspektrum zu erhalten, wobei die Frequenz, die dem Spitzenwert im Frequenzspektrum entspricht, die Torsionsresonanzfrequenz des rotierenden Elements ist. Somit ist der Prozess abgeschlossen.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine existierende Leistungswandlerstruktur in einer Leistungsausrüstung zum Messen der Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung, wodurch sie eine im Vergleich mit dem Stand der Technik kostengünstigere Lösung bereitstellt. Die Einrichtung und das Verfahren für eine Torsionsresonanzfrequenz der vorliegenden Erfindung implementieren ferner eine Messung ferner Ausrüstung in Echtzeit, sodass eine Messung vor Ort nicht mehr benötigt wird, wodurch Zeit und Kosten für die Messung gespart werden, die Effizienz erhöht wird und die Wartung der Ausrüstung erleichtert wird.
Die vorstehenden Beschreibungen der detaillierten Ausführungsformen dienen nur zur Veranschaulichung der bevorzugten Implementierung gemäß der vorliegenden Erfindung, und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Entsprechend sollen alle Modifikationen und Variationen, die von Fachleuten durchgeführt werden, in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Einrichtung zur Torsionsresonanzfrequenzmessung, die umfasst: einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchrongenerator (PMSG); und einen maschinenseitigen Wandler, der mit einer dreiphasigen Statorwicklung des dreiphasigen PMSG verbunden ist und eine Steuerungseinheit aufweist, welche zuerst Orientierungsströme zum Orientieren eines Rotors des dreiphasigen PMSG an die dreiphasige Statorwicklung ausgibt, um den Rotor an eine vorbestimmte Orientierung zu drehen und anschließend Impulsströme an eine erste Phase der Statorwicklung und eine zweite Phase der Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung ausgibt, um den Rotor mechanisch anzuregen; wobei die Steuerungseinheit eine gegenelektromotorische Kraft beschafft, die an einer dritten Phase der Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung aufgrund der mechanischen Anregung des Rotors erzeugt wird, um eine Torsionsresonanzfrequenz einer Leistungsausrüstung mit einem rotierenden Element entsprechend einem Frequenzspektrum der gegenelektromotorischen Kraft zu berechnen.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das rotierende Element und der dreiphasige PMSG auf eine uneingeschränkt freie Weise gelagert sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das rotierende Element ein Flügelrad einer Windturbine ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der maschinenseitige Wandler eine Stromregelfunktion für die dreiphasige Statorwicklung aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine DC-Koppelschaltung umfasst, die einen Anschluss aufweist, der mit dem maschinenseitigen Wandler gekoppelt ist, um einen benötigten DC-Spannungspegel für einen Normalbetrieb des maschinenseitigen Wandlers bereitzustellen.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei der andere Anschluss der DC-Koppelschaltung mit einem netzseitigen Wandler derart gekoppelt ist, dass elektrische Leistung, die von dem dreiphasigen PMSG erzeugt wird, durch den netzseitigen Wandler in ein Netz eingespeist werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsausrüstung mit dem rotierenden Element eine Windturbine ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die gegenelektromotorische Kraft unter Verwendung eines FFT-Algorithmus (Schneller Fouriertransformations-Algorithmus) von der Steuerungseinheit berechnet und analysiert wird, um die Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung mit dem rotierenden Element zu erhalten.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der maschinenseitige Wandler einen Anschluss der ersten Phase, einen Anschluss der zweiten Phase und einen Stromanschluss der dritten Phase aufweist und eine Anschlussspannung der Statorwicklung der dritten Phase des dreiphasigen PMSG durch den Stromanschluss der dritten Phase beschafft, um die gegenelektromotorische Kraft an der dritten Phase der Statorwicklung zu erhalten.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit eine maschinenseitige Steuerungseinheit und eine netzseitige Steuerungseinheit aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die maschinenseitige Steuerungseinheit einen maschinenseitigen aktiven Gleichrichter steuert und die netzseitige Steuerungseinheit einen netzseitigen Gleichrichter oder Wechselrichter steuert.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der maschinenseitige Wandler Impulsströme an die dreiphasige Statorwicklung des dreiphasigen PMSG ausgibt, um ein Impulsmagnetfeld in der ersten, zweiten und dritten Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung zu erzeugen, wobei das Impulsmagnetfeld ein Impulsdrehmoment erzeugt.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei die Torsionsresonanzfrequenz durch eine FFT auf der Grundlage eines Impulsstroms der ersten Phase oder der zweiten Phase und der gegenelektromotorischen Kraft an der dritten Phase der Statorwicklung erhalten wird.
Einrichtung nach Anspruch 13, wobei durch die dritte Phase der Statorwicklung kein Strom fließt und die dritte Phase der Statorwicklung als eine Suchspule zur Messung der gegenelektromotorischen Kraft verwendet wird.
Verfahren zur Torsionsresonanzfrequenzmessung, das auf eine Leistungsausrüstung mit einem rotierenden Element angewendet werden kann, welches die Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung durch eine Interaktion eines maschinenseitigen Wandlers und eines Rotors eines dreiphasigen PMSG beschafft, wobei das Verfahren umfasst, dass: (1) eine DC-Koppelspannung geschaffen wird, die von dem maschinenseitigen Wandler benötigt wird; (2) Orientierungsströme vom maschinenseitigen Wandler an den dreiphasigen PMSG ausgegeben werden, um den Rotor an eine vorbestimmte Orientierung zu drehen; (3) Impulsströme vom maschinenseitigen Wandler an den dreiphasigen PMSG ausgegeben werden, um den Rotor mechanisch anzuregen; und (4) eine von dem mechanisch angeregten Rotor erzeugte gegenelektromotorische Kraft beschafft wird und eine Torsionsresonanzfrequenz der Leistungsausrüstung mit dem rotierenden Element entsprechend einem Frequenzspektrum der gegenelektromotorischen Kraft berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die DC-Koppelspannung von Schritt (1) durch ein Netz, eine DC-Leistungsversorgung oder ein Batteriemodul geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Schritt (2) ferner umfasst, dass: (2-1) die Orientierungsströme an die dreiphasige Statorwicklung des dreiphasigen PMSG durch den maschinenseitigen Wandler ausgegeben werden; und (2-2) ein Magnet des Rotors durch ein Magnetfeld, das von den Orientierungsströmen erzeugt wird, an eine Position gedreht wird, die parallel zu der radialen Richtung einer ersten Phase der Statorwicklung oder einer zweiten Phase der Statorwicklung oder einer dritten Phase der Statorwicklung der dreiphasigen Statorwicklung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Schritt (3) ferner umfasst, dass: (3-1) die von dem maschinenseitigen Wandler ausgegebenen Orientierungsströme auf Null gesetzt werden; (3-2) die Impulsströme vom maschinenseitigen Wandler an den dreiphasigen PMSG ausgegeben werden; und (3-3) durch die Impulsströme ein Impulsmagnetfeld mit einem vorbestimmten Winkel erzeugt wird, wodurch ein Impulsdrehmoment zum Anregen des Rotors erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Schritt (4) ferner umfasst, dass: (4-1) ein von den Impulsströmen erzeugtes Impulsdrehmoment berechnet wird; (4-2) die von dem mechanisch angeregten Rotor erzeugte gegenelektromotorische Kraft berechnet wird und die gegenelektromotorische Kraft einer FFT-Analyse unterzogen wird, um das Frequenzspektrum derselben zu erhalten; und (4-3) das Impulsdrehmoment und das Frequenzspektrum analysiert werden, um die Torsionsresonanzfrequenz zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei Schritt (4-2) ferner umfasst, dass Anschlussspannungen einer ersten Phase der Statorwicklung, einer zweiten Phase der Statorwicklung und einer dritten Phase der Statorwicklung des dreiphasigen PMSG beschafft werden, um die von dem mechanisch angeregten Rotor erzeugte gegenelektromotorische Kraft zu berechnen.