ITCO20100010A1 - Sistema e metodo di smorzamento del modo torsionale basato su anello ad aggancio di fase - Google Patents

Description

TITLE/TITOLO:

PHASE LOCKED LOOP BASED TORSIONAL MODE DAMPING SYSTEM AND METHOD SISTEMA E METODO DI SMORZAMENTO DEL MODO TORSIONALE BASATO SU ANELLO AD AGGANCIO DI FASE

BACKGROUND SETTORE TECNICO

La realizzazione del contenuto divulgato si riferisce generalmente a metodi e sistemi e, più in particolare, a dispositivi e tecniche di smorzamento delle vibrazioni torsionali che dovessero verificarsi in un sistema rotante.

ANALISI DEL BACKGROUND

Nell’ambito dell'industria petrolifera e del gas, vi è una crescente richiesta di azionare le macchine a velocità variabile. Tali macchine includono compressori, motori elettrici, espansori, turbine a gas, pompe, etc. I comandi elettrici a frequenza variabile aumentano il rendimento energetico e forniscono maggior flessibilità alle macchine. Un dispositivo per azionare, ad esempio, un impianto di compressione gas è l’inverter LCl. L’impianto di compressione gas include, ad esempio, una turbina a gas, un motore e un compressore. L’impianto di compressione gas include più o meno macchine elettriche e turbomacchine. Tuttavia, un problema incontrato dai sistemi elettronici di potenza consiste nella generazione di componenti oscillanti della coppia motrice delle macchine elettriche in seguito alla presenza di componenti armoniche elettriche. Il componente oscillante della coppia motrice interagisce col sistema meccanico a frequenze torsionali naturali deirimpianto di azionamento, il che è indesiderabile. L’oscillazione o vibrazione torsionale è un movimento angolare oscillatorio che può verificarsi in un albero con varie masse ad esso fissate come indicato ad esempio nella figura 1.

La figura 1 mostra un sistema 10 comprendente una turbina a gas 12, un motore 14, un primo compressore 16 e un secondo compressore 18. Gli alberi di queste macchine sono collegati l’uno all’altro o un singolo albero 20 è condiviso dalle macchine.

A causa di giranti e altre masse distribuite lungo l’albero 20, la rotazione dell’albero 20 può essere pregiudicata da oscillazioni torsionali prodotte dalla rotazione a diverse velocità delle masse (ad esempio dei giranti) fissate all’albero. Come esaminato sopra, le vibrazioni torsionali sono tipicamente introdotte da sistemi elettronici di potenza azionanti il motore elettrico. La figura 1 , ad esempio, mostra una fonte di alimentazione della rete elettrica (fonte di energia elettrica) 22 che fornisce energia elettrica all’inverter LCI 24, azionante a sua volta l’albero 20 del motore 14. La rete elettrica consiste in un generatore di potenza isolato. Per smorzare (minimizzare) le vibrazioni torsionali, come indicato nella figura 2 (figura 1 del brevetto statunitense n. 7,173,399, assegnato allo stesso beneficiario di questa richiesta, la cui divulgazione è qui incorporata per riferimento) un sistema di controllo inverter 26 verrà fornito all’inverter 28 dell’inverter LCI 24 e verrà configurato in modo da introdurre una modifica dell’angolo di ritardo inverter (Δβ) per modulare la potenza attiva trasferita daH’ìnverter 28 al motore 14. Altrimenti, un sistema di controllo raddrizzatore 30 verrà fornito al raddrizzatore 32 e verrà configurato in modo da introdurre una modifica dell’angolo di ritardo raddrizzatore (Δα) per modulare la potenza attiva trasferita dal generatore 22 alla connessione DC 44 e quindi al motore 14. E’ stato osservato che, modulando la potenza attiva trasferita dal generatore 22 al motore 14, è possibile smorzare le vibrazioni torsionali che dovessero verificarsi nel sistema incluso il motore 14 e il compressore 12. A questo riguardo, è stato osservato che gli alberi del motore 14 e della turbina a gas 12 sono collegati l’uno all’altro, mentre l’albero del generatore 22 non è collegato né al motore 14, né al compressore 12.

I due sistemi di controllo 26 e 30 ricevono come input segnali rispettivamente dal sensore 36 e dal sensore 38 e tali segnali sono indicativi della coppia motrice applicata dal motore 14 e/o dal generatore 22. In altri termini, il sistema di controllo inverter 26 elabora il valore di coppia rilevato dal sensore 36 per generare la modifica dell’angolo di ritardo inverter (Δβ), mentre il sistema di controllo raddrizzatore 30 elabora il valore di coppia rilevato dal sensore 38 per generare la modifica dell’angolo di ritardo raddrizzatore (Δα). Il sistema di controllo inverter 26 e il sistema di controllo raddrizzatore 30 sono indipendenti l’uno dall’altro e possono essere implementati assieme o singolarmente su un dato sistema. La figura 2 mostra che il sensore 36 controlla una parte (sezione) 40 dell’albero del motore 14 e il sensore 38 controlla l'albero 42 del generatore di potenza 22. La Figura 2 mostra anche la connessione DC 44 tra il raddrizzatore 32 e l’inverter 28. Tuttavia, è possibile utilizzare altri dispositivi e metodi per generare uno smorzamento nel sistema di azionamento.

RIASSUNTO

In base a una realizzazione specifica, esiste un sistema di controllo collegato a un convertitore o posto all’interno di un convertitore azionante un’unità comprendente una macchina elettrica e una macchina non elettrica. Il sistema di controllo include un’interfaccia d’ingresso che riceve dati relativi a variabili del convertitore e un sistema di controllo collegato all’interfaccia d’ingresso. L’interfaccia d’ingresso riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, riceve i dati provenienti dal convertitore, confronta i dati col primo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’ albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. In base a un’altra realizzazione specifica, esiste un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore o posto all’interno di un convertitore azionante un’unità comprendente una macchina elettrica e una macchina non elettrica. Il sistema di controllo include una prima interfaccia d’ingresso che riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un primo osservatore dinamico; una seconda interfaccia d’ingresso che riceve un secondo segnale digitale proveniente da un secondo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un secondo osservatore dinamico e un sistema di controllo collegato alla prima e alla seconda interfaccia d’ingresso. Il sistema di controllo riceve il primo e il secondo segnale digitale, confronta il primo col secondo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per modulare la potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

In base a un’altra realizzazione specifica, esiste un sistema di azionamento di una macchina elettrica che fa parte del sistema di azionamento.

Il sistema include un raddrizzatore che riceve corrente alternata proveniente da una fonte di energia elettrica e la trasforma in corrente continua; una connessione in corrente continua collegata al raddrizzatore che trasmette corrente continua; un inverter collegato alla connessione in corrente continua che trasforma la corrente continua ricevuta in corrente alternata; un’interfaccia d’ingresso che riceve dati relativi a variabili del convertitore e un sistema di controllo collegato all’interfaccia d’ingresso. Il sistema di controllo riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, riceve i dati provenienti dal convertitore, confronta i dati col primo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

In base a un’altra realizzazione specifica, esiste un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica. Il metodo include il ricevimento dei dati relativi a variabili del convertitore, il ricevimento di un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, il confronto dei dati col primo segnale digitale, la generazione dei dati di controllo del raddrizzatore e/o deH'inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e l’invio dei dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

In base a un’altra realizzazione specifica, esiste un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica. Il metodo include il ricevimento di un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un primo osservatore dinamico, il ricevimento di un secondo segnale digitale proveniente da un secondo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un secondo osservatore dinamico oltre al primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o al primo osservatore dinamico, il confronto del primo col secondo segnale digitale , la generazione dei dati di controllo del raddrizzatore e/o deH’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell'albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e l’invio dei dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

In base a un’altra realizzazione specifica, esiste un sistema leggibile dal computer comprendente istruzioni eseguìbili dal computer in cui le istruzioni, una volta eseguite, consentono l’applicazione di un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali. Le istruzioni includono le fasi citate nel metodo indicate al paragrafo precedente.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni accompagnatori, incorporati nella e facenti parte della specifica, illustrano una o più realizzazioni e, unitamente alla descrizione, spiegano tali descrizioni. Nei disegni:

La Figura 1 è un diagramma schematico di una turbina a gas collegata a una macchina elettrica e a due compressori;

La Figura 2 è un diagramma schematico di un sistema di azionamento comprendente un sistema di controllo raddrizzatore e un sistema di controllo inverter;

La Figura 3 è un diagramma schematico di una turbina a gas, un motore e un carico controllati da un sistema di controllo in base a una realizzazione specifica; La Figura 4 è un diagramma schematico di un convertitore e annessa logica in base a una realizzazione specifica;

La Figura 5 è un diagramma schematico di un convertitore e annessa logica in base a una realizzazione specifica;

La Figura 6 è un grafico illustrante la coppia motrice dell’albero con sistema di controllo smorzamento disabilitato;

La Figura 7 è un grafico illustrante la coppia motrice dell’albero con sistema di controllo smorzamento abilitato in base a una realizzazione specifica;

La Figura 8 è un diagramma schematico di un convertitore e annessa logica in base a una realizzazione specifica;

La Figura 9 è un diagramma schematico di un sistema di controllo del convertitore per smorzare le vibrazioni torsionali in base a una realizzazione specifica;

La Figura 10 è un diagramma schematico di un sistema di controllo che fornisce modulazione al raddrizzatore in base a una realizzazione specifica;

La Figura 11 è un diagramma di flusso illustrante un metodo di controllo del raddrizzatore per smorzare le vibrazioni torsionali in base a una realizzazione specifica;

La Figura 12 è un diagramma schematico di un sistema di controllo che fornisce modulazione al raddrizzatore e aH’inverter in base a una realizzazione specifica; La Figura 13 è un diagramma schematico delle tensioni esistenti suH’inverter, sul raddrizzatore e sulla connessione DC di un convertitore in base a una realizzazione specifica;

La Figura 14 è un grafico indicante l’effetto torsionale delle modulazioni dell’angolo alfa e beta in base a una realizzazione specifica;

La Figura 15 è un diagramma di flusso illustrante un metodo di controllo deN’inverter e del raddrizzatore per smorzare le vibrazioni torsionali in base a una realizzazione specifica;

La Figura 16 è un diagramma schematico dell’inverter VSI e relativo sistema di controllo per smorzare le vibrazioni torsionali in base a una realizzazione specifica;

La Figura 17 è un diagramma schematico di un sistema multimassa;

La Figura 18 è un diagramma schematico di un sistema di controllo per smorzare le vibrazioni torsionali basato su un dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico in base a una realizzazione specifica;

La Figura 19 è un diagramma schematico di un sistema di controllo per smorzare le vibrazioni torsionali basato su uno o più dispositivi ad anello ad aggancio di fase in base a una realizzazione specifica;

La Figura 19 è un diagramma di flusso illustrante un metodo per smorzare le vibrazioni torsionali basato su un singolo dispositivo ad anello ad aggancio di fase in base a una realizzazione specifica;

La Figura 20 è un diagramma di flusso illustrante un metodo per smorzare le vibrazioni torsionali basato su due dispositivi ad anello ad aggancio di fase in base a una realizzazione specifica.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle realizzazioni specifiche si riferisce ai disegni accompagnatori. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi o analoghi elementi. La seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione, ma l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni annesse. Le seguenti realizzazioni verranno esaminate, per semplicità, per quanto attiene alla terminologia e alla struttura di un motore elettrico azionato da un inverter LCl. Tuttavia, le realizzazioni da esaminare in seguito non si limiteranno a tale sistema, ma potranno essere applicate (con le opportune modifiche) ad altri sistemi azionati con altri dispositivi, come ad esempio l’inverter VSI.

Il riferimento nell’ambito della specifica ad “una realizzazione” indica che una particolare funzione, struttura o caratteristica descritta in relazione ad una realizzazione è inclusa in almeno una realizzazione del contenuto divulgato. Quindi, la comparsa della frase “in una realizzazione” in vari punti all’interno della specifica non si riferisce necessariamente alla stessa realizzazione. Inoltre, le particolari funzioni, strutture o caratteristiche potranno essere debitamente associate ad una o più realizzazioni.

In base a una realizzazione specifica, il sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale verrà configurato in modo da ottenere misurazioni elettriche e/o meccaniche riguardanti un albero di una macchina elettrica (che può essere un motore o un generatore) e/o un albero di una turbomacchina che sia collegato meccanicamente alla macchina elettrica e valutare, in base alle misurazioni elettriche e/o meccaniche, i componenti torsionali dinamici e/o vibrazioni torsionali alla posizione d’albero desiderata del sistema di azionamento. I componenti torsionali dinamici consistono in una coppia motrice, una posizione torsionale, velocità torsionale o accelerazione torsionale dell’albero. In base a uno o più componenti torsionali dinamici, il sistema di controllo potrà impostare/modificare uno o più parametri di un raddrizzatore azionante la macchina elettrica in modo da applicare la coppia desiderata per smorzare le oscillazioni torsionali. Come verrà esaminato in seguito, ci sono varie fonti di dati per determinare lo smorzamento in base al controllo del raddrizzatore.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 3, un sistema 50 include una turbina a gas 52, un motore 54 e un carico 56. Sono anche possibili altre configurazioni comprendenti una turbina a gas e/o compressori o altre turbomacchine come il carico 56.

Altre configurazioni potranno includere uno o più espansori, uno o più generatori di potenza o altre macchine con componenti rotanti, come ad esempio turbine a vento e scatole ingranaggi. Il sistema indicato nella figura 3 è specifico ed è semplificato per una miglior comprensione delle nuove funzioni, ma gli esperti del ramo vorrebbero che altri sistemi con più o meno componenti fossero adattati in modo da includere le nuove funzioni ora esaminate.

Il collegamento di varie masse (associate ai rotori e ai giranti delle macchine) a un albero 58 rende il sistema 50 incline a vibrazioni torsionali.

Tali vibrazioni potrebbero torcere l’albero 58, il che potrebbe comportare una riduzione significativa della durata di vita o anche la distruzione del sistema dell’albero, che include non solo l’albero o alberi, ma anche raccordi e scatole ingranaggi a seconda della situazione specifica.

Le realizzazioni specifiche forniscono un meccanismo per ridurre le vibrazioni torsionali.

Per attivare il motore 54, l’energia elettrica verrà erogata dalla rete elettrica o da un generatore locale 60 in caso di impianti elettrici a isola o simili. Per azionare il motore 54 a una velocità variabile verrà fornito un inverter LCI 62 tra la rete 60 e il motore 54. Come indicato nella figura 4, l’inverter LCI 62 include un raddrizzatore 66 collegato a una connessione DC 68 collegata a un inverter 70. Il raddrizzatore 66, la connessione DC 68 e l’inverter 70 sono noti nel ramo e le strutture specifiche non verranno esaminate qui. Come indicato sopra, le nuove funzioni potranno essere applicate, con adeguate modifiche, ai sistemi VSl. Una realizzazione specifica del sistema VSl è stata indicata e brevemente esaminata solo a fini illustrativi per quanto attiene alla figura 16. La figura 4 indica che la corrente e tensione ricevuta dalla rete 60 è rispettivamente una corrente e tensione trifase. Lo stesso accade con la corrente e tensione ricevuta tramite il raddrizzatore, l’inverter e il motore e ciò è indicato nella figura 4 col simbolo 73", ma le nuove funzioni delle realizzazioni specifiche sono applicabili ai sistemi operanti a più di tre fasi, come ad esempio i sistemi a 6 e a 12 fasi.

L'inverter LCI 62 include anche sensori di tensione e corrente, contrassegnati da una A cerchiata e da una V cerchiata nella figura 4. Ad esempio, un sensore di corrente 72 verrà fornito nella connessione DC 68 per misurare una corrente iDC. Altrimenti, la corrente nella connessione DC verrà calcolata in base alle misurazioni eseguite sul lato AC ad esempio dal sensore di corrente 84 o 74, poiché tali sensori sono meno costosi dei sensori DC. Un altro esempio consiste in un sensore di corrente 74 misurante una corrente iabc fornita dall’inverter 70 al motore 54 e in un sensore di tensione 76 misurante una tensione vabc fornita dall’ inverter 70 al motore 54. Tali correnti e tensioni potranno essere fornite come input a un sistema di controllo 78. Il termine “sistema di controllo” include circuiti digitali, analogici o una combinazione tra i due o unità di elaborazione per compiere le funzioni di controllo designate. Tornando alla figura 3, è stato osservato che il sistema di controllo 78 può far parte dell’inverter LCI 62 o può essere un sistema di controllo autonomo che scambia segnali con l’inverter LCI 62. Il sistema di controllo 78 può essere un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale.

La figura 4 mostra anche che un sistema di controllo LCI 80 riceverà misurazioni meccaniche riguardanti una o più parti della turbina a gas 52, del motore 54 e del carico 56 indicato nella figura 3. Lo stesso avviene col sistema di controllo 78. In altri termini, il sistema di controllo 78 riceve dati di misurazione provenienti da tutti i componenti del sistema 50 indicato nella figura 3. La figura 4 mostra, ad esempio, una fonte dati di misurazione 79. Tale fonte fornirà misurazioni meccaniche e/o elettriche provenienti da tutti i componenti del sistema 50. Un esempio utilizzato per meglio comprendere e non limitare le realizzazioni specifiche consiste nel fatto che la fonte dati 79 è associata alla turbina a gas 52. La posizione, velocità e accelerazione torsionale o la coppia motrice della turbina a gas 52 verrà misurata dai sensori esistenti. Tali dati verranno forniti al sistema di controllo 78 come indicato nella figura 4. Un altro esempio consiste nelle misurazioni elettriche condotte sul convertitore 62 o sul motore 54. La fonte dati 79 fornirà, se necessario, tali misurazioni ai sistema di controllo 78 o al sistema di controllo 80.

Il sistema di controllo 80 genererà, in base ai riferimenti 82 e in base a una corrente idx ricevuta dal sensore 84, un angolo di ritardo raddrizzatore a per controllare il raddrizzatore 66.

Per quanto riguarda l’angolo di ritardo raddrizzatore a, è stato osservato che gli inverter LCI sono stati progettati per trasferire potenza attiva dalia rete 60 al motore 54 o viceversa. Realizzare tale trasferimento con un fattore di potenza ottimale implica la generazione dell’angolo di ritardo raddrizzatore a e dell’angolo di ritardo inverter β. L'angolo di ritardo raddrizzatore a verrà modulato applicando, ad esempio, una modulazione sinusoidale. Tale modulazione verrà applicata per un limitato periodo di tempo. In un’applicazione, la modulazione viene applicata costantemente, ma l’ampiezza della modulazione varia. Ad esempio, non essendoci alcuna vibrazione torsionale dell’albero, l’ampiezza della modulazione è zero, ossia nessuna modulazione. In un altro esempio, l’ampiezza della modulazione è proporzionale alle vibrazioni torsionali rilevate dell’albero.

Un altro sistema di controllo 86 verrà utilizzato per generare un angolo di ritardo inverter β per l’inverter 70. La modulazione dell’angolo di ritardo inverter β implica la modulazione della tensione DC dell’inverter con conseguente modulazione della corrente della connessione DC e conseguente oscillazione della potenza attiva sulla potenza d’ingresso carico. In altri termini, la sola modulazione dell’angolo di ritardo inverter per ottenere uno smorzamento del modo torsionale implica la generazione di energia di smorzamento proveniente soprattutto dall’energia magnetica accumulata nella connessione DC 68.

La modulazione dell’angolo di ritardo inverter implica la generazione di energia rotativa trasformata in energia magnetica e viceversa in base all’accelerazione o alla decelerazione dell’albero rotante.

Inoltre, la figura 4 mostra un’unità di controllo gate 88 per il raddrizzatore 66 e un’unità di controllo gate 90 per l’inverter 70 che controllano direttamente il raddrizzatore e l’inverter in base alle informazioni ricevute dal sistema di controllo 80 e dal sistema di controllo 86. Un sensore opzionale 92 verrà posizionato in prossimità dell’albero del motore 54 per rilevare i componenti torsionali dinamici, come ad esempio la coppia motrice presente nell’albero, la velocità torsionale, l’accelerazione torsionale o la posizione torsionale dell’albero.

Altri analoghi sensori 92 verranno posti tra il motore 54 e la turbina a gas 52 o sulla turbina a gas 52. Le informazioni ux riguardanti i componenti torsionali dinamici rilevati dai sensori 92 verranno fornite al sistema di controllo 78, 80 e 86. La figura 4 mostra anche i blocchi di somma 94 e 96 che aggiungono un segnale proveniente dal sistema di controllo 78 a quelli generati dal sistema di controllo 80 e dal sistema di controllo 86.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 5, il sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale 78 riceverà una corrente iabc e una tensione vabc misurata all’uscita 91 dell’inverter LCI 62 o deN’inverter 70. In base a tali valori (nessuna informazione sulla coppia motrice, velocità o accelerazione dell’albero del motore misurata), la coppia motrice al traferro del motore verrà calcolata e immessa nel modello meccanico del sistema. Il modello meccanico del sistema è rappresentato da equazioni differenziali che rappresentano il comportamento dinamico del sistema meccanico e collegano i parametri elettrici a quelli meccanici del sistema.

La rappresentazione del modello include, ad esempio, i valori d’inerzia, smorzamento e rigidità stimati (che potranno essere verificati tramite misurazioni di campo) e consente di calcolare il comportamento dinamico dell’albero, come ad esempio le oscillazioni torsionali. La precisione richiesta per lo smorzamento del modo torsionale può essere ottenuta poiché è importante a tal fine soprattutto la precisione della fase del componente torsionale dinamico e le informazioni sull’ampiezza o il valore assoluto della coppia motrice sono meno importanti.

A questo riguardo, è stato osservato che la coppia motrice al traferro di una macchina elettrica è il collegamento tra il sistema elettrico e il sistema meccanico dell’unità di azionamento. I componenti armonici e interarmonici del sistema elettrico sono anche visibili nella coppia motrice al traferro.

I componenti interarmonici a una frequenza naturale del sistema meccanico possono suscitare oscillazioni torsionali e potenzialmente comportare valori torsionali dinamici nel sistema meccanico al di sopra della potenza nominale dell’albero. I sistemi di smorzamento del modo torsionale esistenti potranno neutralizzare tali oscillazioni, ma avranno bisogno di un segnale rappresentativo della coppia dinamica del motore ottenuto da un sensore in grado di monitorare efficacemente l’albero del motore o i componenti dell’albero del motore, come le ruote dentate montate lungo l’albero del motore. In base a realizzazioni specifiche, non è necessario tale segnale, poiché i componenti torsionali dinamici verranno valutati in base a misurazioni elettriche. Tuttavia, come verrà esaminato in seguito, alcune realizzazioni specifiche descrivono una situazione in cui misurazioni meccaniche condotte su altri componenti del sistema, come ad esempio la turbina a gas, verranno utilizzate per determinare i componenti torsionali dinamici lungo l’albero meccanico.

In altre parole, il vantaggio in base a una realizzazione specifica consiste nell’applicare lo smorzamento del modo torsionale senza bisogno di installare dispositivi di rilevamento delle vibrazioni torsionali nel sistema meccanico. Lo smorzamento del modo torsionale può dunque essere applicato senza dover installare altri dispositivi di rilevamento nel sistema elettrico o meccanico, poiché sensori di tensione e di corrente e/o sensori di corrente e/o sensori di velocità saranno disponibili sul mercato a basso costo. A questo riguardo, è stato osservato che i sensori meccanici per la misurazione della coppia motrice sono costosi per applicazioni ad alta potenza e a volte non possono essere aggiunti ai sistemi esistenti. Le soluzioni di smorzamento del modo torsionale esistenti non potranno quindi essere attuate per tali casi poiché i sistemi di smorzamento del modo torsionale esistenti richiedono un sensore per la misurazione di un segnale rappresentativo dei parametri meccanici del sistema che sia indicativo della coppia motrice. Al contrario, l’approccio della realizzazione specifica della figura 5 è affidabile, vantaggioso e consente il riadattamento di sistemi esistenti.

Al ricevimento della corrente e tensione indicata nella figura 5, il sistema di controllo 78 genera segnali (modulazione di uno o più angoli Δα e Δβ) per controllare l’angolo di ritardo raddrizzatore a e/o l’angolo di ritardo inverter β. Quindi, in base alla realizzazione indicata nella figura 5, il sistema di controllo 78 riceve informazioni elettriche provenienti da un’uscita 91 deH'inverter 70 e determina/calcola gli angoli di ritardo in base, ad esempio, al principio di smorzamento descritto nel Brevetto n. 7.173.399.

In un’ applicazione, gli angoli di ritardo saranno limitati a un campo ristretto e definito, come ad esempio da 2 a 3 gradi in modo da non pregiudicare il funzionamento deH’inverter e/o del convertitore. In un’applicazione, gli angoli di ritardo saranno limitati a un’unica direzione (negativa o positiva) per evitare errori di commutazione tramite accensione dei tiristori. Come indicato nella figura 5, questa realizzazione specifica consiste in un anello aperto, poiché le correzioni degli angoli non vengono impostate/verificate in base a un segnale rilevato (feedback) del sistema di azionamento meccanico collegato al motore 54. Inoltre, le simulazioni eseguite mostrano una riduzione delle vibrazioni torsionali quando il sistema di controllo 78 è abilitato.

La figura 6 mostra oscillazioni 100 della coppia motrice dell’albero del motore 54 rispetto al momento in cui viene disabilitato il sistema di controllo 78 e la figura 7 mostra come le oscillazioni vengano ridotte/smorzate quando il sistema di controllo 78 è abilitato a generare una modulazione alfa, ad esempio in un tempo di 12 s, mentre il sistema di azionamento meccanico è azionato a velocità variabile percorrendo una velocità critica in 12 s. Entrambe le figure rappresentano una coppia simulata sull’asse Y rispetto al tempo sull’asse X.

In base a un’altra realizzazione specifica indicata nella figura 8, il sistema di controllo 78 verrà configurato in modo da calcolare una o più modifiche degli angoli di ritardo (modulazioni) Δα e/o Δβ in base alle quantità elettriche ottenute dalla connessione DC 68. Più specificatamente, una corrente iDC verrà misurata su un induttore 104 della connessione DC 68 e tale valore verrà fornito al sistema di controllo 78. In un’applicazione, solo una singola misurazione di corrente verrà utilizzata per alimentare il sistema di controllo 78. In base al valore della corrente misurata e in base al modello meccanico del sistema, il sistema di controllo 78 genera le suddette modifiche degli angoli di ritardo. In base a un’altra realizzazione specifica, la corrente continua IDC verrà valutata in base alle misurazioni di corrente e/o di tensione condotte sul raddrizzatore 66 o suH’inverter 70.

Le modifiche degli angoli di ritardo calcolati dal sistema di controllo 78 in una delle realizzazioni esaminate riguardo alle figure 5 e 8 verranno modificate in base a una configurazione ad anello chiuso. La configurazione ad anello chiuso è indicata da una linea tratteggiata 110 nella figura 8. L’anello chiuso indica che la posizione, velocità e accelerazione angolare o la coppia motrice dell'albero del motore 54 verranno determinate con un sensore 112 e tale valore verrà fornito al sistema di controllo 78.

Lo stesso avviene se il sensore o sensori 112 vengono forniti alla turbina a gas o ad altri luoghi lungo l’albero 58 indicato nella figura 3.

La struttura del sistema di controllo 78 verrà esaminata ora riguardo alla figura 9. In base a una realizzazione specifica, il sistema di controllo 78 include un’interfaccia d’ingresso 120 (o interfacce d’ingresso multiplo che ricevono segnali provenienti da vari componenti del sistema) collegata a un processore, circuito analogico, scheda FPGA riconfigurabile.etc. 122. L’elemento 122 riceve parametri elettrici provenienti dal sistema LCI 62 e calcola le modifiche dell’angolo di ritardo. L’elemento 122 potrà memorizzare un modello meccanico 128 (descritto più dettagliatamente riguardo alla figura 17) e immettere le misurazioni elettriche e/o meccaniche ricevute all'interfaccia d’ingresso 120 nel modello meccanico 128 per calcolare uno o più componenti torsionali dinamici del motore 54. In base a uno o più componenti torsionali dinamici, verranno generati segnali di controllo smorzamento nell’unità di controllo smorzamento 130 e il segnale di uscita verrà poi inviato al blocco di somma e all’unità di controllo gate. In base a un’altra realizzazione specifica, il sistema di controllo 78 può essere un circuito analogico, una scheda FPGA riconfigurabile o altri circuiti dedicati per determinare le modifiche dell’angolo di ritardo.

In una realizzazione specifica, il sistema di controllo 78 riceve continuamente misurazioni elettriche provenienti dai sensori di tensione e corrente e calcola continuamente segnali di smorzamento torsionale in base a componenti torsionali dinamici calcolati in base alle misurazioni elettriche. In base a questa realizzazione specifica, il sistema di controllo non determina se le vibrazioni torsionali siano presenti o meno nell’albero, ma calcola continuamente segnali di smorzamento torsionale in base al valore torsionale dinamico calcolato. Tuttavia, in assenza di vibrazioni torsionali, i segnali di smorzamento torsionale generati dal sistema di controllo e inviati aH’inverter e/o al raddrizzatore non incidono sull’inverter e/o sul raddrizzatore, come ad esempio le modifiche dell’angolo fornite dai segnali di smorzamento sono trascurabili o zero. In base a questa realizzazione specifica, i segnali incidono quindi sull’inverter e/o sul raddrizzatore solo in presenza di vibrazioni torsionali.

In base a una realizzazione specifica, la misurazione della coppia motrice o della velocità dell’albero della turbina a gas(o dati stimati relativi alla coppia motrice o alla velocità dell’albero) consente al sistema di controllo di modulare un trasferimento di energia del sistema di azionamento LCI in controfase rispetto alla velocità torsionale di un’oscillazione torsionale.

L’energia di smorzamento scambiata tra il generatore e il sistema di azionamento LCI verrà impostata elettronicamente e avrà una frequenza corrispondente alla frequenza naturale del sistema dell’albero. Tale metodo risulta efficace per sistemi meccanici con elevato fattore Q, come ad esempio un sistema dell’albero rotore in acciaio a elevata rigidezza torsionale. Inoltre, il metodo consistente nell’applicare una coppia elettrica oscillante all'albero del motore avente una frequenza corrispondente alla frequenza di risonanza del sistema meccanico impiega poca energia di smorzamento.

Il sistema di controllo sopra esaminato verrà dunque integrato in un sistema di azionamento in base alla tecnologia LCI senza sovraccaricare il sistema. Ciò facilita ['implementazione del nuovo sistema di controllo su impianti elettrici nuovi o esistenti e lo rende economicamente allettante. Il sistema di controllo verrà implementato senza dover modificare l'impianto elettrico esistente, ad esempio estendendo il sistema di controllo di uno degli azionamenti LCI sulla rete ad isola. Qualora la coppia motrice e la velocità operativa del sistema di azionamento LCI variassero su larga scala, l’efficacia dello smorzamento del modo torsionale dipenderà dalle prestazioni di controllo corrente convertitore sul lato rete. L’operazione di smorzamento del modo torsionale comporta una lieve oscillazione di corrente della connessione DC a una frequenza torsionale naturale.

Di conseguenza, ci sono due componenti elettrici a questa frequenza: il componente previsto in seguito al controllo dell’angolo di accensione inverter e un componente aggiuntivo in seguito all’oscillazione di corrente. La fase e ampiezza del componente aggiuntivo dipende dai parametri del sistema, dalle impostazioni di controllo corrente e dai punti operativi. Ne consegue la generazione di un componente elettrico che dipende dal controllo corrente e la generazione di un altro che dipende dalla modulazione angolare.

In base a una realizzazione specifica, due diversi sistemi di modulazione elettrica potranno essere implementati dal sistema di controllo. Il primo consiste neH’utilizzare direttamente il riferimento corrente sul Iato rete (richiede una rapida esecuzione del controllo corrente), come ad esempio la modulazione a- con un componente di smorzamento. Il secondo consiste nel modulare gli angoli sul lato rete e sul lato macchina, il che comporta la generazione di una corrente costante della connessione DC, come ad esempio la modulazione α-β- con un componente della frequenza di smorzamento. Il controllo corrente sul lato rete fa parte del controllo di smorzamento e quindi non neutralizza l’effetto della modulazione angolare.

In tal modo, l’effetto di smorzamento è maggiore e indipendente dalle impostazioni di controllo corrente.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 10, il sistema 50 include elementi analoghi al sistema indicato nella figura 3 e nella figura 4. Il sistema di controllo 78 riceve misurazioni elettriche (come indicato nella figura 4, nella figura 5 e nella figura 8) e/o misurazioni meccaniche (vedi ad esempio figura 4 e figura 8 o sensore 112 e connessione 110 nella figura 10) riguardo a uno o più componenti del motore 54, del carico 56 o della turbina a gas (non indicata) del sistema 50. Solo in base a misurazioni elettriche o solo in base a misurazioni meccaniche o in base a una combinazione tra le due, il sistema di controllo 78 genera segnali di controllo per applicare una modulazione a al raddrizzatore 66. Ad esempio, la modulazione di riferimento corrente viene ottenuta tramite modulazione a, mentre l’angolo β è mantenuto costante nell’inverter 70. La modulazione a è rappresentata, ad esempio, dal simbolo Δα nella figura 4 e nella figura 10. Tale modulazione si differenzia da quella descritta nel brevetto statunitense n.

7.173.399 per almeno due motivi. La prima differenza consiste nel fatto che le misurazioni meccaniche (se utilizzate) sono ottenute nella presente realizzazione specifica da un punto lungo l’albero 58 (ossia il motore 54, il carico 56 e/o la turbina a gas 52), mentre il brevetto statunitense n. 7.173.399 utilizza una misurazione del generatore di potenza 22 (vedi figura 2).

La seconda differenza consiste nel fatto che, in base a una realizzazione specifica, non vengono ricevute e utilizzate misurazioni meccaniche da parte del sistema di controllo 78 per eseguire la modulazione a.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 11 , esiste un metodo per smorzare le vibrazioni torsionali di un sistema di compressione comprendente una macchina elettrica. Il metodo include una fase 1100 consistente nel ricevere dati relativi ai parametri di (i) un convertitore azionante una macchina elettrica o (ii) un sistema di compressione, una fase 1102 consistente nel calcolare almeno un componente torsionale dinamico della macchina elettrica in base ai dati rilevati, una fase 1104 consistente nel generare dati di controllo del raddrizzatore del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di compressione in base ad almeno un componente torsionale dinamico e una fase 1106 consistente neH’inviare i dati di controllo al raddrizzatore per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

In base a un’altra realizzazione specifica indicata nella figura 12, nel sistema 50 il raddrizzatore 66 e l’inverter 70 possono essere controllati simultaneamente (ossia la modulazione a e la modulazione β) per smorzare le oscillazioni torsionali. Come indicato nella figura 12, il sistema di controllo 78 fornisce modulazioni al sistema di controllo raddrizzatore 88 e al sistema di controllo inverter 90. Il sistema di controllo 78 determina la modulazione in base a (i) misurazioni meccaniche rilevate dai sensori 112 del motore 54, del carico 56 e/o della turbina a gas 52, (ii) in base a misurazioni elettriche come indicato nella figura 4, nella figura 5 e nella figura 8 o in base a una combinazione tra le due.

Più specificatamente, la modulazione a e la modulazione β sono correlate tra loro come esaminato in seguito con riferimento alla figura 13. La figura 13 mostra cadute di tensione verificatesi nel raddrizzatore 66, nella connessione DC 68 e nell’inverter 70. In seguito alla correlazione tra la modulazione a e la modulazione β, è meglio che la corrente della connessione DC sia costante. Le relative cadute di tensione indicate nella figura 13 sono date da:

VDCa =k-VACG cos(a)

νϋθβ = k- VACM ·οοβ(β), e

VDCa = νϋΰβ VDCL,

in cui VACG è l’ampiezza di tensione della rete elettrica 60 nella figura 12 e VACM è l’ampiezza di tensione del motore 54.

Differenziando l’ultima relazione rispetto al tempo e imponendo la condizione secondo cui la modifica del valore VDCL in termini di tempo è zero, si ottiene la seguente relazione matematica tra la modulazione a e la modulazione β: d(VDCa)/dt = - k-VACG sin(a) e d(VDCP)/dt = - k-VACM -sin(P), che dà

da = (VACM sin(3))/(VACG sin(a)) dp.

In base a quest’ultima relazione, la modulazione a e la modulazione β verranno eseguite simultaneamente come indicato, ad esempio, nella figura 14. La figura 14 mostra la coppia motrice 200 che aumenta di circa tO = 1.5 secondi. Non verrà applicata la modulazione a 202 e la modulazione β 204 tra tO e t1. Al valore t1 verrà applicata un’eccitazione 206 tra t1 e t2 e verranno applicate entrambe le modulazioni. Al termine dell'intervallo di tempo da t1 a t2, entrambe le modulazioni verranno rimosse e le oscillazioni della coppia motrice 200 diminuiranno in modo esponenziale in seguito alle proprietà di smorzamento meccanico del sistema di azionamento meccanico.

Si tratta di un esempio simulato non rilevato neH’ambito di un sistema reale. Per tale ragione, entrambe le modulazioni verranno rigidamente controllate, ad esempio inizieranno a t1 e termineranno a t2.

Tuttavia, nell’ambito di una reale esecuzione della modulazione a e della modulazione β, le modulazioni verranno eseguite continuamente con l’ampiezza di modulazione impostata in base all’entità delle oscillazioni torsionali. Il vantaggio della modulazione combinata rispetto alla modulazione β consiste nel fatto che non c’è bisogno di alcun adeguamento di fase in diversi punti operativi e i parametri di controllo LCI non avranno alcun effetto sulle prestazioni di smorzamento. Tale esempio di modulazione verrà fornito per illustrare l’effetto di modulazione degli angoli di ritardo nel sistema meccanico.

L’esito della simulazione è indicato tramite una risposta ad anello aperto al sistema meccanico per un sistema di smorzamento torsionale con prestazioni di smorzamento inverso.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 15, esiste un metodo per smorzare le vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica. Il metodo include una fase 1500 consistente nel ricevere dati relativi ai parametri di (i) un convertitore azionante una macchina elettrica o (ii) un sistema di azionamento, una fase 1502 consistente nel calcolare almeno un componente torsionale dinamico della macchina elettrica in base ai dati rilevati, una fase 1504 consistente nel generare dati di controllo deH’inverter e del raddrizzatore del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base ad almeno un componente torsionale dinamico e una fase 1506 consistente nell’inviare i dati di controllo aH’inverter e al raddrizzatore per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. Il componente torsionale dinamico include una posizione, velocità e accelerazione rotativa o una coppia motrice relativa a una sezione dell’albero meccanico. E' stato anche osservato che l’espressione modulante la potenza attiva esprime l’idea di modulazione in un istante anche se la potenza attiva media durante un periodo T è zero. Inoltre, se dovesse essere utilizzato un inverter VSI anziché un inverter LCI, verrà modificata, se necessario, un’altra quantità elettrica anziché la potenza attiva.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 16, un inverter VSI 140 include un raddrizzatore 142, una connessione DC 144, e un inverter 146 collegati l’uno all’altro in quest'ordine. Il raddrizzatore 42 riceve una tensione di rete proveniente da una fonte di energia elettrica 148 e include, ad esempio, un ponte diodi o un front end attivo basato su dispositivi a semiconduttore.

La tensione DC fornita dal raddrizzatore 142 verrà filtrata e stabilizzata dal condensatore C nella connessione DC 144. La tensione filtrata verrà poi applicata all’inverter 146, che include dispositivi a semiconduttore ad autocommutazione, come ad esempio transistor bipolari con gate isolato IGBT generanti una tensione AC da applicare al motore 150. I sistemi di controllo 152 e 154 verranno forniti per il raddrizzatore 142 e l’inverter 146, oltre ai sistemi di controllo del raddrizzatore e dell’inverter o integrati ai sistemi di controllo del raddrizzatore e deH’inverter per smorzare le vibrazioni torsionali dell’albero del motore 150. Il sistema di controllo raddrizzatore 153 e il sistema di controllo inverter 155 saranno collegati ad alcuni dispositivi a semiconduttore, ma resta inteso che tutti i dispositivi a semiconduttore saranno collegati ai sistemi di controllo. I sistemi di controllo 152 e 154 verranno forniti assieme o singolarmente e potranno determinare componenti torsionali dinamici in base a misurazioni elettriche come esaminato riguardo alla figura 4 e alla figura 5 e influenzare i riferimenti di controllo del sistema di controllo raddrizzatore e inverter, come ad esempio riferimenti di controllo corrente o coppia motrice.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 17, un sistema multimassa generalizzato 160 include diverse masse “n” con corrispondenti momenti d’inerzia da J1 a Jn. Ad esempio, la prima massa corrisponde a una turbina a gas, la seconda corrisponde a un compressore e così via, mentre l’ultima corrisponde a un motore elettrico. Supponiamo che l’albero del motore elettrico non sia accessibile per misurazioni meccaniche, come ad esempio posizione, velocità e accelerazione rotativa o coppia motrice. Supponiamo anche che l’albero della turbina a gas sia accessibile e uno dei suddetti parametri meccanici sia misurato direttamente sulla turbina a gas. A questo riguardo, è stato osservato che generalmente una turbina a gas ha sensori ad alta precisione misuranti variabili meccaniche dell’albero per proteggere la turbina a gas da eventuali danni. Al contrario, un motore tradizionale non ha tali sensori o anche se fossero presenti, la precisione di misurazione è scarsa.

L’equazione differenziale del sistema meccanico è data da:

J(d02/dt2) D (dG/dt) ΚΘ = Text,

in cui J (matrice torsionale), D (matrice di smorzamento), e K (matrice di rigidezza torsionale) sono matrici che collegano le caratteristiche della prima massa (come ad esempio d10, d12, k12, J1) alle caratteristiche delle altre masse e Text è la coppia esterna netta applicata al sistema, ad esempio dal motore. In base a questo modello del sistema meccanico, una coppia motrice o un altro componente torsionale dinamico della massa “n” potranno essere determinati qualora siano note, ad esempio, le caratteristiche della prima massa. In altre parole, i sensori ad alta precisione forniti sulla turbina a gas verranno utilizzati per misurare almeno una posizione, velocità, accelerazione torsionale o coppia motrice dell’albero della turbina a gas. In base al valore rilevato, un componente torsionale dinamico del motore (massa “n”) o un’altra sezione del sistema di azionamento verranno calcolati da un processore o un sistema di controllo 78 del sistema e verranno generati dati di controllo dell’inverter o del raddrizzatore come esaminato sopra. In altri termini, in base a questa realizzazione specifica, il sistema di controllo 78 riceve informazioni meccaniche da una turbomacchina collegata al motore e in base a tali informazioni controlla il convertitore in modo da generare una coppia motrice nel motore per smorzare le vibrazioni torsionali. La turbomacchina può essere non solo una turbina a gas, ma anche un compressore, un espansore o altre macchine. In un’applicazione, non saranno necessarie misurazioni elettriche per eseguire lo smorzamento, ma le misurazioni elettriche potranno essere associate alle misurazioni meccaniche per ottenere lo smorzamento. In un’applicazione, il sistema applicante lo smorzamento (sistema di smorzamento) non è accessibile per misurazioni meccaniche e il componente torsionale dinamico della macchina verrà calcolato tramite misurazioni meccaniche condotte su un’altra macchina collegata meccanicamente al sistema di smorzamento.

In base a una realizzazione specifica indicata nella figura 18, sono indicati solo il motore 150 e l’inverter sul lato motore LCI. La posizione e velocità dell’albero del motore sono variabili che verranno utilizzate per controllare il sistema di azionamento. La posizione dell’albero del motore (o vettore di tensione del motore) verrà utilizzata per determinare esattamente l'angolo di accensione β sul lato motore.

La posizione dell’albero del motore verrà ottenuta tramite sensori di posizione fissati all’albero del motore o senza alcun sensore, ad esempio mediante l’uso di un modello di osservatore alimentato da variabili elettriche del motore e/o deH'azionamento stesso.

Il vettore di tensione del motore verrà valutato tramite variabili del motore e/o variabili elettriche di azionamento (come ad esempio tensione del motore). La tensione ai morsetti del motore e/o forme d’onda di corrente includono picchi di rumore e commutazione. Per tale ragione, le tensioni e/o correnti ai morsetti del motore non verranno utilizzate direttamene per determinare la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore. In un’applicazione, l’operazione di filtraggio si applica alle variabili del motore o alle variabili elettriche di azionamento (ad esempio, mediante l’uso di un modello di osservatore o di un PLL, dispositivo ad anello ad aggancio di fase).

La figura 18 mostra una realizzazione specifica per spiegare come vengano generati gli impulsi di accensione sul lato motore, dato che non ci sono sensori fissati al motore, ma come osservato sopra, è possìbile ottenere lo stesso risultato mediante un sensore di posizione. Partendo dalle variabili elettriche 186 provenienti dal motore 182 e/o dal sistema di azionamento, la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore si ottengono mediante l’uso di un osservatore o PLL 188. L’angolo istantaneo 188 verrà immesso nel modulatore 190 per stabilire e inviare comandi di accensione 194 all’inverter, anche in base al comando β 192. Altri metodi verranno utilizzati per impostare la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore, il che sarà apprezzato dagli esperti del ramo. Considerando la realizzazione specifica indicata nella figura 18, le caratteristiche dinamiche del PLL o osservatore 180 dovranno essere sufficienti a localizzare esattamente la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore ed evitare una riduzione dell’angolo di sicurezza in caso di discrepanze tra la posizione reale e quella “osservata". Il termine “osservata”si riferisce non solo alle variabili generate dall’ osservatore dinamico, ma anche a quelle generate dal PLL. In base a un’altra realizzazione specifica indicata nella figura 19, verrà implementato un metodo completamente logico per smorzare le oscillazioni torsionali del sistema di azionamento.

La figura 19 mostra solo il motore 150 e l’inverter LCI 62 del sistema di azionamento. Riguardo alla realizzazione specifica indicata nella figura 19, verrà analizzato il funzionamento del PLL (o osservatore) 162. In questa realizzazione specifica, il PLL (o osservatore) è impostato sullo zero Crossing della tensione del motore (rilevata dal sistema 160), ma ciò non intende limitare il tipo di PLL e demodulatore di fase utilizzato o il tipo di osservatore dinamico utilizzato.

Il PLL è ritenuto un particolare tipo di osservatore. Per tale ragione, per osservatore, si può anche intendere un PLL o per PLL si può anche intendere un osservatore. In base allo zero Crossing del rilevatore 160, un segnale digitale a onda quadra verrà generato e fornito al PLL/osservatore 162. Il PLL/osservatore 162 localizza la forma d’onda (lo zero Crossing verrà sostituito da altri metodi). L’uscita del PLL/osservatore 162 è un angolo istantaneo consistente in una variabile analogica o digitale. L’angolo istantaneo osservato verrà fornito al sistema di controllo 78 per determinare l’attivazione dell’angolo β del motore.

Per questa ragione, le caratteristiche dinamiche del PLL/osservatore 162 dovranno localizzare esattamente la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore ed evitare una riduzione dell’angolo di sicurezza in caso di errori dinamici.

L’oscillazione torsionale del sistema di azionamento riflette l’oscillazione di velocità della sezione del motore e tale oscillazione riflette l’ampiezza e la frequenza della tensione del motore. Se il PLL/osservatore dovesse essere preciso, l’oscillazione di velocità è visibile sul segnale localizzato.

A patto che l’angolo di accensione (α, β, o entrambi) sul lato motore sia modulato in base a un segnale di riferimento fornito dal PLL/osservatore 162, la modifica della funzione di trasferimento del PLL/osservatore avrà effetto sulle oscillazioni di smorzamento torsionale. Supponiamo, ad esempio, che l’angolo di accensione sul lato motore sia costante e che sia presente un’oscillazione torsionale nell’oscillazione di velocità della sezione del motore. I tempi di accensione del ponte di uscita verranno calcolati in base al riferimento di uscita PLL/osservatore. Qualora il PLL/osservatore 16 non localizzasse esattamente la tensione del motore (volontariamente o involontariamente) e qualora un angolo di accensione costante fosse modulato in base all’ "angolo osservato” (che si differenzia dall’angolo reale poiché il PLL/osservatore non è preciso), l’angolo di accensione reale sul lato motore verrà modulato dalla velocità stessa, in base alla funzione di trasferimento del PLL/osservatore. La modulazione dell’angolo di accensione, che è una risposta all’oscillazione di velocità dell’albero, funge da smorzatore.

La figura 19 indica come l’uscita digitale del PLL/osservatore 162 venga confrontata, nel sistema di controllo 78, (come ad esempio, un blocco logico o il sistema di controllo esaminato sopra riguardo alla figura 9) con segnali a onda quadra rappresentativi della tensione del motore.

I segnali rappresentativi della tensione del motore verranno ricevuti dal sistema di controllo 78 tramite il rilevatore 160 lungo la connessione 172. Come già evidenziato, gli zero Crossing della tensione del motore non sono gli unici segnali relativi alle variabili del motore e alle variabili di azionamento alimentanti il PLL (o osservatore) 162. Poi, mediante il funzionamento digitale, verrà generato un segnale di correzione. Tale segnale può essere analogico o digitale. Nel primo caso (soluzione mista), il segnale è inviato dal sistema di controllo 78 lungo la connessione 174 e utilizzato per modulare l’angolo a e/o l’angolo β. Nel secondo caso (soluzione digitale), il segnale digitale è inviato direttamente dal sistema di controllo 78 (vedi connessione 170 nella figura 19) ai gate deN’inverter/convertitore per eseguire la commutazione. L’operazione qui descritta (confronto tra l’uscita del PLL/osservatore e i segnali d’ingresso provenienti dal motore) è già incorporata nel PLL (comparatore di fase) o nell’osservatore. Il sistema di controllo 78 include una logica di controllo affinché il segnale di correzione dell’angolo β non riduca il margine di sicurezza (modulazione unipolare, poiché l’angolo β può essere ridotto ma non aumentato).

La figura 19 mostra anche un limitatore opzionale 166 limitante il valore della modulazione generata dal sistema di controllo 78. L’interruttore 168 verrà fornito su richiesta tra il limitatore 166 e l’inverter LCI 62 per attivare e disattivare i dati di controllo generati dal sistema di controllo forniti aH’inverter LCI 62.

In un’applicazione, l’algoritmo descritto sopra relativo alla figura 19 funziona più efficacemente se il PLL/osservatore 162 non localizza esattamente la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore. La modifica della funzione di trasferimento del PLL/osservatore per smorzare le oscillazioni affinché ci sia una visibile differenza tra la posizione reale e quella “osservata” comporta una serie di inconvenienti, tra cui un’eventuale riduzione dell’angolo di sicurezza.

Per questa ragione, all’interno del sistema di controllo 78, verrà fornito un secondo PLL/osservatore. In tal modo, il primo PLL/osservatore 162 dovrà localizzare esattamente la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore, mentre il secondo PLL/osservatore 164 dovrà seguire la posizione del vettore di tensione del motore o la posizione del rotore del motore con diversa dinamica, che verrà scelta senza restrizioni. In regime permanente, a velocità costante, l’uscita dei due PLL/osservatori sarà la stessa, mentre durante i transitori (incluse oscillazioni di velocità attorno a un valore centrale), le uscite dei due PLL/osservatori saranno diverse l’una dall’altra.

L’esito del confronto tra i due PLL/osservatori verrà utilizzato per implementare altre soluzioni di smorzamento.

Qualora vengano utilizzati due PLL/osservatori, è possibile adottare una soluzione mista (ossia l’angolo β è modulato modificando il valore di riferimento β) o una soluzione interamente digitale (la comparazione tra i due segnali digitali provenienti dai due PLL/osservatori viene elaborata digitalmente e l’esito della comparazione consiste in un comando inviato direttamente ai gate dell’inverter senza alcuna modulazione del valore di riferimento dell’angolo β).

In base a una realizzazione specifica, il metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica è indicato nella figura 20.

Il metodo include una fase 2000 consistente nel ricevere dati relativi a variabili del convertitore (come ad esempio zero Crossing), una fase 2002 consistente nel ricevere un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, una fase 2004 consistente nel confrontare i dati col primo segnale digitale, una fase 2006 consistente nel generare dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e una fase 2008 consistente nell’inviare i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. Nelle fasi opzionali, i dati di controllo digitali verranno inviati direttamente al convertitore per la commutazione dei gate del convertitore e i dati di controllo analogici verranno utilizzati per generare la modulazione a-, la modulazione β-, o la modulazione a- e β- da applicare al modulatore del convertitore.

Qualora fossero resi disponibili nel sistema due PLL (o osservatori), verrà implementato un altro metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica. In base alla realizzazione indicata nella figura 21, il metodo include una fase 2100 consistente nel ricevere un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un primo osservatore dinamico, una fase 2102 consistente nel ricevere un secondo segnale digitale da un secondo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un secondo osservatore dinamico, una fase 2104 consistente nel confrontare il primo col secondo segnale digitale, una fase 2106 consistente nel generare dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e una fase 2108 consistente neH’inviare i dati di controllo al raddrizzatore e/o aH’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

Nelle fasi opzionali, i dati di controllo digitali verranno inviati direttamente al convertitore per la commutazione dei gate del convertitore e i dati di controllo analogici verranno utilizzati per generare la modulazione a-, la modulazione β-, o la modulazione a- e β- da applicare al modulatore del convertitore.

Le realizzazioni specifiche descritte forniscono sistemi e metodi di smorzamento delle vibrazioni torsionali. Resta inteso che tale descrizione non intende limitare l’invenzione, ma al contrario le realizzazioni specifiche includono alternative, modifiche ed equivalenti rientranti nello spirito e nell’ambito dell’invenzione come definito dalle rivendicazioni annesse. Ad esempio, il metodo verrà applicato ad altri sistemi meccanici azionati da motore elettrico, come pompe idrauliche, centrali idroelettriche di pompaggio, etc. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni specifiche, verranno indicati dettagli specifici per fornire una comprensione globale dell’invenzione, ma gli esperti del ramo ritengono che le realizzazioni possano essere messe in pratica senza tali dettagli.

Benché gli aspetti ed elementi delle presenti realizzazioni specifiche siano descritti in particolari combinazioni, ciascun aspetto o elemento può essere utilizzato singolarmente senza gli altri aspetti ed elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altri aspetti ed elementi ivi descritti.

La descrizione scritta utilizza esempi del contenuto divulgato affinché gli esperti del ramo possano metterlo in pratica, inclusa la realizzazione e l’utilizzazione di dispositivi o sistemi e l'esecuzione dei metodi incorporati. Il contenuto brevettabile è definito dalle rivendicazioni e include altri esempi che dovessero accadere agli esperti del ramo. Tali esempi rientrano neH'ambito delle rivendicazioni.

Claims (10)

1. CLAIMS/RIVENDICAZIONI: 1. Un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore o posto all'interno di un convertitore azionante un’unità comprendente una macchina elettrica e una macchina non elettrica, comprendente: un’interfaccia d’ingresso che riceve dati relativi a variabili del convertitore; e un sistema di controllo collegato all'interfaccia d’ingresso che riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, riceve i dati provenienti dal convertitore, confronta i dati col primo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o deH’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’ albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 2. Il sistema di controllo della rivendicazione 1, in cui i dati di controllo digitali verranno inviati direttamente al modulatore del convertitore e/o ai gate per la commutazione dei gate del convertitore. 3. Il sistema di controllo della rivendicazione 1, in cui i dati di controllo analogici verranno utilizzati per generare la modulazione a-, la modulazione β-, o la modulazione a- e β-da applicare ai modulatori del convertitore. 4. Il sistema di controllo della rivendicazione 1, in cui le variabili del convertitore includono tensioni o correnti fornite al motore. 5. Il sistema di controllo della rivendicazione 1, in cui i dati sono relativi al valore zero della tensione o corrente alternata. 6. Il sistema di controllo della rivendicazione 1, in cui il sistema di controllo genera dati di controllo solo in base ai dati del convertitore. 7. Un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore o posto all'interno di un convertitore azionante un’unità comprendente una macchina elettrica e una macchina non elettrica comprendente: una prima interfaccia d’ingresso che riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un primo osservatore dinamico; una seconda interfaccia d’ingresso che riceve un secondo segnale digitale proveniente da un secondo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un secondo osservatore dinamico; e un sistema di controllo collegato alla prima e alla seconda interfaccia d’ingresso che riceve il primo e il secondo segnale digitale, confronta il primo col secondo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto, e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 8. Un sistema di azionamento di una macchina elettrica facente parte dell’unità di azionamento comprendente: un raddrizzatore che riceve corrente alternata proveniente da una fonte di energia elettrica e la trasforma in corrente continua; una connessione in corrente continua collegata al raddrizzatore che trasmette corrente continua; un inverter collegato alla connessione in corrente continua che trasforma la corrente continua ricevuta in corrente alternata; un’interfaccia d’ingresso che riceve dati relativi a variabili del convertitore; e un sistema di controllo collegato all’interfaccia d’ingresso che riceve un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico, riceve i dati provenienti dal convertitore, confronta i dati col primo segnale digitale, genera dati di controllo del raddrizzatore e/o deH’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto e invia i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 9. Un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di azionamento comprendente una macchina elettrica consistente nel: ricevere dati relativi a variabili del convertitore; ricevere un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un osservatore dinamico; confrontare i dati col primo segnale digitale; generare dati di controllo del raddrizzatore e/ deH’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto; e inviare i dati di controllo al raddrizzatore e/o aH'inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 10. Un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di un’unità di azionamento comprendente una macchina elettrica consistente nel: ricevere un primo segnale digitale proveniente da un primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un primo osservatore dinamico; ricevere un secondo segnale digitale proveniente da un secondo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o un secondo osservatore dinamico oltre al primo dispositivo ad anello ad aggancio di fase o al primo osservatore dinamico; confrontare il primo col secondo segnale digitale; generare dati di controllo del raddrizzatore e/o dell’inverter del convertitore per smorzare le oscillazioni torsionali dell’albero del sistema di azionamento in base al risultato del confronto;e inviare i dati di controllo al raddrizzatore e/o aH’inverter per la modulazione della potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. CLAIMS/RIVENDICAZIONI: 1. A torsional mode damping controller system connected to a converter or placed inside the converter itself, said converter driving a drive train including an electrical machine and a non-electrical machine, the controller system comprising: an input interface configured to receive converter data related to variables of the converter; and a controller connected to the input interface and configured to, receive a first digital signal from a first phase lock loop device or a dynamic observer, receive the converter data from the converter, compare the converter data with the first digital signal, generate control data for a rectifier and/or an inverter of the converter for damping a torsional oscillation in a shaft of the drive train based on a result of the comparison, and send the control data to the rectifier and/or to the inverter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
2. 2. The controller system of claim 1, wherein the control data is digital and is sent directly to a converter modulator and/or gate units for commutating gates of the converter.
3. 3. The controller system of claim 1, wherein the control data is analog and is used for producing α-, β-, or a- and β-modulation to be applied to converter modulators.
4. 4. The controller system of claim 1, wherein the variables of the converter include a voltage or a current supplied to the motor.
5. 5. The controller system of claim 1, wherein the converter data is related to a zero value of an alternating voltage or current.
6. 6. The controller system of claim 1, wherein the controller is configured to generate the control data based only on the converter data.
7. 7. A torsional mode damping controller system connected to a converter or placed inside the converter itself, said converter driving a drive train including an electrical machine and a non-electrical machine, the controller system comprising: a first input interface configured to receive a first digital signal from a first phase lock device or a first dynamic observer; a second input interface configured to receive a second digital signal from a second phase lock device or a second dynamic observer; and a controller connected to the first and second input interfaces and configured to, receive the first and second digital signals, compare the first digital signal with the second digital signal, generate control data for a rectifier and/or an inverter of the converter for damping a torsional oscillation in a shaft of the drive train based on a result of the comparison, and send the control data to the rectifier and/or to the inverter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
8. 8. A system for driving an electrical machine that is part of a drive train, the system comprising: a rectifier configured to receive an alternative current from a power source and to transform the alternative current into a direct current; a direct current link connected to the rectifier and configured to transmit the direct current; an inverter connected to the direct current link and configured to change a received direct current into an alternative current; an input interface configured to receive converter data related to variables of the converter; and a controller connected to the input interface and configured to, receive a first digital signal from a first phase lock loop device or a dynamic observer, receive the converter data from the converter, compare the converter data with the first digital signal, generate control data for a rectifier and/or an inverter of the converter for damping a torsional oscillation in a shaft of the drive train based on a result of the comparison, and send the control data to the rectifier and/or to the inverter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
9. 9. A method for damping a torsional vibration in a drive train including an electrical machine, the method comprising: receiving converter data related to variables of the converter; receiving a first digital signal from a first phase lock loop device or a dynamic observer; comparing the converter data with the first digital signal; generating control data for a rectifier and/or an inverter of the converter for damping a torsional oscillation in a shaft of the drive train based on a result of the comparison; and sending the control data to the rectifier and/or to the inverter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
10. 10. A method for damping a torsional vibration in a drive train including an electrical machine, the method comprising: receiving a first digital signal from a first phase lock device or a first dynamic observer; receiving a second digital signal from a second phase lock loop device or a second dynamic observer additional to the first phase lock device or the first dynamic observer; comparing the first digital signal with the second digital signal; generating control data for a rectifier and/or an inverter of the converter for damping a torsional oscillation in a shaft of the drive train based on a result of the comparison; and sending the control data to the rectifier and/or to the inverter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.