ITCO20100013A1 - Sistema e metodo di smorzamento del modo torsionale senza sensori - Google Patents

Description

TITLE / TITOLO:

SENSORLESS TORSIONAL MODE DAMPING SYSTEM AND METHOD /

SISTEMA E METODO DI SMORZAMENTO DEL MODO TORSIONALE SENZA SENSORI

ARTE NOTA CAMPO DELL’INVENZIONE

Le realizzazioni dell’oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a metodi e sistemi e, più particolarmente, a meccanismi e tecniche per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali di un sistema di rotazione.

RIASSUNTO DELL’ARTE NOTA

L’industria del petrolio e del gas è soggetta a una crescente domanda di azionamento di varie macchine a velocità variabili. Tali macchine possono comprendere compressori, motori elettrici, espansori, turbine a gas, pompe, ecc. I motori elettrici a frequenza variabile aumentano l’efficienza energetica e offrono maggiore flessibilità per le macchine. Ad esempio, una modalità di azionamento di una trasmissione di compressione gas elevata è l’inverter LCI (Load Commutated Inverter). Tuttavia, un problema presentato dai sistemi azionati a elettronica di potenza è la generazione di componenti di mormorio nella coppia della macchina, a causa dell’armonica elettrica. Il componente di mormorio della coppia può interagire con il sistema meccanico a frequenze torsionali naturali della trasmissione, cosa che non è auspicabile.

Un’oscillazione o vibrazione torsionale è un movimento angolare oscillatorio che può verificarsi in un rotore cui sono fissate diverse masse, come indicato nell’esempio alla 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 delle macchine sono collegati l’uno all’altro oppure un singolo albero è condiviso da queste macchine. A causa dei giranti e delle altre masse distribuiti lungo l’albero 20, una rotazione del suddetto può essere interessata da oscillazioni torsionali prodotte dalla rotazione a diverse velocità delle masse (ad esempio i giranti) applicati all’albero.

Come sopra discusso, le vibrazioni torsionali sono generalmente prodotte dall’elettronica di potenza che aziona, per esempio, il motore. La Figura 1 mostra una sorgente di rete elettrica (alimentatore ) 22 che alimenta l’LCI 24, il quale a sua volta attiva il rotore 20 del motore 14. La rete elettrica può essere un generatore di corrente isolato. Al fine di smorzare (ridurre) le vibrazioni torsionali, come mostrato nella Figura 2 (che corrisponde alla Figura 1 del brevetto USA N.

7.173.399, concesso allo stesso assegnatario di questa applicazione, l’intera divulgazione del quale è inclusa nel presente per riferimento), è possibile fornire un controller inverter 26 a un inverter 28 dell’LCI 24 e configurare il suddetto per introdurre una modifica dell’angolo di ritardo dell’inverter (Δβ) onde modulare una quantità di potenza attiva trasferita dall’inverter 28 al motore 14. Si noti che il termine “angolo di ritardo” è ritenuto nella letteratura sinonimo del termine “angolo di accensione”. Per questo motivo, nell’ambito del presente documento, tali termini sono ritenuti avere lo stesso significato e possono essere usati come intercambiabili. Tale presupposto è vero a prescindere dalla modulazione alfa o beta. In alternativa, è possibile fornire un controller raddrizzatore 30 a un raddrizzatore 32 e configurare il suddetto per introdurre una modifica dell’angolo di ritardo del raddrizzatore (Δα), onde modulare la quantità di potenza attiva trasferita dal generatore 22 alla connessione DC e di conseguenza al motore 14. Si noti che, modulando la quantità di potenza attiva trasferita dal generatore al motore, è possibile smorzare le vibrazioni torsionali.

I due controller 26 e 30 ricevono segnali in ingresso rispettivamente dai sensori 36 e 38 e tali segnali sono indicativi della coppia cui è soggetto il motore 14 e/o il generatore 22. In altre parole, il controller inverter 26 elabora il valore di coppia rilevato dal sensore 36 al fine di generare la modifica dell’angolo di ritardo dell’inverter (Δβ), mentre il controller raddrizzatore 30 elabora il valore di coppia rilevato dal sensore di coppia 38 per generare la modifica dell’angolo di ritardo del raddrizzatore (Δα). Il controller inverter 26 e quello raddrizzatore 30 sono indipendenti l'uno dall'altro e possono essere implementati insieme o da soli in un dato sistema, a seconda del funzionamento e della sensibilità di sistema delle trasmissioni collegate. La Figura 2 mostra il sensore 36 che monitora una parte (sezione) 40 dell’albero del motore 14 e il sensore 38 che monitora un albero 42 del generatore di corrente 22. La Figura 2 mostra inoltre la connessione DC 44 tra il raddrizzatore 32 e l’inverter 28.

Tuttavia, la misurazione delle proprietà meccaniche, come ad es. la coppia meccanica applicata a un albero rotante, può rivelarsi costosa e poco pratica per le trasmissioni a potenza elevata. Talvolta, non è possibile misurare la coppia meccanica, in quanto l’albero non è accessibile, oppure è circondato da un’atmosfera esplosiva, come nelle applicazioni a compressione gas. Di conseguenza, sarebbe auspicabile fornire sistemi e metodi che evitino la misurazione della coppia meccanica applicata all’albero rotante.

DESCRIZIONE SOMMARIA

Secondo una realizzazione esemplificativa, si ha un controller di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore che aziona una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione. Il sistema di controllo comprende un’interfaccia d’ingresso configurata per ricevere dati misurati correlati alle variabili del convertitore o della macchina elettrica, e un controller collegato all'interfaccia d’ingresso. Il controller è configurato per calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati misurati dall’interfaccia d’ingresso, generare dati di controllo del convertitore onde smorzare le oscillazioni torsionali della macchina elettrica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e inviare i dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, si ha un sistema di azionamento di una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione. Il sistema comprende un raddrizzatore configurato per ricevere corrente alternata proveniente da un alimentatore e trasformarla in corrente continua; una connessione DC collegata al raddrizzatore e configurata per trasmettere corrente continua; un inverter collegato alla connessione DC configurato per trasformare la corrente continua ricevuta in corrente alternata; un’interfaccia d’ingresso configurata per ricevere dati misurati correlati alle variabili elettriche della connessione DC o deH’inverter; e un controller collegato all’interfaccia d’ingresso. Il controller è configurato per calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati misurati dall’interfaccia d’ingresso, generare dati di controllo del raddrizzatore e/o inverter onde smorzare le oscillazioni torsionali della macchina elettrica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e inviare i dati di controllo al raddrizzatore e/o all’inverter per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra l’inverter e la macchina elettrica.

Secondo una realizzazione esemplificativa, si ha un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione. Il metodo comprende una fase di ricezione di dati misurati relativi ai parametri elettrici di un convertitore che aziona il motore; il calcolo di almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati ricevuti; una fase di generazione di dati di controllo del convertitore per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali in base ad almeno un componente dì coppia dinamica; e una fase di invio di dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un supporto leggibile da computer che includa istruzioni eseguibili da computer, dove le istruzioni, al momento dell’esecuzione, implementino il metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali esaminato al paragrafo precedente.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, si ha un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore che aziona una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione. Il sistema di controllo comprende un’interfaccia d’ingresso configurata per ricevere dati misurati correlati alle variabili meccaniche di una turbomacchina della trasmissione, e un controller collegato all’interfaccia d’ingresso. Il controller è configurato per calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base alle variabili meccaniche della turbomacchina, generare dati di controllo del convertitore onde smorzare le oscillazioni torsionali della macchina elettrica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e inviare i dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni allegati, che sono incorporati nella descrizione dettagliata e ne costituiscono parte integrante, illustrano una o più forme di realizzazione e, insieme alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

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

La Figura 2 è un diagramma schematico di un sistema di azionamento a velocità variabile collegato a un motore elettrico e a un carico meccanico e comprensivo di controller raddrizzatore e controller inverter;

La Figura 3 è un diagramma schematico di una turbina a gas, motore e carico controllati da un controller secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 4 è un diagramma schematico di un convertitore e della logica associata secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 5 è un diagramma schematico di un convertitore e della logica associata secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 6 è un grafico che illustra una coppia di un albero con controllo dello smorzamento disattivato;

La Figura 7 è un grafico che illustra una coppia di un albero con controllo dello smorzamento attivato secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 8 è un diagramma schematico di un convertitore e della logica associata secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 9 è un diagramma schematico di un controller configurato per controllare un convertitore per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 10 è un diagramma di flusso indicante un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 11 è un diagramma schematico di un inverter VSI (Voltage Source Inverter) e il controller associato per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 12 è un diagramma schematico di un sistema multimassa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate. Le seguenti realizzazioni sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e struttura di un motore elettrico azionato da un inverter LCI. Tuttavia, le realizzazioni da trattare in seguito non sono limitate a tale sistema, ma possono essere applicate (con le opportune regolazioni) ad altri sistemi azionati con altri dispositivi, come un inverter VSI.

Il riferimento in tutta la descrizione particolareggiata a “una forma di realizzazione” significa che una particolare funzione, struttura o caratteristica descritta in relazione a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Perciò, la comparsa della frase “in una forma di realizzazione” in vari punti della descrizione particolareggiata non si riferisce necessariamente alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari funzioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

Secondo una realizzazione esemplificativa, è possibile configurare un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale per ricevere informazioni provenienti dalle misurazioni elettriche anziché un albero di una macchina elettrica (motore o generatore) e stimare le vibrazioni torsionali in un punto desiderato di un albero di una trasmissione sensibile, in base alle informazioni provenienti dalle misurazioni elettriche. Le vibrazioni torsionali possono essere componenti dinamiche della coppia, angolo di torsione, velocità torsionale o accelerazione torsionale dell’albero. In altre parole, secondo questa realizzazione esemplificativa, non vi sono sensori che monitorano direttamente i componenti di coppia dinamica in punti dedicati dell’albero della trasmissione sensibile. Come sarà discusso in seguito, vi sono diversi punti del convertitore da cui è possibile raccogliere le informazioni ricevute dal controller.

Secondo una realizzazione esemplificativa illustrata alla Figura 3, un sistema 50 comprende una turbina a gas 52, un motore 54 e un carico 56. Sono possibili altre configurazioni comprensive di diverse turbine a gas e compressori come il carico 56. Tuttavia, altre configurazioni possono comprendere uno o più espansori, uno o più generatori di corrente, o altre macchine contenenti un componente rotante, come turbine eoliche o differenziali. Il sistema illustrato nella Figura 3 è esemplificativo ed è semplificato per una migliore comprensione delle nuove caratteristiche. Tuttavia, gli esperti deH'arte apprezzeranno il fatto che è possibile adattare altri sistemi con più o meno componenti onde includere le nuove caratteristiche appena discusse.

Il carico 56 può comprendere uno o più compressori o altre macchine usate nell'industria petrolifera e del gas. Il collegamento delle diverse masse (associate con i rotori e i giranti delle macchine) a un albero 58 rende il sistema 50 soggetto a potenziali vibrazioni torsionali. Tali vibrazioni possono distoreere l'albero 58, con una potenziale riduzione significativa del ciclo utile o persino la rottura del sistema dell’albero (che può comprendere non solo l'albero o alberi, ma anche gli accoppiamenti e il differenziale, a seconda della situazione). Le realizzazioni esemplificative forniscono un meccanismo di riduzione delle vibrazioni torsionali. Per attivare il motore 54, la corrente è fornita dalla rete elettrica o un generatore locale 60, in caso di sistemi di alimentazione a isola o tipo isola. Per azionare il motore 54 a velocità variabile, è presente un inverter LCI 62 tra la rete 60 e il motore 54. Come mostrato nella Figura 4, l’LCI 62 comprende un raddrizzatore 62 collegato a una connessione DC 68, collegata a un inverter 70. Il raddrizzatore 66, la connessione DC 68 e l’inverter 70 sono noti nell’arte e le loro strutture specifiche non verranno esaminate ulteriormente. Come summenzionato, è possibile applicare le nuove caratteristiche, con le opportune modifiche, ai sistemi VSI. A fini puramente illustrativi è indicato un VSI esemplificativo, che viene brevemente esaminato in merito alla Figura 11. La Figura 4 mostra che la corrente e la tensione ricevute dalla rete 60 sono trifase. Lo stesso vale per le correnti e tensioni fornite tramite il raddrizzatore, l'inverter e il motore, come indicato nella Figura 4 dal simbolo 73”. Tuttavia, le nuove caratteristiche delle realizzazioni esemplificative sono applicabili ai sistemi configurati per il funzionamento con più di tre fasi, ad esempio sistemi esafase e dodecafase.

L’LCI 62 comprende inoltre sensori di corrente e tensione, indicati con una A e una V cerchiata nella Figura 4. Ad esempio, un sensore di corrente 72 è presente nella connessione DC 68 per misurare una corrente iDc· In alternativa, la corrente della connessione DC verrà calcolata in base alle misurazioni eseguite sul lato AC, ad esempio dai sensori corrente 84 o 74, in quanto tali sensori sono più economici di quelli CC. Un altro esempio è un sensore di corrente 74 che misura una corrente iabcfornita dall’inverter 70 al motore 54, e un sensore di tensione 76 che misura una tensione vabcfornita dall’inverter 70 al motore 54. Si noti che tali correnti e tensioni sono fornite come input a un controller 78. Il termine “controller" è usato nel presente per riferirsi a un circuito o unità di elaborazione digitale, analogica o combinata adatta allo svolgimento della funzione di controllo designata. Tornando alla Figura 3, si noti che il controller 78 può far parte dell’LCI 62 oppure può essere un controller indipendente che scambia segnali con l’LCI 62. Il controller 78 può essere un controller di smorzamento del modo torsionale. La Figura 4 mostra inoltre che, in base a diversi riferimenti 82 e in base a una corrente ibxricevuta da un sensore 84, un controller LCI 80 genera un angolo di ritardo del raddrizzatore a per il controllo del raddrizzatore 66. È possibile usare un altro controller 86 per generare un angolo di ritardo deH’inverter β per l’inverter 70. Inoltre, la Figura 4 mostra un’unità di controllo gate 88 del raddrizzatore 66 e un’unità di controllo gate 90 deH’inverter 70 che controllano direttamente il raddrizzatore e l’inverter sulla base delle informazioni ricevute dai controller 80 e 86.

È possibile posizionare un sensore ottico 92 vicino all’albero del motore 54 al fine di rilevare i componenti della coppia dinamica, come una coppia presente nell’albero, una posizione torsionale dell’albero, una velocità torsionale dell’albero o un’accelerazione torsionale dell’albero. È possibile fornire le informazioni nxrelative ai componenti di coppia dinamica ai controller 78, 80 e 86. La figura 4 mostra inoltre i blocchi somma 94 e 96 che aggiungono un segnale proveniente dal controller 78 a quelli generati dai controller 80 e 86.

Secondo una realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 5, il controller di smorzamento del modo torsionale 78 riceve una corrente iabce una tensione vabcmisurate all’uscita 91 dell’LCI 62 o dell’inverter 70. In base a tali valori (nessuna informazione su una 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 può essere rappresentato da diverse equazioni differenziali rappresentanti il comportamento dinamico del sistema meccanico e colleganti i parametri elettrici ai parametri meccanici del sistema. La rappresentazione del modello comprende, ad esempio, i valori stimati di inerzia, smorzamento e rigidità (verificabili con le misurazioni sul campo), e consente di calcolare il comportamento dinamico dell’albero, come ad es. le oscillazioni torsionali. È possibile ottenere l’accuratezza necessaria per lo smorzamento del modo torsionale, in quanto l’accuratezza della fase del componente di coppia dinamica è I più rilevante per lo smorzamento del modo torsionale, rispetto alle informazioni suN’ampiezza o il valore assoluto di coppia, che sono meno importanti.

A tal riguardo, si noti che la coppia al traferro di una macchina elettrica è il collegamento tra il sistema elettrico e quello meccanico di una trasmissione. Anche le armoniche e interarmoniche del sistema elettrico sono visibili nella coppia al traferro. Le interarmoniche a una frequenza naturale del sistema meccanico possono provocare delle oscillazioni torsionali e determinare potenzialmente dei valori di coppia dinamica nel sistema meccanico al di sopra della portata dell’albero, I sistemi di smorzamento del modo torsionale esistenti possono contrastare tali oscillazioni torsionali, ma necessitano di un segnale rappresentativo della coppia dinamica dell’albero motore. Tale segnale è ottenuto da un sensore che monitora efficacemente ad es. l’albero del motore o i componenti del suddetto, come le ruote dentate situate lungo l’albero del motore. Secondo delle realizzazioni esemplificative, tale tipo di segnale non è necessario, in quanto i componenti della coppia dinamica sono valutati in base alle misurazioni elettriche. Tuttavia, come verrà esaminato successivamente, alcune realizzazioni esemplificative descrivono una situazione in cui le misurazioni meccaniche disponibili in altri componenti del sistema, come la turbina a gas, possono essere utilizzate per determinare i componenti della coppia dinamica lungo l’albero del motore.

In altre parole, un vantaggio secondo una realizzazione esemplificativa è rappresentato dall’applicazione dello smorzamento del modo torsionale senza bisogno di rilevare vibrazioni torsionali del sistema meccanico. Ne consegue che lo smorzamento del modo torsionale è applicabile senza bisogno di installare dispositivi di rilevamento aggiuntivi nel sistema elettrico o meccanico, in quanto i sensori della tensione corrente e/o della corrente e lo della velocità possono essere installati a costi relativamente modici. A tal riguardo, si noti che i sensori meccanici di misurazione della coppia sono costosi per le applicazioni a potenza elevata e talvolta non è possibile aggiungerli ai sistemi esistenti. Di conseguenza, in tali casi non è possibile applicare le soluzioni di smorzamento del modo torsionale, in quanto i sistemi di smorzamento del modo torsionale esistenti necessitano di un sensore per la misurazione di un segnale rappresentativo di un parametro meccanico del sistema indicativo della coppia motrice. Di converso, l'approccio della realizzazione esemplificativa della Figura 5 è affidabile, economicamente vantaggioso e consente l’adeguamento di un sistema esistente. Alla ricezione della corrente e tensione indicate nella Figura 5, il controller 78 genera segnali appropriati (uno o più Δα e Δβ) per il controllo dell’angolo di ritardo del raddrizzatore a e/o dell’angolo di ritardo deH’inverter β. Di conseguenza, secondo la realizzazione della Figura 5, il controller 78 riceve le informazioni elettriche di ingresso provenienti da un’uscita 91 dell’inverter 70, per calcolare i vari angoli di ritardo sulla base, per esempio, del principio di smorzamento del brevetto USA N. 7.173.399. Come illustrato alla Figura 5, questa realizzazione esemplificativa è un anello aperto, in quanto le correzioni degli angoli non sono regolate/verificate in base a un segnale misurato (feedback) della trasmissione meccanica collegata al motore 54. Inoltre, le simulazioni eseguite mostrano una riduzione delle vibrazioni torsionali quando il controller 78 è abilitato. La Figura 6 mostra le oscillazioni 100 della coppia dell’albero del motore 54 rispetto al tempo in cui il controller 78 è disattivato, mentre la Figura 7 mostra come le stesse oscillazioni siano ridotte quando il controller 78 è attivato, ad esempio, al tempo 40s, mentre la trasmissione meccanica viene utilizzata a velocità variabile e attraversa a t = 40s una velocità critica. Entrambe le figure tracciano una coppia simulata sull’asse y rispetto al tempo sull’asse x.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 8, è possibile configurare il controller 78 per calcolare una o più modifiche agli angoli di ritardo Δα e/o Δβ in base alle quantità elettriche ottenute dalla connessione DC 68. Si noti che, anche se la Figura 8 mostra una singola connessione DC 68, vi sono configurazioni che utilizzano diverse connessioni DC tra i raddrizzatori e gli inverter, per cui è possibile misurare una o più connessioni e fornire le misurazioni al controller 78. Più specificatamente, è possibile misurare una corrente bc su un induttore 104 della connessione DC68 e fornire tale valore al controller 78. In un’applicazione, è utilizzata una sola misurazione di corrente per alimentare il controller 78. In base al valore della corrente misurata e in base al modello meccanico del sistema, il controller 78 può generare le modifiche agli angoli di ritardo summenzionate. Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, la corrente continua lDc verrà valutata in base alle misurazioni di corrente e/o tensione condotte sul raddrizzatore 66 o suH’inverter 70.

Le modifiche agli angoli di ritardo calcolate dal controller 78 in una delle realizzazioni esaminate in merito alle Figure 5 e 8 possono essere modificate in base a una configurazione ad anello chiuso. Tale configurazione è indicata dalla linea tratteggiata 110 nella Figura 8, secondo cui è possibile determinare una velocità angolare dell’albero del motore 54 con un sensore 112 e fornire tale valore al controller 78. In base a tali informazioni, è possibile migliorare un’accuratezza del modello con il feedback del sistema meccanico, ad es. utilizzando misurazioni della velocità ad alta risoluzione (osservatore classico). È persino possibile migliorare la qualità della misurazione della velocità con un algoritmo di filtraggio adattivo. In un’applicazione, il sensore 112 può misurare un altro parametro dell’albero del motore 54, come ad es. la deviazione dell’angolo di rotazione sull’accoppiamento del motore.

Si noti che è possibile modificare le realizzazioni sopra descritte affinché i dati meccanici siano misurati e forniti al controller 78, anziché quelli elettrici. In alternativa, è possibile modificare entrambi i dati. In tali situazioni, è possibile misurare i dati meccanici lungo un albero della trasmissione cui è collegato il motore elettrico. È possibile misurare i dati meccanici sull’albero elettrico o lontano dal suddetto, come ad esempio, sulla turbina a gas.

La struttura del controller 78 è ora esaminata in merito alla Figura 9. Secondo una realizzazione esemplificativa, il controller 78 include un’interfaccia d’ingresso 120 collegata a un processore, circuito analogico, scheda FPGA riconfigurabile, ecc.

122. L'elemento 122 è configurato per la ricezione dei parametri elettrici provenienti dall’LCI 62 e il calcolo delle modifiche agli angoli di ritardo. L’elemento 122 è configurabile per memorizzare un modello meccanico 128 e inserire le misurazioni elettriche ricevute all'interfaccia di ingresso 120 nel modello meccanico 128, onde calcolare uno o più componenti di coppia dinamica. In base a uno o più componenti di coppia dinamica, i segnali di controllo dello smorzamento sono generati nell’unità di controllo dello smorzamento 130, e il segnale di uscita viene quindi inviato a un blocco somma e un’unità di controllo gate. Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, il controller 78 può essere un circuito analogico, una scheda FPGA riconfigurabile o un altro circuito dedicato per la determinazione delle modifiche agli angoli di ritardo.

In una realizzazione esemplificativa, il controller 78 riceve continuamente le misurazioni elettriche provenienti da vari sensori di corrente e tensione e calcola di continuo i segnali di smorzamento torsionale in base ai componenti di coppia dinamica calcolati sulla base delle misurazioni elettriche. Secondo questa realizzazione esemplificativa, il controller non determina la presenza delle vibrazioni torsionali dell’albero, ma calcola continuamente i segnali di smorzamento torsionale in base al valore di coppia dinamica calcolato. Tuttavia, se non sono presenti vibrazioni torsionali, i segnali di smorzamento torsionale generati dal controller e inviati aN’inverter e/o al raddrizzatore non influiranno sui suddetti; ciò significa, che le modifiche agli angoli fornite dai segnali di smorzamento saranno trascurabili. Di conseguenza, secondo questa realizzazione esemplificativa, i segnali influiscono suN’inverter e/o sul raddrizzatore solo quando sono presenti delle vibrazioni torsionali.

Secondo una realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 10, si ha un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di una macchina collegata a un motore. Il metodo comprende una fase 1000 di ricezione di dati misurati relativi ai parametri elettrici di un convertitore che aziona il motore; una fase 1010 di calcolo di almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati ricevuti; una fase 1020 di generazione di dati di controllo del convertitore per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali in base ad almeno un componente di coppia dinamica; e una fase 1030 di invio di dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. Si noti che l’espressione che modula una potenza attiva è applicabile anche quando una potenza attiva media durante un dato periodo di tempo è pari a zero, vale a dire, c’è almeno un istante durante il periodo di tempo in cui la potenza attiva è modulata.

Secondo una realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 11 , un VSI 140 include un raddrizzatore 142, una connessione DC 144 e un inverter 146 collegati l'un l'altro in quest'ordine. Il raddrizzatore 142 riceve una tensione di rete proveniente da un alimentatore 148 e include, ad esempio, un ponte diodi o un front-end attivo basato su dispositivi a semiconduttore a commutazione automatica. La tensione DC fornita dal raddrizzatore 142 è filtrata e uniformata dal condensatore C nella connessione DC 144. La tensione DC filtrata viene quindi applicata aH'inverter 146, che include dispositivi a semiconduttore a commutazione automatica, come iTransistor IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor), i quali generano una tensione AC da applicare al motore 150. È possibile fornire i controller 152 e 154 per il raddrizzatore 142 e l’inverter 146, in aggiunta ai controller raddrizzatore e inverter, oppure integrarli con questi ultimi, onde smorzare le vibrazioni torsionali dell’albero del motore 150. Il controller raddrizzatore 153 e quello inverter 155 sono collegati ad alcuni dispositivi a semiconduttore; tuttavia, deve essere chiaro che tutti i dispositivi a semiconduttore possono essere collegati ai connettori. I controller 152 e 154 possono essere forniti insieme o da soli e sono configurati per determinare i componenti della coppia dinamica in base alle misurazioni elettriche, come discusso in merito alle Figure 4 e 5, oltre ad influenzare i riferimenti di controllo del sistema di controllo raddrizzatore e inverter integrato, come ad es. i riferimenti di controllo corrente o coppia motrice.

Secondo una realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 12, un sistema multimassa generalizzato 160 include diverse masse “n” caratterizzate da corrispondenti momenti di inerzia compresi tra J-ι e Jn. Ad esempio, la prima massa può corrispondere a una turbina a gas, la seconda a un compressore e così via, mentre l’ultima massa può corrispondere a un motore elettrico. Si supponga che l'albero del motore elettrico non sia accessibile per le misurazioni meccaniche, come ad es. posizione, velocità, accelerazione rotativa o coppia motrice. Si supponga inoltre che l’albero della turbina a gas sia accessibile e uno dei parametri meccanici summenzionati possa essere misurato direttamente sul la turbina. A tal riguardo, si noti che generalmente una turbina a gas dispone di sensori altamente accurati in grado di misurare diverse variabili meccaniche dell’albero, onde proteggere la turbina da eventuali danni. D'altro canto, un motore convenzionale non dispone di tali sensori, o anche se fossero presenti, l'accuratezza delle misurazioni è insufficiente.

L’equazione differenziale dell’intero sistema meccanico è:

J(d0<2>/dt<2>) D (de/dt) ΚΘ = Text,

in cui J (matrice torsionale), D (matrice di smorzamento) e K (matrice di rigidità torsionale) sono le matrici colleganti le caratteristiche della prima massa (come ad esempio, d10, d-12, k12, J1) a quelle delle altre masse e Textè una coppia esterna (netta) applicata al sistema, ad esempio da un motore. In base a questo modello del sistema meccanico, è possibile determinare una coppia 0 un altro componente della coppia dinamica della massa "n" se le caratteristiche, ad esempio della prima massa, sono note. In altre parole, i sensori ad alta precisione presenti nella turbina a gas possono essere utilizzati per misurare almeno una posizione, velocità, accelerazione rotativa o una coppia dell’albero della turbina a gas. In base a questo valore misurato, è possibile calcolare un componente della coppia dinamica del motore (massa "n") o un'altra sezione della trasmissione per mezzo di un processore o controller 78 del sistema e generare dati di controllo dell’inverter o del raddrizzatore come già discusso in precedenza.

In altre parole, secondo questa realizzazione esemplificativa, il controller 78 riceve informazioni meccaniche provenienti da una turbomacchina collegata al motore e in base a tali informazioni controlla il convertitore al fine di generare un coppia nel motore per smorzare le vibrazioni torsionali. La turbomacchina può essere una turbina a gas, un compressore, un espansore 0 altre macchine. In un’applicazione, non sono necessarie misurazioni elettriche per eseguire lo smorzamento. Tuttavia, è possibile associare le misurazioni elettriche a quelle meccaniche onde ottenere lo smorzamento. In un’applicazione, la macchina che applica lo smorzamento (macchina di smorzamento) non è accessibile per le misurazioni meccaniche e il componente di coppia dinamica della macchina di smorzamento verrà calcolato tramite le misurazioni meccaniche eseguite su un’altra macchina collegata meccanicamente al sistema di smorzamento.

Le realizzazioni esemplificative qui trattate forniscono sistemi e metodi di smorzamento delle vibrazioni torsionali. Deve essere chiaro che la presente descrizione non intende limitare l’invenzione , ma al contrario, le realizzazioni esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti rientranti nello spirito e nel campo d’applicazione dell’invenzione come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di consentire una comprensione esauriente dell’invenzione rivendicata. Tuttavia, l’esperto dell’arte comprenderebbe che varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli.

Sebbene le caratteristiche ed elementi delle attuali forme di realizzazione esemplificative siano descritte nelle forme di realizzazione in combinazioni particolari, ciascuna caratteristica o elemento può essere utilizzato singolarmente senza le altre caratteristiche ed elementi delle forme di realizzazione oppure in varie combinazioni, con o senza altre caratteristiche ed elementi qui descritti.

La presente descrizione scritta utilizza esempi dell’oggetto divulgato per permettere a qualsiasi esperto della tecnica di implementare tale oggetto, inclusa la realizzazione e l’utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione dei metodi incorporati. La portata dell’oggetto del brevetto è definita dalle rivendicazioni e può includere altri esempi che dovessero presentarsi agli esperti della tecnica. Tali esempi sono da intendersi come parte integrante della portata delle rivendicazioni.

Claims (10)

1. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore che aziona una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione; il sistema si compone di: Un’interfaccia di ingresso configurata per ricevere i dati misurati relativi alle variabili del convertitore o macchina elettrica, e Un processore che comunichi con il sensore di pressione e che sia ad esso configurato per Calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati misurati dall'interfaccia di ingresso, Generare dati di controllo del convertitore onde smorzare le oscillazioni torsionali della trasmissione meccanica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e Inviare dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 2. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1, in cui i dati di controllo generati sono configurati per modificare un angolo di ritardo di un raddrizzatore facente parte del convertitore. 3. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1, in cui i dati di controllo generati sono configurati per modificare un angolo di ritardo di un inverter facente parte del convertitore. 4. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1, in cui i dati ricevuti sono indicativi di una corrente e tensione fornita dal convertitore alla macchina elettrica. 5. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1, in cui i dati ricevuti sono indicativi di una corrente della connessione DC tra un raddrizzatore e un inverter del convertitore. 6. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1 , in cui i dati ricevuti sono indicativi di una posizione, velocità, accelerazione angolare o coppia della macchina elettrica e i dati di controllo generati sono configurati per la modifica di un angolo di ritardo di un inverter o di un raddrizzatore facente parte del convertitore. 7. Il sistema di controllo della Rivendicazione 1, dove il controller è ulteriormente configurato per: Ricevere dati di feedback indicativi di una posizione, velocità, accelerazione angolare o coppia della macchina elettrica e Determinare i dati di controllo del convertitore onde smorzare le oscillazioni torsionali in base ai dati ricevuti indicativi di variabili elettriche del convertitore e in base ai dati di feedback indicativi di una posizione, velocità, accelerazione angolare o coppia della trasmissione meccanica. 8. Un sistema di azionamento di una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione; il sistema si compone di: Un raddrizzatore configurato per ricevere corrente alternata proveniente da un alimentatore e trasformarla in corrente continua, Una connessione DC collegata al raddrizzatore configurata per trasmettere corrente continua, Un inverter collegato alla connessione DC configurato per trasformare la corrente continua ricevuta in corrente alternata, Un’interfaccia di ingresso configurata per ricevere i dati misurati relativi alle variabili elettriche della connessione DC o deH’inverter; e Un processore che comunichi con il sensore di pressione e che sia ad esso configurato per Calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati misurati dall'interfaccia di ingresso, Generare dati di controllo del raddrizzatore e/o deH’inverter onde smorzare le oscillazioni torsionali della trasmissione meccanica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e Inviare dati di controllo al raddrizzatore e/o aH’inverter per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra I’inverter e la macchina elettrica. 9. Un metodo di smorzamento delle vibrazioni torsionali di una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione; il metodo si compone di: Ricezione di dati misurati relativi alle variabili elettriche di un convertitore che aziona il motore; Calcolo di almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base ai dati ricevuti; Generazione di dati di controllo del convertitore per lo smorzamento delle vibrazioni torsionali in base ad almeno un componente di coppia dinamica; e Invio di dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. 10. Un sistema di controllo di smorzamento del modo torsionale collegato a un convertitore che aziona una macchina elettrica collegata meccanicamente a una trasmissione; il sistema si compone di: Un’interfaccia d’ingresso configurata per ricevere i dati misurati relativi alle variabili meccaniche di una turbomacchina della trasmissione, e Un controller collegato all’interfaccia d’ingresso e per Calcolare almeno un componente di coppia dinamica lungo una sezione di un albero della trasmissione in base alle variabili meccaniche della turbomacchina, Generare dati di controllo del convertitore onde smorzare le oscillazioni torsionali della trasmissione meccanica in base ad almeno un componente di coppia dinamica, e Inviare dati di controllo al convertitore per la modulazione di una potenza attiva scambiata tra il convertitore e la macchina elettrica. CLAIMS / RIVENDICAZIONI: 1. A torsional mode damping controller system connected to a converter that drives an electrical machine mechanically connected to a train, the controller system comprising: an input interface configured to receive measured data related to variables of the converter or the electrical machine; and a controller connected to the input interface and configured to, calculate at least one dynamic torque component along a section of a shaft of the train based on the data from the input interface, generate control data for the converter for damping a torsional oscillation in the mechanical drive train based on the at least one dynamic torque component, and send the control data to the converter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
2. 2. The controller system of Claim 1 , wherein the generated control data is configured to modify a rectifier delay angle of a rectifier that is part of the converter.
3. 3. The controller system of Claim 1 , wherein the generated control data is configured to modify an inverter delay angle of an inverter that is part of the converter.
4. 4. The controller system of Claim 1 , wherein the received data is indicative of a current and a voltage provided by the converter to the electrical machine.
5. 5. The controller system of Claim 1 , wherein the received data is indicative of a direct current (DC) link current between a rectifier and an inverter of the converter.
6. 6. The controller system of Claim 1 , wherein the received data is indicative of an angular position, speed, acceleration or torque of the electrical machine and the generated control data is configured to modify an inverter delay angle of an inverter or a rectifier delay angle of a rectifier that is part of the converter.
7. 7. The controller system of Claim 1 , wherein the controller is further configured to: receive feedback data indicative of an angular position, speed, acceleration or torque of the electrical machine; and determine the control data for the converter for damping the torsional oscillation based on the received data indicative of electrical variables of the converter and the feeback data indicative of the angular position, speed, acceleration or torque of the mechanical drive train.
8. 8. A system for driving an electrical machine mechanically connected to a 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 measured data related to electrical variables of the direct current link or the inverter; and a controller connected to the input interface and configured to, calculate at least one dynamic torque component along a section of a shaft of the drive train based on the data from the input interface, generate control data for the rectifier and/or inverter for damping a torsional oscillation in the mechanical drive train based on the at least one dynamic torque component, and send the control data to the rectifier and/or inverter for modulating an active power exchanged between the inverter and the electrical machine.
9. 9. A method for damping a torsional vibration in an electrical machine mechanically connected to a drive train, the method comprising: receiving measured data related to electrical variables of a converter that drives the motor; calculating at least a dynamic torque component along a section of a shaft of the train based on the received data; generating control data for the converter for damping the torsional vibration based on the at least one dynamic torque component; and sending the control data to the converter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.
10. 10. A torsional mode damping controller system connected to a converter that drives an electrical machine mechanically connected to a train, the controller system comprising: an input interface configured to receive measured data related to mechanical variables of a turbo-machinery of the train; and a controller connected to the input interface and configured to, calculate at least one dynamic torque component along a section of a shaft of the train based on the mechanical variables of the turbo-machinery, generate control data for the converter for damping a torsional oscillation in the mechanical drive train based on the at least one dynamic torque component, and send the control data to the converter for modulating an active power exchanged between the converter and the electrical machine.