JP4886585B2

JP4886585B2 - 抵抗式のねじりモード防振システムおよび方法

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Publication number: JP4886585B2
Application number: JP2007117888A
Authority: JP
Inventors: クリストフ・マルティン・シーラー
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Filing date: 2007-04-27
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Description

本発明は一般にねじり振動を防振することに関する。

原動機につながったシャフトアセンブリ、およびたとえば、タービン発電機、電気モータ、または圧縮機を含む負荷は、ネットワークの同期周波数より低いところになる可能性もある周波数を伴う、防振の弱い機械的共振（ねじりモード）を示す場合がある。電気ネットワークがシャフトシステムの１つまたは複数の自然周波数で発電機と大幅なエネルギーを交換すると、機械的な損傷が次第に生じるおそれがある。ねじり共振現象に関する従来の対策には、たとえばネットワーク、動作、または制御パラメータを変えることによって共振を励起する原因を解消する試みが含まれる。

電力システムが、何ギガワットもの発電された電力を有する大きな電力ネットワークに接続される場合、電力システムへの電気的な負荷は無視できるほどの影響しかない。対照的に、アイランド型電力システムは大きな電力ネットワークへの接続がなく、アイランド様の電力システムは、電力ネットワークに弱い接続（比較的に高いインピーダンスを伴う長い伝送線によるものなど）を有するに過ぎない。アイランド式、およびアイランド様の電力システムは、一般に、水産業（たとえば、大型船の船内電力システム）、隔離された陸上の施設（たとえば、風力タービンシステム）、ならびに石油およびガス産業に使用される。そのような電力システムでは、負荷は一般にネットワークに対して大きい（それによって、負荷が潜在的にネットワークに影響する可能性がある）。これらのシステムでの電気モータおよび駆動部の定格が増加するにつれ、機械的および電気的な動きが次第に結合され、したがって従来の対策技術によってモータまたは発電機のドライブトレーンでのねじり振動を回避することが困難になる。

同期発電機でのねじり振動を抑えるための１つの方法が、C. Sihler, "Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device,"35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424-1430 (2004)に記載されている。この方法は、ＤＣ誘導器を備える追加のサイリスタ変換器によって、測定されたねじり速度に反対の位相でトルクを加えるステップを含む。この方法は、個別の他励式変換器システムおよび個別のエネルギー貯蔵部（誘導器またはコンデンサ）の取付けが技術的におよび経済的に実行可能な実施形態に最も適用可能である。

ねじり振動を抑えるための別の方法が、本願の譲受人に譲渡されたSihlerの米国特許出願第１１／１１０５４７号に記載されている。この方法は、ＤＣリンクを備える変換器システムのインバータまたは整流器に結合されたシャフトのトルクを表す信号を感知するステップと、シャフトの自然周波数に対応するシャフトのねじり振動の存在を検出するために感知した信号を使用するステップと、それぞれのインバータまたは整流器を介して有効電力を調整することによってねじり振動を防振するステップとを備える。
米国特許第７３５７２０４号明細書

これらの従来の方法より複雑さが少なく、または費用がかからず、なおねじり振動によるシャフトの損傷を最小限に抑えるのに十分な選択肢を有することが望ましい。

手短に言って、本発明の１つの実施形態によれば、機械のシャフトに関する抵抗式のねじりモード防振システムは、シャフトのトルクを表す信号を感知するように構成されたセンサと、シャフトの自然周波数に対応するシャフトのねじり振動の存在を検出するために感知された信号を使用し、ねじり振動を防振するための制御信号を生成するように構成された制御装置と、防振変換器、および防振変換器のＤＣ出力に結合された抵抗器を備える防振装置とを備え、防振変換器は、電力バスを介して機械に結合され、機械の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有する。

本発明の別の実施形態によれば、機械のシャフトに関する抵抗式のねじりモード防振方法は、シャフトのトルクを表す信号を感知するステップと、シャフトの自然周波数に対応するシャフトのねじり振動の存在を検出し、ねじり振動を防振するための制御信号を生成するために感知された信号を使用するステップと、防振変換器、および防振変換器のＤＣ出力に連結された抵抗器を備える防振装置に制御信号を送るステップとを含み、防振変換器は、電源バスを介して機械に結合され、機械の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有する。

本発明のこれらのおよびその他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読めばより良く理解されるであろう。

図１は、機械１４のシャフト１２に関する抵抗式のねじりモード防振システム１０のブロック図である。防振システム１０は、シャフト１２のトルクを表す信号を感知するように構成されたセンサ１６と、シャフトアセンブリの自然周波数に対応するシャフト１２のねじり振動の存在を検出し、ねじり振動を防振するための制御信号（図１を１つのシートに当てはめる目的で図１の２つの個別の部分に示される）を生成するために、感知した信号を使用するように構成された制御装置１８を備える。防振システム１０はさらに、防振変換器２２、および防振変換器２２のＤＣ出力に結合された抵抗器２４を有する防振装置２０を備える。防振変換器は、電源バス２６（バスバーまたはグリッドと呼ばれることもある）を介して機械１４に結合されている。防振変換器は、一般に、機械１４の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有する。本明細書では、「変換器」には、たとえば、図１に示すようなダイオード整流器２２、または図４に示すような能動型整流器３２２を含めることができる。

図示された防振システムは、たとえば風力タービン、電気モータ駆動の圧縮機、および製造ラインを含む多くの状況で有用である。図１の実施形態では、機械１４はモータを備える。本発明は、モータの実施形態に限定されない。たとえば、発電機の実施形態が図２および８に対して説明される。シャフトの文脈での「結合された」は、モータもしくは発電機を介するなど電気的な結合、またはたとえば、低速シャフト１１２、ギアボックス１３、および高速シャフト１２を介してモータ１４に連結された圧縮機１５を介するなどより間接的な結合を含むことができる。本明細書で使用される「制御装置」または「制御」は、任意の適切なアナログ、デジタル、またはアナログおよびデジタル回路の組み合わせ、あるいは指定された制御機能を達成するために使用される処理装置を包含することが意図される。本明細書で使用される「１つの」は、反対に示されない限り、「少なくとも１つの」を意味する。

一般に、ねじり振動の存在は、感知された信号がシャフトの自然周波数を示している場合に検出される。１つの実施形態では、トルクを表す感知された信号は、トルクセンサ１６によって得られ、それに対してその他の実施形態は、いずれもトルクを表す、またはトルクを決定するために使用できる（速度センサなどの）間接的なセンサを使用することができる。トルクセンサの実施形態では、十分な正確さを有する意図されるアセンブリでのねじり振動を測定することができるトルクセンサ１６が選択される。たとえば、大きな直径のドライブトレーンの実施形態に関しては、堅固なシャフトの高い剛性によって、シャフトに沿ったねじり角度はしばしば非常に小さい（１００から１０分の１度）が、生じるねじり応力は高い。そのようなシャフトの小さなねじり角度および高い回転速度によって、速度センサなどの従来の測定デバイスが適用された場合にねじり振動を正確に測定するのが難しくなる。異なる位置でのトルクの誘導的な測定をもたらす１つの非接触式センサが、たとえばＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅＩＴＷＭから市販されている。あるいは、接触式タイプのトルクセンサの１つの例は、ひずみゲージセンサである。

図１の実施形態では、電源バス２６がモータ駆動部２８に結合され、そのモータ駆動部２８は、１つの実施形態では、可変速駆動部を備え、電源バス１２６に（適宜、変圧器３０を介して）結合されている。（モータ１４とモータ駆動部２８の間の）電源バス２６のところで防振装置２０を結合し、画成された（平滑化された）ＤＣ電圧を生成するためにダイオード整流器２２およびコンデンサ３３を使用することは、たとえば、能動的な防振のために他励式変換器の直接の使用が実用的でない場合のシステムなど、高度に歪んだ電力システムに対して有用である。この実施形態では、コンデンサは、ＤＣ電圧を平滑化するためにのみ使用され、エネルギー貯蔵のためには使用されない。別の実施形態では、コンデンサが省かれる。コンデンサを省くと、調整された有効電力でさらなる高周波を生じ、それは、低コストの解決策が望まれるいくつかの防振用途に許容できる可能性がある。

「高度に歪んだ」は、ＩＥＥＥ規格５１９に定義される５％より大きい全高周波歪み（ＴＨＤ）を有するシステムを指すことが意図される。５％より上のＴＨＤ値は、他励式変換器、およびサイリスタを基にしたその他のタイプの変換器によって供給される、高出力モータの可変周波数３相システムに関して一般的なものである。高ＴＨＤ値は、アイランドまたはアイランド様の電力システムで発生する可能性もある。１つの例には、船のディーゼルエンジンまたはタービン駆動される航空エンジンなどの原動機からの電力抽出に対して使用される軸発電機が含まれる。連結された負荷に応じて、また動作状態（電気的な補助モータの始動など）に応じて、５％より上のＴＨＤ値が生じることもあり、その場合、時間信頼性のあるねじりモードの防振が望ましい可能性がある。別の例には、グリッドの障害中に動作する風力発電が含まれる。（過渡的に）高いＴＨＤを伴う電力システムでの信頼性の高いねじりモードの防振には、能動的な防振の電力発電が、歪んだシステム電圧に基づかない図１または２に示されるような変換器設計を含めることができる。

用語、発電機、整流器、インバータ、およびモータは、例示の目的で使用されるが、これらの要素は、上述のＳｉｈｌｅｒの米国特許出願第１１／１１０５４７号に記載されるようないずれの利用可能なモードでも働くように構成できる。図１の実施形態では、防振変換器２２は、（電力システムに既に存在する可能性のある変換器と比較して）追加の（ディスクリートの）変換器を備える。追加の変換器はコストを上昇させるが、そのような選択肢は統合型の変換器を容易に組み込むことができない実施形態に対して有用である。本明細書に説明される原理は、任意の電圧または電流源の変換器の実施形態に適用可能である。

散逸のために抵抗器２４を使用することによって、図１の実施形態は、コストと複雑さを低減させて（機械的なシステムに関する効率性を維持しながら）前述のC. Sihler, "Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424-1430 (2004)の目的のいくつかを達成するのに使用できる。抵抗式の防振システムは、機械のシャフトシステムから電力を抽出し、有効電力を調整するためにコンデンサまたは誘導器などのエネルギー貯蔵素子が使用される場合のように機械に電力をフィードバックすることはない。したがって、抵抗式の防振装置は、１つの四分円（９０°より下のサイリスタ点弧角）での変換器の動作を必要とするだけであり、したがって、特に図１に示すような高度に歪んだ電力システムでサイリスタ制御防振装置を使用する場合に、整流の誤差の危険をかなり低下させる。

変圧器３１は適宜、防振装置２０を電源バス２６に結合するために使用することができ、電圧レベルを調節し、同様に任意の他励式変換器の歪んだ電圧の影響を低減するために有用である。あるいは、防振システムは、（追加の変圧器用のコストを節約するために）高いＴＨＤを伴う３相システムに直接的に適用することができる。防振装置２０を電源バスから切り離すのを促進するために、回路ブレーカ６８を備えることができる。

動作の際には、防振装置２０は、電源バス２６から防振抵抗器２４に電力を選択的に伝達する（または「ダンプする」）ために（制御信号を介して）制御される。電力の遮断は、その自然周波数に対応する任意の振動をおおよそ打ち消すように設計されたシャフトに対して、相当する効果を有する。

図１の実施形態では、防振装置２０はさらに、抵抗器２４と並列に結合されたパルス幅変調（ＰＷＭ）素子２９を備え、制御装置１８がねじり振動の存在を検出するためにセンサ１６からの信号を使用し、ねじり振動を防振するためにＰＷＭ制御信号をＰＷＭ素子２９に供給するように構成される。１つの実施形態では、ＰＷＭ素子２９が、別の実施形態では逆並列ダイオードに結合された、ＰＷＭ制御の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、または集積型ゲート転流サイリスタ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇａｔｅｃｏｍｍｕｔａｔｅｄｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）（ＩＧＣＴ）を備える。単一の能動素子（ＰＷＭ素子２９）を使用することにより、都合のよい防振の実施形態になる。

追加のセンサ２５が、制御装置１８によって使用するために抵抗器２４の両端での電圧または電流を表すパラメータを得るために図１の実施形態で使用される。制御装置１８は、一般に自然モードに対応する周波数でセンサ信号を通過させるための帯域フィルタ４４、各フィルタにかけられた信号の正確な値への移相を調節する移相器４８、および調節される信号の大きさを制御するための利得素子５２を備える。

一般に、変調は正弦波の近似である。変調の周波数は自然周波数に対応し、角度はねじり振動の振幅に対応する。帯域フィルタ４４は、トルクの振動成分を表すトルク測定値から信号を導出するのに使用される。帯域フィルタの出力の信号は、シャフトアセンブリの１つの主要な自然周波数に対応する１つの定義された周波数を有する近似正弦波である。

近似正弦波の移相を正確な値に調節するために移相器４８が使用される。所望であれば、移相器の代わりに調節可能な時延モジュールが使用できる。最適な防振のために、近似正弦波信号が９０°（遅れ）移相でフィードバックされる。９０°の遅れ位相角が達成できない場合、移相器は、トルク（ねじり変位を表すねじり角と同相になった）と制御装置によって生じた有効電力（またはエアギャップトルク）の間の３６０°＋９０°の全体の位相遅れを生じるように設定できる。全てのシステムの時定数を含む全体の位相遅れは、一般に低電力レベルで開ループ試験を行なう際に経験的に決定される。

（たとえば利得素子５２により）調節可能な利得をもたらすことにより、異なるねじりモードを防振することに関係する有効電力の調整が可能になる（高利得が高度の変調を生じ、それによって強力な防振効果が生じることになる）。したがって、この実施形態は、防振の程度が電子的に調節可能なねじりモードの自然な防振が増加したのと同じ効果を有する。

制御装置１８はさらに、制御される調節された信号を制限するためのリミッタ４５、（アナログ信号の形式で）ＤＣ成分素子５７、制限される信号およびＤＣ成分（ｋ）の合計を得るための加算素子５８を備えることができる。リミッタ４５は、単極の信号の流れを生成し、低い防振の電力レベルで試験を行なうために有用である。ＤＣ成分素子５７および加算素子５８は、２次高周波について問題がある場合に有益であることができるオプションの素子である（ｋが０以上であることができることを意味する）。ｋ値が高いほど、正弦波近似がより優れたものになるが、それによって生じる電力システムの損失がより大きくなる。防振中にｋ値の傾斜関数を使用することにより、電力システムの損失を最小限に抑えることができる。

制御装置１８はさらに、センサ２５から測定されたパラメータを調節するための利得素子３９、センサ２５からのパラメータ、または該当する場合、利得を調節されたパラメータをフィルタにかける低域フィルタ３５、制限された信号（および該当する場合、ＤＣ成分）とフィルタにかけられたパラメータとの間の差分を得るための差分素子３７、ならびにＰＷＭ制御信号４３を生成するためのＰＷＭ制御素子４１を備えることができる。低域フィルタ３５は、図３に示すように正弦波を近似するために有用である。

ＰＷＭ制御素子４１では、差分素子３７からの差分信号を０に向って追い込むように作られたＰＷＭ信号４３を生成するためにパルス幅変調技術が使用される。電流信号が使用される１つの実施形態では、電流を変調するために以下の関数がシミュレーションされた。
ｉ（ｔ）＝５０Ａ＊（Ｋ＋ｓｉｎ（ω＊ｔ））
ただし、ｉは電流を表し、ｔは時間を表し、Ａはアンペアを表し、ωはシャフトアセンブリの共振角周波数に対応する角周波数を表し、ｋは（上述のように）０以上である。ｉ（ｔ）の平方が有効電力に対応する場合、以下の関数がもたらされる。
ｉ（ｔ）^２＝（５０Ａ）^２＊（Ｋ^２＋２＊Ｋ＊ｓｉｎ（ω＊ｔ）＋（ｓｉｎ（ω＊ｔ））^２）
この関数の第２項は優勢であり、近似正弦波の有効電力の散逸をもたらすのに役立つ。上記に論じたように、用途によっては、より高い損失を生じるが同時により優れた正弦波近似を生成する、より高いｋ値を使用することができる。ωの２次高周波が機械システムに反応を示さないその他の用途では、たとえば、機械システムが２ωに近い共振点を全く持たない場合、ｋは低い値または０に低下させることができる。

センサ２５は電圧センサとして示されるが、その代わりに、センサ２５は電流センサを備えることができる。ダイオード２７は、無視できない浮遊インダクタンスが抵抗器に生じる場合、電流が１方向に流れるのを確かにし、過電圧状態を回避するために、適宜、抵抗器２４の両端に並列に結合される。１つだけの能動素子が使用されるので、ＰＷＭ素子２９は、抵抗器２４にダンプされた電力を制御し、都合のよい実施形態をもたらす。コンデンサ３３は、抵抗器２４とＰＷＭ素子２９の組み合わせの端子間に結合され、定義されたＤＣ電圧が達成できるように整流子の両端の電圧を制御（平滑化）するために使用される。素子３２は、突入電流がコンデンサ３３に到達するのを防止するために、抵抗器または誘導器を備え、それは、特に、変圧器３１が全く存在しない場合に有用である。

前述のC. Sihler, "Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device," 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conferenceに記載された誘導器とは異なり、本出願の抵抗器は、厳密な正弦波変調はもたらさない。しかし、有効電力の１次高周波の周波数が自然なドライブトレーンの周波数に対応する場合、ねじりの抑制は、機械システム内の振動を許容できるレベルに低減するのに十分になり、それによって、シャフトおよびシャフトに結合された素子の磨耗が低下する。これらの実施形態は、特に、（より高いねじりモードに関する防振が望ましい）ネットワークの周波数のかなり上にある自然周波数を伴うシステム、および電気機械が（６０００ｒｐｍより上などの）高速で回転して、他励式変換器がねじりモード防振に関して容易に適用できないような用途に適用可能である。ねじり振動に伴う大部分の問題は、一過性のもの、たとえばネットワーク内の擾乱または可変速モータの始動中に生じる高周波によって生じる。そのような問題を解決するために、ドライブトレーンから抽出された防振電力は、短時間（一般に数秒より少ない）の間、抵抗器にダンプされる必要があるだけなので、抵抗器に基づいた防振システムは、非常に適している。

図１はさらに、より迅速にねじりの問題を解決し、防振システムのより高い信頼性を達成するために使用できるモジュラー手法を示す。図１では、防振システム制御装置１８によって使用する信号を提供するために、複数の防振装置２０、１２０、および２２０、ならびにそれぞれの変換器２２、１２２、２２２、抵抗器２４、１２４、２２４、およびセンサ２５、１２５、２２５が用いられる。防振システム制御装置１８は、複数のそれぞれの利得素子３９、１３９、２３９、低域フィルタ３５、１３５、２３５、加算素子３７、１３７、２３７、およびＰＷＭ制御信号４３、１４３、２４３をそれぞれの防振装置２０、１２０、２２０に送るためのＰＷＭ制御装置４１、１４１、２４１を有する。使用されるモジュールの数を変更することによって、異なる防振の要求に設計を適合させる簡素化と汎用性が、モジュラー設計、特に同じモジュールが使用される場合の１つの利点である。十分な防振を達成するのに必要なモジュールの数を決定するために低電力レベルで標準的な防振モジュールを使用して試験を行なうことによって、防振システムを設計するために必要な時間はかなり低減させることができる。貯蔵されたエネルギーが電流（誘導器）の平方または電圧（コンデンサ）の平方に比例するので、コンデンサまたは誘導器などの散逸のためのエネルギー貯蔵デバイスを備える実施形態は、経済的でなく、モジュラー設計に適していない。

図２は、防振変換器２２および抵抗器２４が、発電機のシャフト４１２から得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するシステムのブロック図である。図２の例では、風力タービン羽根センブリ８９がギアボックス６０に連結され、そのギアボックス６０は、シャフト４１２によって同期発電機に連結され、その上でセンサ１６が測定値を得る。同期発電機６２は、電源バス３２６によって電圧源変換器６４に連結され、その変換器６４は、変圧器６６を介して電源バス（グリッド）４２６に連結される。防振装置２０が電源バス３２６に連結される。これは図１に示された変圧器（変圧器３１）が一般に必要にならない１つの例である。

図３は、低域フィルタ３５によってフィルタにかける前および後の抵抗電流に関する、ミリ秒での時間に対するアンペアでの電流を図示するシミュレーショングラフである。このグラフでは、１つのモジュールおよび１のｋ値を用いて図２の実施形態または図１の実施形態が反映されることが予期される。この例では、ＩＧＢＴスイッチング周波数は８００Ｈｚであり、抵抗電流の基本的な周波数は２０ヘルツである。抵抗器２４の両端の電圧の時刻歴が抵抗器２４の電流の時刻歴に一致することが予期されるので、電流情報は重要性がある。図３は、正弦波の優れた近似が予期されることを示す。

図４は、ねじり振動を防振するための別のシステム１１０のブロック図である。図４の実施形態では、防振システム１１０は、図１の実施形態のものとは異なるタイプの防振変換器３２２（能動型整流器）および制御装置構成を備える。図４はさらに、複数のセンサ３１６および４１６の使用を示す。図５は、図４の制御装置１１８を備える例示のサブシステムのブロック図であり、図６は、図４の制御装置２１８を備える別の例示のサブシステムのブロック図である。

図５は、制御装置１１８が、自然周波数に対応する周波数でセンサ信号を通過させるための帯域フィルタ１１４、４６、各フィルタにかけられた信号の正確な値への移相を調節する移相器１４８、５０、および調節される信号の大きさを制御するための利得素子１５２，５４を備える１つの実施形態である。例示の目的のために、図５は、前述のＳｉｈｌｅｒの米国特許出願第１１／１１０５４７号に記載されるような、２つの自然周波数を検出するために設定される２つの帯域フィルタを示す。あるいは、単一の帯域フィルタまたは追加の帯域フィルタを使用することができる。制御装置１８はさらに、（アナログ信号の形式で）ＤＣ成分素子５７、制限された信号およびＤＣ成分（ｋ）の合計を得るための加算素子５８を備えることができる。

図４および８に示されるような複数のセンサを備える実施形態は、異なる自然周波数が異なる位置でシャフトに沿って存在し、一般のセンサによって検出するのが困難である場合に有用であることができる。あるいは、またはそれと組み合わせて、複数の帯域フィルタ１４４および４６が、所望の検出を行なうために使用できる。図５の実施形態では、たとえば、帯域フィルタ１４４は、シャフトアセンブリ１２の１つの部分に生じる自然モードに対応する周波数を検出するのに使用でき、帯域フィルタ４６は、シャフトアセンブリの別の部分に生じる自然モードに対応する周波数を検出するのに使用できる。例示されたどちらかの部分にあるトルクセンサ１６は、他方の部分に関係する信号（複数のトルクセンサが使用される直接測定の実施形態よりも弱いが）を感知する。

図６の実施形態では、防振変換器１２２が、変換器スイッチ５５を備える３相制御の能動型整流器３２２として示される。１つの例では、変換器３２２が、サイリスタ整流器を備え、スイッチがサイリスタを備える。別の例では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）整流器が使用され、スイッチはＩＧＢＴを備える。センサ４７は、抵抗器電流信号を制御装置２１８に供給するようになされている。制御装置２１８は、制御装置１１８から防振指令を取得し、（差分素子４９を使用して）防振指令から電流信号を減算し、（制御システム５１を使用して）スイッチ５５の適切な点弧角を決定する場合に差分を使用するように構成される。

例示の目的で図４〜６に２つの制御装置１１８および２１８が示されるが、任意の所望の制御装置が使用できる。たとえば、両方の機能をもたらすために1つの制御装置が使用できる。別の例として、変換器によっては一体型の制御装置を備えるものもある。別の例として、使用する信号を取得するために、複数のセンサレベル制御装置が主制御装置によって使用できる。

図７は、経時の抵抗器２４のＤＣ電流および有効電力、ならびに図４〜６の実施形態のシミュレーションから得られた高速フーリエ変換（ＦＥＴ）を示すグラフである。この例では、変換器は、６パルスのサイリスタブリッジを備え、抵抗電流の基本周波数は２０ヘルツである。図７は、電流および電力が完全な正弦波を有するように予期されないが、生じるＦＥＴは明らかな主要なピークを有し、生じる電流および電力はシステムの目的に適合させるのに有用であることが予期されることを示す。

図８は、防振変換器４２２および抵抗器２４が、電源バス２２６に連結され、発電機１１４のシャフト２１２から得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するための別システム２１０のブロック図である。たとえば、防振変換器は、図１に対して上記に論じられたタイプの整流器、または図４に対して上記に論じられたタイプの整流器を備えることができる。例示の目的のために、２つの発電機１１４および２１４、２つのシャフト２１２および３１２、および２つのセンサ１１６および２１６が示されるが、本明細書に説明された実施形態は、１つまたは複数のシャフトおよび１つまたは複数のセンサに適用可能である。さらに、上記に論じたように、１つまたは複数の制御装置３１８が制御機能を実行するために使用できる。１つまたは複数のタービン５３および１５３が発電機１１４および２１４を駆動するのに使用でき、タービンのいくつかの例には、風力タービン、ガスタービン、および蒸気タービンが含まれる。図１に対して論じられたように、図８の実施形態では、防振変換器４２２は、追加の変換器（電力システムに既に存在し、変圧器３３１を介して機械３８を電源バス２２６に結合する任意の変換器３４，３６と比較して）を備える。

本発明のいくつかの特徴のみを本明細書に示し、説明してきたが、当業者には多くの修正形態および変更形態が思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に収まるそのような全ての修正形態および変更形態を包含することを意図することを理解されたい。

防振変換器および抵抗器が、モータのシャフトから得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するためのシステムのブロック図である。防振変換器および抵抗器が、発電機のシャフトから得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するためのシステムのブロック図である。フィルタにかける前および後の抵抗電流に関する、ミリ秒での時間に対するアンペアでの電流を図示するシミュレーショングラフである。防振変換器および抵抗器が、電源バスに結合され、モータのシャフトから得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するための別のシステムのブロック図である。図４の実施形態で使用するための例示のサブシステムのブロック図である。図４の実施形態で使用するための別の例示のサブシステムのブロック図である。経時のＤＣ電流および有効電力、ならびに図４〜６の実施形態のシミュレーションから得られた高速フーリエ変換を示すシミュレーショングラフである。防振変換器および抵抗器が、電源バスに結合され、発電機のシャフトから得られたトルクを表す信号に応答して制御される、本発明の実施形態によってねじり振動を防振するための別のシステムのブロック図である。

符号の説明

１０防振システム
１２シャフト
１３ギアボックス
１４機械
１５圧縮機
１６センサ
１８防振システム制御装置
２０防振装置
２２防振変換器
２４抵抗器
２５センサ
２６電源バス
２７ダイオード
２８駆動部
２９ＰＷＭ制御素子
３０変圧器
３１変圧器
３２抵抗器または誘導器
３３コンデンサ
３４インバータ
３５低域フィルタ
３６整流器
３７加算素子
３８機械
３９利得
４１ＰＷＭ制御装置
４３信号
４４帯域フィルタ
４５リミッタ
４６帯域フィルタ
４７電流センサ
４８移相器
４９差分素子
５０移相器
５１点弧角制御装置
５２利得
５３タービン
５４利得
５５スイッチ
５６加算素子
５７ＤＣ成分素子
５８加算素子
６０ギアボックス
６２同期発電機
６４変換器
６６変圧器
６８回路ブレーカ
８９風力羽根アセンブリ
１１０防振システム
１１２シャフト
１１４機械
１１６センサ
１１８防振システム制御装置
１２２防振変換器
１２６電源バス
１４４帯域フィルタ
１４８移相器
１５２利得
１５３タービン
２１０防振システム
２１２シャフト
２１４機械
２１６センサ
２１８防振システム制御装置
２２２防振変換器
２２６電源バス
３１２シャフト
３１６センサ
３１８防振システム制御装置
３２２防振変換器
３２６電源バス
３３１変圧器
４１２シャフト
４１６センサ
４２２防振変換器
４２６電源バス

Claims

機械（１４）のシャフト（１２）に関する抵抗式のねじりモード防振システム（１０）であって、
前記シャフトのトルクを表す信号を感知するように構成されたセンサ（１６）と、
前記シャフトの自然周波数に対応する前記シャフトのねじり振動の存在を検出するために前記感知された信号を使用し、前記ねじり振動を防振するための制御信号を生成するように構成された制御装置（１８）と、
防振変換器（２２）、および前記防振変換器のＤＣ出力に連結された抵抗器（２４）とを備える防振装置（２０）であって、前記防振変換器が電源バス（２６）を介して前記機械に連結され、前記機械の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有する防振装置とを備えるシステム。
前記抵抗器と直列に結合され、前記制御信号を受け取るように構成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）素子（２９）をさらに備え、前記防振変換器がダイオード整流器を備える、請求項１記載の防振システム。
前記ＰＷＭ素子が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたは集積型ゲート転流サイリスタを備える、請求項２記載の防振システム。
前記抵抗器の両端での電圧または電流を表すパラメータを得るための追加のセンサ（２５）をさらに備える、請求項２記載の防振システム。
前記機械がモータ（１４）を備える、請求項１記載の防振システム。
前記防振変換器が、サイリスタ整流器またはＩＧＢＴ整流器を備える、請求項５記載の防振システム。
前記機械が発電機を備える、請求項１記載の防振システム。
電気モータ駆動の圧縮機、風力タービン、または製造ライン内で実施される、請求項１記載の防振システム。
前記防振装置が複数の防振装置（２０、１２０、２２０）を備え、前記防振装置のそれぞれが、それぞれの防振変換器（２２、１２２、２２２）、および前記それぞれの防振変換器の前記ＤＣ出力に結合されたそれぞれの抵抗器（２４、１２４、２２４）を備え、各それぞれの防振変換器が、前記電源バス（２６）を介して前記機械に連結され、前記機械の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有する、請求項１記載の防振システム。
機械（１４）のシャフト（１２）に関する抵抗式のねじりモード防振方法（１０）であって、前記方法が、
前記シャフトのトルクを表す信号を感知するステップと、
前記シャフトの自然周波数に対応する前記シャフトのねじり振動の存在を検出し、前記ねじり振動を防振するための制御信号を生成するために前記感知された信号を使用するステップと、
前記制御信号を防振装置（２０）に送るステップであって、前記防振装置（２０）が、防振変換器（２２）と、前記防振変換器のＤＣ出力に連結された抵抗器（２４）とを備え、前記防振変換器が電源バス（２６）を介して前記機械に連結され、前記機械の公称出力の約５％以下の程度の電力定格を有するステップとを含む方法。