KR20130023209A - 위상 동기 루프 기반 비틀림 모드 감쇠 시스템 및 방법 - Google Patents

위상 동기 루프 기반 비틀림 모드 감쇠 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20130023209A
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

비틀림 모드 감쇠 제어기 시스템은 컨버터에 접속되거나 컨버터 내부에 배치된다. 컨버터는 전기 기계 및 비-전기 기계를 포함하는 구동 트레인을 구동한다. 제어기 시스템은 제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력 인터페이스, 제 2 위상 동기 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력 인터페이스, 및 제 1 및 제 2 입력 인터페이스에 접속된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 및 제 2 디지털 신호를 수신하고, 제 1 디지털 신호를 제 2 디지털 신호와 비교하고, 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하고, 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하도록 구성된다.

Description

위상 동기 루프 기반 비틀림 모드 감쇠 시스템 및 방법{PHASE LOCKED LOOP BASED TORSIONAL MODE DAMPING SYSTEM AND METHOD}
본 명세서에 개시된 요지의 실시예는 일반적으로 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 회전 시스템에서 발생하는 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 메커니즘 및 기술에 관한 것이다.
오일 및 가스 산업은 가변 속도로 다양한 기계를 구동하기 위한 증가하는 요구를 갖는다. 이러한 기계는 압축기, 전기 모터, 팽창기, 가스 터빈, 펌프 등을 포함할 수 있다. 가변 주파수 전기 드라이브는 에너지 효율을 증가시키고 기계를 위한 증가된 융통성을 제공한다. 예를 들어 대형 가스 압축 트레인을 구동하기 위한 일 메커니즘은 부하 전류 인버터(LCI)이다. 가스 압축 트레인은 예를 들어 가스 터빈, 모터 및 압축기를 포함한다. 가스 압축 트레인은 더 많거나 적은 전기 기계 및 터보 기계를 포함할 수 있다. 그러나, 전력 전자 기기 구동 시스템에 의해 도입된 문제점은 전기 고조파에 기인하여 전기 기계의 토크의 리플 성분(ripple component)의 생성이다. 토크의 리플 성분은 구동 트레인의 비틀림 고유 주파수에서 기계적 시스템과 상호 작용할 수 있고, 이는 바람직하지 않다.
비틀림 발진 또는 진동은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 그에 부착된 다양한 질량체를 갖는 샤프트 내에서 나타날 수 있는 진동 각운동이다. 도 1은 가스 터빈(12), 모터(14), 제 1 압축기(16) 및 제 2 압축기(18)를 포함하는 시스템(10)을 도시한다. 이들 기계의 샤프트들은 서로 연결되거나 단일 샤프트(20)가 이들 기계에 의해 공유된다. 샤프트(20)를 따라 분포된 임펠러 및 다른 질량체에 기인하여, 샤프트(20)의 회전은 샤프트에 부착된 질량체(예를 들어, 임펠러)의 상이한 속도로 회전에 의해 생성된 비틀림 발진에 의해 영향을 받을 수 있다. 전술된 바와 같이, 비틀림 진동은 통상적으로 전기 모터를 구동하는 전력 전자 기기에 의해 도입된다. 도 1은 예를 들어 이어서 모터(14)의 샤프트(20)를 구동하는 LCI(24)에 전력을 제공하는 전력 그리드 소스(전원)(22)를 도시한다. 전력 그리드는 격리된 발전기일 수 있다. 비틀림 진동을 감쇠(최소화)하기 위해, 도 2(그 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는, 본 출원과 동일한 양수인에 양도된 미국 특허 제 7,173,399호의 도 1에 대응함)에 도시된 바와 같이, 인버터 제어기(26)가 LCI(24)의 인버터(28)에 제공될 수 있고 인버터(28)로부터 모터(14)로 전달된 유효 전력의 양을 변조하기 위한 인버터 지연각 변화(Δβ)를 도입하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 정류기 제어기(30)가 정류기(32)에 제공될 수 있고, 발전기(22)로부터 DC-링크(44)에 따라서 모터(14)에 전달된 유효 전력의 양을 변조하기 위한 정류기 지연각 변화(Δα)를 도입하도록 구성될 수 있다. 발전기(22)로부터 모터(14)로 전달된 유효 전력의 양을 변조함으로써, 모터(14) 및 압축기(12)를 포함하는 시스템에서 나타나는 비틀림 진동을 감쇠시키는 것이 가능하다는 것이 주목된다. 이와 관련하여, 모터(14) 및 가스 터빈(12)의 샤프트는 서로 연결되고 반면에 발전기(22)의 샤프트는 모터(14) 또는 압축기(12)에 연결되지 않는 것이 주목된다.
2개의 제어기(26, 30)는 센서(36, 38) 각각으로부터의 신호를 입력으로서 수신하고, 이들 신호는 모터(14) 및/또는 발전기(22)에 의해 경험된 토크를 지시한다. 달리 말하면, 인버터 제어기(26)는 인버터 지연각 변화(Δβ)를 생성하기 위해 센서(36)에 의해 감지된 토크값을 프로세싱하고, 반면에 정류기 제어기(30)는 정류기 지연각 변화(Δα)를 생성하기 위해 센서(38)에 의해 감지된 토크값을 프로세싱한다. 인버터 제어기(26) 및 정류기 제어기(30)는 서로로부터 독립되고, 이들 제어기들은 소정의 시스템에서 함께 또는 단독으로 구현될 수도 있다. 도 2는 센서(36)가 모터(14)의 샤프트의 부분(섹션)(40)을 모니터링하고 센서(38)가 발전기(22)의 샤프트(42)를 모니터링하는 것을 도시한다. 도 2는 정류기(32)와 인버터(28) 사이의 DC 링크(44)를 또한 도시한다.
그러나, 구동 트레인 내의 감쇠를 생성하기 위한 다른 디바이스 및 방법을 사용하는 것이 가능하다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 컨버터에 접속되거나 컨버터 자체 내부에 배치된 제어기 시스템이 존재한다. 컨버터는 전기 기계 및 비-전기 기계를 포함하는 구동 트레인을 구동한다. 제어기 시스템은 컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하도록 구성된 입력 인터페이스와, 입력 인터페이스에 접속된 제어기를 포함한다. 입력 인터페이스는 제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하고, 컨버터로부터 컨버터 데이터를 수신하고, 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하고, 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하고, 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 컨버터에 접속되거나 컨버터 자체 내부에 배치된 비틀림 모드 감쇠 제어기 시스템이 존재한다. 컨버터는 전기 기계 및 비-전기 기계를 포함하는 구동 트레인을 구동한다. 제어기 시스템은 제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력 인터페이스와, 제 2 위상 동기 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력 인터페이스와, 제 1 및 제 2 입력 인터페이스에 접속된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 및 제 2 디지털 신호를 수신하고, 제 1 디지털 신호를 제 2 디지털 신호와 비교하고, 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 발진을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하고, 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 구동 트레인의 부분인 전기 기계를 구동하기 위한 시스템이 존재한다. 시스템은 전원으로부터 교류 전류를 수신하고 교류 전류를 직류 전류로 변환하도록 구성된 정류기와, 정류기에 접속되고 직류 전류를 전송하도록 구성된 직류 전류 링크와, 직류 전류 링크에 접속되고 수신된 직류 전류를 교류 전류로 변화시키도록 구성된 인버터와, 컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하도록 구성된 입력 인터페이스와, 입력 인터페이스에 접속된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하고, 컨버터로부터 컨버터 데이터를 수신하고, 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하고, 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하고, 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법이 존재한다. 방법은 컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하는 단계와, 제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계와, 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하는 단계와, 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계와, 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하는 단계를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법이 존재한다. 방법은 제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계와, 제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기에 부가하여 제 2 위상 동기 루프 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하는 단계와, 제 1 디지털 신호를 제 2 디지털 신호와 비교하는 단계와, 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계와, 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 컴퓨터 실행 가능 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 존재하고, 명령은 실행시에 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법을 구현한다. 컴퓨터 명령은 상기 단락에 언급된 방법에 인용된 단계들을 포함한다.
도 1은 전기 기계 및 2개의 압축기에 연결된 종래의 가스 터빈의 개략 다이어그램.
도 2는 정류기 제어기 및 인버터 제어기를 포함하는 구동 트레인의 개략 다이어그램.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 제어기에 의해 제어된 가스 터빈, 모터 및 부하의 개략 다이어그램.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 컨버터 및 연관 로직의 개략 다이어그램.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 컨버터 및 연관 로직의 개략 다이어그램.
도 6은 불능화된 감쇠 제어를 갖는 샤프트의 토크를 도시하는 그래프.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 가능화된 감쇠 제어를 갖는 샤프트의 토크를 도시하는 그래프.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 컨버터 및 연관 로직의 개략 다이어그램.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 컨버터를 제어하도록 구성된 제어기의 개략 다이어그램.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 정류기에 변조를 제공하는 제어기의 개략 다이어그램.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 정류기를 제어하는 방법의 흐름도.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 정류기 및 인버터에 변조를 제공하는 제어기의 개략 다이어그램.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 인버터, 정류기 및 컨버터의 DC 링크에 존재하는 전압의 개략 다이어그램.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 알파 및 베타각 변조의 비틀림 효과를 지시하는 그래프.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 인버터 및 정류기를 제어하는 방법의 흐름도.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 전압 소스 인버터 및 연관 제어기의 개략 다이어그램.
도 17은 다중 질량 시스템의 개략 다이어그램.
도 18은 예시적인 실시예에 따른 하나의 위상 동기 루프 또는 동적 관찰기에 기초하여 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 제어 시스템의 개략 다이어그램.
도 19는 예시적인 실시예에 따른 하나 이상의 위상 동기 루프 디바이스에 기초하여 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 제어 시스템의 개략 다이어그램.
도 20은 예시적인 실시예에 따른 단일 위상 고정 루프 디바이스에 기초하여 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 제어 시스템의 개략 다이어그램.
도 21은 예시적인 실시예에 따른 2개의 위상 고정 루프 디바이스에 기초하여 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법을 도시하는 흐름도.
본 명세서의 부분에 합체되어 이를 구성하는 첨부 도면은 하나 이상의 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시예를 설명한다.
예시적인 실시예의 이하의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면의 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 요소를 식별한다. 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 대신에, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다. 이하의 실시예는 간단화를 위해, 부하 전류 인버터에 의해 구동된 전기 모터의 용어 및 구조와 관련하여 설명된다. 그러나, 다음에 설명될 실시예는 이러한 시스템에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 전압 소스 인버터(VSI)와 같은 다른 디바이스로 구동되는 다른 시스템에 적용될 수 있다(적절한 조정을 갖고).
명세서 전체에 걸친 "일 실시예" 또는 "실시예"의 언급은 실시예와 연계하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 요지의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치에서 구문 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 비틀림 모드 감쇠 제어기는 전기 기계(모터 또는 발전기일 수 있음)의 샤프트 및/또는 전기 기계에 기계적으로 연결된 터보 기계의 샤프트에 관련하는 전기적 및/또는 기계적 측정치를 얻고, 전기적 및/또는 기계적 측정치에 기초하여 구동 트레인의 원하는 샤프트 위치에서 동적 토크 성분 및/또는 토크 진동을 추정하도록 구성될 수 있다. 동적 토크 성분은 샤프트의 토크, 비틀림 위치, 비틀림 속도 또는 비틀림 가속도일 수 있다. 하나 이상의 동적 토크 성분에 기초하여, 제어기는 토크 발진을 감쇠하기 위해 원하는 토크를 인가하기 위해 전기 기계를 구동하는 정류기의 하나 이상의 파라미터를 조정/수정할 수 있다. 다음에 설명되는 바와 같이, 정류기 제어에 기초하여 감쇠를 결정하기 위한 제어기를 위한 다양한 데이터 소스가 존재한다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 시스템(50)은 가스 터빈(52), 모터(54) 및 부하(56)를 포함한다. 가스 터빈 및/또는 복수의 압축기 또는 부하(56)와 같은 다른 터보 기계를 포함하는 다른 구성이 가능하다. 또한, 다른 구성은 하나 이상의 팽창기, 하나 이상의 발전기 또는 회전부를 갖는 다른 기계, 예를 들어 윈드 터빈, 기어박스를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 시스템은 예시적이고, 신규한 특징의 더 양호한 이해를 위해 간단화된다. 그러나, 당 기술 분야의 숙련자는 더 많거나 적은 구성 요소를 갖는 다른 시스템이 이제 설명되는 신규한 특징을 포함하도록 적응될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
샤프트(58)로의 다양한 질량체(기계의 회전자 및 임펠러와 연관됨)의 연결은 시스템(50)이 잠재적인 비틀림 진동의 경향이 있게 한다. 이들 비틀림 진동은 샤프트(58)를 비틀어 돌릴 수 있고, 이는 샤프트 시스템(특정 상황에 따라 샤프트 또는 샤프트들 뿐만 아니라 커플링 및 기어박스를 포함할 수 있음)의 상당한 수명 감소 또는 심지어 파괴를 야기할 수 있다. 예시적인 실시예는 비틀림 진동을 감소시키기 위한 메커니즘을 제공한다.
모터(54)를 작동시키기 위해, 전력은 아일랜드 또는 아일랜드형 전력 시스템의 경우에 전력 그리드 또는 로컬 발전기(60)로부터 공급된다. 가변 속도로 모터(54)를 구동하기 위해, 부하 전류 인버터(LCI)(62)가 그리드(60)와 모터(54) 사이에 제공된다. 도 4에 도시된 바와 같이, LCI(62)는 인버터(70)에 접속된 DC 링크(68)에 접속된 정류기(66)를 포함한다. 정류기(66), DC 링크(68) 및 인버터(70)는 당 기술 분야에 공지되어 있고 이들의 특정 구조는 여기서 더 설명되지 않는다. 전술된 바와 같이, 신규한 특징은 적절한 변화를 갖고 VSI 시스템에 적용될 수 있다. 단지 예시를 위해, 예시적인 VSI가 도시되어 있고 도 16에 관련하여 간략하게 설명된다. 도 4는 그리드(60)로부터 수신된 전류 및 전압이 각각 3상 전류 및 전압인 것을 지시한다. 동일한 것이 정류기, 인버터 및 모터를 통한 전류 및 전압에 대해 사실이고, 이 사실은 부호 "/3"에 의해 도 4에 지시되어 있다. 그러나, 예시적인 실시예의 신규한 특징은 3상 초과, 예를 들어 6상 및 12상 시스템과 함께 동작하도록 구성된 시스템에 적용 가능하다.
LCI(62)는 도 4에 원 A 및 원 V에 의해 나타낸 전류 센서 및 전압 센서를 또한 포함한다. 예를 들어, 전류 센서(72)가 DC 링크(68)에 제공되어 전류(iDC)를 측정한다. 대안적으로, DC 링크 내의 전류는 이들 센서가 DC 센서보다 저가이기 때문에 예를 들어 전류 센서(84 또는 74)와 같은 AC 측에서 수행된 측정에 기초하여 계산된다. 다른 예는 인버터(70)에 의해 모터(54)에 제공된 전류(iabc)를 측정하는 전류 센서(74) 및 인버터(70)에 의해 모터(54)에 제공된 전압(vabc)을 측정하는 전압 센서(76)이다. 이들 전류 및 전압은 제어기(78)에 입력으로서 제공될 수 있다는 것이 주목된다. 용어 "제어기"는 지정된 제어 기능을 성취하기 위한 임의의 적절한 디지털, 아날로그 또는 이들의 조합 회로 또는 프로세싱 유닛을 포함하도록 본 명세서에 사용된다. 도 3을 참조하면, 제어기(78)는 LCI(62)의 부분일 수 있고 또는 LCI(62)와 신호를 교환하는 독립형 제어기일 수 있다는 것이 주목된다. 제어기(78)는 비틀림 모드 감쇠 제어기일 수 있다.
도 4는 LCI 제어기(80)가 도 3에 도시된 가스 터빈(52), 모터(54) 및 부하(56) 중 하나 이상에 관련하는 기계적 측정치를 수신할 수 있는 것을 또한 도시한다. 동일한 것이 제어기(78)에 대해서도 사실일 수 있다. 달리 말하면, 제어기(78)는 도 3에 도시된 시스템(50)의 임의의 구성 요소로부터 측정 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 측정 데이터 소스(79)를 도시한다. 이 데이터 소스는 시스템(50)의 임의의 구성 요소로부터 기계적 측정치 및/또는 전기적 측정치를 제공할 수 있다. 예시적인 실시예를 한정하지 않고 더 양호한 이해를 위해 사용되는 특정 예는 데이터 소스(79)가 가스 터빈(52)과 연관될 때이다. 가스 터빈(52)의 비틀림 위치, 속도, 가속도 또는 토크는 현존하는 센서에 의해 측정될 수 있다. 이 데이터는 도 4에 도시된 바와 같이 제어기(78)에 제공될 수 있다. 다른 예는 컨버터(62) 또는 모터(54)에 의해 취해진 전기적 측정치이다. 데이터 소스(79)는 필요하다면 제어기(78) 또는 제어기(80)에 이들 측정치를 제공할 수 있다.
제어기(80)는 다양한 기준(82) 및 센서(84)로부터 수신된 전류(idx)에 기초하여, 정류기(66)를 제어하기 위한 정류기 지연각(α)을 생성할 수 있다. 정류기 지연각(α)에 관련하여, LCI는 그리드(60)로부터 모터(54)로 또는 그 반대로 유효 전력을 전달하도록 설계된다. 최적 전력 팩터를 갖는 이 전달을 성취하는 것은 정류기 지연각(α) 및 인버터 지연각(β)을 수반한다. 정류기 지연각(α)은 예를 들어 사인파 변조를 인가함으로써 변조될 수 있다. 이 변조는 제한된 시간량 동안 인가될 수 있다. 일 용례에서, 변조는 연속적으로 인가되지만 변조의 진폭은 변한다. 예를 들어, 샤프트에 어떠한 비틀림 진동도 존재하지 않기 때문에, 변조의 진폭은 0일 수 있는데, 즉 변조가 없을 수도 있다. 다른 예에서, 변조의 진폭은 샤프트의 검출된 비틀림 진동과 비례할 수 있다.
다른 제어기(86)가 인버터(70)에 대한 인버터 지연각(β)을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 인버터 지연각(β)을 변조하는 것은 DC 링크 전류의 변조를 유발하는 인버터 DC 전압의 변조를 야기하고 부하 입력 전력 상에 유효 전력 발진을 야기한다. 달리 말하면, 비틀림 모드 감쇠를 성취하기 위해 단지 인버터 지연각만을 변조하는 것은 DC 링크(68) 내에 저장된 자기 에너지로부터 주로 도래하는 감쇠 전력을 야기한다. 인버터 지연각의 변조는 회전 샤프트가 가속되는지 감속되는지 여부에 따라, 회전 에너지를 자기 에너지로 변환하고, 자기 에너지를 회전 에너지로 변환한다.
또한, 도 4는 제어기(80, 86)로부터 수신된 정보에 기초하여 정류기 및 인버터를 직접 제어하는 정류기(66)용 게이트 제어 유닛(88) 및 인버터(70)용 게이트 제어 유닛(90)을 도시한다. 광학 센서(92)가 동적 토크 성분, 예를 들어 샤프트 내에 존재하는 토크 또는 샤프트의 비틀림 속도 또는 샤프트의 비틀림 가속도 또는 샤프트의 비틀림 위치를 검출하기 위해 모터(54)의 샤프트에 근접하여 위치될 수 있다. 다른 유사한 센서(92)가 모터(54)와 가스 터빈(52) 사이에 또는 가스 터빈(52)에 배치될 수 있다. 측정된 동적 토크 성분[센서(92)에 의해]에 관한 정보(ux)가 제어기(78, 80, 86)에 제공될 수 있다. 도 4는 제어기(80, 86)에 의해 생성된 신호에 제어기(78)로부터의 신호를 가산하는 합산 블록(94, 96)을 또한 도시한다.
도 5에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 비틀림 모드 감쇠 제어기(78)는 LCI(62)의 출력(91) 또는 인버터(70)에서 측정된 전류(iabc) 및 전압(vabc)을 수신할 수 있다. 이들 값에 기초하여(모터의 샤프트의 측정된 토크 또는 속도 또는 가속도에 대한 정보가 없음), 모터용 공기 간극 토크가 계산되고 시스템의 기계적 모델 내에 공급된다. 시스템의 기계적 모델은 기계적 시스템의 동적 거동을 표현하고 시스템의 기계적 파라미터에 전기적 파라미터를 결합하는 다수의 상이한 방정식에 의해 표현될 수 있다. 모델 표현은 예를 들어, 추정된 관성, 감쇠 및 강성값(필드 측정에 의해 검증될 수 있음)을 포함하고, 예를 들어 비틀림 발진과 같은 샤프트의 동적 거동을 계산하는 것을 허용한다. 비틀림 모드 감쇠를 위한 요구된 정확성은 주로 동적 토크 성분의 위상의 정확성이 비틀림 모드 댐핑에 관련되고 진폭 정보 또는 절대 토크값이 덜 중요하기 때문에 성취될 수 있다.
이와 관련하여, 전기 기계의 공기 간극 토크는 구동 트레인의 전기적 및 기계적 시스템 사이의 링크라는 것이 주목되어야 한다. 전기적 시스템 내의 모든 고조파 및 중간 고조파가 또한 공기 간극 토크 내에서 가시화된다. 기계적 시스템의 고유 주파수에서 중간 고조파는 비틀림 발진을 여기할 수 있고 잠재적으로 샤프트의 정격을 초과하여 기계적 시스템 내에 동적 토크값을 발생시킨다. 현존하는 비틀림 모드 감쇠 시스템은 이러한 비틀림 발진을 상쇄할 수 있지만, 이들 시스템은 모터의 동적 토크를 표현하는 신호를 필요로 하고, 이 신호는 모터의 샤프트 또는 모터의 샤프트를 따라 장착된 치형휠과 같은 모터의 샤프트의 구성 요소를 효과적으로 모니터링하는 센서로부터 얻어진다. 예시적인 실시예에 따르면, 동적 토크 성분은 전기적 측정에 기초하여 평가되기 때문에 어떠한 이러한 신호도 요구되지 않는다. 그러나, 이하에 설명되는 바와 같이, 몇몇 예시적인 실시예는 예를 들어 가스 터빈과 같은 시스템의 다른 구성 요소에서 이용 가능한 기계적 측정이 기계 샤프트를 따른 동적 토크 성분을 결정하는데 사용될 수 있는 상황을 설명한다.
달리 말하면, 예시적인 실시예에 따른 장점은 기계적 시스템 내에서 비틀림 진동 감지의 필요 없이 비틀림 모드 감쇠를 적용한다. 따라서, 비틀림 모드 감쇠는 현재 전압 및/또는 전류 및/또는 속도 센서가 상당히 저비용으로 이용 가능해질 수 있기 때문에 전기적 또는 기계적 시스템 내에 부가의 감지부를 설치할 필요 없이 적용될 수 있다. 이와 관련하여, 토크를 측정하기 위한 기계적 센서는 고전력 용례에서 고가이고, 때로는 이들 센서는 현존하는 시스템에 추가될 수 없다는 것이 주목된다. 따라서, 현존하는 비틀림 모드 감쇠 해결책은 현존하는 비틀림 모드 댐핑 시스템이 토크를 지시하는 시스템의 기계적 파라미터를 표현하는 신호를 측정하기 위한 센서를 필요로 하기 때문에 이러한 경우에 구현될 수 없다. 대조적으로, 도 5의 예시적인 실시예의 접근법은 신뢰적이고 비용 효율적이고, 현존하는 시스템을 개장하는 것을 허용한다.
도 5에 지시된 전류 및 전압을 수신할 때, 제어기(78)는 정류기 지연각(α) 및/또는 인버터 지연각(β)을 제어하기 위한 적절한 신호(Δα 및 Δβ 중 하나 이상에 대한 변조)를 생성할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 실시예에 따르면, 제어기(78)는 인버터(70)의 출력(91)으로부터 측정된 전기적 정보를 수신하고, 예를 들어 미국 특허 제 7,173,399호에 설명된 감쇠 원리에 기초하여 다양한 지연각을 결정/계산한다. 일 용례에서, 지연각은 예를 들어 2 내지 3도와 같은 좁은 규정된 범위에 한정될 수 있고 인버터 및/또는 컨버터의 동작에 영향을 미치지 않을 수도 있다. 일 용례에서, 지연각은 사이리스터(thyristor)의 오버헤드 점호(overhead-firing)에 의한 정류 실패를 방지하기 위해 단지 일방향(네거티브 또는 포지티브)에만 한정될 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 예시적인 실시예는 다양한 각도의 보정이 모터(54)에 연결된 기계적 구동 트레인의 측정된 신호(피드백)에 기초하여 조정/검증되지 않기 때문에 개방 루프이다. 또한, 수행된 시뮬레이션은 제어기(78)가 가능화될 때 비틀림 진동의 감소를 나타낸다. 도 6은 제어기(78)가 불능화될 때 시간에 대한 모터(54)의 샤프트의 토크의 발진(100)을 도시하고, 도 7은 기계적 구동 트레인이 가변 속도 동작으로 동작되고 t=12 s에서 임계 속도를 교차하는 동안 제어기(78)가 예를 들어 시간 12 s에 알파 변조를 생성하도록 가능화될 때 어떻게 동일한 발진이 감소/감쇠되는지를 도시한다. 양 도면은 y축 상의 시뮬레이션 토크 대 x 축상의 시간을 플롯팅한다.
도 8에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제어기(78)는 DC 링크(68)로부터 얻어진 전기량에 기초하여 지연각 변화(변조) Δα 및/또는 Δβ 중 하나 이상을 계산하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 전류(iDC)는 DC 링크(68)의 인덕터(104)에서 측정될 수 있고 이 값은 제어기(78)에 제공될 수 있다. 일 용례에서, 단지 단일의 전류 측정만이 제어기(78)를 공급하기 위해 사용된다. 측정 전류의 값 및 시스템의 기계적 모델에 기초하여, 제어기(78)는 전술된 지연각 변화를 생성할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 직류(IDC)가 정류기(66) 또는 인버터(70)에서 수행된 전류 및/또는 전압 측정에 기초하여 추정될 수 있다. 도 5 및 도 8과 관련하여 설명된 임의의 실시예의 제어기(78)에 의해 계산된 지연각 변화는 폐루프 구성에 기초하여 수정될 수 있다. 폐루프 구성은 도 8에 점선(110)에 의해 도시되어 있다. 폐루프는 모터(54)의 샤프트의 각도 위치, 속도, 가속도 또는 토크가 적절한 센서(112)로 결정될 수 있고 이 값은 제어기(78)에 제공될 수 있다는 것을 지시한다. 센서 또는 센서들(112)은 도 3에 도시된 샤프트(58)를 따른 가스 터빈 또는 다른 위치에 제공되면 동일한 것이 사실이다.
제어기(78)의 구조가 이제 도 9와 관련하여 설명된다. 예시적인 실시예에 따르면, 제어기(78)는 프로세서, 아날로그 회로, 재구성 가능 FPGA 카드 등(122) 중 하나에 접속되는 입력 인터페이스(또는 시스템의 다양한 구성 요소로부터 신호를 수신하도록 구성된 다중 입력 인터페이스)를 포함할 수 있다. 요소(122)는 LCI(62)로부터 전기적 파라미터를 수신하고 지연각 변화를 계산하도록 구성된다. 요소(122)는 기계적 모델(128)(도 17과 관련하여 더 상세히 개시됨)을 저장하고 입력 인터페이스(120)에서 수신된 전기적 및/또는 기계적 측정치를 기계적 모델(128) 내에 입력하여 모터(54)의 동적 토크 성분 중 하나 이상을 계산하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 동적 토크 성분에 기초하여, 감쇠 제어 신호는 감쇠 제어 유닛(130) 내에 생성되고, 출력 신호는 이어서 합산 블록 및 게이트 제어 유닛에 포워딩된다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제어기(78)는 아날로그 회로, 재구성 가능 FPGA 카드 또는 지연각 변화를 결정하기 위한 다른 전용 회로일 수 있다.
일 예시적인 실시예에서, 제어기(78)는 다양한 전류 및 전압 센서로부터 전기적 측정치를 계속 수신하고 전기 측정치에 기초하는 계산된 동적 토크 성분에 기초하여 비틀림 감쇠 신호를 계속 계산한다. 이 예시적인 실시예에 따르면, 제어기는 비틀림 진동이 샤프트 내에 존재하는지 여부를 판정하지 않고, 오히려 계산된 동적 토크값에 기초하여 비틀림 감쇠 신호를 계속 계산한다. 그러나, 비틀림 진동이 존재하지 않으면, 제어기에 의해 생성되고 인버터 및/또는 정류기에 송신된 비틀림 감쇠 신호는 인버터 및/또는 정류기에 영향을 미치지 않는데, 즉 감쇠 신호에 의해 제공된 각도 변화는 무시할만하거나 0이다. 따라서, 이 예시적인 실시예에 따르면, 신호는 단지 비틀림 진동이 존재할 때에만 인버터 및/또는 정류기에 영향을 미친다.
예시적인 실시예에 따르면, 가스 터빈 샤프트에서의 직접 토크 또는 속도 측정치(또는 샤프트 내의 추정된 속도 또는 토크 정보)는 제어기가 비틀림 발진의 비틀림 속도에 역위상으로 LCI 내의 에너지 전달을 변조할 수 있게 한다. 발전기와 LCI 드라이브 사이에 교환된 감쇠 전력은 전자적으로 조정될 수 있고 샤프트 시스템의 고유 주파수에 대응하는 주파수를 가질 수도 있다. 이 감쇠 방법은 높은 Q 팩터를 갖는 기계적 시스템, 즉 높은 비틀림 강성을 갖는 강으로 제조된 회전자 샤프트 시스템에 대해 효과적이다. 게다가, 모터의 샤프트에 발진 전기적 토크를 인가하고 기계적 시스템의 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 이 방법은 적은 감쇠 전력을 사용한다.
따라서, 전술된 제어기는 구동 시스템을 과부하하지 않고 LCI 기술에 기초하여 구동 시스템 내에 일체화될 수 있다. 이는 신규한 또는 현존하는 전력 시스템으로의 신규한 제어기의 구현을 용이하게 하고 이를 경제적으로 매력적이게 한다. 제어기는 현존하는 전력 시스템을 변화시킬 필요 없이, 예를 들어 아일랜드 네트워크 내의 LCI 드라이브 중 하나의 제어 시스템을 확장할 필요 없이 구현될 수 있다.
LCI 동작 속도 및 토크가 큰 범위에서 변경되면, 비틀림 모드 감쇠의 효용성은 그리드측 컨버터 전류 제어 성능에 의존할 수 있다. 비틀림 모드 감쇠 동작은 비틀림 고유 주파수에서 작은 부가의 DC 링크 전류 리플을 생성한다. 그 결과, 이 주파수에서 2개의 전력 성분이 존재하는데, 인버터 점호각 제어에 기인하는 의도된 성분 및 부가의 전류 리플에 기인하는 부가의 성분이 존재한다. 이 부가의 전력 성분의 위상 및 크기는 시스템 파라미터, 전류 제어 설정 및 동작점의 함수이다. 이들 성분은 전류 제어에 의존하는 전력 성분 및 각도 변조에 의존하는 성분을 생성한다.
예시적인 실시예에 따르면, 전력 변조의 2개의 대안적인 방법은 제어기에 의해 구현될 수 있다. 제 1 방법은 예를 들어 감쇠 성분을 갖는 α-변조와 같은 그리드측 상의 전류 기준을 직접 사용하는 것이다(고속 전류 제어 구현을 필요로 함). 제 2 방법은 그리드측 및 기계측 각도를 변조하여 예를 들어 감쇠 주파수 성분을 갖는 α-β-변조와 같은 일정한 dc-링크 전류를 생성하는 것이다. 그리드측에서 전류 제어는 이 감쇠 제어의 부분이고, 따라서 전류 제어는 각도 변조의 효과를 상쇄하지 않는다. 이 방식으로, 감쇠 효과는 더 높고 전류 제어 설정으로부터 독립적이다.
도 10에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 시스템(50)은 도 3 및 도 4에 도시된 시스템에 유사한 요소를 포함한다. 제어기(78)는 시스템(50)의 모터(54) 또는 부하(56) 또는 가스 터빈(도시 생략) 중 하나 이상에 대해 전기적 측정치(도 4, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이) 및/또는 기계적 측정치[예를 들어, 도 4 및 도 8 또는 도 10의 센서(112) 및 링크(110) 참조]를 수신하도록 구성된다. 단지 전기적 측정치 또는 단지 기계적 측정치 또는 이들 2개의 측정치의 조합에 기초하여, 제어기(78)는 α-변조를 정류기(66)에 적용하기 위한 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, 전류 기준 변조가 α-변조에 의해 성취되고, 반면에 β 각도는 인버터(70)에서 일정하게 유지된다. α-변조는 예를 들어 도 4 및 도 10의 모두에 Δα에 의해 표현되어 있다. 이 α-변조는 적어도 2개의 이유로 미국 특허 제 7,173,399호에 개시된 것과 상이하다는 것이 주목된다. 제 1 차이점은 기계적 측정치(사용되면)가 샤프트(58)[즉, 모터(54), 부하(56) 및/또는 가스 터빈(52)]를 따른 위치로부터 본 발명의 예시적인 실시예에서 얻어지고 반면에 미국 특허 제 7,173,399호는 발전기(22)의 특정치를 사용한다는 것이다(도 2 참조). 제 2 차이점은 예시적인 실시예에 따르면, 어떠한 기계적 측정치도 α-변조를 수행하기 위해 제어기(78)에 의해 수신되어 사용되지 않는다는 것이다.
도 11에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계를 포함하는 압축 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법이 존재한다. 방법은 (i) 전기 기계를 구동하는 컨버터 또는 (ii) 압축 트레인의 파라미터에 관련된 측정된 데이터를 수신하는 단계(1100), 측정된 데이터에 기초하여 전기 기계의 적어도 하나의 동적 토크를 계산하는 단계(1102), 적어도 하나의 동적 토크 성분에 기초하여 압축 트레인의 샤프트 내의 비틀림 발진을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계(1104), 및 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기에 제어 데이터를 송신하는 단계(1106)를 포함한다.
도 12에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 시스템(50)은 비틀림 발진을 감쇠하기 위해 동시에 제어된(즉, α-변조 및 β-변조의 모두) 정류기(66) 및 인버터(70)의 모두를 가질 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제어기(78)는 정류기 제어기(88) 및 인버터 제어기(90)의 모두를 위한 변조를 제공한다. 제어기(78)는 (i) 모터(54), 부하(56) 및/또는 가스 터빈(52) 중 하나에서 센서(들)(112)에 의해 측정된 기계적 측정치, (ii) 도 4, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같은 전기적 측정치 또는 (i)과 (ii)의 조합에 기초하여 적절한 변조를 결정한다.
더 구체적으로, α- 및 β-변조는 도 13을 참조하여 다음에 설명된 바와 같이 상관될 수 있다. 도 13은 정류기(66), DC 링크(68) 및 인버터(70)를 가로지르는 대표적인 전압 강하를 도시한다. α- 및 β-변조의 결과로서, DC 링크 전류는 일정한 것이 바람직하다. 도 13에 도시된 연관 전압 강하는
Figure pct00001
에 의해 제공되고, 여기서 VACG는 도 12의 전력 그리드(60)의 전압 진폭이고, VACM은 모터(54)의 전압 진폭이다.
시간과의 최종 관계를 구별하고 시간의 VDCL의 변화가 0인 조건을 부과함으로써, 이하의 수학적 관계가 α-변조와 β-변조 사이에 얻어진다.
Figure pct00002
이는
Figure pct00003
를 산출한다.
이 최종 관계에 기초하여, α-변조 및 β-변조의 모두는 예를 들어 도 14에 도시된 바와 같이 동시에 수행된다. 도 14는 대략 t0=1.5초에 증가하는 실제 토크(200)를 도시한다. 어떠한 α-변조(202) 또는 β-변조(204)도 t0와 t1 사이에 인가되지 않는다는 것이 주목된다. t1에서, 여기(206)가 t1과 t2 사이에 인가되고, 양 변조(202, 204)가 인가된다. 시간 간격(t1 내지 t2)의 종료시에, 양 변조는 제거되고 토크(200)의 발진은 기계적 구동 트레인의 고유 기계적 감쇠 특성에 기인하여 지수함수적으로 감소한다. 이 예는 시뮬레이션되고 실제 시스템에서 측정되지 않는다. 이 이유로, 양 변조는 엄격하게 제어되는데, 예를 들어 t1에서 시작되어 t2에서 정지된다. 그러나, α-변조 및 β-변조의 실제 구현에서, 변조는 엄격한 비틀림 발진에 기초하여 조정되는 변조의 진폭으로 계속 수행될 수 있다. β-변조에 대한 이 조합된 변조의 장점은 상이한 동작점에서 위상 적응을 위한 필요가 없고 LCI 제어 파라미터가 감쇠 성능에 영향을 미치지 않을 수도 있다는 것이다. 이 변조 예는 기계적 시스템에 대한 양 지연각을 변조하는 효과를 예시하도록 제공된다. 이 시뮬레이션 결과는 역감쇠 성능을 갖는 비틀림 감쇠 시스템을 위한 기계적 시스템에 대한 개방 루프 응답을 사용하여 표시된다.
도 15에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법이 존재한다. 방법은 (i) 전기 기계를 구동하는 컨버터 또는 (ii) 구동 트레인의 파라미터에 관련된 측정된 데이터를 수신하는 단계(1500), 측정된 데이터에 기초하여 전기 기계의 적어도 하나의 동적 토크 성분을 계산하는 단계(1502), 적어도 하나의 동적 토크 성분에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 발진을 감쇠하기 위한 컨버터의 인버터 및 정류기의 각각에 대한 제어 데이터를 생성하는 단계(1504), 및 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 인버터 및 정류기에 제어 데이터를 송신하는 단계(1506)를 포함한다. 동적 토크 성분은 기계적 샤프트의 섹션과 관련된 회전 위치, 회전 속도, 회전 가속도 또는 토크를 포함하는 것이 주목된다. 기간(T)에 걸친 평균 유효 전력이 0이더라도 유효 전력을 변조하는 표현은 순간에 변조의 사상을 표현한다는 것이 또한 주목된다. 게다가, VSI가 LCI 대신에 사용되면, 다른 전기량이 유효 전력 대신에 적절한 것으로서 수정될 수도 있다.
도 16에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, VSI(140)는 이 순서로 서로 접속된 정류기(142), DC 링크(144) 및 인버터(146)를 포함한다. 정류기(142)는 전원(148)으로부터 그리드 전압을 수신하고, 예를 들어 반도체 디바이스에 기초하여 다이오드 브리지 또는 능동 프론트 엔드를 포함할 수도 있다. 정류기(142)에 의해 제공된 dc 전압은 DC 링크(144) 내의 캐패시터(C)에 의해 필터링되고 평활화된다. 필터링된 dc 전압은 이어서 인버터(146)에 인가되고, 이는 예를 들어 모터(150)에 인가될 ac 전압을 생성하는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT)와 같은 자체 정류형 반도체 디바이스를 포함할 수 있다. 제어기(152, 154)는 정류기 및 인버터 제어기에 추가하여 또는 정류기 및 인버터 제어기와 일체인 정류기(142) 및 인버터(146)를 위해 제공될 수 있어 모터(150)의 샤프트 상의 비틀림 진동을 감쇠한다. 정류기 제어기(153) 및 인버터 제어기(155)는 반도체 디바이스의 몇몇에 접속된 것으로 도시되어 있지만, 모든 반도체 디바이스가 제어기에 접속될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제어기(152, 154)는 함께 또는 단독으로 제공될 수 있고, 이들 제어기는 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이 전기적 측정치에 기초하여 동적 토크 성분을 결정하고, 예를 들어 토크 또는 전류 제어 기준과 같은 내장형 정류기 및 인버터 제어의 제어 기준에 영향을 미치도록 구성된다.
도 17에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 일반화된 다중 질량 시스템(160)은 대응 관성 모멘트(J1 내지 Jn)를 갖는 "n"개의 상이한 질량체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 질량체는 가스 터빈에 대응할 수 있고, 제 2 질량체는 압축기에 대응할 수 있는 등이고, 반면에 최종 질량체는 전기 모터에 대응할 수 있다. 전기 모터의 샤프트는 기계적 측정치, 예를 들어 회전 위치, 속도, 가속도 또는 토크에 액세스 가능하지 않은 것으로 가정한다. 또한, 가스 터빈의 샤프트는 액세스 가능하고 전술된 기계적 파라미터 중 하나는 가스 터빈에서 직접 측정될 수 있는 것으로 가정한다. 이와 관련하여, 일반적으로 가스 터빈은 가능한 손상으로부터 가스 터빈을 보호하기 위해 샤프트의 다양한 기계적 변수를 측정하는 고정확도 센서를 갖는 것이 주목된다. 대조적으로, 통상의 모터는 이들 센서를 갖지 않고 또는 몇몇 센서가 존재하지 않더라도 이 측정치의 정확도는 열악하다.
전체 기계적 시스템의 상이한 식은 이하에 의해 제공되고,
Figure pct00004
여기서, J(비틀림 매트릭스), D(감쇠 매트릭스) 및 K(비틀림 강성 매트릭스)는 제 1 질량체의 특성(예를 들어, d10, d12, k12, J1)의 특성을 다른 질량체의 특성에 연결하는 매트릭스이고, Text는 예를 들어 모터에 의해 시스템에 인가된 외부(합) 토크이다. 기계적 시스템의 이 모델에 기초하여, "n" 질량체의 토크 또는 다른 동적 토크 성분은 예를 들어 제 1 질량체의 특성이 알려지면 판정될 수 있다. 달리 말하면, 가스 터빈 내에 제공된 고정확도 센서가 가스 터빈의 샤프트의 비틀림 위치, 속도, 가속도 또는 토크 중 적어도 하나를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 측정된 값에 기초하여, 모터("n" 질량체) 또는 구동 트레인의 다른 섹션의 동적 토크 성분은 시스템의 프로세서 또는 제어기(78)에 의해 계산될 수 있고, 따라서 제어 데이터는 이미 전술된 바와 같이 인버터 또는 컨버터를 위해 생성될 수 있다.
달리 말하면, 이 예시적인 실시예에 따르면, 제어기(78)는 모터에 연결된 하나의 터보 기계로부터 기계적 관련 정보를 수신할 필요가 있고, 이 기계적 관련 정보에 기초하여 제어기는 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 모터 내에 토크를 발생시키도록 컨버터를 제어하는 것이 가능하다. 터보 기계는 가스 터빈일 뿐만 아니라 압축기, 팽창기 또는 다른 공지의 기계일 수 있다. 일 용례에서, 어떠한 전기적 측정치도 감쇠를 수행하기 위해 필요하지 않다. 그러나, 전기적 측정치는 감쇠를 성취하기 위해 기계적 측정치와 조합될 수 있다. 일 용례에서, 감쇠를 적용하는 기계(감쇠 기계)는 기계적 측정치를 위해 액세스 가능하지 않고, 감소 기계의 동적 토크 성분은 감쇠 기계에 기계적으로 연결되는 다른 기계 상에서 수행된 기계적 측정치에 의해 계산된다.
도 18에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 단지 LCI 모터측(184) 상의 모터(150) 및 인버터만이 도시되어 있다. 모터의 샤프트의 위치 및 속도는 구동 트레인을 제어하는데 사용될 수 있는 변수이다. 모터의 샤프트의 위치(또는 모터 전압 벡터)가 모터측 상의 β 점호를 정확하게 결정하는데 사용될 수 있다.
모터의 샤프트의 위치는 모터의 샤프트에 부착된 위치 센서로부터 얻어질 수 있고 또는 예를 들어 모터 및/또는 드라이브 자체의 전기적 변수에 의해 공급된 관찰기 모델의 사용을 통해 직접 위치 센서 없이 얻어질 수 있다. 유사하게, 모터 전압 벡터는 모터 및/또는 드라이브 전기적 변수(예를 들어, 모터 전압)로부터 평가될 수 있다. 모터 단자 전압 및/또는 전류 파형은 큰 노이즈 및 정류 스파이크를 포함할 수 있다. 이 이유로, 모터 단자 전압 및/또는 전류가 모터 전압 벡터 위치 또는 모터 회전자 위치를 결정하기 위해 직접 사용되지 않는다. 일 용례에서, 필터링 동작이 모터/드라이브 전기 변수에 인가된다[예를 들어, 관찰기 모델의 사용을 통해 또는 PLL(위상 동기 루프) 디바이스를 사용하여].
도 18은 위치 센서가 모터에 직접 부착되지 않으면 어떻게 점호 펄스가 모터측에서 생성될 수 있는지를 설명하기 위한 예시적인 실시예를 도시한다. 그러나, 전술된 바와 같이, 위치 센서를 사용함으로써 동일한 결과를 성취하는 것이 가능하다. 모터(182) 및/또는 구동 트레인으로부터 도래하는 전기적 변수(186)로부터 시작하여, 모터 전압 벡터(들) 또는 모터 회전자 위치가 관찰기 또는 PLL 블록(180)의 사용에 의해 유도된다. 이 순간적인 각도(188)는 또한 β 명령(192)에 따라 점호 명령(194)을 판단하여 인버터에 송신하기 위해 변조기(190)에 공급된다. 다른 방법이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이 모터 전압 벡터 위치 또는 모터 회전자 위치를 로킹하는데 사용될 수 있다. 도 18에 도시된 예시적인 실시예를 고려하면, PLL 또는 관찰기(180)의 동적 특성은 실제 위치와 "관찰된" 위치 사이의 높은 불일치의 경우에 안전 각도의 감소를 회피하기 위해 그리고 모터 전압 벡터 위치 또는 모터 회전자 위치를 정확하게 트랙킹하는데 충분히 정확해야 한다. 용어 "관찰된"은 동적 관찰기에 의해 생성된 변수 뿐만 아니라 PLL 시스템에 의해 생성된 변수를 칭하는데 사용된다는 것이 여기서 주목된다.
도 19에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 완전 로직 방법이 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠시키기 위해 구동될 수 있다. 도 19는 구동 트레인의 모터(150) 및 LCI(62)만을 도시한다. 도 19에 도시된 예시적인 실시예와 관련하여, PLL(또는 관찰기)(162)의 동작이 관심이 있다. 이 예시적인 실시예에서, PLL(또는 관찰기)은 모터 전압[블록(160)에 의해 검출됨]의 제로 교차로 로킹된다. 그러나, 이는 사용되는 PLL 및 위상 복조기의 유형 또는 사용되는 동적 관찰기의 유형에 한정되는 것으로 의도되는 것은 아니다. PLL은 특정 유형의 관찰기인 것으로 고려되는 것이 주목된다. 이 이유로, 관찰기를 언급할 때, 이는 또한 PLL 시스템을 의미할 수도 있고 또는 PLL을 언급할 때 이는 또한 관찰기를 의미할 수도 있다. 검출기(160) 내의 제로 교차 동작 후에, 디지털 사각파가 생성되고 PLL/관찰기(162)에 제공된다. PLL/관찰기(162)는 이 파형을 트랙킹한다(제로 교차가 다른 공지의 방법으로 대체될 수도 있음). PLL/관찰기(162)의 출력은 아날로그 또는 디지털 변수일 수 있는 순간 각도이다. 순간 관찰된 각도는 모터 상의 각도(β)의 작동을 결정하기 위해 제어기(78)에 제공된다. 이 이유로, PLL/관찰기(162)의 동적 특성은 모터 회전자 또는 모터 전압 벡터 위치를 정확하게 트랙킹하고 동적 에러의 경우에 안전 각도의 감소를 회피하기에 충분히 정확해야 한다. 구동 트레인 상의 비틀림 발진은 모터 섹션에서 속도 발진에 반영되고, 이 속도 발진은 모터 전압의 진폭 및 주파수에 반영된다. PLL/관찰기가 정확하면, 이 속도 발진은 트랙킹된 신호 내에서 가시화된다.
모터측의 점호각(α, β 또는 이들 모두)이 PLL/관찰기(162)에 의해 제공된 기준 신호에 기초하여 변조되면, 이는 PLL/관찰기 전달 함수를 수정하는 것이 비틀림 발진 감쇠에 효과를 가질 수 있는 것을 따른다. 예를 들어, 모터측 상의 원하는 점호각이 일정하고 비틀림 발진이 모터 섹션 상의 속도 발진에 존재하는 것으로 가정한다. 출력 브리지 상의 점호 시간은 PLL/관찰기 출력 기준에 대해 계산된다. PLL/관찰기가 모터 전압을 정확하게 트랙킹하지 않고(의도적으로 또는 비의도적으로) 일정한 점호각이 "관찰된 각도"(PLL/관찰기가 정확하지 않기 때문에 실제 각도와는 상이함)에 기초하여 변조되면, 모터측에서 실제 점호각은 PLL/관찰기 전달 함수에 따라 속도 자체에 의해 변조된다. 샤프트 내의 속도 발진에 응답하는 점호각의 변조는 댐퍼로서 작용할 수 있다.
따라서, 도 19는 PLL/관찰기(162)의 디지털 출력이 어떻게 모터 전압을 표현하는 사각파 신호와 제어기(78)(도 9와 관련하여 전술된 로직 블록 또는 제어기) 내에서 비교되는지를 도시한다. 모터 전압을 표현하는 신호는 검출기(160)로부터 링크(172)를 따라 제어기(78)에 의해 수신된다. 이미 지적된 바와 같이, 전압의 제로 교차는 PLL(또는 관찰기)(162)에 공급할 수 있는 모터/드라이브 변수에 관련된 신호만은 아니다. 다음에, 디지털 동작을 통해, 보정 신호가 생성된다. 이러한 신호는 아날로그 또는 디지털 신호일 수 있다. 제 1 경우에(혼합된 해결책), 신호는 제어기(78)로부터 링크(174)를 따라 송신되고, 원하는 α 및/또는 β 각도를 변조하는데 사용된다. 제 2 경우에(디지털 해결책), 디지털 신호가 제어기(78)로부터[도 19의 링크(170) 참조] 인버터/컨버터의 게이트로 직접 송신되어 정류를 수행한다. 여기에 설명된 동작(모터로부터 도래하는 입력 신호와 PLL/관찰기의 출력 사이의 비교)은 PLL(위상 비교기) 또는 관찰기 내에 미리 매립될 수도 있다는 것이 주목된다. 제어기(78)는 β 각도 상의 보정 신호가 안전 마진을 감소시키는 것을(단극 변조, β 각도가 단지 감소될 수만 있고 증가되지는 않기 때문에) 검증하도록 구성된 제어 로직을 포함할 수 있다.
도 19는 제어기(78)에 의해 생성된 변조의 값을 제한하는 선택적 리미터(166)를 또한 도시한다. 선택적으로, 스위치(168)는 LCI(62)에 제공되는 제어기(78)에 의해 생성된 제어 데이터를 스위치 온 및 오프하기 위해 리미터(166)와 LCI(62) 사이에 제공될 수 있다.
일 용례에서, 도 19에 대해 전술된 알고리즘은 PLL/관찰기(162)가 모터 회전자 또는 모터 전압 벡터 위치를 정확하게 트랙킹하지 않으면 더 효율적으로 동작할 수 있다. "관찰된" 위치와 실제 위치 사이의 가시적 차이를 갖도록 하는 시도시에 발진을 감쇠하기 위해 PLL/관찰기 전달 함수를 수정하는 것은 일련의 결점(안전 각도의 가능한 감소를 포함함)을 가질 수 있다.
이 이유로, 제어기(78) 내부에는, 제 2 PLL/관찰기(164)가 제공될 수 있다. 이 방식으로, 제 1 PLL/관찰기(162)는 모터 회전자 또는 모터 전압 벡터 위치를 트랙킹하기에 충분히 정확할 수 있고, 반면에 제 2 PLL/관찰기(164)는 상이한 동역학(이제 다수의 제한 없이 선택될 수 있음)을 갖는 모터 회전자 또는 전압 벡터 위치를 따르도록 구성된다. 정상 상태에서, 일정한 속도로, 2개의 PLL/관찰기의 출력은 동일할 수 있고, 반면에 과도기(중심값 주위의 속도의 발진을 포함함) 중에 2개의 PLL/관찰기의 출력은 상이하다. 2개의 PLL/관찰기 사이의 비교의 결과는 다른 감쇠 해결책을 구현하는데 사용될 수 있다.
2개의 PLL/관찰기가 사용되는 경우에, 양 혼합된 해결책이 가능하고(예를 들어, 각도 β가 β 기준값을 변경함으로써 변조됨) 또는 완전 디지털 해결책이 가능하다(2개의 PLL/관찰기로부터 도래하는 2개의 신호의 비교가 디지털 방식으로 프로세싱되고, 비교의 결과가 β 각도 기준값 상의 임의의 직접적인 변조 없이 인버터의 게이트 유닛에 직접 송신된 명령임).
예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법이 도 20에 도시된다. 방법은 컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하는(예를 들어, 제로 교차) 단계(2000), 제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계(2002), 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하는 단계(2004), 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계(2006), 및 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하는 단계(2008)를 포함한다. 선택적 단계에서, 제어 데이터는 디지털이고, 컨버터의 게이트를 정류하기 위해 컨버터에 직접 송신되고 또는 제어 데이터는 아날로그이고 컨버터 변조기에 인가될 α-, β- 또는 α- 및 β-변조를 생성하기 위해 사용된다.
그러나, 2개의 PLL(또는 관찰기) 유닛이 시스템에서 이용 가능해지면, 상이한 방법이 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 구현될 수 있다. 도 21에 도시된 이 실시예에 따르면, 방법은 제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계(2100), 제 2 위상 동기 루프 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하는 단계(2102), 제 1 디지털 신호를 제 2 디지털 신호와 비교하는 단계(2104), 비교의 결과에 기초하여 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 컨버터의 정류기 및/또는 인버터를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계(2106), 및 컨버터와 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 정류기 및/또는 인버터에 제어 데이터를 송신하는 단계(2108)를 포함한다. 선택적 단계에서, 제어 데이터는 디지털이고, 컨버터의 게이트를 정류하기 위해 컨버터에 직접 송신되고 또는 제어 데이터는 아날로그이고 컨버터 변조기에 인가될 α-, β- 또는 α- 및 β-변조를 생성하기 위해 사용된다.
개시된 예시적인 실시예는 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이 설명은 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 대조적으로, 예시적인 실시예는 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함되는 대안, 수정 및 등가물을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 방법은 대형 워터 펌프, 펌핑된 하이드로 파워 스테이션 등과 같은 다른 전기 모터 구동식 기계적 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예의 상세한 설명에서, 수많은 특정 상세가 청구된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당 기술 분야의 숙련자는 다양한 실시예가 이러한 특정 상세 없이 실시될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징 및 요소가 특정 조합으로 실시예에 설명되어 있지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시예의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로 또는 본 명세서에 개시된 다른 특징 및 요소를 갖거나 갖지 않고 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 이 기록된 설명은 당 기술 분야의 임의의 숙련자가 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조하고 사용하는 것과 임의의 합체된 방법을 수행하는 것을 포함하여 요지를 실시할 수 있게 하기 위해 개시된 요지의 예를 사용한다. 요지의 특허 가능한 범주가 청구범위에 의해 규정되고, 당 기술 분야의 숙련자들에 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
14: 모터 22: 발전기
26: 인버터 제어기 30: 정류기 제어기
78: 제어기 80: LCI 제어기
86: β 제어기 88: 게이트 제어 유닛
90: 게이트 제어 유닛 153: 정류기 제어
160: 제로 교차 검출기 190: 변조기

Claims (10)

  1. 전기 기계 및 비-전기 기계를 포함하는 구동 트레인을 구동하는 컨버터에 접속되거나 컨버터 자체 내부에 배치된 비틀림 모드 감쇠 제어기 시스템으로서,
    상기 컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하도록 구성된 입력 인터페이스와,
    상기 입력 인터페이스에 접속되고,
    제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하고,
    상기 컨버터로부터 컨버터 데이터를 수신하고,
    상기 컨버터 데이터를 상기 제 1 디지털 신호와 비교하고,
    상기 비교의 결과에 기초하여 상기 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 상기 컨버터의 정류기와 인버터 중 적어도 하나를 위한 제어 데이터를 생성하고,
    상기 컨버터와 상기 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 상기 정류기와 상기 인버터 중 적어도 하나에 상기 제어 데이터를 송신하도록
    구성되는 제어기를 포함하는
    제어기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 데이터는 디지털이고, 상기 컨버터의 게이트를 정류하기 위해 컨버터 변조기와 게이트 유닛 중 적어도 하나에 직접 송신되는
    제어기 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 데이터는 아날로그이고, 컨버터 변조기에 인가될 α-변조, β-변조 또는 α-변조 및 β-변조를 생성하기 위해 사용되는
    제어기 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터의 변수는 모터에 공급된 전압 또는 전류를 포함하는
    제어기 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터 데이터는 교류 전압 또는 전류의 제로값에 관련되는
    제어기 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 단지 컨버터 데이터만에 기초하여 제어 데이터를 생성하도록 구성되는
    제어기 시스템.
  7. 전기 기계 및 비-전기 기계를 포함하는 구동 트레인을 구동하는 컨버터에 접속되거나 컨버터 자체 내부에 배치된 비틀림 모드 감쇠 제어기 시스템으로서,
    제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력 인터페이스와,
    제 2 위상 동기 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하도록 구성된 제 2 입력 인터페이스와,
    상기 제 1 입력 인터페이스 및 제 2 입력 인터페이스에 접속되고,
    제 1 디지털 신호 및 제 2 디지털 신호를 수신하고,
    상기 제 1 디지털 신호를 상기 제 2 디지털 신호와 비교하고,
    상기 비교의 결과에 기초하여 상기 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 상기 컨버터의 정류기와 인버터 중 적어도 하나를 위한 제어 데이터를 생성하고,
    상기 컨버터와 상기 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 상기 정류기와 상기 인버터 중 적어도 하나에 상기 제어 데이터를 송신하도록
    구성되는 제어기를 포함하는
    제어기 시스템.
  8. 구동 트레인의 부분인 전기 기계를 구동하기 위한 시스템에 있어서,
    전원으로부터 교류 전류를 수신하고 교류 전류를 직류 전류로 변환하도록 구성된 정류기와,
    상기 정류기에 접속되고 직류 전류를 전송하도록 구성된 직류 전류 링크와,
    상기 직류 전류 링크에 접속되고 수신된 직류 전류를 교류 전류로 변화시키도록 구성된 인버터와,
    컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하도록 구성된 입력 인터페이스와,
    상기 입력 인터페이스에 접속되고,
    제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하고,
    상기 컨버터로부터 컨버터 데이터를 수신하고,
    상기 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하고,
    상기 비교의 결과에 기초하여 상기 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 상기 컨버터의 정류기와 인버터 중 적어도 하나를 위한 제어 데이터를 생성하고,
    상기 컨버터와 상기 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 상기 정류기와 상기 인버터 중 적어도 하나에 상기 제어 데이터를 송신하도록
    구성되는 제어기를 포함하는
    시스템.
  9. 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법에 있어서,
    컨버터의 변수에 관련된 컨버터 데이터를 수신하는 단계와,
    제 1 위상 동기 루프 디바이스 또는 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계와,
    상기 컨버터 데이터를 제 1 디지털 신호와 비교하는 단계와,
    상기 비교의 결과에 기초하여 상기 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 상기 컨버터의 정류기와 인버터 중 적어도 하나를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계와,
    상기 컨버터와 상기 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 상기 정류기와 상기 인버터 중 적어도 하나에 상기 제어 데이터를 송신하는 단계를 포함하는
    방법.
  10. 전기 기계를 포함하는 구동 트레인 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위한 방법에 있어서,
    제 1 위상 동기 디바이스 또는 제 1 동적 관찰기로부터 제 1 디지털 신호를 수신하는 단계와,
    상기 제 1 위상 동기 디바이스 또는 상기 제 1 동적 관찰기에 부가하여 제 2 위상 동기 루프 디바이스 또는 제 2 동적 관찰기로부터 제 2 디지털 신호를 수신하는 단계와,
    상기 제 1 디지털 신호를 상기 제 2 디지털 신호와 비교하는 단계와,
    상기 비교의 결과에 기초하여 상기 구동 트레인의 샤프트 내의 비틀림 진동을 감쇠하기 위해 상기 컨버터의 정류기와 인버터 중 적어도 하나를 위한 제어 데이터를 생성하는 단계와,
    상기 컨버터와 상기 전기 기계 사이에 교환된 유효 전력을 변조하기 위해 상기 정류기와 상기 인버터 중 적어도 하나에 상기 제어 데이터를 송신하는 단계를 포함하는
    방법.
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