MX2012011135A - Sistema y metodo de amortiguamiento de modo torsional basado en bucle de cierre. - Google Patents

Abstract

Un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional se conecta a un convertidor o se coloca dentro del convertidor. El convertidor acciona un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica. El sistema controlador incluye una primera interfase de entrada configurada para recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o un primer observador dinámico, una segunda interfase de entrada configurada para recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de cierre de fase o un segundo observador dinámico, y un controlador conectado a las primeras y segundas interfases de entrada. El controlador se configura para recibir las primeras y segundas señales digitales, comparar la primera señal digital con la segunda señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o inversor del convertidor, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor.

Description

SISTEMA Y METODO DE AMORTIGUAMIENTO DE MODO TORSIONAL BASADO EN BUCLE DE CIERRE ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO TECNICO Las modalidades del tema aquí descrito generalmente se refieren a métodos y sistemas y, más particularmente, a mecanismos y técnicas para amortiguar una vibración torsional que aparece en un sistema giratorio.

DISCUSION DE LOS ANTECEDENTES La industria del aceite y gas tiene una demanda creciente para accionar varias máquinas a velocidades variables. Tales máquinas incluyen compresores, motores eléctricos, extensores, turbinas de gas, bombas, etc. Los dispositivos eléctricos de frecuencia variable aumentan la eficiencia de energía y proporcionan una flexibilidad incrementada para las máquinas. Un mecanismo para accionar, por ejemplo, un tren de compresión de gas grande es el inversor conmutado de carga (LCI). Un tren de compresión de gas incluye, por ejemplo, una turbina de gas, un motor, y un compresor. El tren de compresión de gas puede incluir más o menos máquinas eléctricas y turbo-máquinas. Sin embargo, un problema introducido por sistemas de transmisión electrónicos de energía es la generación de componentes de onda en el par de torsión de la máquina debido a la armónica eléctrica. El componente de onda del par de torsión puede interactuar con el sistema mecánico a frecuencias naturales torsionales del tren de transmisión, lo cual es indeseable.

Una oscilación torsional o vibración es un movimiento angular oscilatorio que aparece en un eje que tiene varias masas fijadas como se muestra por ejemplo en la Figura 1. La Figura 1 muestra un sistema 10 que incluye una turbina de gas 12, un motor 14, un primer compresor 16 y un segundo compresor 18. Los ejes de estas máquinas están ya sea conectados entre sí o un eje individual 20 es compartido por estas máquinas. Debido a los impulsores u otras masas distribuidas a lo largo del eje 20, un giro del eje 20 puede afectarse por las oscilaciones torsionales producidas por el giro con diferentes velocidades de las masas (impulsores por ejemplo) fijadas en el eje.

Como se discutió anteriormente, las vibraciones torsionales son típicamente introducidas por la energía electrónica que acciona el motor eléctrico. La Figura 1, por ejemplo, muestra una fuente de rejilla de energía (fuente de energía) 22 que proporciona energía eléctrica al LCI 24, que a su vez acciona el eje 20 del motor 14. La rejilla de energía puede ser un generador de energía aislado. Con el fin de amortiguar (minimizar) las vibraciones torsionales, como se muestra en la Figura 2 (que corresponde a la Figura 1 de la Patente de E.U.A. No. 7,173,399, asignada al mismo cesionario en esta solicitud, la descripción completa de la cual se incorpora aquí para referencia), un controlador inversor 26 puede proporcionarse para un inversor 28 del LCI 24 y puede configurarse para introducir un cambio de ángulo de retraso de inversor (?ß) para modular una cantidad de energía activa transferida del inversor 28 al motor 14. Alternativamente, un controlador rectificador 30 puede proporcionarse a un rectificador 32 y puede configurarse para introducir un cambio de ángulo de rectificador (?a) para modular la cantidad de energía activa transferida del generador 22 a un enlace DC 44 y de ese modo al motor 14. Se observa que al modular la cantidad de energía activa transferida del generador 22 al motor 14 es posible para amortiguar las vibraciones torsionales que aparecen en el sistema que incluye el motor 14 y el compresor 12. Con respecto a esto, se observa que los ejes del motor 14 y la turbina de gas 12 están conectados entre sí mientras un eje del generador 22 no está conectado ni al motor 14 ni al compresor 12.

Los dos controladores 26 y 30 reciben como entrada, señales de los sensores 36 y 38, respectivamente, y estas señales son indicativas del par de torsión experimentado por el motor 14 y/o el generador 22. En otras palabras, el controlador inversor 26 procesa el valor de par de torsión percibido por el sensor 36 para generar el cambio de ángulo de retraso de inversor (?ß) mientras el controlador rectificador 30 procesa el valor de par de torsión percibido por el sensor 38 para generar el cambio de ángulo de retraso de rectificador (?a). El controlador inversor 26 y el controlador rectificador 30 son independientes uno del otro y estos controladores pueden implementarse juntos o solos en un sistema dado, La Figura 2 muestra que el sensor 36 verifica una parte (sección) 40 del eje del motor 14 y el sensor 38 verifica un eje 42 del generador de energía 22. La Figura 2 también muestra el enlace DC 44 entre el rectificador 32 y el inversor 28.

Sin embargo, es posible el uso de otros dispositivos y métodos para generar amortiguamiento en el tren de transmisión.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De acuerdo con una modalidad ilustrativa, existe un sistema controlador conectado a un convertidor o colocado dentro del mismo convertidor. El convertidor acciona un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica. El sistema controlador incluye una interfase de entrada configurada para recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor y un controlador conectado a la interfase de entrada. La interfase de entrada se configura para recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico, recibir los datos de convertidor del convertidor, comparar los datos de convertidor con la primera señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, existe un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado al convertidor o colocado dentro del mismo convertidor. El convertidor acciona un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica. El sistema controlador tiene una primera interfase de entrada configurada para recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o un primer observador dinámico; una segunda interfase de entrada configurada para recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de cierre de fase o un segundo observador dinámico; y un controlador conectado a las primeras y segundas interfases de entrada. El controlador se configura para recibir las primeras y segundas señales digitales, comparar la primera señal digital con la segunda señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control del rectificador y/o el inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo incluso con otra modalidad ilustrativa, existe un sistema para accionar una máquina eléctrica que es parte de un tren de transmisión. El sistema incluye un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de una fuente de energía y para transformar una corriente alterna en una corriente directa; un enlace de corriente directa conectada al rectificador y configurado para transmitir la corriente directa; un inversor conectado al enlace de corriente directa y configurado para cambiar una corriente directa recibida dentro de una corriente alterna; una interfase de entrada configurada para recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor; y un controlador conectado a la interfase de entrada. El controlador se configura para recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle cerrado de fase o un observador dinámico, recibir los datos de convertidor del convertidor, comparar los datos de convertidor con la primera señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa adicional, existe un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso de recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor; un paso de recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico; un paso de comparar los datos de convertidor con la primera señal digital; un paso de generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación; y un paso de enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, existe un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso de recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o un primer observador dinámico; un paso de recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de bucle de cierre de fase o un segundo observador dinámico adicional al primer dispositivo de cierre de fase o el primer observador dinámico; un paso de comparar la primera señal digital con la segunda señal digital; un paso de generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación; y un paso de enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo incluso con otra modalidad ilustrativa, existe un medio legible por computadora que incluye instrucciones ejecutables por computadora, en donde las instrucciones, cuando se ejecutan, implementan un método para amortiguar vibraciones torsionales. Las instrucciones por computadora incluyen los pasos enumerados en el método observado en el párrafo previo.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos, que se incorporan en y constituyen una parte de la especificación, ilustran una o más modalidades y, junto con la descripción, explica estas modalidades. En los dibujos: La Figura 1 es un diagrama esquemático de una turbina de gas convencional conectada a una máquina eléctrica y dos compresores; La Figura 2 es un diagrama esquemático de un tren de transmisión que incluye controlador de rectificador y controlador de inversor; La Figura 3 es un diagrama esquemático de una turbina de gas, motor y carga controlado por un controlador de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 4 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 5 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo a una modalidad ilustrativa; La Figura 6 es una gráfica que ilustra un par de torsión de un eje con control de amortiguamiento deshabilitado; La Figura 7 es una gráfica que ilustra un par de torsión de un eje con control de amortiguamiento habilitado de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 8 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 9 es un diagrama esquemático de un controlador configurado para controlar un convertidor para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 10 es un diagrama esquemático de un controlador que proporciona modulación para un rectificador de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 11 es un es un cuadro de flujo de un método que controla un rectificador para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 12 es un diagrama esquemático de un controlador que proporciona modulación para un rectificador y un inversor de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 13 es un diagrama esquemático de voltajes existentes en un inversor, rectificador y enlace DC de un convertidor de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 14 es una gráfica que indica el efecto torsional de las modulaciones de ángulo alfa y beta de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 15 es un cuadro de flujo de un método que controla un inversor y un rectificador para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 16 es un diagrama esquemático de un inversor de fuente de voltaje y controlador asociado para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 17 es un diagrama esquemático de un sistema de masa múltiple; La Figura 18 es un diagrama esquemático de un sistema de control para amortiguar vibraciones torsionales basándose en un bucle de cierre de fase u observador dinámico de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 19 es un diagrama esquemático de un sistema de control para amortiguar vibraciones torsionales basándose en uno o más dispositivos de bucle de cierre de fase de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 20 es un cuadro de flujo que ilustra un método para amortiguar vibraciones torsionales basándose en un dispositivo de bucle de cierre de fase individual de acuerdo con una modalidad ilustrativa; y La Figura 21 es un cuadro de flujo que ilustra un método para amortiguar vibraciones torsionales basándose en dos dispositivos de bucle de cierre de fase de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

DESCRIPCION DETALLADA La siguiente descripción de las modalidades ilustrativas se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en diferentes dibujos identifican los mismos elementos o similares. La siguiente descripción detallada no limita la invención. Por ejemplo, el alcance de la invención se define por las reivindicaciones anexas.

Las siguientes modalidades se discuten, por simplicidad, con respecto a la terminología y estructura de un motor eléctrico que se acciona por un inversor conmutado de carga. Sin embargo, las modalidades que se discuten a continuación no se limitan a tal sistema, pero pueden aplicarse (con ajustes apropiados) a otros sistemas que se accionan con otros dispositivos, como por ejemplo, un inversor de fuente de voltaje (VSI).

Al hacer referencia durante la especificación a "una modalidad" o "modalidad'' se refiere a una característica particular, estructura, o características descritas en conexión con una modalidad que incluye al menos una modalidad del tema descrito. De ese modo, la aparición de las frases "en una modalidad" o "modalidad" en varios lugares durante la especificación no necesariamente se refieren a la misma modalidad. Además, las características particulares, estructuras o características pueden combinarse en cualquier forma adecuada en una o más modalidades.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, un controlador de amortiguamiento de modo torsional puede configurarse para obtener mediciones eléctricas y/o mecánicas respectivas a un eje de una máquina eléctrica (que puede ser un motor o un generador) y/o un eje de una turbo-máquina que se conecta mecánicamente a la máquina eléctrica y para estimar, basándose en las mediciones eléctricas y/o mecánicas, los componentes de par de torsión dinámico y/o una vibración de par de torsión en una ubicación de eje deseada de un tren de transmisión. Los componentes de par de torsión dinámico pueden ser un par de torsión, una posición torsional, velocidad torsional o una aceleración torsional del eje. Basándose en uno o más componentes de par de torsión dinámicos, un controlador puede ajustar/modificar uno o más parámetros de un rectificador que acciona la máquina eléctrica para aplicar un par de torsión deseado para amortiguar la oscilación de par de torsión. Como se discutirá a continuación, existen varias fuentes de datos para el controlador para determinar el amortiguamiento basado en el control de rectificador.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 3, un sistema 50 incluye una turbina de gas 52, un motor 54, y una carga 56. Son posibles otras configuraciones que involucran turbinas de gas y/o compresores plurales u otras turbo-máquinas como la carga 56. Aún otras configuraciones pueden incluir uno o más extensores, uno o más generadores de energía, u otras máquinas que tienen una parte giratoria, por ejemplo, turbinas de aire, cajas de velocidades. El sistema mostrado en la Figura 3 es ilustrativo y se simplifica para un mejor entendimiento de las características novedosas. Sin embargo, un experto en la técnica apreciará que otros sistemas tienen más o menos componentes que pueden adaptarse para incluir las características novedosas ahora discutidas.

La conexión de varias masas (asociadas con los rotores e impulsores de las máquinas) a un eje 58 hace al sistema 50 propenso a vibraciones torsionales potenciales. Estas vibraciones torsionales pueden girar el eje 58, que puede resultar en reducción de tiempo de vida significante o incluso la destrucción del sistema de eje (que puede incluir no solamente el eje o ejes sino que también acoplamientos y la caja de velocidades depende de la situación específica). Las modalidades ilustrativas proporcionan un mecanismo para reducir las vibraciones torsionales.

Para activar el motor 54, la energía eléctrica se suministra de la rejilla de energía o un generador local 60 en caso de isla o sistemas de energía de tipo isla. Con el fin de accionar el motor 54 a una velocidad variable, se proporciona un inversor conmutado de carga 62 (LCI) entre la rejilla 60 y el motor 54. Como se muestra en la Figura 4, el LCI 62 incluye un rectificador 66 conectado a un enlace DC 68 que se conecta a un inversor 70. El rectificador 66, enlace DC 68, e inversor 70 se conocen en la técnica sus estructuras específicas no se discuten adicionalmente aquí. Como se observó anteriormente, las características novedosas pueden aplicarse, con cambios apropiados, a los sistemas VSI. Para ilustración únicamente, un VSI ilustrativo se muestra y discute brevemente con respecto a la Figura 16. La Figura 4 indica que la corriente y voltaje recibidos de la rejilla 60 son tres fases de corriente y voltajes, respectivamente. Lo mismo es verdadero para las corrientes y voltajes a través del rectificador, inversor y el motor y este hecho se indica en la Figura 4 por el símbolo "/3°. Sin embargo, las características novedosas de las modalidades ilustrativas se aplican a los sistemas configurados para trabajar con más de tres fases, por ejemplo, sistemas de 6 fases y 12 fases.

El LCI 62 también incluye sensores de corriente y voltaje, indicados por una A en un círculo y una V en un círculo en la Figura 4. Por ejemplo, un sensor de corriente 72 se proporciona en el enlace DC 68 para medir una corriente iDC. Alternativamente, la corriente en el enlace DC se calcula basándose en mediciones realizadas el lado AC, por ejemplo sensores de corriente 84 ó 74 ya que estos sensores son menos costosos que los sensores DC. Otro ejemplo es un sensor de corriente 74 que mide una corriente iabc provista por el inversor 70 al motor 54 y un sensor de voltaje 76 que mide un voltaje Vabc provisto por el inversor 70 al motor 54. Se observa que estas corrientes y voltajes se proporcionan como entrada a un controlador 78. El término "controlador" se utiliza aquí para abarcar cualquier circuito digital, análogo apropiado o combinación de los mismos o unidades de procesamiento para lograr la función de control designada. Regresando a la Figura 3, se observa que el controlador 78 puede ser parte del LCI 62 ó puede ser un controlador independiente intercambiando señales con el LCI 62. EL controlador 78 puede ser un controlador de amortiguamiento de modo torsional.

La Figura 4 también muestra que un controlador LCI 80 puede recibir mediciones mecánicas con respecto a uno o más de la turbina de gas 52, el motor 54 y la carga 56 mostradas en la Figura 3. Este mismo puede ser verdadero para el controlador 78. En otras palabras, el controlador 78 se configura para recibir datos de medición de cualquiera de los componentes del sistema 50 mostrados en la Figura 3. Por ejemplo, la Figura 4 muestra una fuente de datos de medición 79. Esta fuente de datos proporciona mediciones mecánicas y/o mediciones eléctricas de cualquiera de los componentes del sistema 50. Un ejemplo particular que se utiliza para un mejor entendimiento y no para limitar las modalidades ilustrativas es cuando la fuente de datos 79 se asocia con la turbina de gas 52. Una posición torsional, velocidad, aceleración o par de torsión de la turbina de gas 52 puede medirse mediante sensores existentes. Estos datos pueden proporcionarse al controlador 78 como se nuestra en la Figura 4. Otro ejemplo son las mediciones eléctricas tomadas en el convertidor 62 ó el motor 54. La fuente de datos 79 proporciona estas mediciones al controlador 78 ó controlador 80 si es necesario.

El controlador 80 puede generar, basándose en varias referencias 82, y una corriente idx recibida de un sensor 84, un ángulo de retraso de rectificador a para controlar el rectificador 66. Con respecto al ángulo de retraso de rectificador a, se observa LCI se asignó para transferir la energía activa de la rejilla 60 al motor 54 ó viceversa. El logro de esta transferencia con un factor de energía óptima involucra al ángulo de retraso de rectificador a y el ángulo de retraso de inversor ß. El ángulo de retraso de rectificador a puede modularse al aplicar, por ejemplo, una modulación de onda de seno. Esta modulación puede aplicarse durante una cantidad de tiempo limitada. En una aplicación, la modulación se aplica continuamente medición de cualquiera de los componentes del sistema 50 mostrados en la Figura 3. Por ejemplo, la Figura 4 muestra una fuente de datos de medición 79. Esta fuente de datos proporciona mediciones mecánicas y/o mediciones eléctricas de cualquiera de los componentes del sistema 50. Un ejemplo particular que se utiliza para un mejor entendimiento y no para limitar las modalidades ilustrativas es cuando la fuente de datos 79 se asocia con la turbina de gas 52. Una posición torsional, velocidad, aceleración o par de torsión de la turbina de gas 52 puede medirse mediante sensores existentes. Estos datos pueden proporcionarse al controlador 78 como se nuestra en la Figura 4. Otro ejemplo son las mediciones eléctricas tomadas en el convertidor 62 ó el motor 54. La fuente de datos 79 proporciona estas mediciones al controlador 78 ó controlador 80 si es necesario.

El controlador 80 puede generar, basándose en varias referencias 82, y una corriente idx recibida de un sensor 84, un ángulo de retraso de rectificador a para controlar el rectificador 66. Con respecto al ángulo de retraso de rectificador a, se observa LCI se asignó para transferir la energía activa de la rejilla 60 al motor 54 ó viceversa. El logro de esta transferencia con un factor de energía óptima involucra al ángulo de retraso de rectificador a y el ángulo de retraso de inversor ß. El ángulo de retraso de rectificador a puede modularse al aplicar, por ejemplo, una modulación de onda de seno. Esta modulación puede aplicarse durante una cantidad de tiempo limitada. En una aplicación, la modulación se aplica continuamente pero la amplitud de las varias modalidades. Por ejemplo, no existe una vibración torsional en el eje, la amplitud de la modulación puede ser cero, es decir, no hay modulación. En otro ejemplo, la amplitud de la modulación puede ser proporcional con la vibración torsional detectada del eje.

Otro controlador 86 puede utilizarse para generar un ángulo de retraso de inversor ß para el inversor 70. La modulación del ángulo de retraso de inversor ß resulta en a modulación del voltaje DC de inversor que causa una modulación de la corriente de enlace DC y los resultados en una oscilación de energía activa en la energía de entrada de carga. En otras palabras, modular únicamente el ángulo de retraso de inversor con el fin de lograr amortiguamiento de modo torsional da como resultado la energía de amortiguamiento que viene principalmente de la energía magnética almacenada en el enlace DC 68. La modulación del ángulo de retraso de inversor resulta en energía giratoria que se transforma en energía magnética y viceversa, dependiendo si el eje giratorio se acelera o desacelera.

Además, la Figura 4 muestra una unidad de control de puerta 88 para el rectificador 60 y una unidad de control de puerta 90 para el inversor 70 que controla directamente el rectificador e inversor basándose en información recibida de los controladores 80 y 86. Un sensor opcional 92 puede localizarse en proximidad cercana al eje del motor 54 para detectar los componentes de par de torsión dinámicos, por ejemplo, un par de torsión de la presente en el eje o una velocidad torsional del eje o una aceleración torsional del eje o una posición torsional del eje. Otros sensores similares 92 pueden colocarse entre el motor 54 y la turbina de gas 52 ó en la turbina de gas 52. La información ux con respecto a los componentes de par de torsión dinámicos medidos (por los sensores 92) se proporcionan a los controladores 78, 80 y 86. La Figura 4 también muestra bloques de suma 94 y 96 que agregan una señal del controlador 78 a las señales generadas por los controladores 80 y 86.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa ilustrada en la Figura 5, el controlador de amortiguamiento de modo torsional 78 puede recibir una corriente iabc y un voltaje Vabc medido en una salida 91 del LCI 62 o el inversor 70. Con base en estos valores (no hay información sobre un par de torsión medido o velocidad o aceleración del eje del motor), un par de torsión de hueco de aire para el motor se calcula y alimenta a un modelo mecánico del sistema. El modelo mecánico del sistema puede representarse por varias ecuaciones diferenciales que representan el comportamiento dinámico del sistema mecánico y enlazan los parámetros eléctricos a los parámetros mecánicos del sistema. El modelo de representación incluye, por ejemplo, valores de inercia estimada, amortiguamiento y de rigidez (que pueden verificarse por el campo de mediciones) y permite calcular el comportamiento dinámico del eje, por ejemplo, oscilaciones torsionales. La precisión necesaria para el amortiguamiento de modo torsional puede lograrse principalmente a medida que la precisión de la fase del componente de par de torsión dinámico sea relevante para el amortiguamiento de modo torsional, y la información de amplitud o valor de par de torsión absoluto es menos importante.

Con respecto a esto, se observó que el hueco de par de torsión de aire de una máquina eléctrica es el enlace entre el sistema eléctrico y mecánico de un tren de transmisión. Todas las armónicas e inter-armónicas en el sistema eléctrico también son visibles en el par de torsión del hueco de aire. Las ínter-armónicas a una frecuencia natural del sistema mecánico pueden provocar oscilaciones torsionales y potencialmente dan como resultado valores de par de torsión dinámicos en el sistema mecánico por arriba de la clasificación del eje. Los sistemas de amortiguamiento de modo torsional existentes pueden contrarrestar tales oscilaciones torsionales pero estos sistemas necesitan una señal representativa del par de torsión dinámico del motor y esta señal se obtiene de un sensor que verifica efectivamente el eje del motor o los componentes de eje del motor, tales como engranajes montados a lo largo del eje del motor. De acuerdo con las modalidades ilustrativas, no se necesita tal señal ya que los componentes de par de torsión dinámicos se evalúan basándose en mediciones eléctricas. Sin embargo, como se discutirá más adelante, algunas modalidades ilustrativas describen una situación en la cual las mediciones mecánicas disponibles en otros componentes del sistema, por ejemplo, la turbina de gas, pueden utilizarse para determinar los componentes de par de torsión dinámicos del eje mecánico.

En otras palabras, una ventaja de acuerdo con la modalidad ilustrativa se aplica al amortiguamiento de modo torsional sin la necesidad de la percepción de vibración torsional en el sistema mecánico. De ese modo, el amortiguamiento de modo torsional puede aplicarse sin tener que instalar un sensor adicional en el sistema eléctrico o mecánico ya que pueden estar disponibles sensores de voltaje de corriente y/o corriente y/o velocidad a comparablemente bajo costo. Con respecto a esto, se observa que los sensores mecánicos para medir el par de torsión son costosos para aplicaciones de alta energía, y algunas veces estos sensores no pueden agregarse a los sistemas existentes. De ese modo, las soluciones de amortiguamiento de modo torsional no pueden implementarse para tales casos ya que los sistemas de amortiguamiento de modo torsional existentes requieren un sensor para medir una señal representativa de un parámetro mecánico del sistema que es indicativo del par de torsión. De lo contrario, la aproximación de la modalidad ilustrativa de la Figura 5 es confiable, de costo efectivo y permite adaptación en un sistema existente.

Una vez que se recibe la corriente y el voltaje indicados en la Figura 5, el controlador 78 puede generar señales apropiadas (modulaciones para uno o más de ?a y ?ß) para controlar el ángulo de retraso de rectificador a y/o el ángulo de retraso de inversor ß. De ese modo, de acuerdo con la modalidad mostrada en la Figura 5, el controlador 78 recibe información eléctrica medida de una salida 91 del inversor 70 y determina/calcula los varios ángulos de retraso, basándose en, por ejemplo, el principal amortiguamiento descrito en la Patente No. 7,173,399. En una aplicación, los ángulos de retraso pueden limitarse a un rango estrecho y definido, por ejemplo, 2 a 3 grados, no afectan la operación del inversor y/o convertidor. En una aplicación, los ángulos de retraso pueden limitarse a una sola dirección (ya sea negativa o positiva) para prevenir falla de conmutación por disparo elevado de los tiristores. Como se ilustra en la Figura 5, esta modalidad ilustrativa es un bucle abierto ya que las correcciones de los varios ángulos no se ajustan/verifican basándose en la señal medida (retroalimentación) del tren de transmisión mecánico conectado al motor. Además, simulaciones realizadas muestran una reducción de las vibraciones torsionales cuando el controlador 78 se habilita. La Figura 6 muestra oscilaciones 100 del par de torsión del eje del motor 54 contra el tiempo cuando el controlador 78 es deshabilitado y la Figura 7 muestra cómo las mismas oscilaciones son reducidas/amortiguadas cuando el controlador 78 se habilita para generar modulación alfa, por ejemplo, en el tiempo de 12 s, mientras el tren de transmisión mecánico opera a una operación de velocidad variable y cruza en t = 12s a una velocidad crítica. Ambas figuras grafican un par de torsión simulado en el eje y contra el tiempo en el eje x.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 8, el controlador 78 puede configurarse para calcular uno o más cambios de ángulos de retraso (modulaciones) ?a y/o ?ß basados en cantidades eléctricas obtenidas del enlace DC 68. Más específicamente, una corriente iDc puede medirse en un inductor 104 del enlace DC 68 y este valor puede proporcionarse al controlador 78. En una aplicación, solo una medición de corriente individual se utiliza para alimentar el controlador 78. Basándose en el valor de la corriente medida y el modelo mecánico del sistema, el controlador 78 puede generar los cambios de ángulos de retraso observados anteriormente. De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, la corriente directa lDc puede estimarse basándose en las mediciones de corriente y/o voltaje realizadas en el rectificador 66 ó el inversor 70.

Los cambios de ángulo de retraso calculados por el controlador 78 en cualquiera de las modalidades discutidas con respecto a las Figuras 5 y 8 pueden modificarse basándose en una configuración de bucle cerrado. La configuración del bucle cerrado se ilustra por la línea punteada 110 en la Figura 8. El bucle cerrado indica que una posición angular, velocidad, aceleración, o par de torsión del eje del motor 54 pueden determinarse con un sensor apropiado 112 y este valor puede proporcionarse al controlador 78. Este mismo es verdadero si el sensor o sensores 112 se proporcionan a la turbina de gas u otras ubicaciones a lo largo del eje 58 mostrado en la Figura 3.

La estructura del controlador 78 se discute ahora con respecto a la Figura 9. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el controlador 78 puede incluir una interfase de entrada 120 (o múltiples interfases de entrada configuradas para recibir señales de varios componentes del sistema) que se conecta a uno de un procesador, circuito análogo, tarjeta reconfigurable FPGA 122, etc. El elemento 122 se configura para recibir los parámetros eléctricos del LCI 62 y calcular los cambios del ángulo de retraso. El elemento 122 puede configurarse para almacenar un modelo mecánico 128 (descrito en más detalle con respecto a la Figura 17) y a la entrada de las mediciones eléctricas y/o mecánicas recibidas en la ¡nterfase de entrada 120 en el modelo mecánico 128 para calcular uno o más componentes del par de torsión dinámicos del motor 54. Basándose en uno o más componentes de par de torsión dinámicos, se generan señales de control de amortiguamiento en la unidad de control de amortiguamiento 130 y la señal de salida entonces se envía a un bloque de suma y a una unidad de control de puerta. De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, el controlador 78 puede ser un circuito análogo, una tarjeta FPGA reconfigurable u otro circuito dedicado para determinar los cambios del ángulo de retraso.

En una modalidad ilustrativa, el controlador 78 recibe continuamente mediciones eléctricas de varios sensores de corriente y voltaje y calcula continuamente señales de amortiguamiento torsionales basándose en los componentes de par de torsión dinámicos calculados basados en las mediciones eléctricas. De acuerdo con esta modalidad ilustrativa, el controlador no determina si las vibraciones torsionales están presentes en el eje sino que más bien calcula continuamente las señales de amortiguamiento torsionales basándose en el valor de par de torsión dinámico calculado. Sin embargo, si no hay vibraciones torsionales, las señales de amortiguamiento torsionaies generadas por el controlador y enviadas al inversor y/o rectificador no afectan al inversor y/o rectificador, es decir, ios cambios de ángulo proporcionados por las señales de amortiguamiento son insignificantes o cero. De ese modo, de acuerdo con esta modalidad ilustrativa, las señales afectan al inversor y/o rectificador únicamente cuando hay vibraciones torsionaies.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el par de torsión directo o la medición de velocidad en el eje de turbina de gas (o velocidad estimada o información de par de torsión en el eje) habilita al controlador para modular una transferencia de energía en el LCI en la fase contraria a la velocidad torsional de una oscilación torsional. La energía de amortiguamiento intercambiada entre el generador y la transmisión de LCI puede ser electrónicamente ajustada y puede tener una frecuencia que corresponde a una frecuencia natural del sistema de eje. Este método de amortiguamiento es efectivo para sistemas mecánicos con un alto factor Q, es decir, el sistema de eje del rotor está hecho de acero con alta rigidez torsional. Además, este método de aplicar un par de torsión de oscilación eléctrico al eje del motor y tener una frecuencia que corresponde a una frecuencia resonante del sistema mecánico que utiliza poca energía de amortiguamiento.

Por lo tanto, el controlador discutido anteriormente puede integrarse en un sistema de transmisión basado en la tecnología de LCI sin sobrecargar el sistema de transmisión. Esto facilita la implementación del controlador novedoso a los sistemas de energía nuevos o existentes y esto lo hace económicamente atractivo. El controlador puede implementarse sin tener que cambiar el sistema de energía existente, por ejemplo, extendiendo el sistema de control de una de las transmisiones LCI en la red de isla.

Si la velocidad operacional de LCI y el par de torsión varían en un largo alcance, la efectividad del amortiguamiento de modo torsional puede depender del funcionamiento del control de corriente de convertidor de rejilla lateral. La operación de amortiguamiento de modo torsional da como resultado una pequeña onda de corriente de enlace DC adicional a una frecuencia natural torsional. Como un resultado, existen dos componentes de energía a esta frecuencia: el componente deseado debido al control de ángulo de disparo inversor y un componente adicional debido a la onda de corriente adicional. La fase y magnitud de este componente de energía adicional es la función de parámetros del sistema, las configuraciones del control de corriente y punto de operación. Estos componentes resultan en un componente de energía que es dependiente del control de corriente y un componente que es dependiente de la modulación de ángulo.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, dos formas alternativas de la modulación de energía pueden implementarse por el controlador. Una primera forma es utilizar directamente la referencia de corriente en la rejilla lateral (requiere implementación de control de corriente rápida), por ejemplo, a-modulación con un componente de amortiguamiento. Una segunda forma es modular la rejilla lateral y los ángulos de máquina laterales, resultando en una corriente de enlace de constante, por ejemplo a-p-modulación con un componente de frecuencia de amortiguamiento. El control de corriente en la rejilla lateral es parte de este control de amortiguamiento y por lo tanto, el control de corriente no contrarresta el efecto de la modulación de ángulo. De esa forma, el efecto de amortiguamiento es superior e independiente de las configuraciones del control de corriente.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 10, el sistema 50 incluye elementos similares al sistema mostrado en las Figuras 3 y 4. El controlador 78 se configura para recibir mediciones eléctricas (como se muestra en las Figuras 4, 5, y 8) y/o mediciones mecánicas (ver por ejemplo las Figuras 4 y 8 ó el sensor 112 y el enlace 110 en la Figura 10) con respecto a uno o más del motor 54 ó carga 56 ó la turbina de gas (no mostrada) del sistema 50. Basándose únicamente en las mediciones eléctricas, o únicamente en las mediciones mecánicas, o en una combinación de las dos, el controlador 78 genera señales de control para aplicar a-modulación al rectificador 66. Por ejemplo, la modulación de referencia de corriente es lograda por a-modulación mientras el ángulo ß se mantiene constante en el inversor 70. La a-modulación se representa, por ejemplo, por ?a en ambas Figuras 4 y 10. Se observa que esta a-modulación es diferente de la descrita en la Patente de E.U.A. No. 7,173,399 por al menos dos razones. Una primera diferencia es que las mediciones mecánicas (si se utilizan) se obtienen en la presente modalidad ilustrativa de una ubicación a lo largo del eje 58 (es decir, motor 54, carga 56 y/o turbina de gas 52) mientras la Patente de E.U.A. No. 7,173,399 utiliza una medición de un generador de energía 22 (ver la Figura 2). Una segunda diferencia es que de acuerdo con una modalidad ilustrativa, las no mediciones mecánicas se reciben y utilizan por el controlador 78 para realizar la a-modulación.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 11, existe un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de compresión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso 1100 de recibir datos de medición relacionados con parámetros de (i) un convertidor que acciona la máquina eléctrica o (ii) el tren de compresión, un paso 1102 de calcular al menos un componente de par de torsión dinámico de la máquina eléctrica basándose en los datos medidos, un paso 1104 de generar datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de compresión basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y un paso 1106 de enviar los datos de control al rectificador para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 12, el sistema 50 puede tener tanto el rectificador 66 como el inversor 70 simultáneamente controlados (es decir, tanto a-modulación como ß-modulación) para amortiguar oscilaciones torsionales. Como se muestra en la Figura 12, el controlador 78 proporciona modulaciones tanto para el controlador rectificador 88 como para el controlador inversor 90. El controlador 78 determina la modulación apropiada basándose en (i) mediciones mecánicas medidas por el sensor(es) 112 en uno del motor 54, carga 56 y/o turbina de gas 52, (ii) mediciones eléctricas como se muestra en las Figuras 4, 5, y 8, o una combinación de (i) e (ii).

Más específicamente, la a- y ß-modulación puede correlacionarse como se discute a continuación con referencia a la Figura 13. La Figura 13 muestra rectificador de cruce de caída de voltaje representativa 66, enlace DC 68 e inversor 70. Como un resultado de la a- y ß-modulación se desea que la corriente de enlace DC sea constante. Las caídas de voltaje asociadas mostradas en la Figura 13 se obtienen por: V DCa _ k-VACG"COS(a) Vocp = k-VACM-cos(P), y DCQ = ocp + DCL, en donde VACG es la amplitud de voltaje de la rejilla de energía 60 en la Figura 12 y VACM es la amplitud de voltaje del motor 54.

Al diferenciar la última relación con el tiempo e imponer la condición que el cambio del V DCL en tiempo es cero, se obtiene la siguiente relación matemática entre la a-modulación y el ß-modulación: d(VDCa)/dt = - k-VACG Sin(a) y d(VDCp)/dt = -k VACM-s¡n(p), que resulta en da = (VAcM sin(p))/(VAcG sin(a) d .

Basándose en esta última relación, tanto a-modulación como ß-modulación se realizan simultáneamente, como se muestra, por ejemplo, en la Figura 14. La Figura 14 muestra el par de torsión actual 200 que aumenta alrededor de t0 = 1.5 segundos. Se observó que no ninguna a-modulación 202 o ß-modulación 204 se aplica entre t0 y tt. En tt una se aplica estimulación 206 entre ti y t2 y se aplican ambas modulaciones 202 y 204. En el extremo del intervalo de tiempo ti a t2 se observa que ambas modulaciones se remueven y las oscilaciones del par de torsión 200 se reducen exponencialmente debido a las propiedades de amortiguamiento mecánico inerte del tren de transmisión mecánico. Este ejemplo se simula y no se mide en un sistema real. Por esta razón, ambas modulaciones son estrictamente controladas, por ejemplo, se inician en ti y se detienen en t2. Sin embargo, en una implementación real de la a-modulación y ß-modulación, las modulaciones pueden realizarse continuamente con la amplitud de la modulación siendo ajustada basándose en la severidad de las oscilaciones torsionales. Una ventaja de la modulación combinada sobre la ß-modulación es que no necesita adaptación de fase en diferentes puntos de operación y los parámetros de control LCI pueden no tener efecto al realizar el amortiguamiento. Este ejemplo de modulación se proporciona para ilustrar el efecto de modulación de ambos ángulos de retraso en el sistema mecánico. El resultado de simulación se muestra utilizando una respuesta de bucle abierto al sistema mecánico para el sistema de amortiguamiento torsional con ejecución de amortiguamiento inverso.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 15, existe un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso 1500 de recibir datos medidos relacionados con los parámetros de (i) un convertidor que acciona la máquina eléctrica o (ii) el tren de transmisión, un paso 1502 de calcular al menos un componente de par de torsión dinámico de la máquina eléctrica basándose en los datos medidos, un paso 1504 de generar datos de control para cada uno de un inversor y un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y un paso 1506 de enviar datos de control al inversor y al rectificador para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica. Se observó que el componente de par de torsión dinámico incluye una posición giratoria, velocidad giratoria, aceleración giratoria o par de torsión relacionado con una sección del eje mecánico. También se observó que la modulación de expresión en una energía activa expresa la idea de modular en un instante incluso si el medio de energía activa durante un periodo T es cero. Además, si un VSI se utiliza en lugar de un LCI otra cantidad eléctrica puede modificarse según sea apropiado en lugar de la energía activa.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 16, un VSI 140 incluye un rectificador 142, un enlace DC 144 y un inversor 146 conectado entre ellos en este orden. El rectificador 142 recibe una rejilla de voltaje de una fuente de energía 148 y puede incluir, por ejemplo, un puente de diodo o un extremo frontal activo basado en dispositivos semiconductores. El voltaje de proporcionado por el rectificador 142 se filtra y se alisa por el capacitor C en el enlace DC 144. El voltaje de filtrado se aplica después al inversor 146, que puede incluir dispositivos semiconductores conmutados por si mismos, por ejemplo, Transistores Bipolares de Puerta Aislados (IGBT), que generan un voltaje ac a aplicarse al motor 150. Los controladores 152 y 154 pueden proporcionarse para el rectificador 142 y el inversor 146, además para los controladores de rectificador e inversor o integrados con los controladores de rectificador e inversor, para amortiguar las vibraciones torsionales en el eje del motor 150. El controlador rectificador 153 y el controlador inversor 155 se muestran conectados a algunos de los dispositivos semiconductores pero se entenderá que todos los dispositivos semiconductores se pueden conectar a los controladores. Los controladores 152 y 154 pueden proporcionarse juntos o solos y se configuran para determinar componentes de par de torsión dinámicos basándose en mediciones eléctricas como se discute con respecto a las Figuras 4 y 5 y las referencias de control de influencias del rectificador en construcción y control inversor, por ejemplo, el par de torsión o referencia de control de corriente.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 17, un sistema de masa múltiple generalizado 160 puede incluir "n" diferentes masas que tienen momentos correspondientes de inercia Ji a J„. Por ejemplo, la primera masa puede corresponder a una turbina de gas, la segunda masa corresponde a un compresor, y asi sucesivamente mientras la última masa puede corresponder a un motor eléctrico. Suponiendo que el eje del motor eléctrico no es accesible para mediciones mecánicas, por ejemplo, posición giratoria, velocidad, aceleración o par de torsión. Además, suponer que el eje de la turbina de gas es accesible y uno de los parámetros mecánicos observados anteriormente pueden medirse directamente a la turbina de gas. Con respecto a esto, se observó que generalmente una turbina de gas tiene sensores de alta precisión que miden varias variables mecánicas del eje para proteger la turbina de gas de posibles daños. De lo contrario, un motor convencional no tiene estos sensores o incluso algunos sensores están presentes, la precisión de sus mediciones es pobre.

La ecuación diferencial del sistema mecánico completo se obtiene por: J(d02/dt2) + D(d9/dt) + ?? = Tex,. en donde J (matriz torsional), D (matriz de amortiguamiento), y K (matriz rígida torsional) son matrices que conectan las características de la primera masa (por ejemplo, d10, di2, k12, Ji) a las características de las otras masas y ?T?, es un par de torsión externo (neto) aplicado al par de torsión del sistema, por ejemplo, a través de un motor. Basado en este modelo del sistema mecánico, un par de torsión u otro componente de par de torsión dinámico de la masa "n° puede determinarse si las características de, por ejemplo, la primera masa se conoce. En otras palabras, los sensores de alta precisión proporcionados en la turbina de gas pueden utilizar la medición de al menos uno de una posición torsional, velocidad, aceleración, o par de torsión del eje de la turbina de gas. Basándose en este valor de medición, un componente de par de torsión dinámico del motor (masa "n") u otra sección del tren de transmisión puede calcularse por un procesador o controlador 78 del sistema y de ese modo, los datos de control pueden generarse por el inversor o rectificador como se describió anteriormente.

En otras palabras, de acuerdo con esta modalidad ilustrativa, el controlador 78 necesita recibir información relacionada mecánica de una turbo-maquinaria que se conecta al motor y se basa en esta información relacionada dinámica que el controlador es capaz de controlar el convertidor para generar un par de torsión en el motor para amortiguar la vibración torsional. La turbo-maquinaria puede no ser solamente una turbina de gas sino que también un compresor, un extensor, u otras máquinas conocidas. En una aplicación, no son necesarias medidas eléctricas para realizar el amortiguamiento. Sin embargo, las mediciones eléctricas pueden combinarse con mediciones mecánicas para lograr el amortiguamiento. En una aplicación, la máquina que aplica el amortiguamiento (máquina de amortiguamiento) no es accesible para mediciones mecánicas y el componente de par de torsión dinámico de la máquina de amortiguamiento se calcula a través de mediciones mecánicas realizadas en otra máquina que está mecánicamente conectada a la máquina de amortiguamiento.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 18, únicamente se muestran un motor 150 y el inversor en el motor lateral LCI 184. Una posición y velocidad de un eje del motor son variables que pueden utilizarse para controlar el tren de transmisión. La posición del eje del motor (o vector de voltaje del motor) puede utilizarse para determinar con exactitud el disparo ß en el motor lateral.

La posición del eje del motor puede obtenerse de un sensor de posición fijado al eje del motor u obtenerse sin un sensor de posición directo, por ejemplo, a través del uso de un modelo observador alimentado por variables eléctricas del motor y/o se acciona por si mismo. Similarmente, el vector de voltaje de motor puede evaluarse desde el motor y/o variables eléctricas de transmisión (por ejemplo voltajes de motor). El voltaje terminal de motor de y/o las formas de onda de corriente puede incluir grandes picos de ruido y conmutación. Por esta razón, los voltajes terminales del motor y/o corrientes no se utilizan directamente para determinar la posición de vector de voltaje de motor o la posición del rotor del motor. En una aplicación, una operación de filtro se aplica al motor/variables eléctricas de transmisión (por ejemplo, a través del uso de un modelo observador o para utilizar un dispositivo PLL (bucle de cierre de fase).

La Figura 18 muestra una modalidad ilustrativa para explicar cómo los pulsos de disparo pueden generarse en el motor lateral que no tiene un sensor de posición que está directamente fijado al motor. Sin embargo, como se observó anteriormente, esto es posible para lograr el mismo resultado para utilizar un sensor de posición. Empezando de las variables eléctricas 186 que vienen del motor 182 y/o del tren de transmisión, el vector(es) o el motor de voltaje o la posición del rotor del motor son derivados a través del uso de un observador o bloque PLL 180. Este ángulo 188 instantáneo se alimenta a un modulador 190 con en fin de decidir y enviar comandos de disparo 194 al inversor, dependiendo también de un comando ß 192. Otros métodos pueden utilizarse para cerrar la posición del vector del motor de voltaje o la posición del rotor del motor como se apreciará por aquellos expertos en la técnica. Al considerar la modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 18, las características dinámicas del PLL u observador 180 tienen que ser lo suficientemente exactas para rastrear con exactitud la posición del vector del motor de voltaje o la posición del rotor del motor y evitar una reducción de un ángulo de seguridad en caso de una alta discrepancia entre las posiciones reales y "observadas". Como se observó aquí que el término "observado" se utiliza para referirse no únicamente a las variables producidas por un observador dinámico sino que también a las variables producidas por un sistema PLL.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa ilustrada en la Figura 19, un método completamente lógico puede implementarse para amortiguar oscilaciones torsionales en un tren de transmisión. La Figura 19 únicamente muestra el motor 150 y el LCI 62 del tren de transmisión. Con respecto a la modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 19, la operación de PLL (u observador) 162 es de interés. En esta modalidad ilustrativa, el PLL (u observador) se cierra al cruce cero del motor de voltaje (detectados por el bloque 160). Sin embargo, esto no pretende limitar el tipo de PLL y el desmodulador de fase que se utiliza o el tipo de observador dinámico que se utiliza. Se observó que el PLL se considera que es de un tipo particular de observador. Por esta razón, cuando se refiere a un observador, podría referirse también a un sistema PLL o cuando se refiere a un PLL podría también referirse a un observador. Siguiendo con la operación de cruce cero en el detector 160, una onda de cuadro digital se genera y proporciona al PLL/observador 162. El PLL/observador rastrea esta forma de onda (cruce cero puede reemplazarse con otros métodos conocidos). Una salida del PLL/observador 162 es un ángulo instantáneo, que puede ser una variable análoga o digital. El ángulo observado instantáneo se proporciona al controlador 78 para determinar la activación del ángulo ß en el motor. Por esta razón, las características dinámicas del PLL/observador 162 tienen que ser lo suficientemente exactas para rastrear con exactitud el rotor del motor o la posición del vector del motor de voltaje y evitar una reducción del ángulo de seguridad en caso de errores dinámicos.

Una oscilación torsional en el tren de transmisión se refleja en una oscilación de velocidad en la sección del motor y esta oscilación de velocidad se refleja en una amplitud y frecuencia de voltajes del motor. Si el PLL/observador es exacto, esta oscilación de velocidad es visible en la señal rastreada.

Al proporcionar el ángulo de disparo (a, ß, o ambos) en el motor lateral es modulado basado en una señal de referencia proporcionada por el PLL/observador 162, sigue que la modificación de una función de transferencia PLL/observador puede tener un efecto en oscilaciones torsionales de amortiguamiento. Por ejemplo, asumir que el ángulo de disparo deseado en el motor lateral es constante y que una oscilación torsional está presente en una oscilación de velocidad en la sección del motor. Los tiempos de disparo en el puente de salida se calculan con respecto a la referencia de salida PLL/observador. Si el PLL/observador no rastrea con exactitud el voltaje de motor (voluntaria o involuntariamente) y un ángulo de disparo constante es modulado basándose en el "ángulo observado" (que es diferente del ángulo real ya que el PLL/observador no es exacto), el ángulo de disparo real en el motor lateral se modula por su velocidad, dependiendo de la función de transferencia de PLL/observador. Al tener una modulación del ángulo de disparo que es una respuesta a una velocidad de oscilación en el eje puede actuar como un amortiguador.

Oe ese modo, la Figura 19 ilustra como una salida digital del PLL/observador 162 se compara con el controlador 79 (por ejemplo, bloque lógico o el controlador discutido anteriormente con respecto a la Figura 9) con las señales de onda de cuadro representativas de voltajes de motor. Las señales representativas de los voltajes de motor se reciben por el controlador 78 del detector 160 a lo largo del enlace 172. Como ya se ha señalado, el cruce cero de los voltajes no son solamente señales relacionadas al motor/variables de transmisión que pueden alimentarse del PLL (u observador) 162. Entonces, a través de una operación digital, se genera una señal de corrección. Tal señal podría ser una señal análoga o digital. En el primer caso (solución mixta), la señal se envía desde el controlador 78 a lo largo del enlace 74 y se utiliza para modular el ángulo a y/o ß deseado. En el segundo caso (solución digital), la señal digital se envía directamente desde el controlador 78 (ver enlace 170 en la Figura 19) a las puertas del inversor/convertidor para realizar la conmutación. Se observó que la operación aquí descrita anteriormente (comparación entre la salida del PLL/observador y las señales de entrada vienen desde el motor) puede ya asignarse en el PLL u observador (comparador de fase). El controlador 78 puede incluir un control lógico que se configura para verificar que la señal de corrección en el ángulo ß no reduce un margen seguro (modulación unipolar, ya que el ángulo ß puede únicamente reducirse pero no aumentarse).

La Figura 19 también muestra un limitador opcional 166 que limita un valor de la modulación producida por el controlador 78. Opcionalmente, un interruptor 168 puede proporcionarse entre el limitador 166 y el LCI 62 para encender y apagar los datos de control generados por el controlador 78 que se proporciona para el LCI 62.

En una aplicación, el algoritmo descrito anteriormente por la Figura 19 puede trabajar más eficientemente si el PLL/observador 162 no rastrea con exactitud el rotor del motor o la posición del vector de voltaje del motor. La modificación de la función de transferencia del PLL/observador para amortiguar oscilaciones en un intento de tener una diferencia visible entre las posiciones "observadas" y reales puede tener una serie de inconvenientes (incluyendo una posible reducción del ángulo de seguridad).

Por esta razón, dentro del controlador 78, puede proporcionarse un segundo PLL/observador 164. De esta forma, el primer PLL/observador 162 pueden ser lo suficientemente exacto para rastrear el rotor del motor o la posición del vector de voltaje del motor, mientras el segundo PLL/observador 164 se configura para seguir al rotor del motor o la posición del vector de voltaje con una dinámica diferente (que ahora puede elegirse sin muchas restricciones). En el firme estado, a velocidad constante, la salida de los dos PLL/observadores' puede ser la misma, mientras que durante transiciones (incluyendo oscilaciones en una velocidad alrededor de un valor central) las salidas de los dos PLL/observadores son diferentes. El resultado de la comparación entre los dos PLL/observadores' puede utilizarse para implementar otra solución de amortiguamiento.

En el caso en el cual dos PLL/observadores se utilizan, ambas soluciones mezcladas son posibles (por ejemplo, el ángulo ß se modula para cambiar el valor de referencia ß) o la solución completamente digital es posible (una comparación de las dos señales digitales que vienen de los dos PLL/observadores es digitalmente procesada y el resultado de la comparación es un comando enviado directamente a las unidades de puerta del inversor sin ninguna modulación directa en el valor de referencia de ángulo ß).

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión incluyendo una máquina eléctrica se ilustra en la Figura 20. El método incluye un paso 2000 de recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor (por ejemplo cruce cero), un paso 2002 de recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico, un paso 2004 de comparar los datos de convertidor con la primera señal digital, un paso 2006 de generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertido para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basado en un resultado de la comparación, y un paso 2008 de enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica. En los pasos opcionales, los datos de control son digitales y se envían directamente al convertidor para conmutar las puertas del convertidor o los datos de control son análogos y se utilizan para producir a-, ß-, o a- y ß-modulación al aplicarse al modulador de convertidor.

Sin embargo, si dos unidades PLL (u observador) están disponibles en el sistema, entonces un método diferente puede implementarse para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica. De acuerdo con esta modalidad ilustrada en la Figura 21, el método incluye un paso 2100 de recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o primer observador dinámico, un paso 2102 de recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de bucle de cierre de fase o un segundo observador dinámico, un paso 2104 de comparar la primera señal digital con la segunda señal digital, un paso 2106 de generar datos de control para un rectificador y/o inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y un paso 2108 de enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica. En pasos opcionales, los datos de control son digitales y se envían directamente al convertidor para conmutar las puertas del convertidor o los datos de control son análogos y se utilizan para producir a-, p-, o a- y ß-modulación que se aplicará al modulador de convertidor.

Las modalidades ilustrativas descritas proporcionan un sistema y un método para amortiguar vibraciones torsionales. Se entenderá que esta descripción no pretende limitar la invención. De lo contrario, las modalidades ilustrativas pretenden cubrir las alternativas, modificaciones y equivalentes, que están incluidas en el espíritu y alcance de la invención definidas por las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, el método puede aplicarse a otros sistemas mecánicos accionados por un motor eléctrico, tales como bombas de grandes agua, estaciones de hidro-energía bombeadas, etc. Además, en la descripción detallada de las modalidades ilustrativas, numerosos detalles específicos se describen con el fin de proporcionar un entendimiento comprensivo de la invención reclamada. Sin embargo, un experto en la técnica entenderá que varias modalidades pueden practicarse sin tales detalles específicos.

Aunque las características y elementos de las presentes modalidades ilustrativas se describen en las modalidades en combinaciones particulares, cada característica o elemento puede utilizarse solo sin las otras características y elementos de las modalidades o en varias combinaciones con o sin otras características descritas aquí.

Esta descripción escrita utiliza ejemplos del tema descrito para permitir a cualquier experto en la técnica practicar el mismo, que incluye hacer y utilizar cualquiera de los dispositivos o sistemas y realizar cualquiera de los métodos incorporados. El alcance patentable del tema se define por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les ocurren a aquellos expertos en la técnica. Tales otros ejemplos pretenden estar dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1.- Un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado a un convertidor o colocado dentro del mismo convertidor, dicho convertidor acciona un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica, el sistema controlador comprende: una interfase de entrada configurada para recibir datos de convertidor relacionados con variables del convertidor; y un controlador conectado a la interfase de entrada y configurado para, recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico, recibir los datos de convertidor del convertidor, comparar los datos de convertidor con la primera señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

2 - El sistema controlador de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los datos de control son digitales y se envían directamente a un modulador de convertidor y/o unidades de puerta para conmutar las puertas del convertidor.

3.- El sistema controlador de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en donde los datos de control son análogos y se utilizan para producir a-, ß-, o a- y ß-modulación que se aplicará a los moduladores de convertidor.

4.- El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las variables del convertidor incluyen un voltaje o una corriente suministrada al motor.

5. - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los datos de convertidor se relacionan a un valor cero de un voltaje o corriente alterna.

6. - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el controlador se configura para generar los datos de control basándose solamente en los datos de convertidor.

7.- Un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado a un convertidor o colocado dentro del mismo convertidor, dicho convertidor acciona un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica, el sistema controlador comprende: una primera interfase de entrada configurada para recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o un primer observador dinámico; una segunda interfase de entrada configurada para recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de cierre de fase o un segundo observador dinámico; y un controlador conectado a las primeras y segundas interfases y configurado para, recibir las primeras y segundas señales digitales, comparar la primera señal digital con la segunda señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

8.- Un sistema para accionar una máquina eléctrica que es parte de un tren de transmisión, el sistema comprende: un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de una fuente de energía y para transformar una corriente alterna a una corriente directa; un enlace de corriente directa conectado al rectificador y configurado para transmitir la corriente directa; un inversor conectado al enlace de corriente directa y configurado para cambiar una corriente directa recibida a una corriente alterna; una interfase de entrada configurada para recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor; y un controlador conectado a la interfase de entrada y configurado para, recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico, recibir los datos de convertidor del convertidor, comparar los datos de convertidor con la primera señal digital, generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

9.- Un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica, el método comprende: recibir datos de convertidor relacionados con las variables del convertidor; recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de bucle de cierre de fase o un observador dinámico; comparar los datos de convertidor con la primera señal digital; generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación; y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

10.- Un método para amortiguar una vibración torsional en un tren de transmisión que incluye una máquina eléctrica, el método comprende: recibir una primera señal digital de un primer dispositivo de cierre de fase o un primer observador dinámico; recibir una segunda señal digital de un segundo dispositivo de bucle de cierre de fase o un segundo observador dinámico adicional al dispositivo de cierre de primera fase o el primer observador dinámico; comparar la primera señal digital con la segunda señal digital; generar datos de control para un rectificador y/o un inversor del convertidor para amortiguar una oscilación torsional en un eje del tren de transmisión basándose en un resultado de la comparación; y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.