MX2012011136A - Metodo y sistema de amortiguamiento de modo torsional sin sensor. - Google Patents

Abstract

Un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional está conectado a un convertidor que acciona una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren. El sistema controlador incluye una interfase de entrada configurada para recibir datos medidos con relación a las variables del convertidor o la máquina eléctrica, y un controlador conectado a la interfase de entrada. El controlador calcula al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en los datos de la interfase de entrada, genera datos de control para el convertidor para amortiguar una oscilación torsional en el tren de accionamiento mecánico basado en al menos un componente de par de torsión dinámico, y envía los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Description

METODO Y SISTEMA DE AMORTIGUAMIENTO DE MODO TORSIONAL SIN SENSOR 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 pueden incluir compresores, motores eléctricos, extensores, turbinas de gas, bombas, etc. Los dispositivos eléctricos de frecuencia variable aumentan la eficiencia de energía y proporcionan una flexibilidad aumentada para las máquinas. Una forma de controlar, por ejemplo, un tren de compresión de gas grande es el inversor conmutado de carga (LCI). Sin embargo, un problema introducido por sistemas de control electrónicos de energía es la generación de componentes de onda en el par de torsión de la máquina debido a la armonía eléctrica. El componente de onda del par de torsión puede ¡nteractuar con el sistema mecánico a las frecuencias naturales de torsión del control de tren, lo cual es indeseable.

Una oscilación torsional o vibración en un movimiento oscilatoriamente angular que aparece en un rotor que tiene varias masas fijadas a él como se muestra por ejemplo en la Figura 1. La Figura 1 muestra un sistema 10 que tiene 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 se comparte por estas máquinas. Debido a los impulsores y otras masas distribuidas a lo largo del eje 20, un giro del eje 20 puede afectarse por las oscilaciones torsionales producidas por la rotación con diferentes velocidades de las masas (impulsores por ejemplo) fijados al eje.

Como se discutió anteriormente, las vibraciones torsionales son típicamente introducidas por la energía electrónica que controla, por ejemplo, el motor. La Figura 1 muestra una fuente de rejilla de energía (fuente de energía) 22 que proporciona energía eléctrica al LCI 24, que a su vez controla el rotor 20 del motor 14. La rejilla de energía puede aislarse del generador de energía. 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 de 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 inversor (?ß) para modular una cantidad de energía activa transferida del inversor 28 al motor 14. Se observa que el término "ángulo de retraso" se considera en la literatura como siendo sinónimo con el término "ángulo de disparo". Por esta razón, estos términos se consideran en esta descripción para referirse a la misma cosa y pueden utilizarse intercambiablemente. Esta suposición es verdadera sin tomar en cuenta si se considera la modulación de alfa o beta. Alternativamente, un controlador rectificador 30 puede proporcionarse para un rectificador 32 y puede configurarse para introducir un cambio de ángulo de retraso rectificador (?a) para modular la cantidad de energía activa transferida del generador 22 al enlace DC y de ese modo al motor 14. Se observa que al modular la cantidad de energía activa transferida del generador al motor es posible amortiguar las vibraciones torsionales.

Los dos controladores 26 y 30 reciben como entrada, señales de 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 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 rectificador (?a). El controlador inversor 26 y el controlador rectificador 30 son independientes uno de otro y estos controladores pueden implementarse juntos o solos en una máquina dada, dependiendo de la operación y la sensibilidad del sistema de los tres de control conectados. 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 un enlace DC 44 entre el rectificador 32 y el inversor 28.

Sin embargo, la medición de propiedades mecánicas, por ejemplo, par de torsión mecánico aplicado a un eje giratorio, puede ser costosa o imparcial para trenes de control de alta energía. Algunas veces, la medición del par de torsión mecánica no es posible ya que el eje no es accesible, o el eje está rodeado por una atmósfera explosiva, tal como en aplicaciones de compresión de gas. Por consiguiente, sería deseable proporcionar sistemas y métodos que eviten medir el par de torsión mecánico aplicado al eje giratorio.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De acuerdo con una modalidad ilustrativa, existe un controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado a un convertidor que acciona una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren. El sistema controlador incluye una interfase de entrada configurada para recibir datos medidos con relación a las variables del convertidor o la máquina eléctrica; y un controlador conectado a la interfase de entrada. El controlador se configura para calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en los datos de la interfase de entrada, generar datos de control para el convertidor para amortiguar una oscilación torsional en la máquina eléctrica basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, existe un sistema para accionar una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren. El sistema incluye un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de la una fuente de energía y para transformar la corriente alterna a 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 medidos relacionados con las variables eléctricas del enlace de corriente directa o el inversor; y un controlador conectado a la interfase de entrada. El controlador se configura para calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en los datos de la interfase de entrada, generar datos de control para el rectificador y/o inversor para amortiguar una oscilación torsional en la máquina eléctrica basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al rectificador y/o al inversor para modular una energía activa intercambiada entre el inversor y la máquina eléctrica.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa, existe un método para amortiguar una vibración torsional en una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren. El método incluye un paso de recibir datos medidos relacionados con los parámetros eléctricos de un convertidor que acciona el motor; calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en los datos recibidos; un paso de generar datos de control para el convertidor para amortiguar la vibración torsional basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico; y un paso de enviar los datos de control al convertidor 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 el método para amortiguar las vibraciones torsionales discutidas en el párrafo anterior.

De acuerdo a otra modalidad ilustrativa, existe un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado a un convertidor que acciona una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren. El sistema controlador incluye una interfase de entrada configurada para recibir datos medidos relacionados con las variables mecánicas de una turbo-maquinaria del tren; y un controlador conectado a la interfase de entrada. El controlador se configura para calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en las variables mecánicas de la turbo-maquinaria, generar datos de control para el convertidor para amortiguar una oscilación torsional en la máquina eléctrica basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Los dibujos acompañantes, que se incorporan en y constituyen una parte de la especificación, se ilustran una o más modalidades y, junto con la descripción, explica estás 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 sistema de accionamiento de velocidad variable conectado a un motor eléctrico y carga mecánica, que incluye un controlador rectificador y un controlador 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 a 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 desactivado; La Figura 7 es una gráfica que ilustra un par de torsión de un eje con control de amortiguamiento activado 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 cuadro de flujo que ilustra un método para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; La Figura 11 es un diagrama esquemático de un inversor de fuente de voltaje y controlador asociado para amortiguar vibraciones torsionales de acuerdo con una modalidad ilustrativa; y La Figura 12 es un diagrama esquemático de un sistema de masas múltiples.

DESCRIPCION DETALLADA La siguiente descripción de las modalidades ilustrativas se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican los mismos elementos o similares. La siguiente descripción detallada no limita la invención. Más bien, 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 puede 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 a través de la especificación a "una modalidad" o "modalidad' se refiere a un aspecto, estructura, o características particulares descritas en conexión con una modalidad se incluye en al menos una modalidad del tema descrito. De ese modo, la aparición de las frases "en una modalidad'' o "en una modalidad" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refieren a la misma modalidad. Además, los aspectos, estructuras o características particulares pueden ser combinados 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 información para obtener información de mediciones eléctricas de un eje de una máquina eléctrica (que puede ser un motor o un generador) y al estimar, basándose en la información de las mediciones eléctricas, las vibraciones torsionales en una ubicación deseada de eje de un tren de accionamiento sensible. Las vibraciones torsionales pueden ser componentes dinámicos en el par de torsión, ángulo de torsión, velocidad torsional o una aceleración torsional del eje. En otras palabras, de acuerdo a esta modalidad ilustrativa, no existen sensores que verifiquen directamente los componentes de par de torsión dinámico en ubicaciones del eje dedicadas del tren de accionamiento sensible. Como se discutirá a continuación, existen varias ubicaciones en el convertidor del cual la información recibida por el controlador puede recolectarse.

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 plurales y compresores plurales como la carga 56. Incluso en 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 viento, caja de velocidades. El sistema mostrado en la Figura 3 es una ilustración y se simplifica por un mejor entendimiento de las características novedosas. Sin embargo, un experto en la técnica apreciará que otros sistemas que tienen más o menos componentes puede adaptarse para incluir las características novedosas discutidas ahora.

La carga 56 puede incluir uno o más compresores u otros mecanismos que se utilizan en la industria de aceite y gas. 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 torcer 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 dependiendo de la situación específica). Las modalidades ilustrativas proporcionan un mecanismo para reducir las vibraciones torsionales.

Para activar el motor 54, se suministra energía eléctrica 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, un inversor conmutado de carga (LCI) 62 se proporciona 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 el cual está conectado a un inversor 70. El rectificador 66, enlace DC 68, e inversor 70 se conocen en la técnica y sus estructuras específicas no se discuten aquí adicionalmente. Como se notó 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 11. La Figura 4 indica que la corriente y voltaje recibidos de la rejilla 60 son corrientes y voltajes de tres fases, 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 u/3". Sin embargo, las características novedosas de las modalidades ilustrativas se pueden aplicar a sistemas configurados para trabajar con más de tres fases, por ejemplo, sistemas de 6 fases y de 12 fases.

LCI 62 también incluye sensores de corriente y voltaje, indicados por una A circulada y una V circulada 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 OC se estima basándose en medidas realizadas en 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 que se proporciona por el inversor 70 al motor 54 y un sensor de voltaje 76 que mide un voltaje abc 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 realizar 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 que intercambia 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 genera, basándose en varias referencias 82, y una corriente idx recibida de un sensor 84, un ángulo de retraso rectificador a para controlar el rectificador 66. Otro controlador 86 puede utilizarse para generar un ángulo de retraso inversor ß para el inversor 70. Además, la Figura 4 muestra una unidad de control de puerta 88 para el rectificador 66 y una unidad de control de puerta 90 para el inversor 70 que controlan directamente el rectificador e inversor basándose en la información recibida de los controladores 80 y 86.

Un sensor opcional 92 puede ubicarse cerca del eje del motor 54 para detectar los componentes de par de torsión dinámicos, por ejemplo, un par de torsión presente en el eje o una posición torsional del eje o una velocidad torsional del eje o una aceleración torsional del eje. La información nx con respecto a los componentes de par de torsión dinámicos puede ser provista a los controladores 78, 80 y 86. La Figura 4 también muestra bloques de suma 94 y 96 que agregan una señal desde el controlador 78 a las señales generadas por los controladores 80 y 86.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada 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. Basado en estos valores (no hay información sobre un par de torsión medido o velocidad o aceleración del eje del motor), se calcula un par de torsión de hueco de aire para el motor y se alimenta dentro de un modelo mecánico del sistema. El modelo mecánico del sistema puede ser representado 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 rigidez (que pueden verificarse por el campo de mediciones) y permite calcular el comportamiento dinámico del eje, por ejemplo, oscilaciones torsionales. La precisión necesaria de 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 observa que el par de torsión de hueco de aire de una máquina eléctrica es el enlace entre el sistema eléctrico y mecánico de un tren accionado. Todas las armónicas e inter-armónicas en el sistema eléctrico también son visibles en el par de torsión del hueco de aire. Las inter-armónicas a una frecuencia natural del sistema mecánico pueden provocar oscilaciones torsionales y potencialmente dar como resultado valores de par de torsión dinámicos en el sistema anterior de la clasificación del eje. Los sistemas de amortiguamiento de modo torsional existente pueden contrarrestar tales oscilaciones torsionales pero estos sistemas necesitan una señal representativa del par de torsión dinámico del eje mecánico y esta señal se obtiene de un sensor que verifica efectivamente, por ejemplo, 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 el cual se pueden usar mediciones mecánicas disponibles en otros componentes del sistema, por ejemplo, la turbina de gas, para determinar los componentes de par de torsión dinámicos del eje del motor.

En otras palabras, una ventaja de acuerdo con la modalidad ilustrativa se aplica al amortiguamiento de modo torsional sin la necesidad de percibir la 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 mecánico o eléctrico ya que sensores de voltaje de corriente y/o corriente y/o velocidad pueden hacerse disponibles comparativamente a bajo costo. Con respecto a esto, se observa que los sensores mecánicos para medir par de torsión son costosos para aplicaciones de alta energía, y algunas veces estos sensores no pueden ser agregados a los sistemas existentes. De ese modo, las soluciones de amortiguamiento de modo torsional existentes 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, el aspecto 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 (una o más de ?a y ?ß) para controlar el ángulo de retraso rectificador a y/o el ángulo de retraso inversor ß. De ese modo, de acuerdo con la modalidad mostrada en la Figura 5, el controlador 78 recibe la información eléctrica de entrada para calcular los varios ángulos de retraso, basándose, por ejemplo, en el principio de amortiguamiento descrito en la Patente No. 7,173,399, de una salida 91 del inversor 70. Como se ilustra en la Figura 5, esta modalidad ilustrativa es un circuito abierto a medida que las correcciones de los varios ángulos no se ajustan/verifican basándose en una señal medida (retroalimentación) del tren de accionamiento mecánico conectado al motor 54. Además, las simulaciones representadas muestran una reducción de las vibraciones torsionales cuando el controlador 78 es habilitado. La Figura 6 muestra oscilaciones 100 del par de torsión del eje del motor 54 contra el tiempo cuando el controlador 78 se deshabilita y la Figura 7 muestra cómo las mismas oscilaciones se reducen cuando el controlador 78 se habilita, por ejemplo, en el tiempo de 40s, mientras el tren de accionamiento mecánico opera en una operación de velocidad variable y transversal en t = 40s 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 ilustrada en la Figura 8, el controlador 78 puede configurarse para calcular uno o más de los cambios de ángulo de retraso ?a y/o ?ß basándose en cantidades eléctricas obtenidas del enlace DC 68. Se observó que aunque la Figura 8 muestra un enlace individual DC 68, existen configuraciones que utilizan múltiples enlaces DC entre los rectificadores y los inversores y uno o más de estos enlaces DC pueden medirse y estas mediciones pueden ser provistas al controlador 78. 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, solamente se utiliza una medición de corriente individual 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 ángulo de retraso notados anteriormente. De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, la corriente directa ioc puede estimarse basándose en mediciones de corriente y/o de voltaje realizadas en el rectificador 66 ó 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 se pueden modificar basándose en la configuración de ciclo cerrado. La configuración de ciclo cerrado se ilustra en la línea punteada 110 en la Figura 8 que indica que una velocidad angular del eje del motor 54 puede determinarse con un sensor apropiado 112 y este valor puede ser provisto al controlador 78. Basándose en esta información, una precisión del modelo puede mejorarse con la retroalimentación del sistema mecánico, por ejemplo, al utilizar mediciones de velocidad de alta resolución existente (observador clásico). La calidad de la medición de velocidad puede incluso mejorarse con un algoritmo de filtro adaptable. En una aplicación, el sensor 112 puede medir otro parámetro del eje del motor 54, por ejemplo, una desviación de ángulo giratorio en el acoplamiento de motor.

Se observa que las modalidades discutidas anteriormente pueden modificarse de manera que se miden datos mecánicos en lugar de los datos eléctricos y se proporcionan al controlador 78. Alternativamente, ambos datos mecánicos y eléctricos pueden medirse. Por estas situaciones, los datos mecánicos pueden medirse a lo largo de un eje del tren al cual está conectado el motor eléctrico. Los datos mecánicos pueden medirse en el motor eléctrico o pueden medirse más allá del motor eléctrico, por ejemplo, en la turbina de gas.

La estructura del controlador 78 se discute ahora con respecto a la Figura 9. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el controlador 78 incluye una interfase de entrada 120 que se conecta a uno de un procesador, circuito análogo, tarjeta FPGA reconfigurable, etc. El elemento 122 se configura para recibir los parámetros eléctricos del LCI 62 y calcula los cambios de ángulo de retraso. El elemento 122 se configura para almacenar un modelo mecánico 128 y la entrada de las mediciones eléctricas recibidas en la interfase de entrada 120 dentro del modelo mecánico 128 para calcular uno o más de los componentes de par de torsión dinámicos. 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 la unidad de control de puerta. De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, el controlador 78 puede ser u n circuito análogo, una tarjeta FPGA reconfigurable u otro circuito dedicado para determinar los cambios de ángulo de retraso.

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

De acuerdo con una modalidad ilustrativa ilustrada en la Figu ra 10, existe un método para amortiguar una vibración torsional en una máquina conectada a un motor. El método incluye un paso 1000 de recibi r datos medidos relacionados con parámetros eléctricos de un convertidor que acciona el motor, un paso 1010 de calcu lar al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de un eje del tren basado en los datos recibidos, un paso 1020 de generar datos de control para el convertidor para amortiguar la vibración torsional basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y un paso 1030 de enviar los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica. Se observó que la expresión de modular una energía activa es aplicable incluso cuando una energía media durante un periodo de tiempo es cero, es decir, existe al menos un instante durante el periodo de tiempo cuando la energía activa es modulada.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 11, un VSI 140 incluye un rectificador 142, un enlace DC 144, y un inversor 146 conectados uno de otro en este orden. El rectificador 142 recibe un voltaje de rejilla de una fuente de energía 148 y puede incluir, por ejemplo, un puente de diodo o un extremo frontal activo basándose en dispositivos semiconductores conmutados por si mismos. El voltaje de provisto por el rectificador 142 se filtra y alisa por el capacitor C en el enlace DC 144. El voltaje de filtrado se aplica después al inversor 146, que incluye dispositivos semiconductores conmutados por si mismos, por ejemplo, Transistores Bipolares de Puerta Aislados (IGBT), que generan un voltaje ac para aplicarse al motor 150. Los controladores 152 y 154 se proporcionan 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 pueden conectarse a los controladores. Los controladores 152 y 154 se proporcionan 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 tienen influencia en referencias de control del rectificador e inversor en construcción, por ejemplo, el par de torsión o referencia de control de corriente.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 12, un sistema de masa múltiple generalizado 160 puede incluir "n" diferentes masas que tienen momentos de inercia correspondientes a J„. Por ejemplo, la primera masa corresponde a una turbina de gas, la segunda masa corresponde a un compreso, y así mientras la última masa corresponde 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, suponiendo que el eje de la turbina de gas es accesible a uno de los parámetros mecánicos observados anteriormente pueden medirse directamente en 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 si algunos sensores están presentes, la precisión de sus mediciones es pobre.

La ecuación diferencial del sistema mecánico completo se obtiene por: J(d62/dt2) + D(d0/dt) + ?? = ?ß??, 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, dio, d 2, k12, Ji) a las características de las otras masas y Text es un par de torsión externo (neto) aplicado al sistema, por ejemplo, por un motor. Basándose en este modelo del sistema mecánico, un par de torsión u otro componente de par de torsión dinámico de la masa "n" se determina si las características de, por ejemplo, la primera masa se conocen. En otras palabras, los sensores de alta precisión provistos en la turbina de gas pueden ser utilizados para 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 medido, un componente de par de torsión dinámico del motor (masa "n") u otra sección del tren de accionamiento puede calcularse por un procesador o controlador 78 del sistema y de ese modo, los datos de control pueden ser generados por el inversor o rectificador como ya se describió anteriormente.

En otras palabras, de acuerdo con esta modalidad ilustrativa, el controlador 78 necesita recibir información con relación mecánica de una turbo-maquinaria que se conecta al motor y se basa en esta información con relación dinámica, 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 pero también un compresor, un extensor, u otras máquinas conocidas. En una aplicación, las medidas eléctricas no son necesarias 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 por mediciones mecánicas realizadas en otra máquina que está mecánicamente conectada a la máquina de amortiguamiento.

Las modalidades ilustrativas descritas proporcionan un sistema y un método para vibraciones torsionales de amortiguamiento. Se entenderá que esta descripción no pretende limitar la invención. De lo contrario, las modalidades ilustrativas pretenden abarcar alternativas, modificaciones y equivalentes, que se incluyen en el espíritu y alcance de la invención como se define por las reivindicaciones anexas. Además, en la descripción detallada de las modalidades ilustrativas, se describen numerosos detalles específicos 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 al experto en la técnica practicar la misma, 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 que acciona una máquina eléctricamente conectada a un tren, el sistema controlador comprende: una interfase de entrada configurada para recibir datos medidos con relación a las variables del convertidor o la máquina eléctrica; y un controlador conectado a la interfase de entrada y configurado para, calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en los datos de la interfase de entrada, generar datos de control para el convertidor para amortiguar una oscilación torsional en el tren de accionamiento mecánico basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al convertidor 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 generados se configuran para modificar un ángulo de retraso rectificador de un rectificador que es parte del convertidor.

3.- El sistema controlador de acuerdo con la reivindicación 1 ó reivindicación 2, en donde los datos de control generados se configuran para modificar un ángulo de retraso inversor de un inversor que es parte del convertidor.

4 - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los datos recibidos son indicativos de una corriente y un voltaje proporcionado por el convertidor a la máquina eléctrica.

5 - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los datos recibidos son indicativos de una corriente de enlace de corriente directa (DC) entre un rectificador y un inversor del convertidor.

6. - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los datos recibidos son indicativos de una posición angular, velocidad, aceleración o par de torsión de la máquina eléctrica y los datos de control generados se configuran para modificar un ángulo de retraso inversor de un inversor o un ángulo de retraso rectificador que es parte del convertidor.

7. - El sistema controlador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el controlador se configura además para: recibir datos de retroalimentación indicativos de una posición angular, velocidad, aceleración o par de torsión de la máquina eléctrica; y determinar los datos de control para el convertidor para amortiguar la oscilación torsional basándose en los datos recibidos indicativos de las variables eléctricas del convertidor y los datos de retroalimentación indicativos de la posición angular, velocidad, aceleración o par de torsión del tren de accionamiento mecánico.

8.- Un sistema para accionar una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren, el sistema comprende: un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de una fuente de energía y para transformar la 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 medidos con relación a las variables eléctricas del enlace de corriente directa o el inversor; y un controlador conectado a la interfase de entrada y configurado para, calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de la sección de un eje del tren de accionamiento basado en los datos de la interfase de entrada, generar datos de control para el rectificador y/o inversor para amortiguar una oscilación torsional en el tren de accionamiento mecánico basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al rectificador y/o inversor para modular una energía activa intercambiada de entre el inversor y la máquina eléctrica.

9. - Un método para amortiguar una vibración torsional en una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren de accionamiento, el método comprende: recibir datos medidos con relación a las variables eléctricas de un convertidor que acciona el motor; calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basado en los datos recibidos; generar datos de control para el convertidor para amortiguar la vibración torsional basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico; y enviar los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

10. - Un sistema controlador de amortiguamiento de modo torsional conectado a un convertidor que acciona una máquina eléctrica mecánicamente conectada a un tren, el sistema controlador comprende: una interfase de entrada configurada para recibir datos medidos con relación a las variables mecánicas de una turbo-maquinaria del tren; y un controlador conectado a la interfase de entrada y configurado para, calcular al menos un componente de par de torsión dinámico a lo largo de una sección de un eje del tren basándose en las variables mecánicas de la turbo-maquinaria, generar datos de control para el convertidor para amortiguar una oscilación torsional en el tren de accionamiento mecánico basándose en al menos un componente de par de torsión dinámico, y enviar los datos de control al convertidor para modular una energía activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.