MX2012011247A - Sistema y metodo de amortiguacion en modo de torsion a base de rectificador. - Google Patents

Abstract

Un sistema controlador de amortiguación de modo de torsión conectado a un convertidor que impulsa un tren impulsor que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica; el sistema controlador incluye una interfaz de entrada que está configurada para recibir datos medidos relacionados a variables del convertidor o el tren impulsor y un controlador conectado a la interfaz de entrada; el controlador está configurado para calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión a lo largo de una sección de una flecha del tren impulsor con base en los datos medidos de la interfaz de entrada, genera datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en la flecha del tren impulsor con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y envía los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE AMORTIGUACIÓN EN MODO DE TORSIÓN A BASE DE RECTIFICADOR ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las modalidades de la materia descrita en la presente se refieren en general a sistemas, y más particularmente, a mecanismos y técnicas para amortiguar una vibración de torsión que aparece en un sistema rotatorio.

La industria del petróleo y del gas tiene una demanda creciente para impulsar varias máquinas a velocidades variables. Tales máquinas pueden incluir compresores, motores eléctricos, expansores, turbinas de gas, bombas, etc. Los impulsores eléctricos de frecuencia variable aumentan la eficiencia energética y proporcionan una flexibilidad aumentada para las máquinas. Un mecanismo para impulsar, por ejemplo, un tren de compresión de gas grande es el inversor conmutado de carga (LCI, por sus siglas en inglés). 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 y turbo-máquinas eléctricas. Una turbo-máquina puede ser cualquier máquina no eléctrica. Sin embargo, un problema introducido por los sistemas impulsados por potencia electrónica es la generación de componentes de onda en el momento de torsión de la máquina eléctrica debido a la armonía eléctrica. El componente de onda del momento de torsión puede interactuar con el sistema mecánico en frecuencias naturales de torsión del tren impulsor, lo cual es indeseable.

Una oscilación o vibración de torsión es un movimiento angular oscilatorio que puede aparecer en un flecha que tiene varias masas unidas a ella como es mostrado 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 flechas de estas máquinas están ya sea conectadas una a la otra o una flecha única 20 es compartida por éstas máquinas. A causa de los impulsores y otras masas distribuidas a lo largo de la flecha 20, una rotación de la flecha 20 puede ser afectada por las oscilaciones de torsión producidas por la rotación con velocidades diferentes de las masas (impulsores por ejemplo) unidos a la flecha.

Como fue discutido antes, las vibraciones de torsión son introducidas típicamente por los electrónicos de potencia que impulsan al motor eléctrico. La Figura 1 , por ejemplo, muestra una fuente de potencia de rejillas (fuente de alimentación) 22 que proporciona energía eléctrica al LCI 24, que a su vez impulsa la flecha 20 del motor 14. La potencia de rejillas puede ser un generador de energía aislado. Para amortiguar (minimizar) las vibraciones de torsión, como es mostrado en la Figura 2, que corresponde a la Figura 1 de Patente de E.U.A. No. 7,173,399, cedida al mismo cesionario que esta solicitud, la descripción entera de la cual es incorporada en la presente como referencia, un controlador de inversor 26 puede ser proporcionado a un inversor 28 del LCI 24 y puede ser configurado para introducir un cambio de ángulo de demora de inversor (?ß) para modular una cantidad de potencia activa transferida del inversor 28 al motor 14. Alternativamente, un controlador de rectificador 30 puede ser proporcionados en un rectificador 32 y puede estar configurado para introducir un cambio de ángulo de demora de rectificador (?a) para modular la cantidad de potencia activa transferida del generador 22 a un enlace de DC 44 y así al motor 14. Es notado que al modular la cantidad de potencia activa transferida del generador 22 al motor 14 es posible amortiguar las vibraciones de torsión que aparecen en el sistema que incluye al motor 14 y al compresor 12. En este aspecto, es notado que las flechas del motor 14 y la turbina de gas 12 están conectadas una a la otra mientras una flecha del generador 22 no está conectadas a ninguno del motor 14 o el compresor 12.

Los dos controladores 26 y 30 reciben como entrada, las señales de sensores 36 y 38, respectivamente, y estas señales son indicativas del momento de torsión experimentado por el motor 14 y/o el generador 22. Es decir, el controlador de inversor 26 procesa el valor de momento de torsión detectado por el sensor 36 para generar el cambio de ángulo de demora de inversor (?ß) mientras el controlador de rectificador 30 procesas el valor de momento de torsión detectado por el sensor 38 para generar el cambio de ángulo de demora de rectificador (?a). El controlador de inversor 26 y el controlador de rectificador 30 son independientes uno del otro y estos controladores pueden ser implementados juntos o solos en un sistema dado. La Figura 2 muestra que el sensor 36 monitorea una parte (sección) 40 de la flecha del motor 14 y el sensor 38 monitorea una flecha 42 del generador de energía 22. La Figura 2 también muestra el enlace de DC 44 entre el rectificador 32 y el inversor 28.

Sin embargo, el cambio de ángulo de demora de rectificador (?a) determinado al medir un momento de torsión de un generador de energía no es siempre práctico y/o exacto. Por consiguiente, sería deseable proporcionar sistemas y métodos que determinen el cambio de ángulo de demora de rectificador (?a) utilizando otros enfoques.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Según una modalidad de ejemplo, existe un sistema controlador de amortiguación en modo de torsión conectado a un convertidor que impulsa un tren impulsor que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica. El sistema controlador incluye una interfaz de entrada que está configurada para recibir datos medidos relacionados a variables del convertidor o el tren impulsor y un controlador conectado a la interfaz de entrada. El controlador está configurado para calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión a lo largo de una sección de una flecha del tren impulsor con base en los datos medidos de la interfaz de entrada, genera datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en la flecha del tren impulsor con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y envía los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Según todavía otra modalidad de ejemplo, existe un sistema para impulsar una máquina eléctrica que forma parte de un tren impulsor. El sistema incluye un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de una fuente de alimentación y para transformar la corriente alterna en 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 en una corriente alterna; una interfaz de entrada configurada para recibir datos medidos relacionados a variables del convertidor o el tren impulsor; y un controlador conectado a la interfaz de entrada. El controlador está configurado para calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base en los datos medidos de la interfaz de entrada, genera datos de control para el rectificador para amortiguar una oscilación de torsión en una sección de una flecha del sistema mecánico con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y envía los datos de control al rectificador para modular un potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Según todavía otra modalidad de ejemplo, existe un método para amortiguar una vibración de torsión en un tren impulsor que incluye una máquina eléctrica. El método incluye recibir datos medidos relacionados a variables de (i) un convertidor que impulsa la máquina eléctrica o (ii) el tren impulsor; calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base en los datos medidos; generar datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en una sección de una flecha del tren impulsor con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión; y enviar los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Según todavía otra modalidad de ejemplo, existe un medio legible por computadora que incluye instrucciones ejecutables por computadora, donde las instrucciones, cuando se ejecutan, implementan un método para amortiguar las vibraciones de torsión. Las instrucciones de la computadora incluyen los pasos recitados en el método anotado en el párrafo anterior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos, los cuales son incorporados y constituyen una parte de la especificación, ilustran una o más modalidades y, junto con la descripción, explican estas modalidades. En los dibujos: La figura 1 es un diagrama esquemático de una turbina de gas convencional conectada a una máquina eléctrica y a dos compresores; La figura 2 es un diagrama esquemático de un tren impulsor que incluye un controlador de rectificador y un controlador de inversor; La Figura 3 es un diagrama esquemático de una turbina de gas, motor y carga controlada por un controlador de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 4 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 5 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La figura 6 es un gráfico que ilustra un momento de torsión de una flecha con un control de amortiguación desabilitado; La figura 7 es un gráfico que ilustra un momento de torsión de una flecha con el control de amortiguación habilitado de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 8 es un diagrama esquemático de un convertidor y lógica asociada de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 9 es un diagrama esquemático de un controlador configurado para controlar un convertidor para amortiguar vibraciones de torsión de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 10 es un diagrama esquemático de un controlador que proporciona modulación a un rectificador de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 11 es un diagrama de flujo de un método que controla un rectificador para amortiguar vibraciones de torsión de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 12 es un diagrama esquemático de un controlador que proporciona modulación a un rectificador y a un inversor de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 13 es un diagrama esquemático de voltajes existentes en un inversor, rectificador y enlace de DC de un convertidor de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La figura 14 es un gráfico que indica el efecto de torsión de modulaciones de ángulo alfa y beta de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 15 es un diagrama de flujo de un método que controla un inversor y un rectificador para amortiguar vibraciones de torsión de acuerdo con una modalidad de ejemplo; La Figura 16 es un diagrama esquemático de un inversor de fuente de voltaje y controlador asociado para amortiguar vibraciones de torsión de acuerdo con una modalidad de ejemplo; y La Figura 17 es un diagrama esquemático de un sistema de multimasas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La siguiente descripción de las modalidades de ejemplo 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. En lugar de eso, el alcance de la invención es definida por las reivindicaciones anexas. Las siguientes modalidades son discutidas, para simplicidad, con respecto a la terminología y estructura de un motor eléctrico impulsado por un inversor conmutado de carga. Sin embargo, las modalidades a ser discutidas a continuación no se limitan a tal sistema, sino que pueden ser aplicadas (con ajustes apropiados) a otros sistemas que son impulsados con otros dispositivos, como por ejemplo, un inversor de fuente de voltaje (VSI, por sus siglas en inglés).

Referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "la modalidad" significa que una característica particular, estructura o característica descrita en combinación con una modalidad es incluida en al menos una modalidad del tema descrito. Así, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en la modalidad" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Además, las propiedades particulares, estructuras o características pueden ser combinadas en cualquier manera apropiada en una o más modalidades.

Según una modalidad de ejemplo, un controlador de amortiguación de modo de torsión puede ser configurado para obtener mediciones eléctricas y/o mecánicas con respecto a una flecha de una máquina eléctrica (que puede ser un motor o un generador) y/o una flecha de una turbo-máquina que está conectada mecánicamente a la máquina eléctrica y para estimar, con base en las mediciones eléctricas y/o mecánicas, los componentes dinámicos de momento de torsión y/o una vibración de momento de torsión en una ubicación deseada de flecha de un tren impulsor. Los componentes dinámicos del momento de torsión pueden ser un momento de torsión, una posición de torsión, velocidad de torsión o una aceleración de torsión de la flecha. Con base en uno o más componentes dinámicos de momento de torsión, un controlador puede ajustar/modificar uno o más parámetros de un rectificador que impulsa la máquina eléctrica aplicar un momento de torsión deseado para amortiguar la oscilación del momento de torsión. Como será discutido a continuación, existen varias fuentes de datos para que el controlador determine la amortiguación con base en el control de rectificador.

Según una modalidad de ejemplo mostrada en la Figura 3, un sistema 50 incluye una turbina de gas 52, un motor 54, y una carga 56. Otras configuraciones que involucran una turbina de gas y/o compresores plurales u otras turbo-máquinas como la carga 56 son posibles. Inclusive, otras configuraciones pueden incluir uno o más expansores, uno o más generadores de energía, u otras máquinas que tienen una parte giratoria, por ejemplo, turbinas de viento, cajas de cambios. El sistema mostrado en la Figura 3 es de ejemplo y es simplificado para una mejor comprensión de las características novedosas. Sin embargo, un experto en la técnica apreciará que otros sistemas que tienen más o menos componentes pueden ser adaptados para incluir las características novedosas ahora discutidas.

La conexión de varias masa (asociadas con los rotores e impulsores de las máquinas) a un flecha 58 hace al sistema 50 propenso a vibraciones de torsión potenciales. Estas vibraciones de torsión pueden torcer la flecha 58, lo cual que puede tener como resultado una reducción significativa del tiempo de vida o aún la destrucción del sistema de la flecha (el cual puede incluir no sólo la flecha o flechas, sino también los acoplamientos y la caja de cambios dependiendo de la situación específica). Las modalidades de ejemplo proporcionan un mecanismo para reducir las vibraciones de torsión.

Para activar el motor 54, el energía eléctrica es suministrada de la potencia de rejillas o de un generador local 60 en caso de sistemas de potencia de isla o similares a isla. Para impulsar el. motor 54 a una velocidad variable, un inversor de carga conmutada (LCI) 62 es proporcionado 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 de DC 68 que está conectado a un inversor 70. El rectificador 66, el enlace de DC 68, y el inversor 70 son conocidos en la técnica y sus estructuras específicas no son discutidas más aquí. Como fue notado antes, pueden ser aplicadas características novedosas, con cambios apropiados, a sistemas de VSI. Solo para ilustración, un VSI de ejemplo es mostrado y es discutido brevemente con respecto a la Figura 16. La figura 4 indica que la corriente y el 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, el inversor y el motor y este hecho es indicado en la Figura 4 por el símbolo 73". Sin embargo, las características novedosas de las modalidades de ejemplo son aplicables a sistemas que son configurados para trabajar con más de tres fases, por ejemplo, sistemas de 6 fases y 12 fases.

El LCI 62 también incluyen sensores de corriente y voltaje, denotado por una A rodeada por un círculo y una V rodeada por un círculo en la Figura 4. Por ejemplo, un sensor de corriente 72 es proporcionado en el enlace de DC 68 en para medir una corriente ioc- Alternativamente, la corriente en el enlace de DC es calculada con base en las medidas realizadas en el lado de C.A., por ejemplo los sensores de corriente 84 o 74 ya que estos sensores son menos caros que los sensores de DC. Otro ejemplo es un sensor de corriente 74 que mide una corriente iat>c proporcionada por el inversor 70 al motor 54 y un sensor de voltaje 76 que mide un voltaje vabc proporcionado por el inversor 70 al motor 54. Es apreciado que estas corrientes y voltajes pueden ser proporcionados como entrada a un controlador 78. El término "controlador" es utilizado en la presente para abarcar una red de circuitos apropiada digital, analógica, o una combinación de los mismos o unidades de procesamiento para lograr la función de control designada. Regresando a la Figura 3, es notado que el controlador 78 puede formar parte del LCI 62 o puede ser un controlador independiente que intercambia señales con el LCI 62. El controlador 78 puede ser un controlador de amortiguación de modo de torsión.

La Figura 4 también muestra que un controlador de LCI 80 puede recibir mediciones mecánicas con respecto a una o más de las turbinas de gas 52, el motor 54 y la carga 56 mostrada en la Figura 3. El mismo puede ser verdadero para el controlador 78. Es decir, el controlador 78 pueden estar configurado para recibir los datos de medición de cualquiera de los componentes del sistema 50 mostrado en la Figura 3. Por ejemplo, la Figure 4 muestra una fuente de datos de medición 79. Esta fuente de datos puede proporcionar mediciones mecánicas y/o mediciones eléctricas de cualquiera de los componentes del sistema 50. Un ejemplo particular que es utilizado para una mejor comprensión y no para limitar las modalidades de ejemplo es cuando la fuente de datos 79 es asociada con la turbina de gas 52. Una posición de torsión, velocidad, aceleración o el momento de torsión de la turbina de gas 52 puede ser medida por los sensores existentes. Estos datos pueden ser proporcionados al controlador 78 como es mostrado en la Figura 4. Otro ejemplo son las medidas eléctricas tomadas en el convertidor 62 o el motor 54. La fuente de datos 79 puede proporcionar estas mediciones al controlador 78 o al controlador 80 si es necesario.

El controlador 80 puede generar, con base en las referencias 82, y una corriente ¡dX recibida de un sensor 84, un ángulo de demora de rectificador a para controlar el rectificador 66. Con respecto al ángulo de demora de rectificador a, es notado que los LCIs son diseñados para transferir potencia activa de la rejilla 60 al motor 54 o viceversa. Lograr esta transferencia con un factor óptimo de potencia implica el ángulo de demora del rectificador a y el ángulo de demora del inversor ß. El ángulo de demora del rectificador a puede ser modulado al aplicar, por ejemplo, una modulación de onda sinusoidal. Esta modulación puede ser aplicada por una cantidad limitada de tiempo. En una aplicación, la modulación es aplicada continuamente pero la amplitud de la modulación varía. Por ejemplo, como no hay una vibración de torsión en la flecha, la amplitud de la modulación puede ser cero, es decir, ninguna modulación. En otro ejemplo, la amplitud de la modulación puede ser proporcional con la vibración de torsión detectada de la flecha.

Otro controlador 86 puede ser utilizado para generar un ángulo de demora de inversor ß para el inversor 70. Modular el ángulo de demora del inversor ß resulta en la modulación del voltaje de DC del inversor lo que causa una modulación déla corriente de enlace de DC y resulta en una oscilación de potencia activa en la potencia de entrada de carga. Es decir, modulando sólo el ángulo de demora de inversor para lograr amortiguar el modo de torsión tiene como resultado la potencia de amortiguación que proviene principalmente de la energía magnética almacenada en el enlace de DC 68. La modulación del ángulo de demora de inversor tiene como resultado que la energía rotacional es transformada en energía magnética y viceversa, dependiendo de si la flecha giratoria es acelerada o desacelerada.

Además, la Figura 4 muestra, una unidad de control de compuerta 88 para el rectificador 66 y una unidad de control de compuerta 90 para el inversor 70 que controla directamente el rectificador y el inversor con base en la información recibida de los controladores 80 y 86. Un sensor opcional 92 puede ser situados muy cerca de la flecha del motor 54 para detectar los componentes dinámicos de momento de torsión, por ejemplo, un momento de torsión presente en la flecha o una velocidad de torsión de la flecha o una aceleración de torsión de la flecha o una posición de torsión de la flecha. Otros sensores similares 92 pueden ser colocados entre el motor 54 y la turbina de gas 52 o en la turbina de gas 52. La información Ux con respecto a los componentes dinámicos de momento de torsión medidos (por los sensores 92) puede ser proporcionada a los controladores 78, 80 y 86. La Figura 4 también muestra bloques de adición 94 y 96 que agregan una señal del controlador 78 a señales generadas por los controladores 80 y 86.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 5, el controlador de amortiguación de modo de torsión 78 puede recibir una corriente jabc y un voltaje vabc medido en una salida 91 del LCI 62 o el inversor 70. Con base en estos valores (ninguna información acerca de momento de torsión o velocidad o aceleración medidos de la flecha del motor), un momento de torsión de espacio de aire para el motor es calculado y es alimentado en un modelo mecánico del sistema. El modelo mecánico del sistema puede ser representado por varias ecuaciones diferenciales que representan el comportamiento dinámico del sistema y enlazan los parámetros eléctricos a los parámetros mecánicos del sistema. La representación del modelo incluye, por ejemplo, inercia estimada, valores de amortiguación y rigidez (lo que puede ser verificado por mediciones de campo) y permite calcular el comportamiento dinámico de la flecha, por ejemplo, las oscilaciones de torsión. La precisión necesitada para la amortiguación del modo de torsión puede ser lograda ya que principalmente la precisión de la fase del componente dinámico de momento de torsión es relevante para la amortiguación del modo de torsión, y la información de amplitud o valor absoluto de momento de torsión es menos importante.

En esta consideración, es notado que el momento de torsión de espacio de aire de una máquina eléctrica es el enlace entre el sistema eléctrico y mecánico de un tren impulsor. Todas las armónicas e inter-armónicas en el sistema eléctrico son también visibles en el momento de torsión de espacio de aire. Las inter-armónicas a una frecuencia natural del sistema mecánico pueden excitar las oscilaciones de torsión y potencialmente resulta en valores dinámicos de momento de torsión en el sistema mecánico por arriba de la tasación de la de la flecha. Los sistemas de amortiguación de modo de torsión existentes pueden contrarrestar tales oscilaciones de torsión pero estos sistemas necesitan una señal representativa del momento de torsión dinámico del motor y esta señal es obtenida de un sensor que monitorea efectivamente la flecha del motor o los componentes de la flecha del motor, tales como ruedas dentadas montadas a lo largo de la flecha del motor. Según modalidades de ejemplo, no es necesaria tal señal ya que los componentes dinámicos de momento de torsión son evaluados con base en las mediciones eléctricas. Sin embargo, como será discutido más tarde, algunas modalidades de ejemplo describen una situación en la que las medidas mecánicas disponibles en otros componentes del sistema, por ejemplo, la turbina de gas, pueden ser utilizadas para determinar los componentes dinámicos de momento de torsión a lo largo de la flecha mecánica.

Es decir, una ventaja según una modalidad de ejemplo es aplicar la amortiguación de modo de torsión sin la necesidad de detección de vibración de torsión en el sistema mecánico. Así, la amortiguación de modo de torsión puede ser aplicado sin tener que instalar una detección adicional en el sistema eléctrico o mecánico ya que los sensores de voltaje corriente y/o corriente y/o velocidad pueden ser estar disponibles a un costo comparablemente bajo. En este aspecto, es notado que los sensores mecánicos para medir el momento de torsión son costoso para aplicaciones de alta potencia, y a veces estos sensores no pueden ser añadidos a los sistemas existentes. Así, las soluciones de amortiguación de modo de torsión existentes no pueden ser implementadas para tales casos ya que los sistemas de amortiguación de modo de torsión existentes requieren un sensor para medir una señal representativa de un parámetro mecánico del sistema que es indicativo del momento de torsión. Al contrario, el enfoque de la modalidad de ejemplo de la Figura 5 es seguro, efectivo en costo y permite retroalimentar un sistema existente.

A recibir 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 demora del rectificador a y/o el ángulo de demora del inversor ß. Así, según 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 demora, con base en, por ejemplo, el principio de amortiguación descrito en la Patente No. 7,173,399. En una aplicación, los ángulos de demora pueden ser limitados a un intervalo estrecho y definido, por ejemplo, 2 a 3 grados, para no afectar la operación del inversor y/o el convertidor. En una aplicación, los ángulos de demora pueden ser limitados a sólo una dirección (ya sea negativa o positiva) para prevenir una falla de conmutación por sobrecarga de calentamiento de los tiristores. Como es ilustrado en la Figura 5, esta modalidad de ejemplo es un circuito abierto ya que las correcciones de los varios ángulos no son ajustados/verificados con base en una señal medida (retroalimentación) del tren impulsor mecánico conectado al motor 54. Además, las simulaciones realizadas muestran una reducción de las vibraciones de torsión cuando el controlador 78 está habilitado. La Figura 6 muestra las oscilaciones 100 del momento de torsión de la flecha del motor 54 contra el tiempo cuando el controlador 78 está desabilitado y la Figura 7 muestra cómo las mismas oscilaciones son reducidas/amortiguadas cuando el controlador 78 está habilitado a la modulación alfa generada, por ejemplo, en el tiempo 12 s, mientras el tren impulsor mecánico es operado en una operación de velocidad variable y cruza en t = 12s una velocidad crítica. Ambas figuras grafican un momento de torsión simulado en el eje Y contra el tiempo en el eje X.

Según otra modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 8, el controlador 78 puede ser configurado para calcular uno o más de los cambios de ángulos de demora a demora orienta cambios (modulaciones) ?a y/o ?ß con base en las cantidades eléctricas obtenidas del enlace de DC 68. Más específicamente, una corriente ¡DC puede ser medida en un inductor 104 del enlace de DC 68 y este valor puede ser proporcionado al controlador 78. En una aplicación, sólo se utiliza una medida de corriente única para alimentar el controlador 78. Con base en el valor de la corriente medida y el modelo mecánico del sistema, el controlador 78 puede generar los cambios notados de ángulo de demora. Según otra modalidad de ejemplo, la corriente directa be puede ser estimada con base en mediciones de corriente y/o voltaje realizadas en el rectificador 66 o el inversor 70.

Los cambios del ángulo de demora calculados por el controlador 78 en cualquiera de las modalidades discutidas con respecto a las Figuras 5 y 8 pueden ser modificados con base en una configuración de circuito cerrado. La configuración de circuito cerrado es ilustrada por la linea de puntos 1 10 en la Figura 8. El circuito cerrado indica que una posición angular, velocidad, aceleración, o momento de torsión de la flecha del motor 54 puede ser determinado con un sensor apropiado 1 12 y este valor puede ser proporcionado al controlador 78. Lo mismo es verdad si el sensor o sensores 1 12 son proporcionados a la turbina de gas u otras ubicaciones a lo largo de la flecha 58 mostrada en la Figura 3.

La estructura del controlador 78 es discutida ahora con respecto a la Figura 9. Según una modalidad de ejemplo, el controlador 78 puede incluir una interfaz de entrada 120 que está conectado a uno de un procesador, red de circuitos analógicos, tarjeta FPGA (por sus siglas en inglés) reconfigurable, etc. 122. El elemento 122 está configurado para recibir los parámetros eléctricos del LCI 62 y calcular los cambios de ángulo de demora. El elemento 122 puede estar configurado para almacenar un modelo mecánico 128 (descrito en más detalles con respecto a la Figura 17) y para ingresar las mediciones eléctricas y/o mecánicas recibidas en la ¡nterfaz de entrada 120 en el modelo mecánico 128 para calcular uno o más de los componentes dinámicos de momento de torsión del motor 54. Con base en el uno o más componentes dinámicos de momento de torsión, las señales de control de amortiguación son generadas en la unidad de control de amortiguación 130 y la señal de salida entonces es enviada a un bloque de adición y una unidad del control de compuerta. Según otra modalidad de ejemplo, el controlador 78 puede ser un circuito analógico, una tarjeta FPGA reconfigurable u otra red de circuitos dedicada para determinar los cambios de ángulo de demora.

En una modalidad de ejemplo, el controlador 78 recibe continuamente mediciones eléctricas de varios sensores de corriente y voltaje y calcula continuamente las señales de amortiguación de torsión con base en los componentes dinámicos de momento de torsión calculados con base en las mediciones eléctricas. Según esta modalidad de ejemplo, el controlador no determina si están presentes vibraciones de torsión en la flecha sino más bien calcula continuamente las señales de amortiguación de torsión con base en el valor dinámico de momento de torsión calculado. Sin embargo, si no hay vibraciones de torsión, las señales de amortiguación de torsión generadas por el controlador y enviadas al inversor y/o el rectificador no afectan el inversor y/o el rectificador, es decir, los cambios de ángulo proporcionados por las señales de amortiguación son despreciables o son cero. Asi, según esta modalidad de ejemplo, las señales afectan el inversor y/o el rectificador sólo cuando hay vibraciones de torsión.

Según una modalidad de ejemplo, el momento de torsión directo o medición de velocidad en la flecha de la turbina de gas (o velocidad estimada o información de momento de torsión en la flecha) habilita el controlador a modular una transferencia de energía en el LCI en contra fase a la velocidad de torsión de una oscilación de torsión. La energía de amortiguación intercambiada entre el generador y el impulsor de LCI puede ser ajustada electrónicamente y puede tener una frecuencia que corresponde a una frecuencia natural del sistema de flecha. Este de amortiguación es efectivo para sistemas mecánicos con un factor Q alto, es decir, el sistema de la flecha de rotor formado de acero con alta rigidez de torsión. Además, este método de aplicar un momento de torsión eléctrico oscilatorio a la flecha del motor y que tiene una frecuencia que corresponde a una frecuencia resonante del sistema mecánico utiliza poca energía de amortiguación.

Por lo tanto, el controlador discutido antes puede ser integrado en un sistema impulsor con base en la tecnología de LCI sin sobrecargar el sistema impulsor. Esto facilita la implementación del controlador novedoso a sistemas de energía nuevos o existentes y lo hace económicamente atractivo. El controlador puede ser implementado sin tener que cambiar el sistema de energía existente, por ejemplo, extendiendo el sistema de control de uno de los impulsores de LCI en la red de isla.

Sí la velocidad de operación del LCI y momento de torsión varían en un intervalo grande, la efectividad del amortiguamiento del modo de torsión puede depender del desempeño del control de corriente del convertidor del lado de la rejilla. La operación de amortiguación de modo de torsión tiene como resultado una onda de corriente de enlace de DC pequeña adicional a una frecuencia natural de torsión. Como resultado, hay dos componentes de energía en esta frecuencia: el componente pretendido debido al control del ángulo de disparo del inversor y un componente adicional debido a la onda de corriente adicional. La fase y la magnitud de este componente adicional de energía es una función de los parámetros del sistema, los ajustes actuales de control y el 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.

Según una modalidad de ejemplo, pueden implementarse dos maneras alternativas de modulación de energía por el controlador. Una primera manera es utilizar directamente la referencia de corriente en el lado de la rejilla (requiere la implementación de un control rápido de la corriente), por ejemplo, una modulación a con un componente de amortiguación. Una segunda manera es modular el lado de la rejilla y los ángulos del lado de la máquina, resultando en una corriente constante de enlace de de, por ejemplo, una modulación a-ß con un componente de frecuencia de amortiguación. El control de la corriente en el lado de la rejilla es parte de este control de amortiguación y por lo tanto, el control de corriente no contrarresta el efecto del ángulo de modulación. De esta manera, el efecto de amortiguación es mayor e independiente de los ajustes de control de corriente.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 1 0, los sistemas 50 incluyen elementos similares al sistema mostrado en las Figuras 3 y 4. El controlador 78 es configurado para recibir mediciones eléctricas (como se muestra en las Figuras 4, 5, y 8) y/o las mediciones mecánicas (vea por ejemplo las Figuras 4 y 8 o el sensor 112 y enlace 1 10 en la Figura 10) con respecto a uno o más del motor 54 o carga 56 o la turbina de gas (no mostrada) del sistema 50. Con base sólo en las mediciones eléctricas, o sólo en las mediciones mecánicas, o en una combinación de las dos, el controlador 78 genera señales de control para aplicar la modulación a al rectificador 66. En una aplicación, la modulación a el es aplicada a un valor de referencia del ángulo a. Por ejemplo, la modulación de referencia de corriente es lograda por modulación a mientras el ángulo ß es mantenido constante en el inversor 70. La modulación a es representada, por ejemplo, por ?a en ambas Figuras 4 y 10. Es notado que esta modulación a es diferente de la descrita en la Patente de E.U.A. no. 7, 173,399 por lo menos por dos razones. Una primera diferencia es que las mediciones mecánicas (si son utilizadas) son obtenidas en la modalidad de ejemplo presente de una ubicación a lo largo de la flecha 58 (es decir, el motor 54, la carga 56 y/o la turbina de gas 52) mientras que la Patente de E.U.A. no. 7,173,399 utiliza una medición de un generador de energía 22 (vea la Figura 2). Una segunda diferencia es que según una modalidad de ejemplo, no se reciben ni se usan mediciones mecánicas por el controlador 78 para realizar la modulación a.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 1 1 , hay un método para amortiguar una vibración de torsión en un tren de compresión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso 1 100 para recibir datos medidos relacionados a parámetros de (i) un convertidor que impulsa la máquina eléctrica o (ii) el tren de compresión, un paso 1 102 de calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base en los datos medidos, un paso 1 104 de generar datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en una flecha del tren de compresión con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y un paso 1106 de enviar los datos de control al rectificador para modular un potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

Según otra modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 12, el sistema 50 puede tener tanto al rectificador 66 como al inversor 70 simultáneamente controlado (es decir, tanto la modulación a como la modulación ß) para amortiguar las oscilaciones de torsión. Como se muestra en la Figura 12, el controlador 78 proporciona modulaciones tanto para el controlador de rectificador 88 como para el controlador de inversor 90. El controlador 78 determina la modulación apropiada con base en (i) mediciones mecánicas medidas por sensor(es) 1 12 en uno del motor 54, la carga 56 y/o la turbina de gas 52, (ii) mediciones eléctricas como se muestra en las Figuras 4, 5, y 8, o ambos de (i) y (ii).

Más específicamente, la modulación a y ß pueden estar correlacionadas como se discute a continuación con referencia a la Figura 1 3. La Figura 1 3 muestra caídas de voltaje representativas a través del rectificador 66, enlace DC 68 y el inversor 70. A consecuencia de la modulación a y ß es deseable que la corriente del enlace de DC sea constante. Las caídas de voltaje asociadas mostradas en la Figura 1 3 son dadas por: VDCO =k VACG cos(a) ocp = k- VAC cos( ), y VDCO = VDC + VOCL, donde VACG es la amplitud del voltaje de la potencia de rejillas 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 de que el cambio del VDCL en el tiempo es cero, la siguiente relación matemática es obtenida entre la modulación a y la modulación ß: d(VDCa)/dt = - k -VACO -sen (a); y d(VDCp)/dt = - k-VACM sen(P); lo que tiene como resultado: da = (VACM sen(P))/(VAcG sen(a)) d .

Con base en esta última relación, tanto la modulación a como la modulación ß son realizadas simultáneamente, como se muestra, por ejemplo, en la Figura 14. La Figura 14 muestra el momento de torsión actual 200 que aumenta alrededor de to = 1 .5 segundos. Es notado que ninguna modulación a 202 o modulación ß 204 es aplicada entre t0 y - A ti una excitación 206 es aplicada entre ti y t2 y se aplican ambas modulaciones 202 y 204. Al final del intervalo de tiempo ti a t? es notado que ambas modulaciones son removidas y las oscilaciones del momento de torsión 200 disminuyen de manera exponencial a causa de las propiedades de amortiguación mecánica inherentes del tren impulsor mecánico. Este ejemplo es simulado y no es medido en un sistema verdadero. Por esta razón, ambas modulaciones son controladas estrictamente, por ejemplo, comienzan en ti y se detienen en t2. Sin embargo, en una implementación verdadera de la modulación a y la modulación ß, las modulaciones pueden ser realizadas continuamente con la amplitud de la modulación siendo ajustada con base en la severidad de las oscilaciones de torsión. Una ventaja de esta modulación combinada sobre la modulación ß es que no hay necesidad de una adaptación de fase en diferentes puntos de operación y los parámetros de control de LCI pueden no tener efecto en el desempeño de la amortiguación. Este ejemplo de modulación es proporcionado para ilustrar el efecto de modular ambos ángulos de demora en el sistema mecánico. El resultado de la simulación es mostrado utilizando una respuesta de circuito abierto al sistema mecánico para el sistema de amortiguación torsión con desempeño de amortiguación invertido.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 15, hay un método para amortiguar una vibración de torsión en un tren de compresión que incluye una máquina eléctrica. El método incluye un paso 1500 de recibir datos medidos relacionados a los parámetros de (i) un convertidor que impulsa la máquina eléctrica o (ii) el tren de compresión, un paso 1502 de calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base 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 de torsión en una flecha del tren de compresión con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y un paso 1506 de enviar los datos de control al inversor y el rectificador para modular un potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica. Es notado que el componente dinámico de momento de torsión incluye una posición de rotación, velocidad de rotación, aceleración de rotación o un momento de torsión relacionado a una sección de la flecha mecánica. También es notado que la expresión que modula un potencia activa expresa la idea de modulación en un instante incluso si la potencia activa media durante un período T es cero. Además, si es utilizado un VSI en vez de un LCI otra cantidad eléctrica puede ser modificada según sea apropiado en vez de la potencia activa.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 16, un VSI 140 incluye un rectificador 142, un enlace de DC 144, y un inversor 146 conectados uno al otro en este orden. El rectificador 142 recibe un voltaje de rejilla de una fuente de alimentación 148 y pueden incluir, por ejemplo, un puente de diodo o un extremo frontal activo basado en dispositivos semiconductores. El voltaje de de proporcionado por el rectificador 142 es filtrado y suavizado por el capacitor C en el enlace de DC 144. El voltaje de de filtrado es entonces aplicado al inversor 146, que puede incluir dispositivos semiconductores auto-conmutados, por ejemplo, Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT, por sus siglas en inglés), que genera un voltaje ac a ser aplicado al motor 150. Los controladores 152 y 154 pueden ser proporcionados para el rectificador 142 y el inversor 146, además de los controladores de rectificador e inversor o integrados con los controladores de rectificador e inversor, para amortiguar las vibraciones de torsión en la flecha del motor 150. El controlador del rectificador 153 y el controlador de inversor 155 son mostrados conectados a algunos de los dispositivos semiconductores pero debe ser comprendido que todos los dispositivos semiconductores pueden ser conectados a los controladores. Los controladores 152 y 154 pueden ser proporcionados juntos o solos y son configurados para determinar los componentes dinámicos de momento de torsión con base en las mediciones eléctricas como fue discutido con respecto a las Figuras 4 y 5 y la influencia las referencias de control del rectificador y control de inversor integrados, por ejemplo, la referencia de momento de torsión o de control de corriente.

Según una modalidad de ejemplo ilustrada en la Figura 17, un sistema generalizado de multimasas 160 pueden incluir "n" masas diferentes que tienen correspondientes momentos de inercia Ji a Jn. Por ejemplo, la primera masa puede corresponder a una turbina de gas, la segunda masa puede corresponder a un compresor, etcétera, mientras la última masa puede corresponder a un motor eléctrico. Suponga que la flecha del motor eléctrico no es accesible para mediciones mecánicas, por ejemplo, posición de rotación, velocidad, aceleración o momento de torsión. Además, suponga que la flecha de la turbina de gas es accesible y uno de los parámetros mecánicos antes notados puede ser medido directamente en la turbina de gas. En este aspecto, es notado que generalmente una turbina de gas tiene sensores de alta precisión que miden varias variables mecánicas de la flecha para proteger la turbina de gas de daños posibles. Al contrario, un motor convencional no tiene estos sensores o incluso si algunos sensores están presentes, la precisión de sus mediciones es deficiente.

La ecuación diferencial del sistema mecánico entero es dada por: J(d92/dt2) + D (dG/dt) + ?T = Text donde J (matriz de torsión), D (matriz de amortiguación), y K (matriz de rigidez de torsión) son matrices que conectan las características de la primera masa (por ejemplo, dio, d-i2, k12l Ji) a las características de las otras masas y Text es un momento de torsión externo (net) aplicado al sistema, por ejemplo, por un motor. Con base en este modelo del sistema mecánico, un momento de torsión u otro componente dinámico de momento de torsión de la masa "n" puede ser determinado si las características de, por ejemplo, la primera masa, son conocidas. Es decir, los sensores de alta precisión proporcionados en la turbina de gas pueden ser utilizados para medir por lo menos uno de una posición de torsión, velocidad, aceleración o el momento de torsión de la flecha de la turbina de gas. Con base en este valor medido, un componente dinámico de momento de torsión del motor (masa "n") u otra sección del tren impulsor puede ser calculada por un procesador o controlador 78 del sistema y así, los datos de control pueden ser generados para el inversor o el rectificador como ya fue discutido antes.

Es decir, según esta modalidad de ejemplo, el controlador 78 debe recibir información mecánica relacionada de una turbo-maquinaria que está conectada al motor y con base en esta información mecánica relacionada el controlador puede controlar el convertidor para generar un momento de torsión en el motor para amortiguar la vibración de torsión. La turbo-maquinaria puede no ser sólo una turbina de gas sino también un compresor, un expansor u otras máquinas conocidas. En una aplicación, no son necesarias mediciones eléctricas para realizar la amortiguación. Sin embargo, las mediciones eléctricas pueden ser combinadas con mediciones mecánicas para lograr la amortiguación. En una aplicación, la máquina que aplica la amortiguación (máquina amortiguadora) no es accesible para mediciones mecánicas y el componente dinámico de momento de torsión de la máquina amortiguadora es calculado por las mediciones mecánicas realizadas en otra máquina que está conectada mecánicamente a la máquina amortiguadora.

Las modalidades de ejemplo descritas proporcionan un sistema y método para amortiguar vibraciones de torsión. Debe ser comprendido que esta descripción no pretende limitar la invención. Por el contrario, las modalidades de ejemplo pretenden cubrir alternativas, modificaciones y equivalentes, los cuales están incluidos en el espíritu y alcance de la invención como es definida en las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, el método puede ser aplicado a otros sistemas mecánicos impulsados por motor eléctrico, tales como bombas grandes de agua, centrales hidroeléctricas bombeadas, etc. Además, en la descripción detallada de las modalidades de ejemplo, numerosos detalles específicos son expuestos para proporcionar una comprensión completa de la invención reclamada. Sin embargo, un experto en la técnica podría entender que varias modalidades pueden ser practicadas sin tales detalles específicos.

Aunque las características y los elementos de las modalidades de ejemplo presentes estén descritos en las modalidades en combinaciones particulares, cada característica o elemento puede ser utilizado sólo sin las otras características y elementos de las modalidades o en varias combinaciones con o sin otras características y elementos descritos en la presente.

Esta descripción escrita usa ejemplos de la materia objeto descrita para permitir que cualquier persona experta en la técnica practique la misma, incluyendo el hacer o usar cualesquiera dispositivos o sistemas y efectuando cualquiera de los métodos incorporados. El alcance patentable de la materia objeto es definido por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les pueden ocurrir a aquellos expertos en la técnica. Tales otros ejemplos se desea que estén dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema controlador de amortiguación de modo de torsión conectado a un convertidor que impulsa un tren impulsor que incluye una máquina eléctrica y una máquina no eléctrica, el sistema controlador comprende: una interfaz de entrada configurada para recibir datos medidos relacionados a variables del convertidor o el tren impulsor; y un controlador conectado a la interfaz de entrada y configurado para calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión a lo largo de una sección de una flecha del tren impulsor con base en los datos medidos de la interfaz de entrada, generar datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en la flecha del tren impulsor con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y envía los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

2.- El sistema controlador de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los datos de control a modulan al rectificador.

3.- El sistema controlador de conformidad con la reivindicación 1 o reivindicación 2, caracterizado además porque el controlador está configurado para insertar en los datos de control una onda sinusoidal o mitad de onda sinusoidal a ser aplicada a un ángulo de demora del rectificador.

4. - El sistema controlador de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque una amplitud de la onda sinusoidal es menor de 3 grados.

5. - El sistema controlador de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado además porque el controlador está configurado para realizar continuamente la modulación del ángulo a del rectificador alrededor de un valor de ángulo de disparo de referencia.

6. - El sistema controlador de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque el controlador está configurado para generar los datos de control con base sólo en datos medidos relacionados a variables eléctricas del convertidor.

7. - El sistema controlador de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque el controlador está configurado para generar los datos de control con base sólo en datos medidos relacionados a variables mecánicas del tren impulsor.

8. - El sistema controlador de conformidad con cualquier reivindicación anterior, caracterizado además porque el controlador está configurado para generar los datos de control con base sólo en datos medidos relacionados a variables mecánicas del tren impulsor excepto la máquina eléctrica.

9. - Un sistema para impulsar una máquina eléctrica que es parte de un tren impulsor, el sistema comprende: un rectificador configurado para recibir una corriente alterna de una fuente de alimentación y para transformar la corriente alterna en 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 en una corriente alterna; una interfaz de entrada configurada para recibir los datos medidos relacionados a variables del convertidor o el tren impulsor; y un controlador conectado a la interfaz de entrada y configurado para calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base en los datos medidos de la interfaz de entrada, generar datos de control para que el rectificador amortigüe una oscilación de torsión en una sección de una flecha del sistema mecánico con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión, y enviar los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.

10.- Un método para amortiguar una vibración de torsión en un tren impulsor que incluye una máquina eléctrica, el método comprende: recibir datos medidos relacionados a variables de (i) un convertidor que impulsa la máquina eléctrica o (ii) el tren impulsor; calcular por lo menos un componente dinámico de momento de torsión de la máquina eléctrica con base en los datos medidos; generar los datos de control para un rectificador del convertidor para amortiguar una oscilación de torsión en una sección de una flecha del tren impulsor con base en el por lo menos un componente dinámico de momento de torsión; y enviar los datos de control al rectificador para modular una potencia activa intercambiada entre el convertidor y la máquina eléctrica.