專利名稱：無傳感器扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題的實施例大體上涉及方法和系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及用于阻尼旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動的機(jī)構(gòu)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
油氣行業(yè)對于在可變速度下驅(qū)動各種機(jī)械具有不斷增長的需求。這樣的機(jī)械可包括壓縮機(jī)、電動馬達(dá)、膨脹器、燃?xì)鉁u輪、泵等。變頻電氣驅(qū)動增加了能量效率并為機(jī)械提供了增加的靈活性。一種用于驅(qū)動例如大型氣體壓縮系(train)的方式是負(fù)載換相逆變器(LCI)。然而，由電力電子驅(qū)動系統(tǒng)引入的問題是由于電氣諧波而在機(jī)械的轉(zhuǎn)矩中產(chǎn)生脈動(ripple)成分。轉(zhuǎn)矩的脈動成分可以在傳動系的扭轉(zhuǎn)固有頻率下與機(jī)械系統(tǒng)相互作用，這是不期望的。扭轉(zhuǎn)振蕩或振動是在具有如例如在圖I中所示附連到轉(zhuǎn)子的各種質(zhì)量體的轉(zhuǎn)子 中可能出現(xiàn)的振蕩角運動。圖I示出了具有燃?xì)鉁u輪12、馬達(dá)14、第一壓縮機(jī)16和第二壓縮機(jī)18的系統(tǒng)10。這些機(jī)械的軸連接到彼此，或者由這些機(jī)械共享單個軸。由于沿軸20分布的葉輪和其它質(zhì)量體，軸20的旋轉(zhuǎn)可以受到由附連到軸的質(zhì)量體(例如葉輪)的不同速度的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振蕩的影響。如上所述，扭轉(zhuǎn)振動通常由驅(qū)動例如馬達(dá)的功率電子裝置引入。圖I示出了電網(wǎng)電源(電源)22，其向LCI 24提供電能，LCI 24繼而驅(qū)動馬達(dá)14的轉(zhuǎn)子20。電網(wǎng)可以是隔離的發(fā)電機(jī)。為了阻尼(最小化)扭轉(zhuǎn)振動，如圖2所示(該圖對應(yīng)于轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人的美國專利No. 7，173，399的圖1，該專利的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中)，逆變器控制器26可以設(shè)置到LCI 24的逆變器28并且可構(gòu)造成引入逆變器延遲角變化(Λβ)以用于調(diào)制從逆變器28轉(zhuǎn)移到馬達(dá)14的有效功率的量。應(yīng)當(dāng)指出，術(shù)語“延遲角”在文獻(xiàn)中被視為術(shù)語“點弧角”的同義詞。為此，這些術(shù)語在本描述中被看作表示同樣的東西并且可以互換地使用。不論考慮α或β調(diào)制，該假設(shè)都是正確的。備選地，整流器控制器30可以設(shè)置到整流器32并且可構(gòu)造成引入整流器延遲角變化(Λ α)以用于調(diào)制從發(fā)電機(jī)22轉(zhuǎn)移到DC鏈路且因此轉(zhuǎn)移到馬達(dá)14的有效功率的量。應(yīng)當(dāng)指出，通過調(diào)制從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移到馬達(dá)的有效功率的量，可以阻尼扭轉(zhuǎn)振動。兩個控制器26和30作為輸入接收分別來自傳感器36和38的信號，并且這些信號指示由馬達(dá)14和/或發(fā)電機(jī)22所經(jīng)受的轉(zhuǎn)矩。換言之，逆變器控制器26處理由傳感器36感測的轉(zhuǎn)矩值以用于產(chǎn)生逆變器延遲角變化(△ β)，同時整流器控制器30處理由傳感器38感測到的轉(zhuǎn)矩值以用于產(chǎn)生整流器延遲角變化(Aa)0逆變器控制器26和整流器控制器30彼此獨立，并且這些控制器可以在給定機(jī)械中一起或單獨地實現(xiàn)，具體取決于連接的傳動系的操作和系統(tǒng)靈敏度。圖2顯示，傳感器36監(jiān)測馬達(dá)14的軸的一部分(分段)40，并且傳感器38監(jiān)測發(fā)電機(jī)22的軸42。圖2還示出在整流器32和逆變器28之間的DC鏈路44。然而，測量諸如施加到旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的機(jī)械性質(zhì)對于高功率傳動系來說可能是高成本或不可行的。有時，測量機(jī)械轉(zhuǎn)矩是不可能的，因為軸是不可接近的，或者軸被爆炸性氣氛所包圍，例如在氣體壓縮應(yīng)用中。因此，期望提供避免測量施加到旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個示例性實施例，存在一種連接到轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器，該轉(zhuǎn)換器驅(qū)動機(jī)械連接到系的電機(jī)?？刂破飨到y(tǒng)包括輸入接口，其構(gòu)造成接收與轉(zhuǎn)換器或電機(jī)的變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及控制器，其連接到輸入接口?？刂破鳂?gòu)造成基于來自輸入接口的數(shù)據(jù)計算沿系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量；基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼電機(jī)中的扭轉(zhuǎn)振蕩；以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器以用于調(diào)制在轉(zhuǎn)換器和電機(jī)之間交換的有效功率。根據(jù)另一個示例性實施例，存在一種用于驅(qū)動機(jī)械連接到系的電機(jī)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括整流器，其構(gòu)造成接收來自電源的交流電流并將交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流；直流 鏈路，其連接到整流器且構(gòu)造成傳輸直流電流；逆變器，其連接到直流鏈路且構(gòu)造成將接收的直流電流變?yōu)榻涣麟娏?；輸入接口，其?gòu)造成接收與直流鏈路或逆變器的電氣變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及控制器，其連接到輸入接口。控制器構(gòu)造成基于來自輸入接口的數(shù)據(jù)計算沿系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量；基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為整流器和/或逆變器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼電機(jī)中的扭轉(zhuǎn)振蕩；以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給整流器和/或逆變器以用于調(diào)制在逆變器和電機(jī)之間交換的有效功率。根據(jù)示例性實施例，存在一種用于阻尼機(jī)械連接到系的電機(jī)中的扭轉(zhuǎn)振動的方法。該方法包括接收與驅(qū)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)換器的電氣參數(shù)有關(guān)的測量數(shù)據(jù)的步驟；基于接收的數(shù)據(jù)計算沿系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量；基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的步驟；以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器以用于調(diào)制在轉(zhuǎn)換器和電機(jī)之間交換的有效功率的步驟。根據(jù)又一個示例性實施例，存在一種計算機(jī)可讀介質(zhì)，其包括計算機(jī)可執(zhí)行指令，其中該指令在被執(zhí)行時實現(xiàn)在此前的篇幅中討論的用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的方法。根據(jù)又一個示例性實施例，存在一種連接到轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換器驅(qū)動機(jī)械連接到系的電機(jī)?？刂破飨到y(tǒng)包括輸入接口，其構(gòu)造成接收與系的渦輪機(jī)械的機(jī)械變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及控制器，其連接到輸入接口。控制器構(gòu)造成基于渦輪機(jī)械的機(jī)械變量計算沿系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量；基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼電機(jī)中的扭轉(zhuǎn)振蕩；以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器以用于調(diào)制在轉(zhuǎn)換器和電機(jī)之間交換的有效功率。


被合并到該說明書中并組成其一部分的附圖展示了一個或多個實施例，并且與該描述一起解釋這些實施例。在附圖中
圖I是連接到電機(jī)和兩個壓縮機(jī)的常規(guī)燃?xì)鉁u輪的示意 圖2是連接到電動馬達(dá)和機(jī)械負(fù)載的可變速度驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖，其包括整流器控制器和逆變器控制器；圖3是根據(jù)示例性實施例由控制器控制的燃?xì)鉁u輪、馬達(dá)和負(fù)載的示意 圖4是根據(jù)示例性實施例的轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的邏輯的示意 圖5是根據(jù)示例性實施例的轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的邏輯的示意 圖6是示出具有禁用的阻尼控制器的軸的轉(zhuǎn)矩的圖表；
圖7是示出根據(jù)示例性實施例的具有啟用的阻尼控制器的軸的轉(zhuǎn)矩的圖表；
圖8是根據(jù)示例性實施例的轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的邏輯的示意 圖9是根據(jù)示例性實施例的控制器的示意圖，其構(gòu)造成控制轉(zhuǎn)換器以用于阻尼扭轉(zhuǎn)振
動；
圖10是示出根據(jù)示例性實施例的用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的方法的流程 圖11是根據(jù)示例性實施例的用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的電壓源逆變器和相關(guān)聯(lián)的控制器的示意圖；以及
圖12是多質(zhì)量系統(tǒng)的不意圖。
具體實施例方式示例性實施例的下列描述參考了附圖。不同圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同或類似的元件。下列詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。而是，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為了簡單起見，以下實施例結(jié)合由負(fù)載換相逆變器驅(qū)動的電動馬達(dá)的術(shù)語和結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。然而，接下來要討論的實施例不限于這樣的系統(tǒng)，而是可以應(yīng)用(通過適當(dāng)調(diào)整)于其它系統(tǒng)，該系統(tǒng)用如例如電壓源逆變器(VSI)的其它裝置驅(qū)動。
在說明書全文中，對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著結(jié)合實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在所公開的主題的至少一個實施例中。因此，在說明書全文中，在不同地方出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定指的是同一實施例。此夕卜，在一個或多個實施例中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式組合。根據(jù)示例性實施例，扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器可構(gòu)造成從電氣測量值而不是電機(jī)(可以是馬達(dá)或發(fā)電機(jī))的軸獲得信息并基于來自電氣測量值的信息估計在所感測的傳動系的所需軸位置處的扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)振動可以是軸的轉(zhuǎn)矩、扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)速度或扭轉(zhuǎn)加速度中的動態(tài)分量。換言之，根據(jù)該示例性實施例，不存在直接監(jiān)測在敏感傳動系的專門軸位置上的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量的傳感器。如接下來將討論的，在轉(zhuǎn)換器處存在可以從其收集由控制器接收的信息的多個位置。根據(jù)圖3所示的示例性實施例，系統(tǒng)50包括燃?xì)鉁u輪52、馬達(dá)54和負(fù)載56。涉及多個燃?xì)鉁u輪和作為負(fù)載56的多個壓縮機(jī)的其它構(gòu)型是可能的。另外的構(gòu)型可包括一個或多個膨脹器、一個或多個發(fā)電機(jī)、或具有旋轉(zhuǎn)部分的其它機(jī)械，例如風(fēng)力渦輪、齒輪箱。圖3中所示的系統(tǒng)為示例性的且被簡化以便更好地理解新型特征。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，具有更多或更少部件的其它系統(tǒng)可適于包括現(xiàn)在所討論的新型特征。負(fù)載56可包括一個或多個壓縮機(jī)或在油氣行業(yè)中使用的其它機(jī)械。(與機(jī)械的轉(zhuǎn)子和葉輪相關(guān)聯(lián)的)各種質(zhì)量體與軸58的連接使得系統(tǒng)50易于發(fā)生潛在的扭轉(zhuǎn)振動。這些扭轉(zhuǎn)振動可以扭曲軸58，這可以導(dǎo)致軸系統(tǒng)(根據(jù)具體情形，其可不僅包括一個或多個軸而且還可包括聯(lián)接器和齒輪箱)的顯著的壽命減少或甚至破壞。示例性實施例提供了用于減少扭轉(zhuǎn)振動的機(jī)構(gòu)。
為了啟動馬達(dá)54，從電網(wǎng)或在在島(island)或島狀電力系統(tǒng)的情況中的本地發(fā)電機(jī)60供應(yīng)電能。為了以可變速度驅(qū)動馬達(dá)54，在電網(wǎng)60和馬達(dá)54之間設(shè)置了負(fù)載換相逆變器(LCI) 62。如圖4所示，LCI 62包括連接到DC鏈路68的整流器66，DC鏈路68連接到逆變器70。整流器66、DC鏈路68和逆變器70是本領(lǐng)域已知的，并且這里不再進(jìn)一步討論它們的具體結(jié)構(gòu)。如上所指，新型特征可以以適當(dāng)?shù)淖兓瘧?yīng)用到VSI系統(tǒng)中。僅為了說明起見，參照圖11示出并簡單地討論示例性VSI。圖4表明，從電網(wǎng)60接收的電流和電壓分別為三相電流和三相電壓。通過整流器、逆變器和馬達(dá)的電流和電壓同樣如此，并且在圖4中通過符號“/3”表明了這一事實。然而，示例性實施例的新型特征可適用于構(gòu)造成與三個以上的相一起工作的系統(tǒng)，例如6相和12相系統(tǒng)。LCI 62還包括在圖4中用帶圓圈的A和帶圓圈的V標(biāo)示的電流傳感器和電壓傳感器。例如，電流傳感器72設(shè)置在DC鏈路68中以測量電流iD。。備選地，在DC鏈路中的電流基于在AC側(cè)，例如電流傳感器84或74，中進(jìn)行的測量來估計，因為這些傳感器相比DC傳感器更廉價。另一個示例為電流傳感器74和電壓傳感器76，電流傳感器74測量由逆變器70提供給馬達(dá)54的電流iab。，電壓傳感器76測量由逆變器70提供給馬達(dá)54的電壓vabc。應(yīng)當(dāng)指出，這些電流和電壓作為輸入提供給控制器78。術(shù)語“控制器”在本文中用來涵蓋任 何合適的數(shù)字、模擬或它們的組合的電路或處理單元以用于實現(xiàn)指定的控制功能。返回圖3，應(yīng)當(dāng)指出，控制器78可以是LCI 62的一部分，或者可以是與LCI 62交換信號的獨立式控制器。控制器78可以是扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器。圖4還顯示，LCI控制器80基于各種基準(zhǔn)(reference) 82和從傳感器84接收的電流idx生成整流器延遲角α以用于控制整流器66。另一個控制器86可用于為逆變器70生成逆變器延遲角β。此外，圖4示出了用于整流器66的門控單元88和用于逆變器70的門控單元90，門控單元88和90基于從控制器80和86所接收的信息而直接控制整流器和逆變器?？蛇x的傳感器92可定位成緊鄰馬達(dá)54的軸以用于檢測動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，例如，存在于軸或軸的扭轉(zhuǎn)位置中的轉(zhuǎn)矩或軸的扭轉(zhuǎn)速度或軸的扭轉(zhuǎn)加速度。關(guān)于動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量的信息1可以提供至控制器78、80和86。圖4還示出求和框94和96，其將來自控制器78的信號加到由控制器80和86生成的信號上。根據(jù)圖5所示的示例性實施例，扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器78可接收在LCI 62或逆變器70的輸出91處測量的電流iab。和電壓^。?；谶@些值(沒有關(guān)于馬達(dá)的軸的測量轉(zhuǎn)矩或速度或加速度的信息)，馬達(dá)的氣隙轉(zhuǎn)矩被計算和饋入系統(tǒng)的機(jī)械模型。系統(tǒng)的機(jī)械模型可由若干微分方程表示，這些微分方程表示機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)行為且將電氣參數(shù)鏈接到系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)。模型表示包括例如估計慣性、阻尼和剛度值(可通過現(xiàn)場測量驗證)并允許計算軸的動態(tài)行為，例如扭轉(zhuǎn)振蕩。扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼的所需精度可以實現(xiàn)，因為扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼主要與動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量的相的精度相關(guān)，而振幅信息或絕對轉(zhuǎn)矩值不太重要。就這一點而言，應(yīng)當(dāng)指出，電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩是在傳動系的電氣和機(jī)械系統(tǒng)之間的鏈路。電氣系統(tǒng)中的所有諧波和間諧波(inter-harmonics)也在氣隙轉(zhuǎn)矩中可見。機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率下的間諧波可激勵扭轉(zhuǎn)振蕩并潛在地導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值高于軸的額定值?，F(xiàn)有的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼系統(tǒng)可以抵消這樣的扭轉(zhuǎn)振蕩，但這些系統(tǒng)需要表示機(jī)械軸的動態(tài)轉(zhuǎn)矩的信號，并且該信號從有效地監(jiān)測例如馬達(dá)的軸或馬達(dá)的軸部件(例如，沿馬達(dá)的軸安裝的齒輪)的傳感器獲得。根據(jù)示例性實施例，由于動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量基于電氣測量值評估，因此不需要這樣的信號。然而，如下文將討論的，某些示例性實施例描述了這樣的情形其中，在例如燃?xì)鉁u輪的系統(tǒng)的其它部件處可得的機(jī)械測量值可用來確定馬達(dá)的軸的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量。換言之，根據(jù)示例性實施例的優(yōu)點是施加扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼而不需要在機(jī)械系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)振動感測裝置。因此，可以施加扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼而不必在電氣或機(jī)械系統(tǒng)中安裝附加的感測裝置，因為能以相對低的成本提供當(dāng)前的電壓傳感器和/或電流傳感器和/或速度傳感器。就這一點而言，應(yīng)當(dāng)指出，用于測量轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳感器對于高功率應(yīng)用是昂貴的，并且有時不能將這些傳感器添加到現(xiàn)有系統(tǒng)。因此，現(xiàn)有的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼解決方案不能在這樣的情況下實現(xiàn)，因為現(xiàn)有的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼系統(tǒng)需要用于測量表示系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)的信號的傳感器，該參數(shù)指示轉(zhuǎn)矩。相反，圖5的示例性實施例的方法是可靠、成本節(jié)約的且允許對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造。在接收圖5中指示的電流和電壓之后，控制器78可生成合適的信號(Λ α和Λ β中的一個或多個)以用于控制整流器延遲角α和/或逆變器延遲角β。因此，根據(jù)圖5所 示的實施例，控制器78接收從逆變器70的輸出91輸入的電氣信息以用于基于例如在專利No. 7，173，399中描述的阻尼原理計算各種延遲角。如圖5所示，該示例性實施例為開環(huán)的，因為各種角度的修正不是基于連接到馬達(dá)54的機(jī)械傳動系的測量信號(反饋)而調(diào)整/驗證的。此外，進(jìn)行的模擬顯示了當(dāng)控制器78被啟用時扭轉(zhuǎn)振動的減少。圖6示出當(dāng)控制器78被禁用時馬達(dá)54的軸的轉(zhuǎn)矩的振蕩100對時間的函數(shù)關(guān)系，圖7示出當(dāng)控制器78例如在時間40s處被啟用，同時機(jī)械傳動系在可變速度操作下操作且橫跨t=40s處的臨界速度時，相同的振蕩如何被減少。兩幅圖均繪制了在Y軸上的模擬轉(zhuǎn)矩對X軸上的時間的圖。根據(jù)圖8中所示的另一個示例性實施例，控制器78可構(gòu)造成基于從DC鏈路68所獲得的電氣量來計算延遲角變化Λ α和/或Λ β中的一個或多個。應(yīng)當(dāng)指出，雖然圖8示出單個DC鏈路68，但存在在整流器和逆變器之間使用多個DC鏈路的構(gòu)型，并且這些DC鏈路中的一個或多個可以被測量，并且這些測量值可以提供至控制器78。更具體而言，電流iDC可以在DC鏈路68的電感器104處被測量，并且該值可以提供至控制器78。在一個應(yīng)用中，僅單個電流測量值被用于饋送給控制器78?；跍y量電流的值和系統(tǒng)的機(jī)械模型，控制器78可生成以上所指的延遲角變化。根據(jù)另一個示例性實施例，可基于在整流器66或逆變器70處進(jìn)行的電流和/或電壓測量來估計直流電流iDC?？梢曰陂]環(huán)構(gòu)型修改由在參照圖5和圖8討論的實施例中的任一個中的控制器78所計算的延遲角變化。閉環(huán)構(gòu)型在圖8中由虛線110示出，圖8表明，馬達(dá)54的軸的角速度可以用合適的傳感器112來確定，并且該值可以提供至控制器78?；谠撔畔?，可以用來自機(jī)械系統(tǒng)的反饋，例如通過利用現(xiàn)有高分辨率速度測量值(經(jīng)典觀測器)來提高模型的精度。速度測量值的質(zhì)量可以甚至用自適應(yīng)濾波算法來提高。在一個應(yīng)用中，傳感器112可測量馬達(dá)54的軸的另一個參數(shù)，例如，在馬達(dá)聯(lián)接器處的旋轉(zhuǎn)角度偏差。應(yīng)當(dāng)指出，以上討論的實施例可以被改進(jìn)，使得機(jī)械數(shù)據(jù)而不是電氣數(shù)據(jù)被測量并提供至控制器78。備選地，可以測量機(jī)械數(shù)據(jù)和電氣數(shù)據(jù)兩者。對于這些情況來說，可以沿電動馬達(dá)的所連接到的系的軸測量機(jī)械數(shù)據(jù)。機(jī)械數(shù)據(jù)可以在電動馬達(dá)處測量或者可以在遠(yuǎn)離電動馬達(dá)處(例如在燃?xì)鉁u輪處)測量?，F(xiàn)在參照圖9討論控制器78的結(jié)構(gòu)。根據(jù)示例性實施例，控制器78可包括輸入接口 120，其連接到處理器、模擬電路、可重構(gòu)FPGA卡等中的一個122。元件122構(gòu)造成接收來自LCI 62的電氣參數(shù)并計算延遲角變化。元件122可構(gòu)造成存儲機(jī)械模型128并將在輸入接口 120處所接收的電氣測量值輸入到機(jī)械模型128以計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量中的一個或多個?；谝粋€或多個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，在阻尼控制單元130中生成阻尼控制信號，并且然后將輸出信號發(fā)送至求和框和門控單元。根據(jù)另一個示例性實施例，控制器78可以是模擬電路、可重構(gòu)FPGA卡或用于確定延遲角變化的其它專用電路。在一個示例性實施例中，控制器78連續(xù)地接收來自各種電流和電壓傳感器的電氣測量值，基于電氣測量值計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，并且基于動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量來連續(xù)地計算扭轉(zhuǎn)阻尼信號。根據(jù)該示例性實施例，控制器不確定軸中是否存在扭轉(zhuǎn)振動，而是基于所計算的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值來連續(xù)地計算扭轉(zhuǎn)阻尼信號。然而，如果不存在扭轉(zhuǎn)振動，則由控制器生成且發(fā)送至逆變器和/或整流器的扭轉(zhuǎn)阻尼信號不影響逆變器和/或整流器，即，由阻尼信號所提·供的角度變化可忽略不計。因此，根據(jù)該示例性實施例，僅當(dāng)存在扭轉(zhuǎn)振動時，信號才影響逆變器和/或整流器。根據(jù)圖10所示的示例性實施例，存在一種用于阻尼連接到馬達(dá)的機(jī)械中的扭轉(zhuǎn)振動的方法。該方法包括接收與驅(qū)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)換器的電氣參數(shù)有關(guān)的測量數(shù)據(jù)的步驟1000 ;基于所接收的數(shù)據(jù)計算沿系的軸的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量的步驟1010 ;基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的步驟1020 ;以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器以用于調(diào)制在轉(zhuǎn)換器和電機(jī)之間交換的有效功率的步驟1030。應(yīng)當(dāng)指出，甚至在某個時間段內(nèi)的平均功率為零時，調(diào)制有效功率的表達(dá)也適用，即，在該時間段期間存在有效功率被調(diào)制的至少一個瞬間。根據(jù)圖11所示的示例性實施例，VSI 140包括按如下順序連接到彼此的整流器142、DC鏈路144和逆變器146。整流器142接收來自電源148的電網(wǎng)電壓并可包括例如二極管橋或基于自換相半導(dǎo)體裝置的有源前端。由整流器142所提供的直流電壓被DC鏈路144中的電容器C濾波和平流。經(jīng)濾波的直流電壓接著被施加到逆變器146，逆變器146可包括自換相半導(dǎo)體裝置，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其生成待施加到馬達(dá)150的交流電壓?？刂破?52和154可以加上整流器控制器和逆變器控制器或與整流器控制器和逆變器控制器一體地設(shè)置到整流器142和逆變器146，以阻尼在馬達(dá)150的軸上的扭轉(zhuǎn)振動。整流器控制器153和逆變器控制器155示出為連接到半導(dǎo)體裝置中的一些，但應(yīng)當(dāng)理解，所有半導(dǎo)體裝置都可以連接到控制器?？刂破?52和154可一起或單獨地設(shè)置，并且它們構(gòu)造成基于如參照圖4和圖5所討論的電氣測量值來確定動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，并且影響內(nèi)置整流器和逆變器控制的控制基準(zhǔn)，例如轉(zhuǎn)矩或電流控制基準(zhǔn)。根據(jù)圖12所示的示例性實施例，一般化的多質(zhì)量系統(tǒng)160可包括“η”個不同的質(zhì)量體，其具有對應(yīng)的慣性矩J1至Jn。例如，第一質(zhì)量體可以對應(yīng)于燃?xì)鉁u輪，第二質(zhì)量體可以對應(yīng)于壓縮機(jī)等，同時最后的質(zhì)量體可以對應(yīng)于電動馬達(dá)。假設(shè)電動馬達(dá)的軸對于諸如旋轉(zhuǎn)位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩的機(jī)械測量不可接近。此外，假設(shè)燃?xì)鉁u輪的軸可接近，并且以上指出的機(jī)械參數(shù)中的一個可以在燃?xì)鉁u輪處直接測量。就這一點而言，應(yīng)當(dāng)指出，燃?xì)鉁u輪通常具有測量軸的各種機(jī)械變量的高精度傳感器以用于防止燃?xì)鉁u輪受到可能的損壞。相反，常規(guī)馬達(dá)不具有這些傳感器，或者即使存在某些傳感器，它們的測量精度也較差。整個機(jī)械系統(tǒng)的微分方程給出如下
J(d92/dt2) + D(d9/dt) + Κθ = Text,
其中，J(扭轉(zhuǎn)矩陣)、D(阻尼矩陣)和K(扭轉(zhuǎn)剛度矩陣)為連接第一質(zhì)量體的特性(例如，(11(ι、(112、1 12、Λ)與其它質(zhì)量體的特性的矩陣，并且TextS例如由馬達(dá)施加到系統(tǒng)的外部(凈)轉(zhuǎn)矩?；谠摍C(jī)械系統(tǒng)模型，如果例如第一質(zhì)量體的特性已知，則可以確定第“η”質(zhì)量體的轉(zhuǎn)矩或其它動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量。換言之，設(shè)置在燃?xì)鉁u輪中的高精度傳感器可用來測量燃?xì)鉁u輪的軸的扭轉(zhuǎn)位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩中的至少一個。基于該測量值，可由系統(tǒng)的處理器或控制器78計算馬達(dá)(第“η”質(zhì)量體)或傳動系的另一分段的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，并且因此可以如上文已經(jīng)討論的那樣為逆變器或整流器生成控制數(shù)據(jù)。 換言之，根據(jù)該示例性實施例，控制器78需要從連接到馬達(dá)的一個渦輪機(jī)械接收機(jī)械相關(guān)信息，并且基于該機(jī)械相關(guān)信息，控制器能夠控制轉(zhuǎn)換器以在馬達(dá)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以阻尼扭轉(zhuǎn)振動。渦輪機(jī)械可不僅是燃?xì)鉁u輪，而且是壓縮機(jī)、膨脹器或其它已知的機(jī)械。在一個應(yīng)用中，不需要用于進(jìn)行阻尼的電氣測量。然而，電氣測量可與機(jī)械測量結(jié)合以用于實現(xiàn)阻尼。在一個應(yīng)用中，施加阻尼的機(jī)械(阻尼機(jī)械)對于機(jī)械測量不可接近，并且阻尼機(jī)械的動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量通過在機(jī)械連接到阻尼機(jī)械的另一個機(jī)械上執(zhí)行的機(jī)械測量來計算。所公開的示例性實施例提供了用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解，該描述并非意圖限制本發(fā)明。相反地，示例性實施例意圖覆蓋被包括在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替代形式、修改和等同物。此外，在示例性實施例的詳細(xì)描述中，提出了許多特定細(xì)節(jié)，以便提供對要求保護(hù)的本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，各種實施例可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實現(xiàn)。雖然本發(fā)明的示例性實施例的特征和要素在特定組合的實施例中被描述，但每個特征或要素可以在沒有實施例的其它特征和要素的情況下單獨使用，或者在有或沒有本文所公開的其它特征和要素的情況下以不同組合使用。該書面描述用所公開的主題的示例來使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實施本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并的方法。本主題的可專利范圍由權(quán)利要求所限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所想到的其它示例。這些其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種連接到轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器驅(qū)動機(jī)械地連接到系的電機(jī)，所述控制器系統(tǒng)包括 輸入接口，其構(gòu)造成接收與所述轉(zhuǎn)換器或所述電機(jī)的變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及 控制器，其連接到所述輸入接口且構(gòu)造成， 基于來自所述輸入接口的數(shù)據(jù)計算沿所述系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，基于所述至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為所述轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)，以用于阻尼在所述機(jī)械傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩，并且 將所述控制數(shù)據(jù)發(fā)送到所述轉(zhuǎn)換器，以用于調(diào)制在所述轉(zhuǎn)換器和所述電機(jī)之間交換的有效功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述生成的控制數(shù)據(jù)構(gòu)造成修改作為所述轉(zhuǎn)換器的一部分的整流器的整流器延遲角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述生成的控制數(shù)據(jù)構(gòu)造成修改作為所述轉(zhuǎn)換器一部分的逆變器的逆變器延遲角。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述接收的數(shù)據(jù)指示由所述轉(zhuǎn)換器提供給所述電機(jī)的電流和電壓。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述接收的數(shù)據(jù)指示在所述轉(zhuǎn)換器的整流器和逆變器之間的直流(DC)鏈路電流。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述接收的數(shù)據(jù)指示所述電機(jī)的角位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩，并且所述生成的控制數(shù)據(jù)構(gòu)造成修改作為所述轉(zhuǎn)換器的一部分的逆變器的逆變器延遲角或整流器的整流器延遲角。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步構(gòu)造成 接收指示所述電機(jī)的角位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩的反饋數(shù)據(jù)；并且基于指示所述轉(zhuǎn)換器的電氣變量的接收的數(shù)據(jù)和指示所述機(jī)械傳動系的角位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩的反饋數(shù)據(jù)而為所述轉(zhuǎn)換器確定所述控制數(shù)據(jù)，以用于阻尼所述扭轉(zhuǎn)振蕩。
8.一種用于驅(qū)動機(jī)械地連接到系的電機(jī)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 整流器，其構(gòu)造成接收來自電源的交流電流并將所述交流電流轉(zhuǎn)化為直流電流； 直流鏈路，其連接到所述整流器且構(gòu)造成傳輸所述直流電流； 逆變器，其連接到所述直流鏈路且構(gòu)造成將所接收的直流電流變?yōu)榻涣麟娏鳎? 輸入接口，其構(gòu)造成接收與所述直流鏈路或所述逆變器的電氣變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及 控制器，其連接到所述輸入接口且構(gòu)造成， 基于來自所述輸入接口的數(shù)據(jù)計算沿所述傳動系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量， 基于所述至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為所述整流器和/或逆變器生成控制數(shù)據(jù)，以用于阻尼在所述機(jī)械傳動系中的扭轉(zhuǎn)振湯，并且 將所述控制數(shù)據(jù)發(fā)送到所述整流器和/或逆變器，以用于調(diào)制在所述逆變器和所述電機(jī)之間交換的有效功率。
9.一種用于阻尼在機(jī)械地連接到傳動系的電機(jī)中的扭轉(zhuǎn)振動的方法，所述方法包括 接收與驅(qū)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)換器的電氣變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)； 基于所述接收的數(shù)據(jù)計算沿所述系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量； 基于所述至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為所述轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)，以用于阻尼所述扭轉(zhuǎn)振動； 將所述控制數(shù)據(jù)發(fā)送到所述轉(zhuǎn)換器，以用于調(diào)制在所述轉(zhuǎn)換器和所述電機(jī)之間交換的有效功率。
10.一種連接到轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)換器驅(qū)動機(jī)械地連接到系的電機(jī)，所述控制器系統(tǒng)包括 輸入接口，其構(gòu)造成接收與所述系的渦輪機(jī)械的機(jī)械變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及 控制器，其連接到所述輸入接口且構(gòu)造成， 基于所述渦輪機(jī)械的機(jī)械變量計算沿所述系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量，基于所述至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為所述轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)，以用于阻尼在所述機(jī)械傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩，并且 將所述控制數(shù)據(jù)發(fā)送到所述轉(zhuǎn)換器，以用于調(diào)制在所述轉(zhuǎn)換器和所述電機(jī)之間交換的有效功率。
全文摘要
一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)阻尼控制器系統(tǒng)連接到轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器驅(qū)動機(jī)械連接到系的電機(jī)?？刂破飨到y(tǒng)包括輸入接口，其構(gòu)造成接收與轉(zhuǎn)換器或電機(jī)的變量有關(guān)的測量數(shù)據(jù)；以及控制器，其連接到輸入接口?？刂破骰趤碜暂斎虢涌诘臄?shù)據(jù)計算沿系的軸的分段的至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量；基于該至少一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩分量為轉(zhuǎn)換器生成控制數(shù)據(jù)以用于阻尼機(jī)械傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩；以及將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器以用于調(diào)制在轉(zhuǎn)換器和電機(jī)之間交換的有效功率。
文檔編號H02P21/13GK102906991SQ201180027189
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者S.H.施拉姆, J.休伯, C.M.西勒, S.德弗蘭西斯西斯 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司