专利名称：基于锁相环的扭转模式阻尼系统和方法
技术领域：
本文所公开的主题的实施例通常涉及方法和系统，并且更特别地涉及用于阻尼出现在转动系统中的扭转振动的机制和技术。
背景技术：
油气工业具有以可变速度驱动各种机器的不断增长的需求。这样的机器可包含压缩机、电动机、膨胀机、燃气涡轮、泵等。可变频率电驱动增加能量效率并提供机器的增加的适用性。例如，用于驱动大型气体压缩机组的一个机制是负载换流逆变器(LoadCommutated Inverter, LCI)。气体压缩机组例如包含燃气润轮、马达及压缩机。气体压缩机组可包含更多或者更少的电机和涡轮机。然而，由电力电子设备驱动系统引入的问题是由于电谐波的电机的转矩中的纹波成分的生成。转矩的纹波成分可以驱动系统的扭转固有频率与机械系统相互作用，这是不希望的。
扭转振荡或振动是振荡性的角运动，其可出现在例如图I中所示的轴(具有附于其的各种体(mass))中。图I示出包含燃气涡轮12、马达14、第一压缩机16、及第二压缩机18的系统10。这些机器的轴彼此连接或由这些机器共享单个轴20。由于叶轮和其它体沿着轴20分布，可由扭转振荡(由具有附于轴的体(例如，叶轮)的不同速度的转动而产生)而影响轴20的转动。如以上所论述的，扭转振动典型地是由驱动电动机的电力电子设备而引入。例如，图I示出提供电力到LCI 24的电力网来源(电源)22，LCI 24又驱动马达14的轴20。电力网可以是隔离发电机。为了阻尼(最小化)扭转振动，如图2中示出(其对应于美国专利第7，173，399号的图1，受让于与本申请相同的受让人，通过参照将其全部公开并入此处)，逆变器控制器26可提供给LCI 24的逆变器28并可配置为引入逆变器延迟角度改变(Δ β )用于调制从逆变器28传递到马达14的有效功率的量。备选地，整流器控制器30可提供给整流器32并可配置为引入整流器延迟角度改变(Λ α )用于调制从发电机22传递到DC链接44并且从而到马达14的有效功率的量。要注意，通过调制从发电机22传递到马达14的有效功率的量，有可能阻尼出现在包含马达14和压缩机12的系统中的扭转振动。在这点上，要注意，马达14和燃气涡轮12的轴彼此连接而发电机22的轴不连接到马达14或压缩机12。两个控制器26和30分别从传感器36和38接收信号作为输入，并且这些信号指示由马达14和/或发电机22经历的转矩。换句话说，逆变器控制器26处理由传感器36感测的转矩值用于产生逆变器延迟角度改变(Λ β )而整流器控制器30处理由传感器38感测的转矩值用于生成整流器延迟角度改变(Λ α )。逆变器控制器26和整流器控制器30彼此独立并且这些控制器可一起或单独地实现在给定系统中。图2示出传感器36监测马达14的轴的部分(段)40并且传感器38监测发电机22的轴42。图2也示出整流器32和逆变器28之间的DC链接44。然而，有可能使用其它装置和方法来生成驱动系统中的阻尼。
发明内容
根据一个示范性实施例，存在着连接到转换器或放置在转换器自身中的控制器系统。转换器驱动包含电机和非电气机器(non-electrical machine)的驱动系统。控制器系统包含输入接口，配置为接收与转换器的变量相关的转换器数据；以及控制器，连接到输入接口。输入接口配置为从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号，从转换器接收转换器数据，比较转换器数据与第一数字信号，基于比较的结果而生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡，并且发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率。根据另一示范性实施例，存在着连接到转换器或放置在转换器自身中的扭转模式阻尼控制器系统。转换器驱动包含电机和非电气机器的驱动系统。控制器系统包含第一输入接口，配置为从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号；第二输入接口，配置为从第二锁相装置或第二动态观察器接收第二数字信号；以及控制器，连接到第一和第二输入接口。控制器配置为接收第一和第二数字信号，比较第一数字信号与第二数字信号， 基于比较的结果而生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡，并且发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率。根据又一示范性实施例，存在着用于驱动是驱动系统的一部分的电机的系统。该系统包含整流器，配置为从电源接收交流并且将交流变换成直流；直流链接，连接到整流器并配置为传送直流；逆变器，连接到直流链接并配置为将已接收的直流改变成交流；输入接口，配置为接收与转换器的变量相关的转换器数据；以及控制器，连接到输入接口。控制器配置为从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号，从转换器接收转换器数据，比较转换器数据与第一数字信号，基于比较的结果而生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡，并且发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率。根据另外示范性实施例，存在着用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法。该方法包含接收与转换器的变量相关的转换器数据的步骤；从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号的步骤；比较转换器数据与第一数字信号的步骤；基于比较的结果而生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡的步骤；以及发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤。根据另一示范性实施例，存在着用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法。该方法包含从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号的步骤；从附加于第一锁相装置或第一动态观察器的第二锁相环装置或第二动态观察器接收第二数字信号的步骤；比较第一数字信号与第二数字信号的步骤；基于比较的结果而生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡的步骤；以及发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤。根据又一示范性实施例，存在着包含计算机可执行指令的计算机可读介质，其中当执行该指令时，该指令实现用于阻尼扭转振动的方法。计算机指令包含在以前的段落中提到的方法中叙述的步骤。
并入并组成部分说明书的附示一个或多个实施例并且与描述一起来解释这些实施例。在图中
图I是连接到电机和两个压缩机的传统的燃气涡轮的示意 图2是包含整流器控制器和逆变器控制器的驱动系统的示意 图3是根据示范性实施例的由控制器控制的燃气涡轮、马达及负载的示意 图4是根据示范性实施例的转换器及关联逻辑的示意 图5是根据示范性实施例的转换器及关联逻辑的示意图；
图6是图示具有失效阻尼控制的轴的转矩的图表；
图7是图示根据示范性实施例的具有使能阻尼控制的轴的转矩的图表；
图8是根据示范性实施例的转换器及关联逻辑的示意 图9是根据示范性实施例的配置为控制转换器用于阻尼扭转振动的控制器的示意图； 图10是根据示范性实施例的提供调制给整流器的控制器的示意 图11是根据示范性实施例的控制整流器用于阻尼扭转振动的方法的流程 图12是根据示范性实施例的提供调制给整流器和逆变器的控制器的示意 图13是根据示范性实施例的在转换器的逆变器、整流器和DC链接上存在的电压的示意 图14是根据示范性实施例的指示α和β角度调制的扭转效果的图表；
图15是根据示范性实施例的控制逆变器和整流器用于阻尼扭转振动的方法的流程
图16是根据示范性实施例的用于阻尼扭转振动的电压源逆变器及关联控制器的示意
图17是多体系统的不意 图18是根据示范性实施例的用于基于一个锁相环或动态观察器而阻尼扭转振动的控制系统的不意 图19是根据示范性实施例的用于基于一个或多个锁相环装置而阻尼扭转振动的控制系统的不意 图20是图示根据示范性实施例的用于基于单个锁相环装置而阻尼扭转振动的方法的流程图；以及
图21是图示根据示范性实施例的用于基于两个锁相环装置而阻尼扭转振动的方法的流程图。
具体实施例方式示范性实施例的以下描述参考附图。不同附图中的相同参考标号识别相同或类似的元件。下文的详细描述并不限制本发明。反而，本发明的范围由所附的权利要求定义。为简单起见，关于由负载换流逆变器驱动的电动机的术语和结构，论述以下实施例。然而，接着将论述的实施例并不限制于这样的系统，还可应用于(利用适当的调整)由其它装置(例如，电压源逆变器(VSI))驱动的其它系统。对“一个实施例”或“实施例”的遍及说明书的参考意味着结合实施例描述的特定的特征、结构或特性包含在所公开主题的至少一个实施例中。因此，遍及说明书的各位置中的“在一个实施例中”或“在实施例中”的短语的出现不一定指相同的实施例。另外，可在一个或多个实施例中以任何合适的方式来组合特定的特征、结构或特性。根据示范性实施例，扭转模式阻尼控制器可配置为获取关于电机(其可以是马达或发电机)的轴和/或涡轮机(其机械地连接到电机)的轴的电和/或机械测量并且基于电和/或机械测量而估计在驱动系统的所希望的轴位置上的动态转矩成分和/或转矩振动。动态转矩成分可以是轴的转矩、扭转位置、扭转速度或扭转加速度。基于一个或多个动态转矩成分，控制器可调整/修改驱动电机的整流器的一个或多个参数来将所希望的转矩应用于阻尼转矩振荡。如接着将论述的，存在着控制器的各种数据源用于基于整流器控制而确定阻尼。
根据图3中示出的示范性实施例，系统50包含燃气涡轮52、马达54以及负载56。包括燃气涡轮和/或多个压缩机或其它涡轮机作为负载56的其它配置是可能的。另外，该其它配置可包含一个或多个膨胀机、一个或多个发电机、或具有转动部分(例如，风力涡轮、变速箱)的其它机器。图3中示出的系统是示范性并且是简化的用于新颖特征的更好理解。然而，本领域的技术人员会意识到具有更多或更少部件的其它系统可适应于包含现在论述的新颖特征。各种体(与机器的转子和叶轮关联)到轴58的连接使系统50倾向于潜在的扭转振动。这些扭转振动可扭动轴58，其可导致轴系统(其可不仅包含轴或多个轴，取决于具体情形也可包含耦合和变速箱)的显著寿命减小或甚至破坏。示范性实施例提供用于减小扭转振动的机制。为激活马达54，从电力网或本地发电机60 (在岛式或类岛式电力系统的情况下)供应电力。为了以可变速度来驱动马达54，在电网60和马达54之间提供负载换流逆变器(LCI)62。如图4中所示，LCI 62包含连接到DC链接68的整流器66，DC链接68连接到逆变器70。整流器66、DC链接68、及逆变器70是在本领域中已知的并且此处不另外论述它们的具体结构。如上所述，新颖特征可应用于(利用适当的改变)VSI系统。仅用于图示，关于图16而示出并简要地论述示范性VSI。图4指示从输电网60接收的电流和电压分别是三相电流和电压。对于通过整流器、逆变器及马达的电流和电压也是这种情况，并且在图4中由符号“/3”指示此事实。然而，示范性实施例的新颖特征可应用于配置为对多于三相有效的系统(例如，6相和12相系统)。LCI 62也包含电流和电压传感器，由图4中的圆圈A和圆圈V指代。例如，电流传感器72提供在DC链接68中来测量电流iD。。备选地，基于在AC侧进行的测量来计算DC链接中的电流，例如作为这些传感器的电流传感器84或74比DC传感器便宜。另一示例是电流传感器74 (测量由逆变器70提供到马达54的电流iab。)以及电压传感器76 (测量由逆变器70提供到马达54的电压vab。)。要注意，这些电流和电压可提供作为对控制器78的输入。本文使用术语“控制器”来包括任何适当的数字、模拟、或其组合电路或处理单元用于完成所指定的控制功能。返回到图3，要注意，控制器78可以是LCI 62的一部分或可以是与LCI 62交换信号的独立的控制器。控制器78可以是扭转模式阻尼控制器。
图4也示出可接收关于图3中示出的燃气涡轮52、马达54及负载56中的一个或多个的机械测量的LCI控制器80。对于控制器78也是这种情况。换句话说，控制器78可配置为从图3中示出的系统50的任何部件来接收测量数据。例如，图4示出测量数据源79。此数据源可提供来自系统50的任何部件的机械测量和/或电测量。用于更好的理解并且不限制示范性实施例的特定示例是当数据源79与燃气涡轮52关联时。可由现存的传感器测量燃气涡轮52的扭转位置、速度、加速度或转矩。此数据可提供给如图4中示出的控制器78。另一示例是在转换器62或马达54上采取的电测量。若有必要，则数据源79可提供这些测量给控制器78或控制器80。基于各种参考82和从传感器84接收的电流idx，控制器80可生成整流器延迟角度α用于控制整流器66。要注意，关于整流器延迟角度a，LCI被设计为从电网60传递有效功率到马达54，或反之亦然。利用最佳功率因数实现此传递包括整流器延迟角度α和逆变器延迟角度β。通过应用(例如)正弦波调制，可调制整流器延迟角度α。此调制可应用于有限量的时间。在一个应用中，持续地应用调制但调制的幅度变化。例如，由于轴中没有扭转振动，调制的幅度可为零，即，没有调制。在另一示例中，调制的幅度可与轴的检测出 的扭转振动成比例。另一控制器86可用于生成逆变器70的逆变器延迟角度β。调制逆变器延迟角度β弓丨起调制逆变器DC电压(这引起DC链接电流的调制)并且引起负载输入功率上的有效功率振荡。换句话说，为了实现扭转模式阻尼，只调制逆变器延迟角度引起主要来自存储在DC链接68中的磁能的阻尼电力。逆变器延迟角度的调制引起转动能变换成磁能，并且反之亦然，这取决于转动轴是加速还是减速。另外，图4示出整流器66的栅极控制(gate control)单元88以及逆变器70的栅极控制单元90，栅极控制单元88和90基于从控制器80和86接收的信息而直接控制整流器和逆变器。可选的传感器92可位于紧接马达54的轴来检测动态转矩成分，例如，在轴中存在的转矩或轴的扭转速度或轴的扭转加速度或轴的扭转位置。其它类似传感器92可位于马达54和燃气涡轮52之间或位于燃气涡轮52。关于测量出的动态转矩成分(由传感器92)的信息Ux可提供给控制器78、80和86。图4也示出相加块94和96，其将来自控制器78的信号加上由控制器80和86生成的信号。根据图5中图示的示范性实施例，扭转模式阻尼控制器78可接收在LCI 62或逆变器70的输出91处测量出的电流iab。和电压vab。。基于这些值(没有关于马达的轴的测量出的转矩或速度或加速度的信息)，计算马达的气隙转矩并馈送给系统的机械模型。可由若干个微分式子(表示机械系统的动态行为并链接电参数到系统的机械参数)来表示系统的机械模型。例如，模型表示包含估计的惯性、阻尼及刚度值(其可由场测量校验)并且允许计算轴的动态行为(例如，扭转振荡)。扭转模式阻尼的所需精确度可主要实现为动态转矩成分的相位(与扭转模式阻尼有关)的精确度，并且幅度信息或绝对转矩值不十分重要。在这点上，要注意，电机的气隙转矩是驱动系统的电和机械系统之间的链接。在气隙转矩中，电系统中的所有谐波和间谐波也是显著的。在机械系统的固有频率上的间谐波可以激励扭转振荡并且潜在地引起在轴的额定值以上的机械系统中的动态转矩值。现存的扭转模式阻尼系统可抵消这样的扭转振荡但这些系统需要表示马达的动态转矩的信号并且此信号是从传感器(其有效地监测马达的轴或马达的轴部件，例如沿着马达的轴安装的齿轮)获取。根据示范性实施例，不需要这样的信号作为基于电测量而评价的动态转矩成分。然而，如将在以后论述的，一些示范性实施例描述其中可使用系统的其它部件(例如，燃气涡轮)处的可用机械测量来确定沿着机械轴的动态转矩成分的情形。换句话说，根据示范性实施例的优势在于应用扭转模式阻尼而无需在机械系统中感测扭转振动。因此，可应用扭转模式阻尼而不需要在电或机械系统中安装附加的感测，因为电流电压和/或电流和/或速度传感器可以较低成本来可用。在这点上，要注意，对于高功率应用，用于测量转矩的机械传感器是昂贵的，并且有时这些传感器无法添加到现存的系统。因此，由于现存的扭转模式阻尼系统要求传感器来测量表示系统的机械参数(其指示转矩)的信号，所以对于这样的情况无法实现现存的扭转模式阻尼方案。相反地，图5的示范性实施例的方式是可靠的，成本可取的并且允许现存的系统的翻新。在接收到图5中指示的电流和电压时，控制器78可生成适当的信号(Λ α和Λ β中的一个或多个的调制)用于控制整流器延迟角度α和/或逆变器延迟角度β。因此，根据图5中所示的实施例，控制器78从逆变器70的输出91接收测量出的电信息并基于例如专利第7，173，399号中描述的阻尼原理来确定/计算各种延迟角度。在一个应用中，延迟 角度可限制为窄的并且已定义的范围(例如2到3度)，而不影响逆变器和/或转换器的操作。在一个应用中，延迟角度可限制于仅一个方向(负或正)来由晶闸管的过热点火而防止换向故障。如图5中图示，由于不基于连接到马达54的机械驱动系统的测量出的信号(反馈)而调节/校验各种角度的校正，所以此示范性实施例是开环。另外，进行的仿真示出当使能控制器78时扭转振动减小。图6示出当控制器78失效时马达54的轴的转矩的振荡100相对于时间，图7示出当使能控制器78来生成α调制(例如，在时间12s上)时而机械驱动系统操作于可变速度操作并且在t=12s上交叉临界速度，如何减少/阻尼相同振荡。两个图绘出y轴上的仿真转矩相对于X轴上的时间。根据图8中图示的另一示范性实施例，控制器78可配置为基于从DC链接68获取的电学量而计算延迟角度改变(调制)Λ α和/或Λ β中的一个或多个。更具体地，可在DC链接68的电感器104处测量电流iDC并且此值可提供给控制器78。在一个应用中，只有单个电流测量用于馈送控制器78。基于测量出的电流的值以及系统的机械模型，控制器78可生成以上指出的延迟角度改变。根据另一示范性实施例，可基于在整流器66或逆变器70进行的电流和/或电压测量而估计直流IDC。在关于图5和图8论述的任何实施例中，可基于闭环配置而修改由控制器78计算出的延迟角度改变。闭环配置由图8中的虚线110图示。闭环指示的是可利用适当的传感器112来确定马达54的轴的角位置、速度、加速度或转矩并且此值可提供给控制器78。若传感器或多个传感器112提供给燃气涡轮或沿着图3中示出的轴58的其它位置，则也是这种情况。现在关于图9而论述控制器78的结构。根据示范性实施例，控制器78可包含输入接口 120 (或配置为从系统的各部件接收信号的多个输入接口)，其连接到处理器、模拟电路、可重新配置的FPGA卡等中的一个122。元件122配置为从LCI 62接收电参数并且计算延迟角度改变。元件122可配置为存储机械模型128 (关于图17而公开更多细节)并且输入在输入接口 120接收的电和/或机械测量到机械模型128来计算马达54的动态转矩成分中的一个或多个。基于一个或多个动态转矩成分，在阻尼控制单元130中生成阻尼控制信号并且输出信号然后转送到相加块和栅极控制单元。根据另一示范性实施例，控制器78可以是模拟电路、可重新配置的FPGA卡或其它专用电路用于确定延迟角度改变。在一个示范性实施例中，控制器78持续地从各电流和电压传感器接收电测量并且基于动态转矩成分(其是基于电测量而计算出的)而持续地计算扭转阻尼信号。根据此示范性实施例，控制器不确定扭转振动是否存在于轴中而是基于计算出的动态转矩值而持续地计算扭转阻尼信号。然而，若不存在扭转振动，则由控制器生成并发送到逆变器和/或整流器的扭转阻尼信号不影响逆变器和/或整流器，即，由阻尼信号提供的角度改变为可忽略的或为零。因此，根据此示范性·实施例，仅当存在扭转振动时，信号影响逆变器和/或整流器。根据示范性实施例，在燃气涡轮轴上的直接转矩或速度测量(或在轴中的已估计的速度或转矩信息)使控制器能将在反相中的LCI中的能量传递调制到扭转振荡的扭转速度。在发电机和LCI驱动之间交换的阻尼动力可以是电子地调节的并且可具有对应于轴系统的固有频率的频率。对于具有高的Q因子的机械系统(即，由具有高的扭转刚度的钢做成的转子轴系统)，此阻尼方法是有效的。此外，将振动电转矩应用到马达的轴并且具有对应于机械系统的共振频率的频率的此方法使用很少的阻尼动力。因此，以上论述的控制器可集成到基于LCI技术的驱动系统中而不使驱动系统超载。此促进新颖的控制器实现到新的或现存的电力系统并且使它具有经济吸引力。可无需改变现存的电力系统(例如，延伸岛式网络中的一个LCI驱动的控制系统)而实现控制器。若LCI操作的速度和转矩在大的范围中变化，则扭转模式阻尼的效力可取决于电网侧转换器电流控制性能。扭转模式阻尼操作在扭转固有频率上引起小的附加的DC链接电流纹波。其结果是，在此频率上有两个电力成分预期的成分(由于逆变器点火角控制)以及附加的成分(由于附加的电流纹波)。此附加的电力成分的相位和幅度是系统参数、电流控制设置及操作点的函数。这些成分引起取决于电流控制的电力成分以及取决于角度调制的成分。根据示范性实施例，可由控制器实现电力调制的两个备选方式。第一方式是在电网侧上直接地使用电流参考(要求快的电流控制实现)，例如，具有阻尼成分的α调制。第二方式是调制电网侧和机器侧角度(引起常数DC链接电流)，例如具有阻尼频率成分的α-β调制。电网侧上的电流控制是此阻尼控制的一部分并且因此电流控制不抵消角度调制的影响。以此方式，阻尼效应更高并且独立于电流控制设置。根据图10中图示的示范性实施例，系统50包含与图3和图4中所示的系统类似的元件。控制器78配置为接收关于系统50的马达54或负载56或燃气涡轮(未示出)中的一个或多个的电测量(如图4、图5及图8中示出)和/或机械测量(例如参见图4和图8或图10中的传感器112和链接110)。仅基于电测量，或仅基于机械测量，或基于两个的组合，控制器78生成控制信号用于将α调制应用于整流器66。例如，由α调制实现电流参考调制而在逆变器70上将β角度维持为常数。例如，由图4和图10中的Λ α表示α调制。要注意，出于至少两个原因，此α调制不同于在美国专利第7，173，399号中公开的调制。第一差别是在本示范性实施例中，从沿着轴58的位置(S卩，马达54、负载56和/或燃气涡轮52)获取机械测量(若使用)而美国专利第7，173，399号使用发电机22 (参见图2)的测量。第二差别是根据示范性实施例，控制器78没有接收并使用机械测量用于进行α调制。根据图11中图示的示范性实施例，存在着用于阻尼包含电机的压缩机组中的扭转振动的方法。该方法包含接收与(i)驱动电机的转换器或(ii)压缩机组的参数相关的测量出的数据的步骤1100，基于测量出的数据计算电机的至少一个动态转矩成分的步骤1102，基于至少一个动态转矩成分而生成转换器的整流器的控制数据用于阻尼压缩机组的轴中的扭转振荡的步骤1104，以及发送控制数据到整流器用于调整在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤1106。根据图12中图不的另一不范性实施例，系统50可具有同时受控(即，α调制和β调制)的整流器66和逆变器70用于阻尼扭转振荡。如图12中示出，控制器78提供整流器控制器88和逆变器控制器90的调制。基于(i)在马达54、负载56和/或燃气涡轮52中的一个上由传感器112测量的机械测量，(ii)如图4、图5及图8中示出的电测量，或(i) 和(ii)的组合，控制器78确定适当的调制。 更具体地，如接着参考图13而论述的，可使α调制和β调制相关。图13示出跨整流器66、DC链接68及逆变器70的表示电压降。α调制和β调制的结果是，希望DC链接电流为常数。给出图13中示出的关联的电压降为
Vdc。=k Vacg cos(a)
Vocp = k- Vacm -cos(p),以及Voca = Vdcp + Vdcl ’
其中VAa;是图12中的电力网60的电压幅度并且Vaqi是马达54的电压幅度。通过区分与时间的最后关系并且施加在时间中VDa的改变为零的条件，在α调制和β调制之间获取以下数学关系
d(Voco)/df = - k*VACQ-sinfa)以及= - t<-VAc -sin騎，其引起
da = <νΑ€Μ·3 η{β))/(νΑ€β*3 η{α))'( β0基于此最后关系，同时进彳丁 α调制和β调制，例如，如图14中不出。图14不出在tfl. 5秒周围增加的实际转矩200。要注意，没有将α调制202或β调制204应用在tQ和&之间。在&处，将激励206应用在&和t2之间并且应用调制202和204。要注意，在时间间隔h到t2的结束，移除这两种调制并且转矩200的振荡指数地减小(由于机械驱动系统的固有的机械阻尼性质)。此示例是仿真的并且不在真实系统中测量。由于此原因，两种调制严格受控，例如，开始于^并且停止于t2。然而，在α调制和β调制的真实实现中，可持续地进行调制且基于扭转振荡的严重程度而调整调制的幅度。在β调制上的此组合调制的优势是在不同操作点上不需要相位适应并且LCI控制参数可不具有对阻尼性能的影响。提供此调制示例来说明调制两个延迟角度对机械系统的影响。使用对具有逆阻尼性能的扭转阻尼系统的机械系统的开环响应来示出仿真结果。根据图15中图示的示范性实施例，存在着用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法。该方法包含接收与(i)驱动电机的转换器或(ii)驱动系统的参数相关的测量出的数据的步骤1500，基于测量出的数据计算电机的至少一个动态转矩成分的步骤1502，基于至少一个动态转矩成分而生成转换器的逆变器和整流器中的每个的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡的步骤1504，以及发送控制数据到逆变器和整流器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤1506。要注意，动态转矩成分包含与机械轴的段相关的转动位置、转动速度、转动加速度或转矩。也要注意，表达“调制有效功率”表达在某时刻的调制(即使周期T上的平均有效功率为零)的思想。此外，若使用VSI来代替LCI，则可合适地修改另一电学量来代替有效功率。根据图16中图示的示范性实施例，VSI 140包含以此顺序彼此连接的整流器142、DC链接144、以及逆变器146。整流器142从电源148接收电网电压并且可包含例如基于半导体装置的二极管电桥或有源前端。由整流器142提供的DC电压由DC链接144中的电容器C滤波并平滑化。然后，将已滤波的DC电压施加到逆变器146 (其可包含自换向半导体装置，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它产生施加到马达150的AC电压)。可提供控制器152和154用于整流器142和逆变器146(除整流器和逆变器控制器以外或与整流器和逆变器控制器一起集成)来阻尼马达150的轴上的扭转振动。示出整流器控制器153和逆变器控制器155连接到一些半导体装置但应该理解所有半导体装置可连接到控制器。可一起或单独提供控制器152和154并且它们配置为基于如关于图4和图5论述的电测量来确定动 态转矩成分并且影响内置整流器和逆变器控制的控制参考(例如，转矩或电流控制参考)。根据图17中图示的示范性实施例，广义多体系统160可包含具有对应惯性J1到Jn的力矩的η个不同的体。例如，第一体可对应于燃气涡轮，第二体可对应于压缩机等，而最后的体可对应于电动机。假设电动机的轴对机械测量(例如，转动位置、速度、加速度或转矩)是不可接近的。另外，假设燃气涡轮的轴是可接近的并且可直接在燃气涡轮上测量以上提到的机械参数中的一个。在这点上，要注意，通常燃气涡轮具有测量轴的各种机械变量的高精确性传感器用于保护燃气涡轮免受可能的损害。相反地，传统的马达不具有这些传感器或即使存在一些传感器，它们的测量的精确性也很差。整个机械系统的微分式子给出为
J_2/dt2) + D __ + ΚΘ = T战，
其中J (扭转矩阵)、D (阻尼矩阵)、以及K (扭转刚度矩阵)是连接第一体的特性(例如，dlO、dl2、kl2、Jl)到另一体的特性的矩阵并且Text是(例如由马达)施加到系统的外部(净)转矩。基于机械系统的此模型，若例如已知第一体的特性，则可确定“η”体的转矩或其它动态转矩成分。换句话说，在燃气涡轮中提供的高精确性传感器可用于测量燃气涡轮的轴的扭转位置、速度、加速度或转矩中的至少一个。基于此测量值，可由系统的处理器或控制器78来计算马达(“η”体)或驱动系统的另一段的动态转矩成分并且如以上已经论述的，因此可生成控制数据用于逆变器或整流器。换句话说，根据此示范性实施例，控制器78需要从连接到马达的一个涡轮机接收机械相关的信息并且基于此机械相关的信息，控制器能够控制转换器来生成马达中的转矩来阻尼扭转振动。涡轮机可不仅是燃气涡轮也可以是压缩机、膨胀机或其它已知机器。在一个应用中，不必要有电测量来进行该阻尼。然而，电测量可与机械测量组合用于实现阻尼。在一个应用中，施加阻尼的机器(阻尼机器)对机械测量是不可接近的并且由在另一机器(机械连接到阻尼机器)上进行的机械测量而计算阻尼机器的动态转矩成分。根据图18中图示的示范性实施例,只示出马达150和LCI马达侧184上的逆变器。马达的轴的位置和速度是可用于控制驱动系统的变量。马达的轴的位置(或马达电压向量)可用于精确地确定马达侧上的β点火。马达的轴的位置可以从附于马达的轴的位置传感器获取或无需直接的位置传感器而获取(例如，通过由马达和/或驱动自身的电变量馈送的观察器模型的使用)。类似地，可从马达和/或驱动电变量(例如，马达电压)评价马达电压向量。马达端子电压和/或电流波形可包含大的噪声和换向尖峰。由于此原因，马达端子电压和/或电流不直接用来确定马达电压向量位置或马达转子位置。在一个应用中，对马达/驱动电变量(例如，通过观察器模型的使用或通过使用PLL (锁相环)装置)施加滤波操作。图18示出用于解释如何在马达侧上生成点火脉冲的示范性实施例(假定没有位 置传感器直接附于马达)。然而，如上所述，有可能通过使用位置传感器来实现相同的结果。从来自马达182和/或驱动系统的电变量186开始，通过使用观察器或PLL块180来导出马达电压向量或马达转子位置。此瞬时角度188馈送到调制器190，以便决定并发送点火命令194到逆变器，其也取决于β命令192。如本领域技术人员会意识到的，其它方法可用于锁定马达电压向量位置或马达转子位置。考虑图18中图示的示范性实施例，PLL或观察器180的动态特性必须足够地精确来精确地追踪马达电压向量位置或马达转子位置并且避免安全性角度的减小(假设真实和“观察”位置之间的高的差异)。此处要注意，术语“观察”不仅用来指代由动态观察器产生的变量，也指代由PLL系统产生的变量。根据图19中图示的另一示范性实施例，可实现全逻辑方法用于阻尼驱动系统中的扭转振荡。图19只示出驱动系统的马达150和LCI 62。关于图19中图示的示范性实施例，感兴趣的是PLL (或观察器)162的操作。在此示范性实施例中，PLL (或观察器)锁定到马达电压的零交叉(由块160检测)。然而，这不意味着限制所使用的PLL和相位解调器的类型或所使用的动态观察器的类型。要注意，PLL被认为是特定类型的观察器。由于此原因，当提及观察器时，它也可能意味着PLL系统，或者当提及PLL时，它也可能意味着观察器。接着检测器160中的零交叉操作，生成数字方波并提供到PLL/观察器162。PLL/观察器162追踪此波形(可用其它已知方法来代替零交叉)。PLL/观察器162的输出是瞬时角度，其可以是模拟或数字变量。瞬时观察角度提供到控制器78用于确定马达上的角度β的致动。由于此原因，PLL/观察器162的动态特性必须足够地精确来精确地追踪马达转子或马达电压向量位置并且避免安全性角度的减小(假设动态误差)。驱动系统上的扭转振荡反映在马达段上的速度振荡上并且此速度振荡反映在马达电压的幅度和频率上。若PLL/观察器是精确的，则在追踪信号中此速度振荡是显著的。假如马达侧上的点火角(α、β、或它们两者)基于由PLL/观察器162提供的参考信号而调制，则因此断定修改PLL/观察器传递功能可对阻尼扭转振荡具有影响。例如，假设所希望的马达侧上的点火角是常数并且扭转振荡存在于马达段上的速度振荡中。关于PLL/观察器输出参考而计算输出电桥上的点火时间。若PLL/观察器不精确地追踪马达电压(有意地或无意地)并且基于“观察角度”(其不同于真实角度，因为PLL/观察器是不精确的)而调制常数点火角，则马达侧上的真实点火角由速度自身调制，取决于PLL/观察器传递功能。具有点火角的调制(其是对轴中的速度振荡的响应)可起到减震器的作用。因此，图19图示在控制器78 (例如，以上关于图9论述的逻辑块或控制器)中如何比较PLL/观察器162的数字输出与表示马达电压的方波信号。控制器78从检测器160沿着链接172接收表示马达电压的信号。如已指出的，电压的零交叉不是与马达/驱动变量(其可馈送PLL (或观察器)162)相关的唯一信号。然后，通过数字操作，生成校正信号。这样的信号可以是模拟或数字信号。在第一情况(混合方案)中，信号从控制器78沿着链接174发送并且用来调制所希望的α和/或β角度。在第二情况(数字方案)中，数字信号直接从控制器78 (参见图19中的链接170)发送到逆变器/转换器的栅极来进行换向。要注意，此处描述的操作(PLL/观察器的输出与来自马达的输入信号之间的比较)可以已嵌入在PLL (相位比较器)或观察器中。控制器78可包含配置为校验β角度上的校正信号不减小安全性极限(单极调制，因为β角度只能减小而不能增加)的控制逻辑。图19也示出限制由控制器78产生的调制的值的可选的限制器166。可选地，开关168可提供在限制器166和LCI 62之间用于接通和切断由控制器78生成的控制数据(其提供给 LCI 62)。在一个应用中，若PLL/观察器162不精确地追踪马达转子或马达电压向量位置，则图19的上述算法可更有效率地工作。在具有“观察”和真实位置之间的显著差别的尝试 中，修改PLL/观察器传递功能来阻尼振荡可具有一系列缺点(包含可能的安全性角度的减小)。由于此原因，第二 PLL/观察器164可提供在控制器78内。以此方式，第一 PLL/观察器162可以足够地精确来追踪马达转子或马达电压向量位置，而第二 PLL/观察器164配置为用不同的动态(现在可选择它而没有许多限制)跟随马达转子或电压向量位置。在稳定状态中，以常数速度，两个PLL/观察器的输出可以是相同的，而在瞬态期间(包含以中心值周围的速度的振荡)，两个PLL/观察器的输出是不同的。两个PLL/观察器之间的比较结果可用于实现另一阻尼方案。在使用两个PLL/观察器的情况下，混合方案是可能的(例如，通过改变β参考值来调制角度β )或全数字方案是可能的(来自两个PLL/观察器的两个数字信号的比较被数字地处理并且比较的结果是直接发送到逆变器的栅极单元的命令而没有对β角度参考值的任何直接调制)。根据示范性实施例，图20中图示用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法。该方法包含接收与转换器的变量(例如零交叉)相关的转换器数据的步骤2000，从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号的步骤2002，比较转换器数据与第一数字信号的步骤2004，基于比较的结果生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡的步骤2006，以及发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤2008。在可选的步骤中，控制数据是数字的并且直接发送到转换器用于换向转换器的栅极或控制数据是模拟的并且用于产生施加到转换器调制器的α、β、或α和β调制。然而，若使两个PLL (或观察器)单元在系统中是可用的，则可实现不同的方法用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动。根据图21中图示的本实施例，该方法包含从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号的步骤2100，从第二锁相环装置或第二动态观察器接收第二数字信号的步骤2102，比较第一数字信号与第二数字信号的步骤2104，基于比较的结果生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼驱动系统的轴中的扭转振荡的步骤2106，以及发送控制数据到整流器和/或逆变器用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率的步骤2108。在可选的步骤中，控制数据是数字的并且直接发送到转换器用于换向转换器的栅极或控制数据是模拟的并且用于产生施加到转换器调制器的α、β、或α和β调制。所公开的示范性实施例提供用于阻尼扭转振动的系统和方法。应该理解此描述不旨在限制本发明。相反地，示范性实施例旨在覆盖备选、修改及等效，其包含在由所附的权利要求定义的本发明的精神和范围中。例如，该方法可应用于其它电动机驱动机械系统，例如大的水泵、抽运水电站等。另外，在示范性实施例的详细描述中，阐述许多具体细节以便提供所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域的技术人员会理解可实践各实施例而没有这样的具体细节。虽然在实施例中以特定组合来描述本示范性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可单独使用而没有实施例的其它特征和元件，或与(或不与)本文公开的其它特征和元件的各种组合。本书面描述使用所公开主题的示例来使本领域的任何技术人员能实践本书面描述，包含做出并使用任何装置或系统并且进行任何并入的方法。本主题的可专利范围由权利要求定义，并且可包含本领域技术人员所想到的其它示例。这样的其它示例旨在落在权 利要求的范围内。
权利要求
1.一种连接到转换器或放置在所述转换器自身内的扭转模式阻尼控制器系统，所述转换器驱动包含电机和非电气机器的驱动系统，所述控制器系统包括 输入接口，配置为接收与所述转换器的变量相关的转换器数据；以及 控制器，连接到所述输入接口并且配置为 从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号， 从所述转换器接收所述转换器数据， 比较所述转换器数据与所述第一数字信号， 基于所述比较的结果生成所述转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼所述驱动系统的轴中的扭转振荡，以及 发送所述控制数据到所述整流器和/或所述逆变器用于调制在所述转换器和所述电机之间交换的有效功率。
2.如权利要求I所述的控制器系统，其中所述控制数据是数字的并且直接发送到转换器调制器和/或栅极单元用于换向所述转换器的栅极。
3.如权利要求I或2所述的控制器系统，其中所述控制数据是模拟的并且用于产生施加到转换器调制器的α、β、或α和β调制。
4.如前述权利要求中的任一项所述的控制器系统，其中所述转换器的所述变量包含供应到马达的电压或电流。
5.如前述权利要求中的任一项所述的控制器系统，其中所述转换器数据与交流电压或电流的零值相关。
6.如前述权利要求中的任一项所述的控制器系统，其中所述控制器配置为仅基于所述转换器数据生成所述控制数据。
7.一种连接到转换器或放置在所述转换器自身内的扭转模式阻尼控制器系统，所述转换器驱动包含电机和非电气机器的驱动系统，所述控制器系统包括 第一输入接口，配置为从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号； 第二输入接口，配置为从第二锁相装置或第二动态观察器接收第二数字信号；以及 控制器，连接到所述第一输入接口和所述第二输入接口并且配置为 接收所述第一数字信号和所述第二数字信号， 比较所述第一数字信号与所述第二数字信号， 基于所述比较的结果生成所述转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼所述驱动系统的轴中的扭转振荡，以及 发送所述控制数据到所述整流器和/或所述逆变器用于调制在所述转换器和所述电机之间交换的有效功率。
8.一种用于驱动是驱动系统的一部分的电机的系统，所述系统包括 整流器，配置为从电源接收交流并且将所述交流变换成直流； 直流链接，连接到所述整流器并配置为传送所述直流； 逆变器，连接到所述直流链接并配置为将接收的所述直流改变成交流； 输入接口，配置为接收与所述转换器的变量相关的转换器数据；以及 控制器，连接到所述输入接口并且配置为 从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号，从所述转换器接收所述转换器数据， 比较所述转换器数据与所述第一数字信号， 基于所述比较的结果生成所述转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼所述驱动系统的轴中的扭转振荡，以及 发送所述控制数据到所述整流器和/或所述逆变器用于调制在所述转换器和所述电机之间交换的有效功率。
9.一种用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法，所述方法包括 接收与所述转换器的变量相关的转换器数据； 从第一锁相环装置或动态观察器接收第一数字信号； 比较所述转换器数据与所述第一数字信号； 基于所述比较的结果生成所述转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼所述驱动系统的轴中的扭转振汤；以及 发送所述控制数据到所述整流器和/或所述逆变器用于调制在所述转换器和所述电机之间交换的有效功率。
10.一种用于阻尼包含电机的驱动系统中的扭转振动的方法，所述方法包括 从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号； 从附加于所述第一锁相装置或所述第一动态观察器的第二锁相环装置或第二动态观察器接收第二数字信号； 比较所述第一数字信号与所述第二数字信号； 基于所述比较的结果生成所述转换器的整流器和/或逆变器的控制数据用于阻尼所述驱动系统的轴中的扭转振汤；以及 发送所述控制数据到所述整流器和/或所述逆变器用于调制在所述转换器和所述电机之间交换的有效功率。
全文摘要
扭转模式阻尼控制器系统连接到转换器或放置在转换器内。转换器驱动包含电机和非电气机器的驱动系统。控制器系统包含第一输入接口，配置为从第一锁相装置或第一动态观察器接收第一数字信号；第二输入接口，配置为从第二锁相装置或第二动态观察器接收第二数字信号；以及控制器，连接到第一和第二输入接口。控制器配置为接收第一和第二数字信号，比较第一数字信号与第二数字信号，生成转换器的整流器和/或逆变器的控制数据，并且发送控制数据到整流器和/或逆变器。
文档编号H02P21/05GK102823127SQ201180017902
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月1日
发明者S.德弗朗西斯西斯 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司