專利名稱：抗扭振模式阻尼系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及阻尼扭轉(zhuǎn)振動。
背景技術(shù)：
包括諸如渦輪發(fā)電機、電動機或壓縮機的一串牽引機和負(fù)載的軸裝配組 件，有時會在低于網(wǎng)絡(luò)同步頻率的頻率情況下呈現(xiàn)出弱阻尼的機械諧振(扭振 模式)。如果電力網(wǎng)絡(luò)利用發(fā)電機在軸系統(tǒng)的一個或幾個固有頻率下交換巨大 能量，則隨著時間的過去可能會出現(xiàn)機械損傷。對于扭振諧振現(xiàn)象，常規(guī)對策
包括努力消斷皆振激脅源，例如，M改變網(wǎng)絡(luò)、運行或者控制參數(shù)。
當(dāng)動力系統(tǒng)連接到帶有許多千兆瓦發(fā)電動力的大型公共設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(utility networ)時，電力負(fù)載對該動力系統(tǒng)的影響是可以忽略不計的。相比之下，島 式動力系統(tǒng)不與大型公共設(shè)備網(wǎng)絡(luò)相連接，并且類島式動力系統(tǒng)與公共設(shè)備網(wǎng) 絡(luò)也只有微弱的連接(比如通過具有較高阻抗的長傳輸線)。島式或類島式的 動力系統(tǒng)通常應(yīng)用于航運業(yè)(例如，大型船只的船載動力系統(tǒng))，孤立安裝在 岸邊的設(shè)備(例如，風(fēng)輪機系統(tǒng))，以及石油和天然氣工業(yè)。在這樣的動力系 統(tǒng)中，負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)是密切相關(guān)的(因此負(fù)載對網(wǎng)絡(luò)存在著潛在的影響)。隨著 這些系統(tǒng)中電動機和驅(qū)動的額定值的升高，機械動力和電力動力也日益被耦 合，因此禾擁常^M策技術(shù)纟歐佳避免電動機或發(fā)電機傳動系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)振蕩。
在C.Sihler的"Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" (35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference,第1424-1430頁，2004)中，描述了一種抑制同步發(fā)電機中的 扭轉(zhuǎn)振動的方法。這種方法包括利用一個額外的由直流電感器構(gòu)成的晶閘管轉(zhuǎn) 換電路，對測定的扭,度施加一個反相轉(zhuǎn)矩。這種方法主要適用于獨立的線 路換向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和獨立儲能設(shè)備(電感器或電容器)的安裝在技術(shù)上和經(jīng)濟 上均可行的實施例。
在共同賦予Sihler的美國專利申請No.11/110547中描述了另一種抑制扭轉(zhuǎn)
振動的方法。這種方 ^括在耦接到包含直流鏈路的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的反相器或整流200710126656.8
說明書第2/12頁
器的軸上感測代表轉(zhuǎn)矩的信號，利用感測的信號相應(yīng)于軸的固有頻率感測軸上 扭轉(zhuǎn)振動的存在，然后再通過相應(yīng)的反相器或整流器調(diào)解有功功率來阻尼該扭 轉(zhuǎn)振動。
期望有這樣的選擇，其不如這些現(xiàn)有的方法復(fù)雜或昂貴但仍然足以將由于 扭轉(zhuǎn)振動弓i起的軸損傷降低到最小。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例， 一種用于機器的軸的抗扭振模式阻尼 系統(tǒng)包括傳感器，其被配置用于感測該軸上的表示轉(zhuǎn)矩的信號；控制器，其
被配置用于使用感測的信號相應(yīng)于該軸的固有頻率檢測該軸上扭轉(zhuǎn)振動的存
在，并且產(chǎn)生用于阻尼該扭轉(zhuǎn)振動的控制信號；阻尼器，其包括阻尼轉(zhuǎn)換器和 耦接到該阻尼轉(zhuǎn)換器的直流輸出的電阻器，該阻尼轉(zhuǎn)換器通過電源總線^t到 所述機器并且具有大約小于或等于所述機器的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例， 一種用于機器的軸的抗扭振模式阻尼方^S 括感測該軸上的表示轉(zhuǎn)矩的信號；使用感測的信號相應(yīng)于該軸的固有頻率檢 湖喊軸上扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且產(chǎn)生用于阻尼該扭轉(zhuǎn)振動的控制信號；以及提 供這些控制信號到阻尼器，所述阻尼器包括阻尼轉(zhuǎn)換器和耦接至膝阻尼轉(zhuǎn)換器 的直流輸出的電阻器，其中該阻尼轉(zhuǎn)換器通過電源總線耦接到所述機器并且具 有大約小于或等于所述機器的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面以及 優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，類似的纟斜己始纟^(戈表類似的部件，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于卩妮扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)的框圖，其中響應(yīng) 于從發(fā)動機軸獲得的表示轉(zhuǎn)矩的信號來控制阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)的框圖，其中響應(yīng)
于從發(fā)電機軸獲得的表示轉(zhuǎn)矩的信號來控制阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器。
圖3是對于過濾之前和之后的電阻器電流的示出電流(安培)與時間(毫
秒)的關(guān)系的模擬曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的另一個用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)的框圖，其 中阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器耦接到電源總線，并且響應(yīng)于從發(fā)動機軸獲得的表示轉(zhuǎn)
矩的信號來控制該阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器。
圖5是用在圖4的實施例中的實例子系統(tǒng)的框圖。
圖6是用在圖4的實施例中的另一實例子系統(tǒng)的框圖。
圖7是示出隨時間變化的直流電流和有功功率以及從圖4-6的實施例的模 擬得到的快速傅立葉變換的模擬曲線圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的另一個用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)的框圖，其 屮阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器耦接到電源總線，并且響應(yīng)于從發(fā)電機軸獲得的表示轉(zhuǎn) 矩的信號來控制該阻尼轉(zhuǎn)換器和電阻器。
具體實施例方式
圖1是用于機器14的軸12的抗扭振模式阻尼系統(tǒng)10的框圖。阻尼系統(tǒng) 10包括傳感器16和控制器18，傳感器16被配置用于感測軸12上的標(biāo)轉(zhuǎn)矩 的信號，控制器18被配置用于使用該感測的信號相應(yīng)于該軸組件的固有頻率 來檢測軸12上的扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且產(chǎn)生用于阻尼所述扭轉(zhuǎn)振動的控制信 號(為了能在一頁紙上顯示圖1，該控制器用圖1的兩個分離的部分來表示)。 阻尼系統(tǒng)10還包括阻尼器20，阻尼器20包括阻尼轉(zhuǎn)換器22和f鵬至U該卩服 轉(zhuǎn)換器22的直流輸出的電阻器24。該阻尼轉(zhuǎn)換器ilil電源總線26 (有時稱為 匯流條或者電網(wǎng)(grid))耦接到機器14上。阻尼轉(zhuǎn)換器典型地具有大約小于 或等于機器14的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。這里所使用的"轉(zhuǎn)換 器"可以包括例如圖1中示出的二極管整流器22或者圖4中示出的有源整流 器322。
圖示的阻尼系統(tǒng)在許多情況下都是有用的，包括例如m機、電動機驅(qū)動
的壓縮機以及生產(chǎn)線。在圖1的實施例中，機器14包括發(fā)動機。本發(fā)明并不
局限于發(fā)動機的實施例。例如，參照圖2和8描述了發(fā)電機的實施例。在戶皿
軸的情況下，"耦接"可以包括例如通過發(fā)動機或者發(fā)電機的電耦接，或者更
多的間接率點妾，例如經(jīng)由壓縮機15艦低速軸112、齒^f昏13和高速軸12耦
接到發(fā)動機14。這里所使用的"控制器"或者"控制"意味著包括任何適當(dāng)
的模擬、數(shù)字、或者模擬和數(shù)字的組合電路，或者用來完成指定的控制功能的
處理單元。除非指示相反的情況，這里所使用的"一"和"一個"表示至少一 個。
典型地，當(dāng)感測的信號表示軸的固有頻率時，扭轉(zhuǎn)振動的存在就會被檢測
到。在一個實施例中，代表轉(zhuǎn)矩的所述感測的信號M過轉(zhuǎn)矩傳感器16得到
的，而其它實施例中可以4頓代表襟巨或者可以用來確定總巨的間樹?？?例 如速度傳感器)。在轉(zhuǎn)矩傳感器實施例中，選擇能在預(yù)定組件中以足夠精度測 量扭轉(zhuǎn)振動的轉(zhuǎn)矩傳感器16。例如，對于大直徑傳動系統(tǒng)實施例，因為剛性軸 的高硬度，沿著軸的扭轉(zhuǎn)角通常非常小(一度的百分之兒到十分之幾)，但是 產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力高。如果應(yīng)用例如速度傳感器之類的常規(guī)測量設(shè)備，則所述軸 的小扭轉(zhuǎn)角和高旋轉(zhuǎn)速度使得難以精確地測量扭轉(zhuǎn)振動。 一種不接觸的傳感器
可以在不同位置提供轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)測量，其可以從例如Fraunhofer Institute ITWM 得到?？商鎿Q地，接觸型轉(zhuǎn)矩傳感器的一個例子是應(yīng)變儀傳感器。
在圖l的實施例中，電源總線26又孝點妾到發(fā)動機驅(qū)動28，在一個實施例 中，發(fā)動機驅(qū)動28包括可變速驅(qū)動，并且又耦接到電源總線26 (可選iikii過 變壓器30)。在電源總線26處概妾阻尼器20 (在發(fā)動機14和發(fā)動機驅(qū)動28 之間)并使用二極管整流器22及電容器33產(chǎn)生限定的(平滑的)直流電壓， 對于高度失真的動力系統(tǒng)是有用的，所述高度失真的動力系統(tǒng)是例如這樣的系 統(tǒng)，其中直接使用線路換向轉(zhuǎn)換器用于有效阻尼是不切實際的。在這個實施例 中，電容器不是用于儲能而是用于平滑該直流電壓。在另一個實施例中，去掉 了電容器。去掉電容器使得在調(diào)制的有功功率中產(chǎn)生額外附皆波，這種情況在 希望使用低成本的解決辦法的一些阻尼應(yīng)用中是可接受的。
"高度失真"指的是具有的總諧波失真(THD)比在正EE標(biāo)準(zhǔn)519中定 義的總諧波失真高百分之五的系統(tǒng)。對于通過線路換向轉(zhuǎn)換器和基于晶閘管的 其它轉(zhuǎn)換，型供電的大功率發(fā)動機變頻三相系統(tǒng)而言，高于百分之五的THD 值是典型的。在島式或者類似島式的動力系統(tǒng)中也可以有高THD值。 一個例 子包括用于從原動機上進(jìn)行功率提取的軸發(fā)電機，所述原動機例如是船用柴油 機或者渦輪驅(qū)動的飛機發(fā)動機。取決于連接的負(fù)載和運行狀態(tài)(例如電輔助發(fā) 動機的啟動)，當(dāng)期望得到長時間可靠的扭振模式阻尼時，有時會出現(xiàn)高于百 分之五的THD值。另一個例子包括在電網(wǎng)出故障期間運行的風(fēng)力農(nóng)場。具有 (瞬態(tài)的)高THD的動力系統(tǒng)中的可靠的扭振模式阻尼可以包括如圖1或者 圖2所示的轉(zhuǎn)換器設(shè)計，其中，有源阻尼發(fā)電并不是以該失真的系統(tǒng)電壓為基 礎(chǔ)的。
雖然這里為了說明而使用了發(fā)電機、整流器、反相器和發(fā)動機等名詞，但
是這些元件可以被配置用于在任何可用模式下工作，如在前面提到的Sihler的 美國專利申請No.il/110547中所描述的。在圖1的實施例中，阻尼轉(zhuǎn)換器22 包括附加的(分離的)轉(zhuǎn)換器(與動力系統(tǒng)中可能已經(jīng)存在的轉(zhuǎn)換器相比)。 雖然附加的轉(zhuǎn)換器會增加成本，但對于不能容易地并入整體轉(zhuǎn)換器的實施例， 這些選擇是有用處的。這里所描述的原理在任何電壓或者電流源轉(zhuǎn)換器實施例 中都iiig用的。
通過使用電阻器24用于耗散，圖1的實施例可以用來實現(xiàn)前述CSihler 白勺"Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" (35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424-1430, 2004)中的一些在減少成本和復(fù)雜性方面(同時保持該機械系統(tǒng)的效率) 的Hl的。當(dāng)為了調(diào)制有功功率而使用例如電容器或者電感器的儲能元件時，將 是這樣一種情況，電阻阻尼系統(tǒng)從機器軸系統(tǒng)提取功率并且不反饋功率到該機 器。因此，電阻阻尼器要求該轉(zhuǎn)換器僅在一個象限(晶閘管射角小于90。)內(nèi) 運行，這樣就可以大大減少產(chǎn)生換向誤差的風(fēng)險，尤其是當(dāng)在如圖1所示的高 度失真動力系統(tǒng)中使用晶閘管控制的阻尼器時。
變壓器31可選擇地用于將阻尼器20 f鵬到電源總線26上，并TO于調(diào) 節(jié)電壓電平和減少失真電壓對任何線路換向轉(zhuǎn)換器的影響是有用的?？商鎿Q 地，該阻尼系統(tǒng)可以直接應(yīng)用在具有高THD的三相系統(tǒng)上(為了節(jié)省附加的 變壓器成本)?？梢园〝嗦菲?8以便將阻尼器20與該電源總線斷開。
在操作中，(通過控制信號)控制阻尼器20選擇性地從電源總線26傳遞 (或者"轉(zhuǎn)儲(dump)")功率到阻尼電阻器24。所述功率去除對該軸具有相 應(yīng)的影響，其被設(shè)計成大13i制相應(yīng)于該軸的固有頻率的ttf可振動。
在圖1的實施例中，阻尼器20還包括與電阻器24并行耦接的脈寬調(diào)制 (PWM)元件29，并U^述控制器18被配置成使用來自傳感器16的信號以 檢測扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且^f共PWM控制信號到PWM元件29來阻尼扭轉(zhuǎn) 振動。在一個實施例中，PWM元件29包括PWM控制的絕緣柵雙極晶體管或 者集成門極換向晶閘管(IGCT)，其在另一個實施例中耦接到反向平行二極管 上。使用單個有源元件(PWM元件29)實現(xiàn)了方便的阻尼實施例。
在圖1的實施例中，使用附加傳感器25以獲得^^制器18使用的、表示 電阻器24兩端的電壓或者電流的參數(shù)。典型的，控制器18包括用于使處于相
應(yīng)于固有模式的頻率的傳,信號M:的帶通熗波器44，用于將^過濾的信
號的相移調(diào)節(jié)到校正值的移相器48，以及用于控制該調(diào)節(jié)的信號的幅度的增益
元件52。
典型地所述調(diào)制是正弦波的逼近。該調(diào)制的頻率相應(yīng)于固有頻率，并且程
度相應(yīng)于扭轉(zhuǎn)振蕩的振幅。帶通濾波器44被用于從轉(zhuǎn)矩測量中得到信號，其 代表轉(zhuǎn)矩的振蕩分量。在帶通濾波器的輸出處的信號是具有一個相應(yīng)于軸組件 的一個主要固有頻率的限定頻率的近似正弦波。
移相器48 !細(xì)于將戶/M近似正弦波信號的相移調(diào)節(jié)至啦正值。如果需要， 可以使用可調(diào)的延遲時間模i央代替移相器。對于最佳阻尼，該近似正弦波信號 以90°相移被反饋(滯后)。如果不能獲得90°的滯后相角，則該移相器可以 設(shè)置成在轉(zhuǎn)矩(與表示扭轉(zhuǎn)位移的扭轉(zhuǎn)角同相)和由控制器引起的有功功率(或 者氣隙轉(zhuǎn)矩)之間引起360° +90°的總相位滯后。典型地，包括所有系統(tǒng)時 間常數(shù)的所述總相位滯后在以低功率水平執(zhí)行開環(huán)測試過程中用實驗的方法來 確定。
提供可調(diào)增益(例如通過增益元件52)能夠調(diào)整涉及阻尼不同扭振*莫式 的有功功率(高增益導(dǎo)致高調(diào)制度，其又導(dǎo)致強阻尼效應(yīng))。因此這個實施例 具有與扭振模式的提高的自然阻尼相同的效果，所述扭振模式具有可電子調(diào)整 的阻尼度。
控制器18還可以包括用于限制戶腿控制調(diào)銜言號的限制器45，直流分量 元件57 (采用模擬信號的形式)和用來獲得該受限信號和直流分量(k)的總 和的求和元件58。限制器45有助于產(chǎn)生單極信號流和在低阻尼功率水平下執(zhí) 行測試。直流分量元件57和求和元件58是可選元件(意味著，k可以是0或 者更大)，如果涉及二斷皆波的存在則這可以是有利的。W魏大，正弦波逼近 越好，但是產(chǎn)生的動力系統(tǒng)損耗就越大。通過在阻尼期間使用k值的斜坡函數(shù)， 可將動力系統(tǒng)損耗減小至嘬小值。
控制器18還可以包括用以調(diào)節(jié)來自傳感器25的測定參數(shù)的增益元件39， 用以過濾來自傳感器25的參數(shù)或者增益調(diào)節(jié)參數(shù)(如果適用的話)的低通濾 波器35，用以獲得所述受限信號(和直流分量(如果適用的話))以及該過濾 的參數(shù)之間的差的差分元件37，和用以產(chǎn)生PWM控制信號43的PWM控制 元件41。如圖3所示，低通濾波器35有助于ilifi正弦波。
在PWM控制元件41中，脈寬調(diào)制技術(shù)被用于產(chǎn)生PWM信號43，該信 號被設(shè)計用來使來自差分元件37的差分信號趨近于零。在使用電流信號的一
個實施例中，以下的函數(shù)被模擬用于調(diào)制該電流 /(,) = 50」*(A: + sin( */))
其中，i表示電流，t表示時間，A表示安培，"表示對應(yīng)于軸組件的共振角頻
率的角頻率，k大于或者等于零(如上面討論的)。當(dāng)i(t)的平方與有功功率相
應(yīng)時，所得到的函數(shù)就是
/0)2 =(50爿)2 *(&2 +2*"sin(w*0 + (sin(<y*,))2)
該函數(shù)的第二項起主要作用，它有助于提供近似正弦波的有功功率耗散。 如前面所討論的，在一些應(yīng)用中使用較高的k值會導(dǎo)致較高的損失，但同時也 產(chǎn)生較好的正弦波逼近。在其它應(yīng)用中，其中"的二次諧波并沒有顯示反作用 于機械系統(tǒng)，k可被減小至低值或者零，例如，當(dāng)接近2co時該機械系統(tǒng)沒有
共振點。
盡管傳^殺旨25被示為電壓傳感器，但它可以替換地包括電流傳感器。二 極管27可選地被并行f點妾在電阻器24兩端，以保證電流單向流動以及當(dāng)該電 阻器發(fā)生無法忽略不計的雜散電感時避免過電壓情況。PWM元件29控制傾入 電阻器24中的功率，并產(chǎn)生方便的實施例，因為只使用了一個有源元件。電 容器33被耦接在電阻器24和PWM元件29的組合的兩端，并用來控制(平 滑)跨越整流器的電壓以便可以獲得限定的直流電壓。元件32包括電阻器或 電感器，尤其是在沒有變壓器31時，它有助于防止瞬間起峰電流到達(dá)電容器 33。
與前述C,Sihler的"Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" (35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424-1430, 2004)中描述的電繊不同，本申請的電阻器將 不提供精確的正弦波調(diào)制。然而，當(dāng)有功功率的一次諧波頻率相應(yīng)于自然傳動 系統(tǒng)的頻率時，所述扭振抑制足以將機械系統(tǒng)中的振動降低至可接受的水平， 這樣將會減少軸和耦接至U該軸上的元件的磨損。這些實施例特別適用于具有顯 著高于網(wǎng)絡(luò)頻率的固有頻率的系統(tǒng)(其中期望阻尼較高的扭振模式)和發(fā)電機 (electrical machine)高速旋轉(zhuǎn)(例如在6000ipm之上)的應(yīng)用，因此線路換向
轉(zhuǎn)換器難以用于扭振模式阻尼。同扭轉(zhuǎn)振動有關(guān)的大多數(shù)問題是由瞬態(tài)引起的，例如在變速發(fā)動機的啟動期間引起的網(wǎng)絡(luò)中的擾動或諧波?；陔娮杵鞯?阻尼系統(tǒng)非常適合解決這些問題，因為從傳動系統(tǒng)提取的阻尼功率必須在短時 間(典型地小于幾秒)內(nèi)只被傾入電阻器中。
圖1還圖示了一種模塊方法，該方法可以用來更ffi3I地解決扭振問題并獲
得更可靠的阻尼系統(tǒng)。在圖1中，多個阻尼器20、 120、 220連同各自的轉(zhuǎn)換 器22、 122、 222，電阻器24、 124、 224和傳麟25、 125、 225被用來JIJ共供 阻尼系統(tǒng)控制器18所使用的信號。阻尼系統(tǒng)控制器18依次具有多個相應(yīng)的增 益元件39、 139、 239;低通i)t波器35、 135、 235;求和元件37、 137、 237; 以及用于提供PWM控制信號43、 143、 243給相應(yīng)的阻尼器20、 120、 220的 PWM控制器41、 141、 241。模塊設(shè)計的優(yōu)勢在于，特別是當(dāng)i頓相同模塊時， 可以通過改變使用的模塊的數(shù)量來簡單和靈活地使其設(shè)計適應(yīng)不同的阻尼需 求。為了確定實現(xiàn)充分阻尼所需的模塊數(shù)量，通過以低功率水平利用標(biāo)準(zhǔn)阻尼 模塊執(zhí)行測試，可以顯著地減少設(shè)計阻尼系統(tǒng)所需的時間。因為存儲的能量與 電流的平方成比例(電感器)或者與電壓的平方成比例(電容器)，因此包括 用于耗散的例如電容器或者電感器的能量存儲設(shè)備的實施例并不經(jīng)濟并且不適 合于模塊設(shè)計。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)的框圖，其中響應(yīng) 于從發(fā)電機軸412獲得的表示轉(zhuǎn)矩的信號來控制阻尼轉(zhuǎn)換器22和電阻器24。 在圖2的實例中，風(fēng)輪機葉片組件59耦接到齒輪箱60上，其3U1過軸412耦 接到同步發(fā)電亂t，傳感器16在0M軸412上獲得測量結(jié)果。同步發(fā)電機62 通過電源總線326 f驢到電壓源轉(zhuǎn)換器64上，戶腿電壓源轉(zhuǎn)換器64 Xil過變 壓器66耦接到電源總線(電網(wǎng))426上。阻尼器20 f鵬到電源總線326上。 這是-沖典型地不需要圖1所示的Mi器(頓器31)的例子。
圖3是示出針對低通濾波器35過濾之前和之后的電阻器電流的、以安培
表示的電流和以毫秒表示的時間的關(guān)系的模擬曲線圖。該曲線圖被期望能反映 圖2的實施例或者具有一個模塊以及k值為1的圖1的實施例。在該例子中， IGBT切換頻率是800赫茲并且電阻器電流的基頻是20赫茲。因為期望電阻器 24兩端的電壓隨時間的變化相應(yīng)于電阻器24中的電流隨時間的變化，所以當(dāng) 前信息是相關(guān)的。圖3顯示了期望良好近似的正弦波。
圖4是用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的另一個系統(tǒng)110的框圖。在圖4的實施例中，
阻尼系統(tǒng)110包括不同類型的阻尼轉(zhuǎn)換器322 (有源整流器)以及與圖1的實 施例不同的控制器配置。圖4還示出了使用多個傳感器316、 416。圖5是包括 圖4的控制器118的實例子系統(tǒng)的框圖，圖6是包括圖4的控制器218的另一
個實例子系統(tǒng)的框圖。
圖5是這樣的一個實施例，其中控制器118包括用于使處于相應(yīng)于固有頻 率的頻率的傳感器信號通過的帶通濾波器144、 46，用于將每個過濾的信號的 相移調(diào)節(jié)至U校正值的移相器148、 50，以及用于控制該調(diào)節(jié)的信號的幅度的增 益元件152、 54。為了舉例，圖5示出了兩個帶通濾波器，其被設(shè)定成檢測兩 個固有頻率，如前述Sihler的美國專利申請No.l 1/110547中所描述的。可替換 地，可以使用單個的帶通濾波器或者附加的帶通濾波器?？刂破?8還可以包 括直流分量元件57 (采用模擬信號的形式)和用來獲得受限信號和該直流分量 (k)的總和的求和元件58。
如圖4和8所示，當(dāng)沿著軸在不同位置存在不同的固有頻率并且aa普通
的傳感器難以檢測到它們時，具有多個傳感器的實施例可能是有用的。可替換 地，或者結(jié)合起來，多個帶通濾波器144和46可以被用來執(zhí)行期望的檢測。 在圖5的實施例中，例如，帶通濾波器144可以被用來檢觀湘應(yīng)于在軸組件12 的一部分內(nèi)產(chǎn)生的固有模式的頻率，并且?guī)V波器46可以被用來檢測相應(yīng) 于在該軸組件的另一部分內(nèi)產(chǎn)生的固有模式的頻率。在所示部分中的任一個 處，轉(zhuǎn)矩傳感器16將感測到有關(guān)另一部分的信號(雖然弱于j頓多個轉(zhuǎn)矩傳 感器的直接測量的實施例)。
在圖6的實施例中，阻尼轉(zhuǎn)換器122被示為包括轉(zhuǎn)換器開關(guān)55的三相控 制的有源整流器322。在一個例子中，轉(zhuǎn)換器322包括具有開關(guān)的晶閘管整流 器，所述開關(guān)包括晶閘管。在另一個例子中，其中使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)整流器，所述開關(guān)包括IGBT。傳感器47被設(shè)置用于將電阻器電流 信號提供給控制器218?？刂破?18被配置用于從控制器118獲得卩服命令， 從該阻尼命令中減去所述電流信號(使用差分元件49)，然后當(dāng)確定開關(guān)55的 恰當(dāng)?shù)纳浣菚r使用該差值(使用控制系統(tǒng)51)。
盡管為了舉例在圖4-6中示出了兩個控制器118和218，但是可以4頓任 何期望的控制器配置。例如，可以使用一個控制器來提供這兩種功能。作為另 一個例子， 一些轉(zhuǎn)換器包括整體控制器。作為另一個例子，可以^OT多個傳感
器級控制器獲得供主控制器4頓的信號。
圖7是表示隨時間變化的電阻器24中的直流電流和有功功率以及從圖4-6 的實施例的模擬得到的快速傅立葉變換(FFT)的曲線圖。在該例子中，轉(zhuǎn)換 器包括六脈沖晶閘管電,ridge)，并且電阻器電流的基頻是20赫茲。圖7顯 示出，盡管不期望該電流和功率具有理想的正弦波，但是得到的FFT具有清晰 的主峰并且表明了期望得到的電流和功率對于滿足系統(tǒng)目標(biāo)是有用的。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的另一個用于阻尼扭轉(zhuǎn)振動的系統(tǒng)210的框 圖，其中阻尼轉(zhuǎn)換器422和電阻器24耦接到電源總線226上，并且響應(yīng)于從 發(fā)電機114的軸212獲得的表示轉(zhuǎn)矩的信號來控制阻尼轉(zhuǎn)換器422和電阻器 24。阻尼轉(zhuǎn)換器可以包括，例如上面參照圖1討論的類型的整流器或者上面參 照圖4討論的類型的整流器。為了舉例，示出了兩個發(fā)電機U4、 214，兩^由 212、 312，以及兩個傳感器116、 216，但是這里描述的實施例也可以應(yīng)用于一 個或者多個軸以及一個或者多個傳感器。
此外，如上面附寸論的，可以{頓一個或者多個控制器318來實5鵬制功 能?？梢允褂靡粋€或者多個渦輪機53、 153來驅(qū)動發(fā)電機114和214，并且渦 輪機的幾個例子包括m機、燃?xì)廨啓C和汽輪機。如根據(jù)圖1附寸論的，在圖 8的實施例中，阻尼轉(zhuǎn)換器422包括附加轉(zhuǎn)換器(與動力系統(tǒng)中已經(jīng)存在的、 并且通過變壓器331申點妾機器38至電源總線226的任何轉(zhuǎn)換器34、 36相比)。
雖然這里僅僅圖示和描述了本發(fā)明的特定特征，但^t于本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言nj以想到多種修改和變化。因此所附權(quán)利要求旨在覆蓋所有這些落入本發(fā) 明的真正精神范圍內(nèi)的修改和變化。
部件列表
10、 110、 210阻尼系統(tǒng) 12、 112、 212、 312、 412軸 13齒纖
14、 114、 214機器
15壓縮機
16、 116、 216、 316、 416傳感器 18、 118、 218、 318阻尼系統(tǒng)控制器
20阻尼器
22、 122、 222、 322、 422阻尼轉(zhuǎn)換器 24電阻器 25傳繊
26、 126、 226、 326、 426電源總線 27 二極管 28驅(qū)動
29 PWM控制元件
30變壓器
31、 331變壓器
32電阻或者電感
33電容器
34反相器
35低通濾波器
36整流器
37求和元件
38機器
39增益
41PWM控制器 43信號
44、 144帶通繊器 45限制器 46帶通濾波器 47電流傳感器 48、 148移相器 49差分元件 50移相器
51射角控制器
52、 152增益
53、 153渦輪機 54增益
55開關(guān)
56求和元件
57直流分量元件
58求和元件
59風(fēng)葉組件
60齒輪箱
62同步發(fā)電機
64轉(zhuǎn)換器
66變壓器
68斷路器
權(quán)利要求
1、一種用于機器(14)的軸(12)的抗扭振模式阻尼系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括傳感器(16)，其被配置用于感測該軸上的表示轉(zhuǎn)矩的信號；控制器(18)，其被配置用于使用該感測的信號相應(yīng)于該軸的固有頻率來檢測該軸上扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且產(chǎn)生用于阻尼該扭轉(zhuǎn)振動的控制信號；阻尼器(20)，其包括阻尼轉(zhuǎn)換器(22)和耦接到該阻尼轉(zhuǎn)換器的直流輸出的電阻器(24)，所述阻尼轉(zhuǎn)換器通過電源總線(26)耦接到所述機器，并且具有大約小于或等于該機器的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。
2、 如權(quán)利要求1所述的阻尼系統(tǒng)，還包括與所述電阻器串聯(lián)耦接的脈寬 調(diào)制(PWM)元件(29)，并且該元件被配置用于接收所述控制信號，其中所 述阻尼轉(zhuǎn)換器包括二極管整流器。
3、 如權(quán)利要求2所述的阻尼系統(tǒng)，其中0M PWM元件包括絕緣柵雙極 晶體管或者集成門極換向晶閘管。
4、 如權(quán)利要求2所述的阻尼系統(tǒng)，還包括用于獲得表示所述電阻器兩端 的電壓或者電流的參數(shù)的附加傳感器(25)。
5、 如權(quán)利要求1所述的阻尼系統(tǒng)，其中所述機器包括發(fā)動機(14)。
6、 如權(quán)利要求5所述的阻尼系統(tǒng)，其中所述阻尼轉(zhuǎn)換器包括晶閘管整流 器或者IGBT整流器。
7、 如權(quán)禾腰求1戶腿的阻尼系統(tǒng)，其中戶腿機器包括發(fā)電機。
8、 如權(quán)利要求1所述的阻尼系統(tǒng)，其被具體實施在電動機驅(qū)動的壓縮機、 風(fēng)輪機、或生產(chǎn)線內(nèi)。
9、 如權(quán)禾腰求1戶艦的卩服系統(tǒng)，其中戶艦阻尼器包括多個阻尼器(20、 120、 220)，每個阻尼器包括相應(yīng)的阻尼轉(zhuǎn)換器(22、 122、 222)和耦接到所 述相應(yīng)的阻尼轉(zhuǎn)換器的直流輸出的相應(yīng)的電阻器(24、 124、 224)，每個相應(yīng) 的阻尼轉(zhuǎn)換器M所述電源總線(26)耦接到所述機器，并且具有大約小于或 等于該機器的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。
10、 一種用于機器(14)的軸(12)的抗扭振模式阻尼方法(10)，所述 敏則斑由上的表示轉(zhuǎn)矩的信號；使用該感測的信號相應(yīng)于該軸的固有頻率來檢測該軸上扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且產(chǎn)生用于阻尼戶;M扭轉(zhuǎn)振動的控制信號；將所述控制信號提供給阻尼器(20)，所述阻尼器(20)包括阻尼轉(zhuǎn)換器 (22)和耦接到該阻尼轉(zhuǎn)換器的直流輸出的電阻器(24)，其中所述阻尼轉(zhuǎn)換 器通過電源總線(26) f,到所述機器，并且具有大約小于或等于該機器的標(biāo) 稱功率的大約百分之五的額定功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及抗扭振模式阻尼系統(tǒng)與方法。用于機器(14)的軸(12)的抗扭振模式阻尼系統(tǒng)(10)包括傳感器(16)，其被配置用于感測該軸上的表示轉(zhuǎn)矩的信號；控制器(18)，其被配置用于使用該感測的信號相應(yīng)于該軸的固有頻率來檢測該軸上扭轉(zhuǎn)振動的存在，并且產(chǎn)生用于阻尼該扭轉(zhuǎn)振動的控制信號；阻尼器(20)，其包括阻尼轉(zhuǎn)換器(22)和耦接到該阻尼轉(zhuǎn)換器的直流輸出的電阻器(24)，所述阻尼轉(zhuǎn)換器通過電源總線(26)耦接到所述機器，并且具有大約小于或等于該機器的標(biāo)稱功率的大約百分之五的額定功率。
文檔編號H02P23/04GK101101039SQ20071012665
公開日2008年1月9日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
發(fā)明者C·M·西勒 申請人:通用電氣公司