[发明专利]无传感器扭转模态阻尼系统和方法

说明书

技术领域

本文所公开的主题的实施例大体上涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于阻尼旋转系统中出现的扭转振动的机构和技术。

背景技术

油气行业对于在可变速度下驱动各种机械具有不断增长的需求。这样的机械可包括压缩机、电动马达、膨胀器、燃气涡轮、泵等。变频电气驱动增加了能量效率并为机械提供了增加的灵活性。一种用于驱动例如大型气体压缩系(train)的方式是负载换相逆变器(LCI)。然而，由电力电子驱动系统引入的问题是由于电气谐波而在机械的转矩中产生脉动(ripple)成分。转矩的脉动成分可以在传动系的扭转固有频率下与机械系统相互作用，这是不期望的。

扭转振荡或振动是在具有如例如在图1中所示附连到转子的各种质量体的转子中可能出现的振荡角运动。图1示出了具有燃气涡轮12、马达14、第一压缩机16和第二压缩机18的系统10。这些机械的轴连接到彼此，或者由这些机械共享单个轴。由于沿轴20分布的叶轮和其它质量体，轴20的旋转可以受到由附连到轴的质量体(例如叶轮)的不同速度的旋转而产生的扭转振荡的影响。

如上所述，扭转振动通常由驱动例如马达的功率电子装置引入。图1示出了电网电源(电源)22，其向LCI 24提供电能，LCI 24继而驱动马达14的转子20。电网可以是隔离的发电机。为了阻尼(最小化)扭转振动，如图2所示(该图对应于转让给与本申请相同的受让人的美国专利No. 7,173,399的图1，该专利的全部公开内容以引用方式并入本文中)，逆变器控制器26可以设置到LCI 24的逆变器28并且可构造成引入逆变器延迟角变化(Δβ)以用于调制从逆变器28转移到马达14的有效功率的量。应当指出，术语“延迟角”在文献中被视为术语“点弧角”的同义词。为此，这些术语在本描述中被看作表示同样的东西并且可以互换地使用。不论考虑α或β调制，该假设都是正确的。备选地，整流器控制器30可以设置到整流器32并且可构造成引入整流器延迟角变化(Δα)以用于调制从发电机22转移到DC链路且因此转移到马达14的有效功率的量。应当指出，通过调制从发电机转移到马达的有效功率的量，可以阻尼扭转振动。

两个控制器26和30作为输入接收分别来自传感器36和38的信号，并且这些信号指示由马达14和/或发电机22所经受的转矩。换言之，逆变器控制器26处理由传感器36感测的转矩值以用于产生逆变器延迟角变化(Δβ)，同时整流器控制器30处理由传感器38感测到的转矩值以用于产生整流器延迟角变化(Δα)。逆变器控制器26和整流器控制器30彼此独立，并且这些控制器可以在给定机械中一起或单独地实现，具体取决于连接的传动系的操作和系统灵敏度。图2显示，传感器36监测马达14的轴的一部分(分段)40，并且传感器38监测发电机22的轴42。图2还示出在整流器32和逆变器28之间的DC链路44。

然而，测量诸如施加到旋转轴的机械转矩的机械性质对于高功率传动系来说可能是高成本或不可行的。有时，测量机械转矩是不可能的，因为轴是不可接近的，或者轴被爆炸性气氛所包围，例如在气体压缩应用中。因此，期望提供避免测量施加到旋转轴的机械转矩的系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，存在一种连接到转换器的扭转模态阻尼控制器，该转换器驱动机械连接到系的电机。控制器系统包括：输入接口，其构造成接收与转换器或电机的变量有关的测量数据；以及控制器，其连接到输入接口。控制器构造成：基于来自输入接口的数据计算沿系的轴的分段的至少一个动态转矩分量；基于该至少一个动态转矩分量为转换器生成控制数据以用于阻尼电机中的扭转振荡；以及将控制数据发送给转换器以用于调制在转换器和电机之间交换的有效功率。

根据另一个示例性实施例，存在一种用于驱动机械连接到系的电机的系统。该系统包括：整流器，其构造成接收来自电源的交流电流并将交流电流转化为直流电流；直流链路，其连接到整流器且构造成传输直流电流；逆变器，其连接到直流链路且构造成将接收的直流电流变为交流电流；输入接口，其构造成接收与直流链路或逆变器的电气变量有关的测量数据；以及控制器，其连接到输入接口。控制器构造成：基于来自输入接口的数据计算沿系的轴的分段的至少一个动态转矩分量；基于该至少一个动态转矩分量为整流器和/或逆变器生成控制数据以用于阻尼电机中的扭转振荡；以及将控制数据发送给整流器和/或逆变器以用于调制在逆变器和电机之间交换的有效功率。