CN105406793B - 一种抑制轴扭振的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制轴扭振的装置及方法，可应用在动力包***中，涉及电站装备的变频改造技术领域，通过传感设备实时的获取当前驱动设备和负载设备的运行参数，控制器根据获取的运行参数及相应的数学模型来计算并输出一个控制量，使得变频器输出电能频率的补偿量，进而调整驱动设备的运行参数，以有效的抑制驱动设备与负载设备之间的传动设备中的轴扭振等不利因素的产生，降低变频改造过程轴轴系断裂等故障发生的概率。

Description

一种抑制轴扭振的装置及方法

技术领域

本发明涉及电站装备的变频改造技术领域，尤其涉及一种抑制轴扭振的装置及方法。

背景技术

目前，为了节能减排，一般会采用变频调速来降低发电厂冷却***中大型风机的能耗，经变频改造后的发电厂风机冷却***一般包括变频器、电机、风机及上位***等部件构成。但在实际应用中却发现，采用变频调速技术的发电厂风机冷却***会不断出现轴系机械损坏等故障，而从事故断面检查结果来看，故障原因一般是轴扭振所致疲劳破坏而引起，如当轴系发生机械谐振时就会导致上述的机械故障。

目前，业界一般是采用诸如跳频、加速度反馈、滤波器等方法来抑制机械谐振的发生，但加速度反馈及滤波器等方法多是应用于带速度反馈的闭环控制***，而跳频等则多是应用于采用具有开环V/F控制***的变频器的发电厂中；所以，当下多是采用“跳频”的方法来抑制发电厂风机冷却***中的机械谐振，即在调速过程中设置多个“跳频点”，以跳过造成风机发电***轴系振动的频率点，但从实际应用来看，采用“跳频”的方法的效果也十分有限。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明记载了一种抑制轴扭振的装置及方法，可应用于电站装备的变频改造中，基于动力包***，可通过传感设备实时的获取当前驱动设备和负载设备的运行参数，并利用控制器根据获取的运行参数及相应的数学模型来计算并输出一个控制量，使得变频器输出电能频率的补偿量，进而调整驱动设备的运行参数，以有效的抑制驱动设备与负载设备之间的传动设备中的轴扭振等不利因素的产生，降低变频改造过程轴轴系断裂等故障发生的概率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种抑制轴扭振的装置，基于动力包***，可应用于电站装备的变频改造中，所述装置包括：

负载设备(如风机和/或凝泵等)，作为所述动力包***的执行机构，以对目标控制量进行调节；

驱动设备，通过传动设备与所述负载设备连接，以驱动所述负载设备工作；

变频器，与所述驱动设备连接，以通过调整所述驱动设备的运行来控制所述负载设备的转速；

传感设备，分别与所述负载设备和所述驱动设备连接，以实时获取所述负载设备运行的第一参数和所述驱动设备运行的第二参数；

控制器，分别与所述传感设备和所述变频器连接；

其中，所述控制器接收并根据所述第一参数和所述第二参数来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置还包括：

远程监控模块，与所述控制器连接，以获取并显示所述第一参数和/或第二参数和/或第三参数；

其中，利用所述远程监控模块能够根据需求修改所述第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置中所述传感设备包括：

第一传感器，分别与所述负载设备和所述控制器连接，以实时获取并发送所述第一参数至所述控制器；

第二传感器，分别与所述驱动设备和所述控制器连接，以实时获取并发送所述第二参数至所述控制器。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置中：

所述第一传感器包括负载状态观测模块，所述第二传感器包括转速估计模块，所述控制器包括谐振抑制补偿控制器。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置中：

所述驱动设备为电动机，所述负载设备包括风机和/或凝泵；

其中，所述电动机驱动所述风机和/或所述凝泵工作。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置中：

所述第一参数包括负载设备的转速；

所述第二参数包括所述驱动设备的转速和所述传动设备的传动轴转角；

所述第三参数包括向所述驱动设备输送的电能的调整补偿频率；

其中，所述转速估计模块根据参考频率和所述负载设备当前获得电能的电压及电流，以计算出所述负载设备的转速。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的装置还包括：

滤波器，所述谐振抑制补偿控制器通过所述滤波器与所述电动机连接，以滤除引起扭振的谐波分量。

本申请还提供了一种抑制轴扭振的方法，可基于上述任意一项所述的抑制轴扭振的装置，所述方法包括：

利用传感设备获取当前负载设备运行的第一参数和驱动设备运行的第二参数；

控制器根据获取的所述第一参数和所述第二参数来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的方法还包括：

利用监控设备实时获取并显示所述第一参数和/或第二参数和/或第三参数。

作为一个优选的实施例，上述的抑制轴扭振的方法还包括：

利用监控设备根据需求来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是传统发电厂冷却***的结构示意图；

图2是本发明实施例一所提供的抑制轴扭振的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例二所提供的抑制轴扭振的方法的流程图。

具体实施方式

由于在目前的发电厂的风机冷却***中，当采用变频调速技术来节能减排时，会发现采用电网直接供电恒速传动方式时一般不会出现诸如轴系机械故障等问题，而一旦改用变频调速后，就会经常出现诸如断轴等机械故障，且故障还多发生于大容量风机，即小容量风机则在改用变频调速后发生断轴等机械损坏的几率相对非常小；经过后期统计分析后发现，即便在大容量风机中也仅有少数会发生机械故障。

为了深入了解产生上述的问题缘由，发明人经仔细分析后发现：

1)从控制方式看，由于应用于发电厂的变频器的控制***多是开环V/F控制，即不存在转速闭环振荡问题，而当前业界一般使用的变频器都是所谓“完美无谐波”变频器，即输出谐波也不大。

2)从***机械构成及运行角度考虑，由于电机和风机负载构成了两个质量***，如图1所示，发电厂的风机冷却***一般包括电动机11、轴传动***12和风机负载模块13，即电动机11通过轴传动***12驱动风机负载模块13工作，基于图1所示结构可知该风机冷却***是属于二阶振荡环节，即受激励(动态冲击或谐波)便振荡，但是由于轴传动***12是弹性***，其对谐振转矩具有一定的放大作用，放大比例取决于风机与电机的惯量之比。对于大型风机(轴传动***12中的膜片联轴器与风机轴承之间的距离约为10m)，即使含有比例很低的谐振频率谐波，也可能会激发出100％的轴转矩振荡。在发生谐振时，转动物体的动能和弹性势能进行交换，即当出现破坏性扭振时，轴中很大的扭曲转矩，而所需外部激励很小(即电机电流波动在10-20％之间)，因此***电流波动并不明显；同时，由于变频器输出谐波的频率较宽，即激发轴扭振的转速范围是比较宽的，因此在宽转速范围都可能激发扭振，进而使得跳频无效，即使得设置多个“跳频”点的方法的使用效果有限。

3)轴传动***12中阻尼的存在一定程度上抑制了谐振的发生，电机转矩波动也会引入阻尼，因此，并非所有风机***都会出现轴断裂故障。

基于上述技术分析，下面结合附图和具体的实施例，对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

实施例一：

图2是本发明实施例一所提供的抑制轴扭振的装置的结构示意图(该图2所示的结构可作为一个动力包***构架)；如图2所示，本实施例提供了一种抑制轴扭振的装置，可应用于发电厂的冷却***中，例如采用大型风机和/或凝泵等设备对热源进行冷却的***中，并可在高效智能动力包***的基础上，通过整合诸如变频器、感应电机与风机负载等关键参数，采用专有的控制策略，可在宽频率范围内减小变频器谐波输出，以进一步抑制轴扭振等机械故障的产生，该装置可包括：

负载设备，作为所述动力包***的执行机构，以对目标变量进行调节处理；需要注意的是，在实施例中是以应用于发电厂的冷却***中，相应的上述的负载设备可为发电厂中的大型风机和/或凝泵等仪器设备，而利用该负载设备可对发电厂中的热源进行降温处理，而当本申请的技术方案应用于其他电站装备***(如包括风机的风冷***和/或包括凝泵的水冷***等)中，负载设备为其他仪器设备，具体本领域技术人员可根据本申请公开的技术特征进行确定，即不应理解为本申请的技术方案仅可应用于发电厂的冷却***中。

驱动设备，可通过传动设备(如轴承传动***等)与上述的负载设备连接，以驱动负载设备提供工作的能量；例如，该驱动设备可为电动机(如感应电机等)，一般为用电设备，即利用电能来驱动上述的风机和/或凝泵的设备。

变频器，可通过滤波器来与上述的驱动设备连接，以通过调整向驱动设备输送的能量来控制驱动设备的运行，例如可通过调整电动机获得的电能的频率来调整电动机的转速，进而来调整风机和/或凝泵等负载设备的运转(一般调整转速)，以避免***产生对传动设备中诸如轴承等部件不利影响的扭振等。

传感设备，分别与上述的负载设备和驱动设备连接，以实时获取降温设备运行的第一参数和所述驱动设备运行的第二参数；该传感设备可包括传感器，即与负载设备连接的第一传感器(可包括负载状态观测模块)和与驱动设备连接的第二传感器(可包括转速估计模块)，以利用第一传感器获取包括负载设备的转速等的第一参数，利用第二传感器获取包括驱动设备的转速和传动设备的传动轴转角等的第二参数。

控制器(可包括谐振抑制补偿控制器)，可分别与上述的传感设备和变频器连接，通过接收并根据上述的第一参数和第二参数来调整变频器输出电能的第三参数(可包括向驱动设备提供的电能的调整补偿频率)，以抑制传动设备中的轴扭振等不利影响的出现。

远程监控模块(可包括显示设备和输入设备等部件)，与上述的控制器连接，以获取并显示第一参数和/或第二参数和/或第三参数(可利用显示模块进行显示监控)；同时，该利用该远程监控模块还能够根据需求修改第三参数(可利用上述的输入设备(如键盘、鼠标、触摸屏等)来修改该第三参数)，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

优选的，上述的转速估计模块可建立基于动力包电机准确参数的数学模型，并结合给定的参考频率及实际获得的电压、电流等参数，实现对电动机转速及位置的估计，进而可在开环状态下获取电动机当前转速的近似值。

优选的，上述的负载观测模块则可建立基于动力包各设备准确参数的数学观测模型，并可利用高阶滑模控制器，来保证控制量的连续平滑和快速响应。

优选的，上述的谐振抑制补偿控制器则可通过对观测到的负载(如风机和/或凝泵等)转速、传动轴扭转角的处理，来获得对电动机的输入频率的微调补偿量，并可配合设置在VF电流分配模块与驱动设备之间的滤波器(即提供电能的电源分别与VF电流分配模块和谐振抑制补偿控制器连接，而VF电流分配模块则依次通过诸如滤波器、SVPWM模块及逆变器等部件后连接至感应电机，以向感应电机提供电能运行，进而利用感应电机驱动诸如风机等降温设备工作)，来减少引起扭振的谐波分量，进而实现对转速平稳控制，以抑制***出现轴扭振等不利现象的出现。

实施例二

图3是本发明实施例二所提供的抑制轴扭振的方法的流程图，如图3所示，本实施例二中抑制轴扭振的方法可基于上述实施例一抑制轴扭振的装置的基础上(即实施例一与实施例二中相同或相应的技术特征之间可以相互适用)，可应用于诸如发电厂中对于热源的冷却中，上述的抑制轴扭振的方法可包括：

首先，可利用传感设备来获取当前驱动设备及负载设备运行的第一参数和第二参数。

其次，利用控制器根据获取的第一参数和第二参数来调整变频器输出电能的第三参数(如电能的补偿频率等)，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

最后，可利用监控设备来实时获取并显示第一参数和/或第二参数和/或第三参数，以实现对冷却***的实时监测。

优选的，还可通过利用上述的监控设备根据实际需求来调整变频器输出电能的第三参数，即可根据实际情况直接输入一个调整参数(即第三参数)，来实现抑制传动设备中的轴扭振的目的。

需要注意的是，由于本实施例二与上述实施例一为相互对应的结构及方法，故在实施例一中提及的相同或相应的技术特征均可适应性的应用于本实施例二中，而在实施例二中提及的相同或相应的技术特征均可适应性的应用于本实施例一中，故为了阐述简洁，在本实例二中与上述实施例一中相同或相应的部分技术特征并未进行重复阐述，但本领域技术人员应当理解的时，上述实施例一中记载的技术特征可适应性应用于本实施例二中的技术特征，均应理解为在本实例二中有所记载。

综上所述，本申请实施例中的抑制轴扭振的装置及方法，可基于高效智能动力包控制***，对诸如包括风机、凝泵等的负载设备及包括感应电机的驱动设备等的参数进行整合，通过建立有效的负载观测器，来实现对负载参量的等效获取，并将获取的负载参量输入到谐振抑制补偿控制模块，进而对驱动设备(如电动机)输入频率进行微调补正，以在简易矢量控制的基础上，实现对***扭振的抑制，即本申请实施例中的抑制轴扭振的装置及方法可在提高动力包***的可靠性的同时，有效降低变频改造过程中轴系断裂故障的发生概率，进而能够大力推动以动力包为代表的新型工业节能化升级。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种抑制轴扭振的装置，其特征在于，应用于电站装备的动力包***中，所述装置包括：

负载设备，作为所述动力包***的执行机构，以对目标控制量进行调节；

驱动设备，通过传动设备与所述负载设备连接，以驱动所述负载设备工作；

变频器，与所述驱动设备连接，以通过调整所述驱动设备的运行来控制所述负载设备的转速；

传感设备，分别与所述负载设备和所述驱动设备连接，以实时获取所述负载设备运行的第一参数和所述驱动设备运行的第二参数；

控制器，分别与所述传感设备和所述变频器连接；

其中，所述控制器接收并根据所述第一参数和所述第二参数来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

2.如权利要求1所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，还包括：

远程监控模块，与所述控制器连接，以获取并显示所述第一参数和/或第二参数和/或第三参数；

其中，利用所述远程监控模块能够根据需求修改所述第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

3.如权利要求1所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，所述传感设备包括：

第一传感器，分别与所述负载设备和所述控制器连接，以实时获取并发送所述第一参数至所述控制器；

第二传感器，分别与所述驱动设备和所述控制器连接，以实时获取并发送所述第二参数至所述控制器。

4.如权利要求3所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，所述第一传感器包括负载状态观测模块，所述第二传感器包括转速估计模块，所述控制器包括谐振抑制补偿控制器。

5.如权利要求4所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，所述驱动设备为电动机，所述负载设备包括风机和/或凝泵；

其中，所述电动机驱动所述风机和/或所述凝泵工作。

6.如权利要求4所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，所述装置中：

所述第一参数包括负载设备的转速；

所述第二参数包括所述驱动设备的转速和所述传动设备的传动轴转角；

所述第三参数包括向所述驱动设备输送的电能的调整补偿频率；

其中，所述转速估计模块根据参考频率和所述负载设备当前获得电能的电压及电流，以计算出所述负载设备的转速。

7.如权利要求5所述的抑制轴扭振的装置，其特征在于，所述装置还包括：

滤波器，所述谐振抑制补偿控制器通过所述滤波器与所述电动机连接，以滤除引起扭振的谐波分量。

8.一种抑制轴扭振的方法，其特征在于，基于如权利要求1～7中任意一项所述的抑制轴扭振的装置，所述方法包括：

利用传感设备获取当前负载设备运行的第一参数和驱动设备运行的第二参数；

控制器根据获取的所述第一参数和所述第二参数来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。

9.如权利要求8所述的抑制轴扭振的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用监控设备实时获取并显示所述第一参数和/或第二参数和/或第三参数。

10.如权利要求8所述的抑制轴扭振的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用监控设备根据需求来调整所述变频器输出电能的第三参数，以抑制所述传动设备中的轴扭振。