CN116255357B - 一种ec风机共振的主动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EC风机共振的主动抑制方法，包括振动测量模块和风机控制器。本发明在风机启动时，风机控制器按一定的时间间隔从振动测量模块读取振动数据，经解析获得风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A；根据产品开发阶段的分析数据，确定对风机结构危害大的共振模态、激振阶次数据B，对照数据A和数据B，得到要避开的危险共振及其共振转速数据C。本发明能够精确测量风机产品的共振转速数据，并控制风机精准规避，从而使风机运转平稳、振动小，延长了风机使用寿命。

Description

一种EC风机共振的主动抑制方法

技术领域

本发明涉及风机控制技术领域，尤其涉及一种EC风机共振的主动抑制方法。

背景技术

EC风机可实现精准的转速控制，具有结构紧凑、节能高效的特点，而且还具有无级调速、通讯和反馈等功能，因此被广泛应用于工业设备、制冷通风等领域。当转子不平衡负载、叶轮气流尾迹、电机电磁驱动力等激振力频率靠近风机结构的固有频率时，风机就会出现共振现象，振动显著增大。通风机共振可能导致紧固件松脱、结构疲劳断裂等问题，特别是会导致轴承出现损伤、缩短风机的使用寿命，导致严重的经济损失。

为降低振动响应、减轻共振危害，可以采取的办法有1）改变激振源的激振频率或降低激振力的大小；2）改变结构的固有频率；3）增加振动***的阻尼。无论改变激振力频率还是改变结构的固有频率，都是以准确的结构固有频率为前提的，但由于生产制造因素导致的频率分散度，特别是由于通风机安装在不同客户机组上以后其固有频率受安装刚度的影响可能出现较大的偏移，再加上由于EC风机工作转速范围较宽、存在多个共振模态，受成本等限制很难将这些共振频率完全调出到工作转速区间外。因此，现有技术方案如中国专利CN114893451A、中国专利CN115422760A采取额外增加减振结构的方法，来改变振动***固有频率、增加振动***阻尼，但这种方式不仅增加了结构的复杂度，而且由于减振设计对于专业理论知识有较高要求，如果减振结构设计不当或者缺少对振动的充分理解，可能起不到减振效果甚至起到相反的作用。

由于通风机要能够在不同的客户设备上使用，因此需要通风机能够不依赖额外的减振结构来实现主动抑制共振的目的。中国专利CN115388027 A测定风机在一系列转速下的振幅和相位，通过切换输入到风机的电流类型（正弦型、三角波形和方波形），对确定转速下的共振进行抑制控制。该技术方案存在以下问题：

电机可以输出扭矩，即定子和转子间在磁场的作用下产生扭矩；而风机危害最大的振动模态是a）风机整体的轴向振动、b）电机和叶轮以风机轴线为中心做旋转飞椅式的圆锥形摆动。这两个模态主要是由于转子的不平衡量，在离心力的作用下激起风机的振动，激振力为轴向和径向力。该专利所述方法可以调节电机输出的扭矩，输出为周向力，因此对所述两个危险模态的共振无法起到抑制作用；

引起风机共振的激振力包括内部激振力与外部激振力，其中内部激振力主要包括：转子不平衡质量、叶轮的气流尾迹、电机的电磁驱动力等。该技术方案可以对电磁激振引起的共振可能起到一定效果，但由于抑振电流对电机的正常输出有较大影响，需要复杂的控制算法才能实现。对于转子不平衡质量、叶轮气流尾迹等激起的风机共振，该方案既不能改变激振力的大小、亦不能改变激振力的频率，更不能改变风机本身的阻尼和频响特性。

综上所述，为了减轻振动对风机的危害，需要一种能够抑制关键危险模态的新振动抑制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种EC风机共振的主动抑制方法，能够主动调节风机的工作转速，精准避开共振转速，从而保持风机在平稳的状态下运行，延长使用寿命。

本发明采用如下技术方案：

一种EC风机共振的主动抑制方法，包括振动测量模块和风机控制器，其主动抑制方法为：

S1、在风机启动时，风机控制器按一定的时间间隔从振动测量模块读取振动数据，经解析获得风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A；根据产品开发阶段的分析数据，确定对风机结构危害大的共振模态、激振阶次数据B，对照数据A和数据B，得到要避开的危险共振及其共振转速数据C；

S2、将共振转速数据C反馈至风机控制器，风机控制器根据共振转速数据C调节控制风机的工作转速，当调速信号要求风机调速至共振转速R₁处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₁+△R₁，从而避开共振，△R₁为转速避开量；

S3、当调速信号要求风机调速至共振转速R₂附近的R₂+△R转速处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₂+△R₂，|△R|≤|△R₂|，从而避开共振，△R₂为转速避开量；

S4、当调速信号要求风机调速至非共振转速R₃处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₃。

作为优选，步骤S1中，在风机启动时，风机控制器按一定的时间间隔从振动测量模块读取振动数据，经解析获得风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A的详细步骤为：

A1、在风机启动时，风机通电，EC风机接收到启动信号，风机控制器控制风机按预设的程序开始启动，时间记为T₀；

A2、风机控制器从振动测量模块读取第一帧振动数据，帧长度为t，采样率为f，采样结束时间为T₀+t；

A3、所获振动数据经FFT，解析后可得到振动响应较大的振动频率、振动峰值及倍频信号，与FFT所得频域信号一并存储在控制器内；第一帧采样结束后立即开始读取第二帧振动数据；

A4、重复步骤A3，逐帧采样分析直至风机转速到达最大转速；

A5、根据产品开发阶段的测试数据，确定通风机共振频率的有效范围为[f _L ，f _R ]即实际使用条件下风机共振频率的求解域；前一步操作完成后，风机控制器内已经存储了从风机启动开始到风机达到最大转速的频谱信号，即频率——时间——振动响应信号，可按一定的时间间隔、频率间隔将其转换为二维数据，采用遍历法解析振动响应随频率、时间变化的规律即可得到风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A。

作为优选，步骤S2和S3中，△R₁和△R₂的确定步骤为：在产品开发阶段，对风机进行振动特性测试，当风机在某一共振模态的共振转速下运转时，记风机的转速为R₀，此共振模态与步骤S2中共振转速R1处的共振模态相对应，此时风机的振动响应较大，超过阈值A₀；缓慢调节风机的转速，至R₀+△R₀并稳定运转1min，风机的振动响应有效值在阈值A₀附近；继续调节风机的转速，至R₀+△R₁并稳定运转1min，风机的振动响应为kA₀，记录风机的振动模态、激振阶次及△R₁，其中k为安全系数，同理确定△R₂。

作为优选，所述t＜0.2s。

作为优选，所述振动测量模块为加速度传感器。

作为优选，所述振动测量模块集成在EC风机的风机控制器上，包括振动传感器或预留传感器接口。以便与外置的传感器连接。

作为优选，步骤S1仅在风机初次运行使用时执行，将共振转速数据C存储于风机控制器内；或按设定的时间间隔定期执行。以便考虑风机产品老化的影响。

作为替代，本发明的某些实施例测量风机在不同共振模态下的振动响应值，调整风机的启动方式：首先执行步骤S1获得共振转速数据C，然后将风机调整至共振转速R₁处稳定运转30s后，风机控制器从振动测量模块读取振动数据A₁；然后调速至下一个共振转速R₂，并重复操作步骤。

本发明区别于现有技术之处为：

1.现有技术方案至少需要2个传感器，来测定风机共振的相位，且传感器的安装位置有严格要求；而本发明传感器测量的数据比现有技术方案减少了，仅需要一个传感器即可精确测量风机的共振转速数据，甚至可以不带传感器、通过预留接口连接外置传感器实现；

2.避振的原理更清晰、效果更好。现有技术方案尝试通过推测引起风机共振的电流类型，施加同幅度反相位的电流来抑制共振，效果不可控，特别是不能抑制对风机危害较大的轴向振动等共振模态；本发明控制风机对共振转速进行精准规避，是对激振力频率进行调节，应对各种危险共振模态均能实现良好的效果，易实施。

3.现有技术方案需要调节输给电机的电流类型、增加了控制算法的复杂度，而本发明不改变控制算法，仅对控制目标（转速）进行调节，更简单、更容易实现，能够实现更好的鲁棒性。

4.以往单纯依赖结构设计调频的方式，往往由于风机安装到用户设备上以后其固有频率发生了变化而出现调频失败的情况；本发明的技术方案能够精确测量风机安装在不同用户设备上以后的共振转速，保证了避振效果。

本发明的有益效果是：由于生产制造因素导致的频率分散度，特别是由于通风机安装在不同客户机组上以后其固有频率受安装刚度的影响可能出现较大的偏移，导致EC风机工作转速区间内可能存在多个共振点。本发明能够精确测量风机产品的共振转速数据，并控制风机精准规避，从而使风机运转平稳、振动小，延长了风机使用寿命。

实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：一种EC风机共振的主动抑制方法，包括振动测量模块和风机控制器，其主动抑制方法为：

1、在风机启动时，风机通电，EC风机接收到启动信号，风机控制器控制风机按预设的程序开始启动，时间记为T₀；

2、风机控制器从振动测量模块读取第一帧振动数据，帧长度为t，采样率为f，采样结束时间为T₀+t；在某些实施例中，为了能从加速度传感器获得振动速度信号，需要对采样数据进行积分；如未经说明，本专利“采样”过程已经包含了必要的积分、微分等操作；为避免采样过程中转速过大影响频谱分析结果，帧长度为t应尽可能小，可取t＜0.2s；

3、所获振动数据经FFT（快速傅里叶变换），解析后可得到振动响应较大的振动频率、振动峰值及倍频信号（一倍频即转速信号），与FFT所得频域信号一并存储在控制器内；第一帧采样结束后立即开始读取第二帧振动数据；

4、重复第3步的步骤，逐帧采样分析直至风机转速到达最大转速；

5、根据产品开发阶段的测试数据，确定了通风机共振频率的有效范围为[f _L ，f _R ]，即实际使用条件下风机共振频率的求解域；前一步操作完成后，控制器内已经存储了从风机启动开始到风机达到最大转速的频谱信号，即频率——时间——振动响应信号，可按一定的时间间隔（帧长度为t）、频率间隔（取△f，由程序算法指定）将其转换为二维数据，采用遍历法解析振动响应随频率、时间变化的规律即可到风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据；

6、根据产品开发阶段的分析数据，已经确定了对风机结构危害较大的共振模态、激振阶次数据，有一些共振频率受安装刚度影响较大的，也可给出大致的频率范围；所述分析数据与第5步中解析得到的共振转速、激振阶次进行对照，得到要避开的危险共振及其共振转速，存储在风机控制器内；

7、当风机收到控制信号，被要求在某共振转速R₁附近R₁+△R转速处（|△R|≤|△R₁|）工作时，控制器控制风机按转速R₁+△R₁运行，其中△R₁为共振避开量；按此控制方式，确保风机在振动较小的转速区段内稳定运行；

8、△R₁的确定：在产品开发阶段，对风机进行振动特性测试，当风机在某一共振转速下运转时，记风机的转速为R₀，此时风机的振动响应较大，超过阈值A₀；缓慢调节风机的转速，至R₀+△R₀并稳定运转1min，风机的振动响应有效值在阈值A₀附近；继续调节风机的转速，至R₀+△R₁并稳定运转1min，风机的振动响应为kA₀，记录风机的振动模态、激振阶次及△R₁，其中k为安全系数；

9、以上步骤1-6仅需要执行一次，以后存储在控制器内；也可以按设定的时间间隔定期执行，以考虑产品老化的影响。

通过以上步骤，能够精准测量EC风机安装在客户设备上以后的共振频率和共振转速，从而精准地避开共振转速，达到主动抑制共振的目的。

为保证通风机能够实现最佳性能，在应用本发明的技术方案前，首先要对通风机进行结构优化设计。调频优化的目的在于尽可能保证风机的最常用工作转速段不出现共振或减少共振点的数量，特别是某些不随通风机安装刚度变化的共振频率。本发明是将共振转速避开，不能替代设计阶段的调频优化的工作。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，其包括振动测量模块和风机控制器，其主动抑制方法为：

S1、在风机启动时，风机控制器按一定的时间间隔从振动测量模块读取振动数据，经解析获得风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A；根据产品开发阶段的分析数据，确定对风机结构危害大的共振模态、激振阶次数据B，对照数据A和数据B，得到要避开的危险共振及其共振转速数据C；

S2、将共振转速数据C反馈至风机控制器，风机控制器根据共振转速数据C调节控制风机的工作转速，当调速信号要求风机调速至共振转速R₁处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₁+△R₁，从而避开共振，△R₁为转速避开量；

S3、当调速信号要求风机调速至共振转速R₂附近的R₂+△R转速处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₂+△R₂，其中|△R|≤|△R₂|，从而避开共振，△R₂为转速避开量；

S4、当调速信号要求风机调速至非共振转速R₃处工作时，风机控制器控制风机的工作转速为R₃。

2.根据权利要求1所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，步骤S1中，在风机启动时，风机控制器按一定的时间间隔从振动测量模块读取振动数据，经解析获得风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A的详细步骤为：

A1、在风机启动时，风机通电，EC风机接收到启动信号，风机控制器控制风机按预设的程序开始启动，时间记为T₀；

A2、风机控制器从振动测量模块读取第一帧振动数据，帧长度为t，采样率为f，采样结束时间为T₀+t；

A3、所获振动数据经FFT，解析后可得到振动响应较大的振动频率、振动峰值及倍频信号，与FFT所得频域信号一并存储在控制器内；第一帧采样结束后立即开始读取第二帧振动数据；

A4、重复步骤A3，逐帧采样分析直至风机转速到达最大转速；

A5、根据产品开发阶段的测试数据，确定通风机共振频率的有效范围为[f _L ，f _R ]即实际使用条件下风机共振频率的求解域；前一步操作完成后，风机控制器内已经存储了从风机启动开始到风机达到最大转速的频谱信号，即频率——时间——振动响应信号，可按一定的时间间隔、频率间隔将其转换为二维数据，采用遍历法解析振动响应随频率、时间变化的规律即可得到风机的共振转速、激振阶次、共振时的振动响应数据A。

3.根据权利要求1所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，步骤S2和S3中，△R₁和△R₂的确定步骤为：在产品开发阶段，对风机进行振动特性测试，当风机在某一共振模态的共振转速下运转时，记风机的转速为R₀，此共振模态与步骤S2中共振转速R1处的共振模态相对应，此时风机的振动响应较大，超过阈值A₀；缓慢调节风机的转速，至R₀+△R₀并稳定运转1min，风机的振动响应有效值在阈值A₀附近；继续调节风机的转速，至R₀+△R₁并稳定运转1min，风机的振动响应为kA₀，记录风机的振动模态、激振阶次及△R₁，其中k为安全系数，同理确定△R₂。

4.根据权利要求2所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，所述t＜0.2s。

5.根据权利要求1所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，所述振动测量模块为加速度传感器。

6.根据权利要求3所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，所述安全系数k<1。

7.根据权利要求1所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，所述振动测量模块集成在EC风机的风机控制器上，包括振动传感器或预留传感器接口。

8.根据权利要求1所述的一种EC风机共振的主动抑制方法，其特征是，步骤S1仅在风机初次运行使用时执行，将共振转速数据C存储于风机控制器内；或按设定的时间间隔定期执行。