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懒爸爸和婴儿床(五)

已有 3326 次阅读 2013-8-1 16:53 |个人分类:工作点滴|系统分类:科普集锦| 振动科普

在上一篇博文中,我们讨论了一个采用控制补偿振动系统的阻尼力和惯性力的方法,可以增加有效阻尼系数,减小有效质量。在那个案例里,婴儿床换成了精密仪器。为了加快自由振动的衰减,可以增加阻尼力,或者对仪器进行减重。由于设计定型后重新设计的困难较大,而采用控制的方法却不需要改动设计,因此这个方法就有了一定的实际应用价值。但是在这个案例里,如果连接结构没有安装传感器和动作器,那就需要设计和安装额外的硬件,这就降低了这个方法的可行性。那么,这个方法在工程应用中有没有更实际的应用案例呢?

随着现代机械的智能化,越来越多的机械装上了智能的传感器和动作器,不仅可以检测系统的健康状态,而且可以更好地适应不同工况下的运行。这些传感器和动作器就为我们采用控制的方法改善机械系统的振动性能提供了便利。

风力发电机的控制工程师Ervin Bossanyi在研究风力发电机的动力学与控制时,就建议采用控制减小风轮的有效转动惯量,从而改善传动系统的动力学性能。

现代风力发电机多是变转速和变桨距控制的。在风轮一侧捕获气动力矩,在发电机一端输入可控的电磁力矩。在额定风速以下采用电磁力矩控制风轮的转速,使风轮转速随着风速增加而增加。风能理论告诉我们,风轮的转速和转矩追踪一条最优功率曲线,就可以捕获最多的风能。在额定风速以上启动变桨控制,实现恒转速或者恒功率控制,并在大风时切出。

风力发电机的传动系统是典型的转子系统,其运动形式既有旋转运动,也有扭转振动。风轮的转动惯量相当于婴儿床的质量。如果风轮的转动惯量较大,控制风轮的转速时,响应的延迟时间较大。当传动系统发生振荡时,由于阻尼因子较小,自由衰减振动的时间较长。这会降低捕获的风能,加快传动系统的疲劳。随着风力发电机的发电量(额定功率)越来越大,叶片长度也不断增加,出现了60m和75m的叶片,因此风轮的转动惯量也显著增加。为了加快风机传动链系统的响应,其中一个思路就是降低风轮的真实转动惯量,采用结构优化方法给风轮(主要是叶片和轮毂)减重,或者采用有利于减重的新材料新工艺。另一个思路是采用和上面类似的方法来补偿惯性力,在可控的电磁力矩中添加一个和转动加速度成正比的项,使风轮的有效转动惯量降低。这样子风轮就能更快地追踪最优功率曲线,捕获更多的风能。除了考虑质量因素,通过电磁力矩补偿传动系统扭转振动的阻尼更是风力发电机控制器设计的重要环节,并且已经被普遍采用。

西门子75m叶片(来源于西门子网站)

当然,这只是一个简单的控制思路,具体实现起来还要考虑更多的细节。比方,测量信号由于传感器的传输会发生滞后,输出信号由于控制器的处理和动作器的惯性会发生进一步的滞后。另外,测量信号中含有不需要的频率分量和噪声,这些分量可能导致控制器输出错误的响应。设计一个好的控制器需要更多的知识,感兴趣的读者可以进一步了解。


参考文献:

[1] 刘延柱著. 趣味振动力学. 北京:高等教育出版社, 2012.3

[2] Tony Burton, Nick Jenkins, David Sharpe, Ervin Bossanyi. Wind Energy Handbook. Wiley, 2011

[3] 季文美, 方同, 陈松淇著. 机械振动. 北京:科学出版社, 1985

[4] 方同, 薛璞著. 振动理论及应用. 西安: 西北工业大学出版社,1998

[5] (美)Tony Burton等著,  武鑫等译. 风能技术. 北京: 科学出版社, 2007



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