[发明专利]大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法

摘要

本发明提供一种大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法，通过位于磁悬浮储能飞轮的上下保护轴承底部各装三个压力传感器，测得转子跌落及跌落方向。磁轴承控制系统确定转子跌落后，打开电机刹车装置，使飞轮降速。控制系统则产生一个固定的轴向控制力。同时上下径向磁轴承产生一个固定的径向控制力，将转子吸到一边。跌落保护控制分三个过程，首先轴向悬浮控制，稳定后进行上径向悬浮控制。最后进行下径向悬浮控制，经过几次反复循环控制全系统稳定后，切换为正常控制模式。本发明的用于减小大容量磁悬浮储能飞轮因意外失稳导致的转子跌落对飞轮的损坏，较已有的方法相比，能够更快速的确定飞轮跌落及进行复位。

主权项

一种大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法，轴向磁轴承采用永磁偏置方式，当飞轮转子跌落时，有时跌至底部，或者被吸到顶部，其特征在于，通过在磁悬浮储能飞轮的上保护轴承底部装有的三个压力传感器和下保护轴承底部装有的三个压力传感器判断出跌落方向，并将压力传感器输出的压力信号传输给磁轴承控制系统的DSP，磁轴承控制系统的DSP产生一个低电平信号，传递至电机控制系统；电机控制系统接收到该信号后，关闭电机驱动，打开电机刹车装置，使飞轮转子降速；磁轴承控制系统产生一个固定的轴向控制力，同时上、下径向磁轴承产生一个固定的径向控制力，转子在固定的轴向控制力和径向控制力作用下，被约束到径向贴紧支撑壳体一侧、轴向贴紧支撑壳体底部旋转，在该状态下持续一段时间，以减小转子跌落导致的转子振动的幅值；将储能飞轮的控制模式由正常控制切换为跌落保护控制，跌落保护控制分三个步骤：控制步骤一：转子轴向和径向均输出固定控制力持续5ms，保持输出径向固定的控制力，进行轴向悬浮控制，调节控制参数，使转子轴向悬浮到0.5L处，L为转子的轴向最大位移值；计算轴向传感器信号偏值Δz(k)及其电流采样值的偏值Δiz(k)的移动平均值，Δz(k)＝|z(k)‑Zs|，其中z(k)为k时刻轴向位移传感器的采样值，Zs为转子在轴向0.5L处的轴向位移传感器的采样值，Δiz(k)＝|iz(k)|，其中iz(k)为k时刻轴向磁轴承线圈的电流传感器采样值，ΔZeq(k)＝0.995ΔZeq(k‑1)+0.005Δz(k)ΔIzeq(k)＝0.995ΔIzeq(k‑1)+0.005Δiz(k)其中，ΔZeq(k)为k时刻轴向位移传感器采样值的移动平均值，ΔIzeq(k)为k时刻轴向磁轴承线圈的电流传感器采样值的移动平均值；如果经过5ms，在5ms该时刻ΔZeq(k)＜100毫伏，ΔIzeq(k)＜λ，λ为1安培电流对应电压的采样值，则判定转子轴向悬浮稳定，反之，悬浮不稳定，继续调节参数，再经历5ms后继续计算并判断，直至轴向悬浮稳定；控制步骤二：轴向悬浮稳定后，尝试上径向悬浮，同时保持下径向输出固定控制力使下径向偏向一侧，上径向尝试悬浮时，控制的径向中心X_1s、Y_1s，与上径向偏向一侧时的中心位置X_1p、Y_1p很接近，调节控制参数，并计算上径向位移传感器信号偏值Δx₁(k)、Δy₁(k)及其电流采样值的偏值Δix₁(k)、Δiy₁(k)的移动平均值；Δx₁(k)＝|x₁(k)‑X_1s|，Δy₁(k)＝|y₁(k)‑Y1s|，其中x₁(k)、y₁(k)为k时刻上径向位移传感器的电压采样值，X_1s、Y_1s为转子在上径向最大位移的0.125倍处的移传感器的电压采样值；Δix₁(k)＝|ix₁(k)|、Δiy₁(k)＝|iy₁(k)|，其中ix₁(k)、iy₁(k)为k时刻上径向磁轴承线圈的电流传感器采样值；移动平均值计算方法为：ΔX₁eq(k)＝0.995ΔX₁eq(k‑1)+0.005Δx₁(k)ΔIx₁eq(k)＝0.995ΔIx₁eq(k‑1)+0.005Δix₁(k)ΔY₁eq(k)＝0.995ΔY₁eq(k‑1)+0.005Δy₁(k)ΔIy₁eq(k)＝0.995ΔIy₁eq(k‑1)+0.005Δiy₁(k)ΔX₁eq(k)、ΔY₁eq(k)为k时刻上径向位移传感器采样值的移动平均值，ΔIx₁eq(k)、ΔIy₁eq(k)为k时刻上径向磁轴承线圈的电流传感器采样值的移动平均值；如果ΔX₁eq(k)＜100毫伏，ΔIx₁eq(k)＜λ，ΔY1eq(k)＜100毫伏，ΔIy₁eq(k)＜λ，λ为1安培电流对应电压的采样值，则判定转子上径向悬浮稳定；反之，悬浮不稳定，输出固定控制力使转子上径向偏向一侧，持续5ms；之后调节参数继续尝试上径向悬浮，5ms后继续计算并判断，直至上径向悬浮稳定；控制步骤三：上径向悬浮稳定后，尝试下径向悬浮，下径向尝试悬浮时，控制的径向中心X_2s、Y_2s，与下径向偏向一侧时的中心位置X_2p、Y_2p很接近，调节控制参数，并计算上径向传感器信号偏值Δx₂(k)、Δy₂(k)及其电流采样值的偏值Δix₂(k)、Δiy₂(k)的移动平均值；Δx₂(k)＝|x₂(k)‑X_2s|，Δy₂(k)＝|y₂(k)‑Y_2s|，其中x₂(k)、y₂(k)为k时刻上径向位移传感器的采样值，X_2s、Y_2s为转子在下径向最大位移的0.125倍处的位移传感器电压采样值；Δix₂(k)＝|ix₂(k)|、Δiy₂(k)＝|iy₂(k)|，其中ix₂(k)、iy₂(k)为k时刻上径向磁轴承线圈的电流传感器采样值；移动平均值计算方法为：ΔX₂eq(k)＝0.995ΔX₂eq(k‑1)+0.005Δx₂(k)ΔIx₂2eq(k)＝0.995ΔIx₂eq(k‑1)+0.005Δix₂(k)ΔY₂eq(k)＝0.995ΔY₂eq(k‑1)+0.005Δy₂(k)ΔIy₂eq(k)＝0.995ΔIy₂eq(k‑1)+0.005Δiy₂(k)ΔX₂eq(k)、ΔY₂eq(k)为k时刻上径向位移传感器采样值的移动平均值，ΔIx₂eq(k)、ΔIy₂eq(k)为k时刻上径向磁轴承线圈的电流传感器采样值的移动平均值；如果ΔX₂eq(k)＜100毫伏，ΔIx₂eq(k)＜λ，ΔY₂eq(k)＜δ，ΔIy₂eq(k)＜λ，λ为1安培电流对应电压的采样值，则判定转子下径向悬浮稳定，反之，悬浮不稳定，输出固定控制力使转子下径向偏向一侧，持续5ms，之后调节参数继续尝试下径向悬浮，5ms后继续计算并判断，直至下径向悬浮稳定；下径向悬浮稳定后，根据控制步骤二的计算数据，判断上径向是否悬浮依然稳定，如果上径向悬浮不稳定，返回控制步骤二，重新进行上径向悬浮控制；如果根据控制步骤二的计算数据，判断上径向也悬浮稳定，则调节上下径向悬浮控制中心至原始控制中心，即转子跌落前的径向控制中心，稳定运行100毫秒之后输出控制信号到电机，关闭电机刹车装置，磁轴承控制系统将控制模式由跌落保护切换到正常控制模式。