大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法。
【背景技术】
[0002]磁悬浮储能飞轮是一种新一代的物理储能装置，具有大功率、高储能密度，绿色环保，并具有很强的抗干扰性和快速响应等优点。
[0003]磁悬浮是指转子被电磁力支撑，与壳体之间在转子运动过程中始终存在间隙、不接触的一种状态。转子在空间运动时存在六个自由度，除自转自由度外，必须保证其他五个自由度在转子高速旋转时保持运动稳定。因此需设置两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承来确保转子五个自由度的运动稳定。
[0004]储能飞轮转子一般垂直安装。大容量储能飞轮是指飞轮储能量在20kWh以上，因此对大容量储能飞轮，其转子重量在几百千克到几千千克之间、最高转速在7000-20000rpm之间。当磁轴承控制系统意外断电或飞轮转子受到大的意外冲击，转子将会跌落。飞轮都设有保护轴承来防止这种跌落对飞轮的冲击损坏。对大容量储能飞轮，其积蓄的能量很大，为防止进一步的损坏，应尽快将转子恢复稳定悬浮。但恢复悬浮是非常困难的。专利EP2006556A1提出了一种磁悬浮轴承失稳恢复悬浮方法，该方法通过计算失稳后转子的位移矢量和转子线速度，与建立的恢复力表比较，来实现悬浮恢复。该方法实现起来较为复杂，恢复时间长。
【发明内容】
[0005]基于以上不足之处，本发明公开一种大容量磁悬浮储能飞轮转子跌落后的保护方法。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，适用于磁悬浮储能飞轮的跌落保护。
[0006]本发明的解决方法所采用的技术如下:
[0007]1、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:
[0008]控制步骤一:
[0009]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Δζ(10及其电流采样值的偏值AizGO的移动平均值，
[0010]Δ ζ (k) = I z (k)-Zs |，
[0011]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，
[0012]Δ iz (k) = |iz(k)|，
[0013]其中iz(k)为k时刻轴向磁轴承线圈的电流传感器采样值，
[0014]Δ Zeq (k) = 0.995 Δ Zeq (k_l) +0.005 Δ z (k)
[0015]Δ Izeq (k) = 0.995 Δ Izeq (k~l) +0.005 Δ iz (k)
[0016]其中，AZeq(k)为k时刻轴向位移传感器采样值的移动平均值，Alzeq(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；
[0017]如果经过5ms，在5ms该时刻AZeq(k) < 100毫伏，Δ Izeq (k) < λ，λ为I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；
[0018]控制步骤二:
[0019]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xls、Yls,与上径向偏向一侧时的中心位置xlp、Ylp很接近，调节控制参数，并计算上径向位移传感器信号偏值Ax1 (k)、Ay1GO及其电流采样值的偏值Δ Ix1 (k)、Δ iYl (k)的移动平均值；
[0020]Ax1OO = X1 (k) -Xls I , Ay1OO = I Y1 (k)-Yls |，其中 X1 (k)、y! (k)为 k 时刻上径向位移传感器的电压采样值，Xls、Yls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；
[0021]Aix1OO = IX1 (k) U Δ Iy1 (k) = I 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；
[0022]移动平均值计算方法为:
[0023]Δ Xieq (k) = 0.995 Δ X^q (k_l) +0.005 Δ X1 (k)
[0024]Δ Ixjeq (k) = 0.995 Δ Ixjeq (k~l) +0.005 Δ Ix1 (k)
[0025]Δ Yjeq (k) = 0.995 Δ Yjeq (k~l) +0.005 Δ Y1 (k)
[0026]Δ Iy1Gq (k) = 0.995 Δ Iyjeq (k~l) +0.005 Δ Iy1 (k)
[0027]AXieq(k)、AYieq(k)为k时刻上径向位移传感器采样值的移动平均值，Δ Ix^q(k)、Δ Iyjeq(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；
[0028]如果AXjeq(k) < 100 毫伏，AIx1Gq(Ii) < λ，Δ Yjeq(k) < 100 毫伏，Δ Iy1eq(k)
<λ，λ为I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；
[0029]控制步骤三:
[0030]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X2s、Y2s，与下径向偏向一侧时的中心位置Χ2ρ、γ2ρ很接近，调节控制参数，并计算上径向传感器信号偏值Δ X2 (k)、Δ y2 (k)及其电流采样值的偏值Δ IX2 (k)、Δ iy2 (k)的移动平均值；
[0031]Δ X2 (k) = I X2 (k) -X2s |，Δ y2 (k) = y2 (k) -Y2s I，其中 X2 (k)、y2 (k)为 k 时刻上径向位移传感器的米样值，X2s' Y2s为转子在下径向最大位移的0.125倍处的位移传感器电压米样值；
[0032]Aix2(k) = I ix2 (k) 1、Δ iy2 (k) = I 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；
[0033]移动平均值计算方法为:
[0034]Δ X2eq (k) = 0.995 Δ X2eq (k_l) +0.005 Δ χ2 (k)
[0035]Δ Ix22eq (k) = 0.995 Δ Ix2eq (k~l) +0.005 Δ ix2 (k)
[0036]Δ Y2eq (k) = 0.995 Δ Y2eq (k_l) +0.005 Δ y2 (k)
[0037]Δ Iy2eq (k) = 0.995 Δ Iy2eq (k~l) +0.005 Δ iy2 (k)
[0038]AX2eq(k)、AY2eq(k)为k时刻上径向位移传感器采样值的移动平均值，Δ Ix2eq(k)、Δ Iy2eq(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；
[0039]如果Δ X2eq (k) < 100 晕伏，Δ Ix2eq (k) < λ，Δ Y2eq (k) < δ，Δ Iy2eq (k) < λ，λ为I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；
[0040]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；
[0041]如果根据控制步骤二的计算数据，判断上径向