一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置及方法

1.本技术涉及海上新能源与海流发电、流体力学、控制学等领域，是一种可实现高流速驰振能量利用的自动控制装置及方法。


背景技术：

2.海流能分布广、储量大，据统计全球可开发的海流能超过6
×
106mw。随着全球经济发展与能源结构的调整，海流能势必将成为未来可再生能源开发的重要趋势之一。近期，随着海洋工程技术的发展，一种借助流致振动发电的新兴理念被提出，其利用流体诱发柱体振动，进而利用振动发电设备汲取能量，能量转化的振动形式包括涡激振动、驰振等。流致振动发电技术拥有启动流速低、能量利用潜能大、技术成本较低、不影响通航，不占用耕地，对环境友好等优势。未来，流致振动发电技术将拥有良好的运用前景。
3.流致振动能量巨大，通常造成长细结构物破坏，故早期的研究多针对如何抑制振动。流致振动发电研究目标则恰恰相反，其目的在于增强振动，以获得更高能量。为此，许多学者研究了被动湍流圆柱、棱柱等非圆截面振子特性，以期获得更多能量。结果发现，非圆截面振子的发电能力高于圆柱，但其出现了涡激振动到驰振的差异转化，即软驰振、硬驰振现象。当硬驰振发生时，振子无法由涡激振动自激励转化为驰振，只能由外力(如大位移推动)被迫进入驰振(如图1所示)，造成驰振能量利用受限。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对非圆截面振子的高流速硬驰振现象，提供一种可激发驰振及驰振能量利用的自动控制装置与方法，实现硬驰振条件下驰振的激励与能量利用，并提供能量输出调控与停机等控制功能。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，包括变励磁发电机、扭矩-转角传感器、转轴a、转轴b、轴承组a、轴承组b、支承托架、齿轮、齿条、同步轮a、同步轮b、同步带、离合器、伺服电机、外接可调励磁电源、plc控制器、流速传感器、用电设备、通讯线、他励电源线、电能输出线、振子、传力板、传动板、传动杆；
7.所述转轴a与变励磁发电机、扭矩-转角传感器、轴承组a、齿轮、同步轮a同轴转动；轴承组a由两套轴承组成，所述转轴a固定在支承托架上；转轴b与轴承组b、同步轮b、离合器、伺服电机同轴转动；轴承组b由两套轴承组成，所述转轴b固定在支承托架上；所述同步轮a与同步轮b通过同步带连接，使得同步轮a与同步轮b能够同步运动，带动转轴a与转轴b同步转动；
8.所述齿条通过传动杆与传动板固定连接，并与齿轮咬合；传动板还通过传动杆与滑块连接，滑块限定在滑轨内上下运动，滑轨固定在支撑框架之上；所述传动板与支撑框架之间设置有若干个弹簧，为振子上下振动提供恢复力；振子通过传力板与传动板固定；当来流通过振子时，振子带动传力板上下运动，传力板带动传动板上下运动；传动板带动齿条上
下运动；齿条带动转轴a与转轴b往复旋转运动，最终带动变励磁发电机旋转发电；
9.所述变励磁发电机通过电能输出线将转化电能传输给用电设备；外接可调励磁电源通过他励电源线将励磁电压、电流传输至变励磁发电机；扭矩-转角传感器通过通讯线将扭矩与转角信号传输至plc控制器；流速传感器通过通讯线将来流流速信号传输至plc控制器；用电设备通过通讯线将能量转化信号传输至plc控制器；plc控制器通过通讯线将离合器执行信号传输至离合器；plc控制器通过通讯线将伺服电机执行信号传输至伺服电机；plc控制器通过通讯线将外接可调励磁电源执行信号传输至外接可调励磁电源。
10.进一步的，所述包括用于传输扭矩及转角信号的通讯线、用于传输流速信号通讯线，用于传输电能转化信号的通讯线、用于传输离合器执行信号的通讯线、用于传输伺服电机执行信号的通讯线、用于传输外接可调励磁电源执行信号的通讯线。
11.本发明还提供一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制方法，包括：
12.(1)当来流流速较高，且振子处于驰振状态时，此时控制方式如下：
13.流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源维持励磁电压、电流；
14.上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
15.(2)当来流流速出现波动，振子振动出现抑制，振子振动幅度减小，振子无法发生驰振，此时控制方式如下：
16.流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源励磁电压、电流调至零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
17.若振子随后逐步出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开连接，伺服电机不动作，外接可调励磁电源逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
18.随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定能量输出；
19.若振子随后仍未出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：首先离合器连接，随后伺服电机为振子提供一个初始振幅，随后离合器突然断开，同时外接可调励磁电源励磁电压、电流维持在零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
20.振子突然释放，并出现振幅，发生驰振；此时，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开连接，伺服电机不动作，外接可调励磁电源逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
21.随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定的能量输出；
22.(3)当来流流速稳定增大或减小，振子振动随之增大或减小，能量利用效果发生变化，此时控制方式如下：
23.流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源将励磁电压、电流随之增大或减小；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；
24.随着操作执行，输出功率随之增大或减小并逐步维持稳定；
25.若调整过程中，振幅、功率与流速之间并未达到目标，则执行步骤中的操作；
26.(4)若需紧急停机，此时控制方式如下：
27.根据停机要求，plc控制器解算后确定：离合器连接，伺服电机为振子提供抗力迫使其停止振动，外接可调励磁电源将励磁电压、电流调至零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；随着操作执行，振子振动停止，输出能量为零，停机完成。
28.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
29.本发明提供的自动控制装置及方法实现了流致振动设备在高流速硬驰振条件下的能量输出、调整与控制，增大了流致振动发电设备的适用环境，具有良好的应用前景。首先，采用变励磁发电机、外接可调励磁电源并配合plc控制器，可实现变励磁发电机内励磁的调节，可灵活调整励磁大小，进而同时实现系统阻尼与输出的能量大小的调节。其次，采用离合器、伺服电机并配合plc控制器，可为系统提供初始大位移，进而实现驰振的外部激励，实现驰振能量的有效利用。再次，各类传感器、通讯电缆配合plc控制器，可实现信号的快速传输与解算，并快速输出执行信号，实现控制效果。再次，上述设备为流致振动发电设备提供了停机的控制可能，保证装置的安全性；此外，上述设备部件简单，易于实现，经济性良好。
附图说明
30.图1是硬驰振响应规律；
31.图2是本发明自动控制装置的结构示意图；
32.图3是图2中a部分的放大结构示意图。
具体实施方式
33.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.如图2和图3所示，本实施例提供一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，由变励磁发电机1、扭矩-转角传感器2、转轴a3a、转轴b3b、轴承组a4a、轴承组b4b、支承托架5、齿轮6、齿条7、同步轮a8a、同步轮b8b、同步带9、离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12、plc控制器13、流速传感器14、用电设备15、通讯线16a、通讯线16b、通讯线16c、通讯线16d、通讯线16e、通讯线16f、他励电源线17、电能输出线18、振子19、传力板20、传动板21、传动杆22组成。
35.其中各器件的连接方式如下：转轴a3a与变励磁发电机、扭矩-转角传感器2、轴承组a4a、齿轮6、同步轮a8a同轴转动；轴承组a4a由两套轴承组成，将转轴a3a固定在支承托架5上；转轴b3b与轴承组b4b、同步轮b8b、离合器10、伺服电机11同轴转动；轴承组b4b由两套轴承组成，将转轴b3b固定在支承托架5上；同步轮a8a与同步轮b8b通过同步带9连接，使得同步轮a8a与同步轮b8b同步运动，带动转轴a3a与转轴b3b同步转动。
36.齿条7通过传动杆22与传动板21固定连接，并与齿轮6咬合；传动板21通过传动杆22固定在滑块24之上，滑块24限定在滑轨23内上下运动，滑轨23固定在支撑框架25之上；传动板21与支撑框架25之间设置多个弹簧26，为振子19上下振动提供恢复力；振子19通过传
力板20与传动板21固定；当来流27通过振子19时，振子19带动传力板20上下运动，传力板20带动传动板21上下运动；传动板21带动齿条7上下运动；齿条7带动转轴a3a与转轴b3b往复旋转运动，并最终带动变励磁发电机1旋转发电。
37.电能输出与电控连接方式如下：变励磁发电机1通过电能输出线18将转化电能传输给用电设备15；外接可调励磁电源12通过他励电源线17将励磁电压、电流传输至变励磁发电机1；扭矩-转角传感器2通过通讯线16a将扭矩与转角信号传输至plc控制器13；流速传感器14通过通讯线16b将来流27流速信号传输至plc控制器13；用电设备15通过通讯线16c将能量转化信号传输至plc控制器13；plc控制器13通过通讯线16d将离合器执行信号传输至离合器10；plc控制器13通过通讯线16e将伺服电机执行信号传输至伺服电机11；plc控制器13通过通讯线16f将外接可调励磁电源执行信号传输至外接可调励磁电源12。
38.具体的，该实施例中：振子19为正三棱柱，边长为10cm，垂直水流方向长度为1m，材料为有机玻璃；传力板20为铝板，厚度为1cm；传动板为铝板，厚度为1cm；采用四个滑块24共同限制振动位移；支撑框架25为钢结构；变励磁发电机1最大功率为150w，外接可调励磁电源12输出稳压直流电压范围0～200v；流速传感器14的测量范围0～3m/s；离合器10；伺服电机11；电压范围上述设施的最大功率输100w。
39.具体的，上述适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置的控制方法如下：
40.(1)当来流27流速较高，且振子19处于大振幅驰振状态时，外接可调励磁电源12传输给变励磁发电机1的励磁电压/电流较大，变励磁发电机1传输给用电设备15的电能较高，能量利用良好，此时控制方式如下：
41.流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：离合器10断开，伺服电机11不动作，外接可调励磁电源12维持励磁电压/电流；
42.上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作。
43.(2)当来流27流速出现波动(突然减小或突然变大，或突然忽大忽小)但仍维持较大流速时，振子19振动出现抑制，振子19振动幅度减小，此时外接可调励磁电源12传输给变励磁发电机1的励磁电压/电流仍然较大，振子19无法发生驰振，能量利用效果变差，此时控制方式如下：流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：离合器10断开，伺服电机11不动作，外接可调励磁电源12励磁电压/电流调至零；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作。
44.若振子19随后逐步出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：离合器10断开连接，伺服电机11不动作，外接可调励磁电源12逐渐增大励磁电压/电流至目标值；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作；
45.随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定高能量输出；
46.若振子19随后仍未出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：首先离合器10连接，随后伺服电机11为振子19提供一个初始大振幅，随后离合器10突然断开，同时外接可调励磁电源12励磁电压/电流维持在零；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作。
47.振子19突然释放，并出现大振幅，发生驰振；此时，流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：离合器10断开连接，伺服电机11不动作，外接可
调励磁电源12逐渐增大励磁电压/电流至目标值；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作。
48.随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定高能量输出；
49.(3)当来流27流速稳定增大或减小，振子19振动随之增大或减小，能量利用效果发生变化，此时控制方式如下：
50.流速信号、电能转化信号、扭矩/转角信号传递给plc控制器13，解算后确定：离合器10断开，伺服电机11不动作，外接可调励磁电源12将励磁电压/电流随之增大或减小；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作；
51.随着操作执行，输出功率随之增大或减小并逐步维持稳定；
52.若调整过程中，振幅、功率与流速之间并未达到目标，则执行步骤(2)中的操作；
53.(4)若出现紧急情况，需要停机，此时控制方式如下：
54.根据停机要求，plc控制器13解算后确定：离合器10连接，伺服电机11为振子19提供抗力迫使其停止振动，外接可调励磁电源12将励磁电压/电流调至零；上述信号分别传输至离合器10、伺服电机11、外接可调励磁电源12执行操作；
55.随着操作执行，振子19振动停止，输出能量为零，停机完成。
56.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，其特征在于，包括变励磁发电机(1)、扭矩-转角传感器(2)、转轴a(3a)、转轴b(3b)、轴承组a(4a)、轴承组b(4b)、支承托架(5)、齿轮(6)、齿条(7)、同步轮a(8a)、同步轮b(8b)、同步带(9)、离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)、plc控制器(13)、流速传感器(14)、用电设备(15)、通讯线、他励电源线(17)、电能输出线(18)、振子(19)、传力板(20)、传动板(21)、传动杆(22)；所述转轴a(3a)与变励磁发电机(1)、扭矩-转角传感器(2)、轴承组a(4a)、齿轮(6)、同步轮a(8a)同轴转动；轴承组a(4a)由两套轴承组成，所述转轴a(3a)固定在支承托架(5)上；转轴b(3b)与轴承组b(4b)、同步轮b(8b)、离合器10、伺服电机(11)同轴转动；轴承组b(4b)由两套轴承组成，所述转轴b(3b)固定在支承托架(5)上；所述同步轮a(8a)与同步轮b(8b)通过同步带(9)连接，使得同步轮a(8a)与同步轮b(8b)能够同步运动，带动转轴a(3a)与转轴b(3b)同步转动；所述齿条(7)通过传动杆(22)与传动板(21)固定连接，并与齿轮(6)咬合；传动板(21)还通过传动杆(22)与滑块(24)连接，滑块(24)限定在滑轨(23)内上下运动，滑轨(23)固定在支撑框架(25)之上；所述传动板(21)与支撑框架(25)之间设置有若干个弹簧(26)，为振子(19)上下振动提供恢复力；振子(19)通过传力板(20)与传动板(21)固定；当来流(27)通过振子(19)时，振子(19)带动传力板(20)上下运动，传力板(20)带动传动板(21)上下运动；传动板(21)带动齿条(7)上下运动；齿条(7)带动转轴a(3a)与转轴b(3b)往复旋转运动，最终带动变励磁发电机(1)旋转发电；所述变励磁发电机(1)通过电能输出线(18)将转化电能传输给用电设备(15)；外接可调励磁电源(12)通过他励电源线(17)将励磁电压、电流传输至变励磁发电机(1)；扭矩-转角传感器(2)通过通讯线将扭矩与转角信号传输至plc控制器(13)；流速传感器(14)通过通讯线将来流(27)流速信号传输至plc控制器(13)；用电设备(15)通过通讯线将能量转化信号传输至plc控制器(13)；plc控制器(13)通过通讯线将离合器执行信号传输至离合器(10)；plc控制器(13)通过通讯线将伺服电机执行信号传输至伺服电机(11)；plc控制器(13)通过通讯线将外接可调励磁电源执行信号传输至外接可调励磁电源(12)。2.根据权利要求1所述一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，其特征在于，所述包括用于传输扭矩及转角信号的通讯线、用于传输流速信号通讯线，用于传输电能转化信号的通讯线、用于传输离合器执行信号的通讯线、用于传输伺服电机执行信号的通讯线、用于传输外接可调励磁电源执行信号的通讯线。3.一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制方法，基于权利要求1-2任意一项所述适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，其特征在于，包括：(1)当来流(27)流速较高，且振子(19)处于驰振状态时，此时控制方式如下：流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：离合器(10)断开，伺服电机(11)不动作，外接可调励磁电源(12)维持励磁电压、电流；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；(2)当来流(27)流速出现波动，振子(19)振动出现抑制，振子(19)振动幅度减小，振子(19)无法发生驰振，此时控制方式如下：流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：离合器(10)断开，伺服电机(11)不动作，外接可调励磁电源(12)励磁电压、电流调至零；上述信号
分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；若振子(19)随后逐步出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：离合器(10)断开连接，伺服电机(11)不动作，外接可调励磁电源(12)逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定能量输出；若振子(19)随后仍未出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：首先离合器(10)连接，随后伺服电机(11)为振子(19)提供一个初始振幅，随后离合器(10)突然断开，同时外接可调励磁电源(12)励磁电压、电流维持在零；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；振子(19)突然释放，并出现振幅，发生驰振；此时，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：离合器(10)断开连接，伺服电机(11)不动作，外接可调励磁电源(12)逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定的能量输出；(3)当来流(27)流速稳定增大或减小，振子(19)振动随之增大或减小，能量利用效果发生变化，此时控制方式如下：流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器(13)，解算后确定：离合器(10)断开，伺服电机(11)不动作，外接可调励磁电源(12)将励磁电压、电流随之增大或减小；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；随着操作执行，输出功率随之增大或减小并逐步维持稳定；若调整过程中，振幅、功率与流速之间并未达到目标，则执行步骤(2)中的操作；(4)若需紧急停机，此时控制方式如下：根据停机要求，plc控制器(13)解算后确定：离合器(10)连接，伺服电机(11)为振子(19)提供抗力迫使其停止振动，外接可调励磁电源(12)将励磁电压、电流调至零；上述信号分别传输至离合器(10)、伺服电机(11)、外接可调励磁电源(12)执行操作；随着操作执行，振子(19)振动停止，输出能量为零，停机完成。

技术总结
本发明公开一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置及方法，控制装置中转轴A与变励磁发电机、扭矩-转角传感器、轴承组A、齿轮、同步轮A同轴转动；轴承组A和轴承组B由两套轴承组成，转轴A和转轴B固定在支承托架上；转轴B与轴承组B、同步轮B、离合器、伺服电机同轴转动；同步轮A与同步轮B通过同步带连接；齿条通过传动杆与传动板固定连接，并与齿轮咬合；传动板还通过传动杆与滑块连接，滑块限定在滑轨内上下运动，滑轨固定在支撑框架之上；传动板与支撑框架之间设置有若干个弹簧；振子通过传力板与传动板固定；变励磁发电机将转化电能传输给用电设备；外接可调励磁电源通过他励电源线将励磁电压、电流传输至变励磁发电机。电流传输至变励磁发电机。电流传输至变励磁发电机。


技术研发人员：燕翔 李棂繁 杨旭 邵楠 冉聃颉 冯卫鹏
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/14