DE10011602A1 - Drehzahlgeregelter Antrieb und Verfahren zur Schwingungsdämpfung desselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines drehzahlgeregelten Antriebs, wobei ein einziger Drehzahlregler vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zu seinem Eingang zurückgeführt ist; sowie auf einen drehzahlgeregelten Antrieb mit einer aktiven Schwingungsdämpfung, wobei ein einziger Drehzahlregler vorgesehen ist, der eine Rückkopplungsschleife von seinem Ausgang zu seinem Eingang aufweist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Schwingungs­ dämpfung eines drehzahlgeregelten Antriebs, wobei unabhängig von der Anzahl der an einer Welle arbeitenden Motoren nur ein einziger Drehzahlregler vorgesehen ist; sowie auf einen dreh­ zahlgeregelten Antrieb mit einer aktiven Schwingungsdämpfung nach diesem Verfahren.

Fast jeder, der bereits auf einem Hochseeschiff mitgefahren ist, kennt das Geräusch des Schiffsantriebs, welches sich durch den gesamten Schiffsrumpf fortpflanzt und diesen in Vibrationen versetzt. Während diese Schwingungen bei Diesel­ antrieben primär von den hin- und hergehenden Kolben verur­ sacht werden, könnte vermutet werden, dass bei Elektromoto­ ren, wie sie vor allem bei U-Booten, aber auch zunehmend bei Überwasserschiffen zum Einsatz gelangen, derartige Schwingun­ gen nicht mehr auftreten. Dem ist jedoch nicht so, da insbe­ sondere auch ein Schiffspropeller eine schwankende Belastung für den Antrieb darstellt, und zwar deshalb, weil die Propel­ lerblätter bei ihrer Rotationsbewegung sich teilweise an dem am Schiffsheck vorhandenen Skeg oder Wellenbock entlang bewe­ gen, auf einem anderen Teil ihrer Rotationsbewegung sich da­ gegen von diesem weitgehend frei bewegen können. Dieses schwankende Belastungsmoment wird von dem Drehzahlregler bzw. dem diesen untergeordneten Stromregler nachgefahren, um die Drehzahl der Schiffsschraube so exakt als möglich bei dem vorgewählten Drehzahlsollwert konstant zu halten. Hierbei ü­ berträgt sich das mit einer der um die Blätterzahl des Pro­ pellers vervielfachten Wellendrehzahl schwankende Drehmoment auf den Antriebsmotor und wird über dessen Gehäuse auf seine Verankerung und damit an den Schiffsrumpf übertragen. Dadurch werden Teile der Schiffskonstruktion mit der Grundwelle die­ ses pulsierenden Drehmoments zu Schwingungen angeregt, und aufgrund mechanischer Gegebenheiten ist die Resonanz des Schiffsrumpfs bei der betreffenden Frequenz nicht vernachläs­ sigbar. Die daraus resultierenden Vibrationen sind nicht nur lästig für die Schiffsbesatzung, sondern sie bringen auch ei­ ne erhebliche Belastung für die gesamte Konstruktion des Schiffes mit sich, und sollten daher vermieden werden. Die einzige bekannte Maßnahme hierfür ist, die Schwachstellen für derartige Schwingungen mit der sog. Finite-Elemente-Methode zu berechnen und die so ermittelten kritischen Bereiche durch tonnenweisen Einsatz von Stahl zu verstärken. Diese Methode ist einerseits teuer, verringert andererseits das zulässige Ladegewicht des Schiffs, erhöht den Treibstoffverbrauch und kann darüber hinaus allenfalls die materialzerstörenden Aus­ wirkungen der von dem Antrieb erzeugten Schwingungen reduzie­ ren, diese jedoch nicht ursächlich eliminieren.

Hydromechanisch gesehen ist die Belastung am Schiffspropeller mit seinem Nachstromfeld beschrieben. Die Schwankung dieser Belastung, welche durch den am Schiffsrumpf vorhandenen Skeg oder Wellenbock verursacht wird, zeigt sich wieder in der In­ homogenität des Nachstromfeldes vom Propeller, welche sich wiederum in einer schwankenden Fortschrittsziffer beim Umlauf des Propellerblattes abbildet. Eine Drehzahlregelung, die die Drehzahl vom Schiffspropeller so exakt als möglich bei dem vorgewählten Drehzahlsollwert konstant hält, hat den negati­ ven Effekt, dass sich die Inhomogenität des Nachstromfeldes voll auf die Schwankung in der Fortschrittsziffer vom Propel­ ler abbildet. Eine Schwankung in der Fortschrittsziffer vom Propeller reduziert die Kavitationssicherheit eines Propel­ lers, weil sich dabei der Arbeitspunkt eines Propellers sei­ ner Kavitationsgrenze nähert bzw. diese überschreitet. Beson­ ders im Bereich eines am Schiffsrumpf vorhandenen Skegs oder Wellenbocks kann der Arbeitspunkt des Propellers die Kavita­ tionsgrenze erreichen oder überschreiten und damit eine Kavi­ tation auslösen, die dann zu erheblichen Schäden am Schiff und insbesondere am Propeller führen kann. Eine Kavitation führt auch zu unzulässigen Druckschwankungen und Geräuschen, die insbesondere den Nutzwert von Passagier-, Forschungs- und militärischen Schiffen erheblich reduziert.

Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik re­ sultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine Mög­ lichkeit zu schaffen, wie die von dem drehzahlgeregelten An­ trieb einer Last mit schwankendem Drehmoment, insbesondere eines Schiffspropellers, hervorgerufenen Schwingungen einer Antriebsverankerung, insbesondere eines gesamten Schiffs­ rumpfs einschließlich des inhomogenen Nachstromfeldes eines Schiffspropellers, soweit als möglich reduziert oder gar ver­ mieden werden können.

Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung im Rahmen ei­ nes gattungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Ausgangssignal des Drehzahlreglers zu dessen Reglereingang zurückgeführt ist. Da das Ausgangssignal des Drehzahlreglers nährungsweise etwa proportional zu dem von dem Antrieb abgegebenen Drehmo­ ment ist, so kann bei einer Aufschaltung desselben mit einer geeigneten Phase zu dem Drehzahlistwert eine gewisse Unemp­ findlichkeit für Drehmomentschwankungen herbeigeführt werden.

Es empfiehlt sich, die drehmomentproportionalen Schwankungen des Reglerausgangssignals etwa um 180° phasenverschoben am Drehzahlreglereingang zuzuführen, so dass sich einerseits ei­ ne negative und damit stabile Rückkopplung ergibt und ande­ rerseits das zum Ausregeln der belastungsbedingten Schwankun­ gen der Drehzahl erforderliche Drehmoment bzw. das hierzu et­ wa proportionale Reglerausgangssignal reduziert wird. Dies hat vor allem zur Folge, dass die Schwankungen des Antriebs­ drehmoments deutlich herabgesetzt werden können, wodurch die über die Verankerung an den Schiffskörper abgegebenen Schwan­ kungen des Drehmoments und die über den Schiffspropeller an das Nachstromfeld vom Schiffspropeller abgegebenen Druck­ schwankungen bis auf unkritische Werte abgesenkt werden kön­ nen. Ein Nebeneffekt hierbei ist, dass die Drehzahl des Pro­ pellers nun nicht mehr exakt konstant bleibt, sondern gewis­ sen Schwankungen, wie sie durch die wechselnde Belastung her­ vorgerufen werden, unterliegt. Dies ist jedoch für den von dem Propeller erzeugten Vortrieb von geringster Bedeutung, andererseits kann hierbei auf vorteilhafte Weise das Träg­ heitsmoment des Rotors vom Elektromotor, des Propellers und der Welle zur Abdämpfung dieser Schwankungen verwendet wer­ den. Infolge der nahezu reibungsfreien Drehlagerung der Welle erfährt der Schiffsrumpf von diesen Drehzahlschwankungen kei­ ne Anregung.

Hydromechanisch gesehen hat dieser Effekt den wesentlichen Vorteil, dass die Drehzahl des Propellers nun nicht mehr ex­ akt konstant bleibt, sondern gewissen Schwankungen unter­ liegt, welche durch die wechselnden Belastungen am Propeller hervorgerufen werden; hierdurch wird die von der hydromecha­ nischen Kopplung des Nachstromfeldes mit der Fortschrittszif­ fer herrührende Schwankungsbreite reduziert. Diese Reduzie­ rung der Schwankungsbreite der Fortschrittsziffer entsteht dadurch, dass die Schwankung der Belastung an dem Propeller­ blatt, welches sich in dem inhomogenen Nachstromfeld des am Schiffsrumpf vorhandenen Skegs oder Wellenbocks befindet, aufgrund des obigen Effektes der Erfindung zu einer Änderung in der Drehzahl führt, die durch ihre Richtung und Größe ih­ rer Ursache entgegenwirkt und damit zu einer Abdämpfung der Schwankungsbreite der Fortschrittsziffer des Propellerblattes führt, welches in Bezug auf die Kavitation am meisten gefähr­ det ist. Die Rückwirkung dieses Propellerblattes auf die an­ deren Blätter des Propellers aufgrund des beschriebenen Ef­ fektes ist von geringer Bedeutung, weil deren Arbeitspunkte erheblich dichter beim Nennarbeitspunkt des Propellers liegen bleiben als der Arbeitspunkt desjenigen Propellerblattes, welches sich in dem inhomogenen Nachstromfeld des am Schiffs­ rumpf vorhandenen Skegs oder Wellenbocks befindet.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das zurückgeführte Ausgangssignal des Drehzahlreglers mit einem Faktor multipli­ ziert wird. Naturgemäß sollte diese Rückkopplung nicht zu stark gewählt werden, da sonst durch den ebenfalls zurückge­ koppelten, etwa konstanten Mittelwert des Antriebsdrehmoments eine starke Reduzierung des Drehzahlsollwertes aufträte und dadurch der Drehzahlregler selbst bei einer Realisierung des­ selben mit PI-Charakteristik nicht mehr in die Lage versetzt wäre, die Antriebswelle auf den eingestellten Drehzahlsoll­ wert zu beschleunigen. Da andererseits sowohl für das Regler­ eingangssignal wie auch für dessen Ausgangssignal ein vorbe­ stimmter Spannungsbereich zur Verfügung steht, bspw. -10 V bis +10 V, wobei die Grenzwerte jeweils der maximalen Dreh­ zahl bei Vorwärts- und Rückwärtsfahrt entsprechen, bzw. dem maximalen Motordrehmoment, so ist für die Einstellung eines optimalen Grades der Rückkopplung eine multiplikative Anpas­ sung dieser beiden Signalpegel unerlässlich.

In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Multiplikationsfaktor zwischen 0,01% und 3%, vor­ zugsweise zwischen 0,1% und 2,0%, insbesondere zwischen 0,15% und 1,5% liegt. Es handelt sich hierbei um eine na­ turgemäß sehr geringe Rückkopplung, da - wie oben bereits er­ wähnt - bereits ein Großteil der von der wechselnden Belas­ tung angeforderten Energie von dem Trägheitsmoment des Rotors vom Elektromotor, des Propellers und der Antriebswelle aufge­ nommen und an diese jeweils wieder zurückgegeben werden kann. Indem hier durch die Erfindung ein gewisser Freiheitsgrad für Drehzahlschwankungen eingeräumt wird, so lässt sich der An­ triebsstrang vorteilhaft als Energiespeicher verwenden, der ähnlich wie der Stützkondensator bei einer Stromversorgung zu einer Glättung der Energieaufnahme aus dem elektrischen Ver­ sorgungsnetz der Antriebsanlage beiträgt. Deshalb führt hier eine geringe Rückkopplung zu dem bemerkenswerten Ergebnis, dass das von dem Antriebsmotor aufzubringende Drehmoment weitgehend geglättet wird, ohne dass hierdurch eine erhebli­ che, bleibende Regelabweichung von dem vorgewählten Sollwert verursacht würde.

Im Rahmen der Dimensionierung des Grades der erfindungsgemä­ ßen Rückkopplung hat sich eine derartige Einstellung bewährt, dass bei Nennlast die statische Regelabweichung etwa zwischen 0,2% und 1,5% liegt. Solchenfalls wird trotz der Gegenkopp­ lung des Reglerausgangssignals die Qualität der Regelung, insbesondere die Dynamik bei Veränderungen des Drehzahlsoll­ wertes, nicht beeinträchtigt.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die statische Regelabweichung durch einen korrigierten Sollwert kompensiert wird. Da die statische Regelabweichung bei der erfindungsge­ mäßen Regelkreisstruktur berechenbar ist, so kann sie durch eine Korrekturschaltung weitgehend kompensiert werden.

Ein von der Erfindung bevorzugtes Kompensationsverfahren ver­ wendet die geschätzte, mittlere Belastung des Antriebs als Ausgangsgröße und versucht, durch mathematische Erfassung der Streckenparameter hieraus die zu erwartende, statische Re­ gelabweichung zu ermitteln und durch eine entsprechende, ge­ gensinnige Verstellung des Drehzahlsollwertes auszugleichen.

In vielen Fällen, insbesondere auch bei Propellerantrieben von Schiffen, hat die Strecke zumindest nährungsweise bekann­ te Eigenschaften, insbesondere ergibt sich das statische, mittlere Belastungsmoment gemäß einer Kennlinie aus dem sta­ tischen Drehzahlistwert. Bspw. steigt bei Propellerantrieben das Antriebsdrehmoment etwa quadratisch mit dem Drehzahlist­ wert an. Wenn der Drehzahlistwert daher einem bestimmten Drehzahlsollwert entsprechen soll, so kann aus dieser Kennli­ nie näherungsweise das Drehmoment bestimmt werden, welches in statischem Zustand etwa proportional zu dem Reglerausgangs­ signal ist, so dass sich auch der Mittelwert des rückgekop­ pelten Signals und damit die bleibende Regelabweichung be­ stimmten lässt. Indem diese solchenfalls zu dem (idealen) Sollwert hinzugefügt wird, vorzugsweise additiv, so ergibt sich bei Eintreten der vorausberechneten Regelabweichung als Drehzahlistwert gerade eben der ideale Drehzahlsollwert.

Dem Erfindungsgedanken entsprechend kann der Drehzahlregler eine PI-Charakteristik aufweisen. Dadurch ergibt sich statio­ när eine äußerst hohe Stabilität des stationären Drehzahlist­ wertes, der dank der erfindungsgemäßen Vorverzerrung weitge­ hend mit dem idealen Drehzahlsollwert übereinstimmt.

Obwohl die erfindungsgemäße Regelung bei nahezu allen An­ triebswellen mit etwa periodisch schwankenden Belastungsmo­ menten verwendet werden kann, so ist ein ganz besonders wich­ tiger und daher bevorzugter Einsatzbereich die Regelung eines elektrischen Propellerantriebs von Ober- oder Unterwasser­ schiffen, da hier einerseits durch die Eigenschaften des Pro­ pellers eine starke Drehmomentschwankung vorliegt und ande­ rerseits die von einem Motor zur Ausregelung aufzubringenden Antriebsmomentwellen gerade bei Schiffen nicht in ein an ei­ nem Untergrund unverrückbar festgelegtes Verankerungsbauteil eingeleitet werden können, sondern allenfalls in den bewegli­ chen Schiffsrumpf.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Antriebs ist bei dem Drehzahlregler eine Rückkopplungsschleife von dessen Ausgang zu seinem Eingang vorgesehen. Diese Schleife kann mit schal­ tungstechnisch normalem Aufwand realisiert werden, was sowohl für den Aufbau wie auch für die Ermittlung einer optimalen Einstellung gilt. Andererseits kann hierdurch die aufwendige Verstärkung des Schiffskörpers im Bereich von kritischen, an­ hand der Finite-Elemente-Methode berechneten Stellen vermie­ den werden, was eine bedeutende Reduzierung des Rechen- und Kontruktionsaufwandes, sowie eine erhebliche Materialerspar­ nis und eine Verkürzung der Montagezeit bedeutet.

Weitere Vorzüge ergeben sich dadurch, dass die Rückkopplungs­ schleife zu dem invertierenden Eingang des Drehzahlreglers geführt ist. Hier kann der Vorteil genutzt werden, dass übli­ che Regler zumeist mit einem nicht invertierenden Eingang für das Sollwertsignal und mit einem invertierenden Eingang für das Istwertsignal der auszuregelnden Größe versehen sind. Mit Hilfe einer Spannungsadditionsschaltung kann daher das erfin­ dungsgemäß rückgekoppelte Signal parallel, d. h. additiv ver­ knüpft mit dem Drehzahlistwertsignal, dem invertierenden Sig­ naleingang des Reglers zugeführt werden. Natürlich kann beim Aufbau einer Steuerschaltung aus einzelnen Elektronikbautei­ len auch ein eigener Eingang für das erfindungsgemäße Rück­ kopplungssignal vorgesehen werden.

Die Multiplikation des Reglerausgangssignals zwecks Einstel­ lung einer optimalen Signalamplitude an dem invertierenden Eingang des Reglers kann mit einfachsten Mitteln erfolgen, bspw. mittels eines ohmschen Spannungsteilers oder durch Transformierung eines Spannungssignals in ein dazu proportio­ nales Stromsignal mit einem ohmschen Widerstand.

Weitere Vorteile lassen sich erzielen, indem der Drehzahlreg­ ler mit einem Operationsverstärker aufgebaut ist. Derartige Bausteine sind äußerst universell einsetzbar und verfügen stets über einen invertierenden und einen nicht invertieren­ den Eingang, welche je nach der zu realisierenden Funktion beschalten werden können.

Die Realisierung eines PI-Reglers unter Verwendung eines Ope­ rationsverstärkers bereitet keinerlei Schwierigkeiten und bildet andererseits eine optimale Struktur für den erfin­ dungsgemäßen Drehzahlregler.

Die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich dadurch ergänzen, dass in dem Sollwertzweig des Drehzahlreglers eine Kompensa­ tionsschaltung eingeschalten ist. Die Aufgabe dieser Kompen­ sationsschaltung liegt darin, eine möglichst exakte Approxi­ mation des an dem Sollwertgeber eingestellten Drehzahlsoll­ wertes durch den statischen Arbeitspunkt des Antriebes zu er­ reichen. Da ausschließlich das statische Verhalten beein­ flusst werden soll, so kann die erfindungsgemäße Kompensati­ onsschaltung ohne Dynamik realisiert werden, d. h. als Kennli­ niengeber, bspw. in Form eines passiven Widerstandsnetzwerkes od. dgl.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Kompensations­ schaltung durch einen zu dem linearen Zweig parallelen Zweig mit einer quadratischen Kennlinie gebildet ist. Diese Art der Kompensationsschaltung ist insbesondere bei Antrieben für al­ le Formen von Propellern, Ventilatoren, etc. geeignet, da hierbei das Drehmoment etwa proportional mit der Drehzahl an­ steigt. Somit ist die durch die erfindungsgemäße Rückkopplung bewirkte, statische Veränderung des tatsächlichen Arbeits­ punktes etwa quadratisch abhängig von dem Drehzahlsollwert und kann durch eine entsprechende, auditive Aufschaltung ei­ nes Quadratwertes zu dem idealen Sollwert weitgehend kompen­ siert werden.

Die Realisierung einer quadratischen Kennlinie kann mit guter Nährung durch einen Multiplikator erreicht werden, dessen Eingänge parallelgeschalten sind.

Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass die Kompensationsschaltung mit einem Hochlaufgeber kombiniert und mit diesem in Serie geschalten ist. Während die vorab be­ schriebene Kompensationsschaltung ausschließlich Einfluss auf das statische Verhalten des Antriebes hat, kann dessen dyna­ misches Verhalten vorteilhaft dadurch beeinflusst werden, dass durch vorgegebene Rampen ein stufenartig veränderter Drehzahlsollwert in eine etwa rampenartige Drehzahl verändert und umgesetzt wird, welche von dem Antrieb unter Berücksich­ tigung des Massenträgheitsmoments der rotierenden Massen und des Lastmoments verarbeitet und dank des Drehzahlreglers weitgehend überschwingungsfrei nachgefahren werden können.

Da das Drehzahlreglerausgangssignal möglichst direkten Ein­ fluss auf das Drehmoment des Antriebs ausüben soll, so lässt sich bevorzugt eine Ankopplung über einen unterlagerten Stromregler für einen oder mehrere elektrische Antriebsmoto­ ren bewirken. Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, dass bei nahezu allen Typen von Elektromotoren das Drehmoment etwa proportional zu dem Ankerstrom bei einer Gleichstrommaschine bzw. zu dem Wirkstrom bei einer Dreh­ strommaschine ist, so dass durch Regelung desselben auf den von dem Drehzahlreglerausgang vorgegebenen Wert die gewünsch­ te Drehmomentverstellung erreicht werden kann.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass die angetriebene Welle mit dem Propeller eines Über- oder Unter­ wasserschiffes verbunden ist. Hier kann die Erfindung beson­ ders effektiv eingesetzt werden, da sich die von dem An­ triebsmotor ausgelösten Schwingungen erheblich senken lassen und somit eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer des Schiffskörpers mit einem minimalen Zusatzaufwand erreicht werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Er­ findung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt ein Block­ schaltbild eines erfindungsgemäßen Schiffspropellerantriebs.

Die Blockschaltung 1 dient dem elektromotorischen Antrieb 2 der Welle 3 eines Schiffspropellers 4 gemäß dem über den Ma­ schinentelegraphen 5 von dem Schiffskapitän vorgegebenen Drehzahlsollwert 6.

Bei einem herkömmlichen Antrieb werden abrupte Änderungen 5 des Drehzahlsollwerts 6 durch einen nachgeschalteten Hoch­ laufgeber 7 in Rampen mit definierten Anstiegs- und Abfallge­ schwindigkeiten umgesetzt. Dieses modifizierte Signal 8 für den Drehzahlsollwert n^* gelangt über einen Summationspunkt 9 an den Eingang 10 eines Drehzahlreglers 11, der vorzugsweise mit einem Proportional- und einem Integral-Anteil realisiert ist.

Ferner gelangt an den Eingang 10 des Drehzahlreglers 11 das invertierte Messsignal 12 für die Drehzahl n des Elektromo­ tors 2, welches mittels eines im Bereich des B-Lagerschildes an die Welle 13 des Elektromotors 2 gekoppelten Inkremental­ gebers 14 ermittelt wird. Dies erfolgt dadurch, dass die bei­ den phasenverschobenen Rechteckausgangssignale des Inkremen­ talgebers 14 unter Berücksichtigung ihrer Phasenlage einen Zählerstand pulsweise inkrementieren. Durch Differenzbildung des Zählerstandes zu Beginn und am Schluss je eines festen Zeitintervalls kann ein drehgeschwindigkeitsproportionales Digitalsignal erzeugt werden, welches sodann in eine Analog­ spannung 12 mit einer dem Drehzahlsollwert 8 entsprechenden Amplitude umgesetzt wird. Sofern es dem Regler 11 gelingt, den Drehzahlistwert n exakt dem modifizierten Drehzahlsoll­ wert 8 nachzuführen, so wird das Eingangssignal 10 des Reg­ lers 11 infolge der Differenzbildung n^* - n an dem Summati­ onspunkt 9 zu null.

Ist das Eingangssignal 10 dagegen ungleich von Null, so ver­ ändert der Drehzahlregler 11 sein endliches Ausgangssignal 16, dessen Amplitude als von der Regelstufe angefordertes Beschleunigungs- oder Bremsmoment aufgefasst werden kann. Da bei dem Elektromotor 2, der vorzugsweise als Drehstrom- Asynchronmaschine bzw. Drehstrom-Synchronmaschine aufgebaut ist, das erzeugte Drehmoment bei einer geeigneten drehfeld­ orientierten Regelung, auf die hier nicht im Einzelnen einge­ gangen werden soll, etwa proportional zu einem Stromflussvek­ tor gemacht werden kann, so wird das Reglerausgangssignal 16 des Drehzahlreglers 11 im Rahmen der Schaltung 1 gleichzeitig als Sollwert I^* für einen entsprechenden Motorstrom aufge­ fasst und als solcher über einen weiteren Summationspunkt 17 an den Eingang 18 eines untergeordneten Stromreglers 19 hin­ geführt. Dieser Stromregler 19 hat grundsätzlich ebenfalls eine PI-Charakteristik mit einem Proportional- und einem In­ tegralanteil.

Weiterhin gelangt an den Summationspunkt 17 ein invertiertes Messsignal 20 für den Motorstrom I, wobei das Signal 20 für den Stromistwert I aus einem bspw. mittels einem oder mehre­ rer, in die Stromzuleitungen 21 des Elektromotors 2 einge­ schalteter Shunts 22 gewonnenen Stromistwert 23 durch Auswer­ tung in einem nachgeordneten Messumformer 24 als Amplituden­ wert erzeugt wird. Dieser Stromamplitudenwert 20 kann bei Drehstrom-Asynchronmaschinen bzw. Drehstrom-Synchronmaschinen 2 der drehmomentbildenden Komponente des aus den Motorströmen 22 ermittelten Stromvektors entsprechen, bei einem Gleich­ strommotor kann dagegen der gemessene Ankerstrom direkt ver­ wendet werden.

Das Ausgangssignal 25 des Stromreglers 19 gelangt an einen Steuersatz 26, der auf einen Stromrichter 27 einwirkt. Der Stromrichter 27 ist primärseitig an ein Drehstromnetz 28 an­ geschlossen und im Fall einer Drehstrom-Asynchronmaschine bzw. Drehstrom-Synchronmaschine 2 als Umrichter, bei Verwen­ dung eines Gleichstrommotors 2 als Stromrichter aufgebaut.

Der dem Drehzahlregelkreis 29 unterlagerte Stromregelkreis 30 sorgt für eine optimale Verstellbarkeit des Motordrehmoments 2, welches im Rahmen der übergeordneten Drehzahlregelung 29 dazu verwendet werden kann, um den Drehzahlistwert 12 dem Drehzahlsollwert 8 exakt nachzuführen. Hierbei muss der Motor 2 allerdings ein zeitlich schwankendes Drehmoment abgeben, da der Propeller 4 bei einem Vorbeigleiten seiner Blätter 31 an dem am Schiffsrumpf vorhandenen Skeg oder Wellenbock ein er­ höhtes Bremsmoment erfährt und somit dem etwa konstanten Mit­ telwert des Lastdrehmomentes eine Oberwelle überlagert ist, deren Frequenz etwa dem Produkt der Propellerdrehzahl mit der Anzahl der Propellerblätter entspricht. Um die Auswirkung dieses schwankenden Lastmomentes auf den Drehzahlistwert n möglichst gering zu halten, muss der Motor 2 ständig ein ent­ sprechend wechselndes Antriebsmoment aufbringen, dessen Reak­ tionsdrehmoment über die Verankerung 32 des Motors in den Schiffsrumpf eingeleitet wird und dort Schwingungen mit einer entsprechenden Frequenz hervorruft, welche sich schädlich auf die Schiffskonstruktion auswirken; auf dem entgegengesetzten Weg wirken sich die Schwankungen des Antriebsmomentes über den Schiffspropeller und dessen Nachstromfeld derart nachtei­ lig aus, dass am Schiffspropeller Kavitationen begünstigt o­ der ausgelöst werden.

Die erfindungsgemäße Gegenmaßnahme besteht darin, dass ein Teil des Reglerausgangssignals 16 des Drehzahlreglers 11 zu­ rückgekoppelt 33 wird. Dadurch wird bei jeder Abweichung des Drehzahlistwertes n von einem Drehzahlsollwert n^*, wenn der Drehzahlregler 11 zur Erzeugung eines Gegendrehmoments einen endlichen Stromsollwert I^* erzeugt, durch die Rückkopplung 33, welche als invertiertes und mit einem Teilungsfaktor 34 multipliziertes Signal 35 dem Summationspunkt 9 zugeführt wird, virtuell der modifizierte Drehzahlsollwert n^* um einen Wert n_R = R . I^* herabgesetzt.

Dadurch versucht der Regler 11 nur auf den entsprechend redu­ zierten Drehzahlsollwert n^* - n_R auszuregeln und gibt dadurch dem Motor 2 Gelegenheit, durch Reduzierung der Drehzahl n von n^* auf n^* - n_R Schwungenergie aus dem Antriebsstrang 2, 3, 4 freizusetzen. Dabei stellt der Regler 11 der absinkenden Mo­ tordrehzahl n virtuell einen absinkenden Drehzahlsollwert n^* - n_R gegenüber und muss dadurch kaum gegensteuern. Daher er­ zeugt der Motor 2 kein oder nur ein geringes zusätzliches Drehmoment, so dass an der Motorverankerung 32 kein erhöhtes Drehmoment in den Schiffsrumpf eingeleitet wird.

Sobald die Propellerblätter 31 eine andere Stellung eingenom­ men haben, sinkt die Belastung an der Welle 3, und ohne eine Erhöhung des Motordrehmomentes steigt die Drehzahl n wieder an. Da nun der Drehzahlistwert n größer wird als der virtuel­ le Drehzahlsollwert n^* - n_R, sinkt die Amplitude des Regleraus­ gangssignals 16 ab, und das System kehrt in den anfänglichen Arbeitspunkt zurück.

Da die Drehzahl während eines derartigen Zyklus ausschließ­ lich nach unten nachgegeben hat, sinkt der Mittelwert der Drehzahl n gegenüber dem tatsächlichen, konstanten Drehzahl­ sollwert n^* etwas ab, was als bleibende Regelabweichung von etwa 0,2 bis 1,5% erkennbar ist. Um diesem Effekt entgegen­ zuwirken, kann in den Sollwertzweig n^* eine Kompensations­ schaltung eingefügt sein, welche den Drehzahlsollwert n^* vir­ tuell um ein entsprechendes Maß nach oben verstellt.

Hierbei kann insbesondere bei Schiffspropellerantrieben die Tatsache genutzt werden, dass das Lastmoment eines Propellers 4 etwa quadratisch mit dessen Drehzahl n ansteigt, so dass demzufolge auch das zurückgekoppelte, im statischen Zustand dem Antriebsmoment des Motors 2 etwa proportionale, Signal 35 etwa als quadratische Funktion des Drehzahlmittelwertes ñ aufgefasst werden kann. Unter der Annahme, dass andererseits der tatsächliche Drehzahlmittelwert ñ nährungsweise identisch mit dem Drehzahlsollwert n^* ist, so muss demzufolge der Kom­ pensator einen zu dem Drehzahlsollwert n^* quadratisch anstei­ genden Zweig aufweisen. Die erfindungsgemäße Funktion besteht darin, dass der Drehzahlistwert n, 12 über einen Funktionsge­ ber 37, der die oben beschriebene Kompensation abbildet, als Signal n_L ^*, 36 dem Summationspunkt 38 zugeführt wird und da­ durch den Drehzahlsollwert n^*, 6 um einen Wert n_L ^* = f(n) her­ aufsetzt. Im statischen Zustand ist damit n_L ^* = -n_R und hat die gewünschte Wirkung, dass im Summationspunkt 9 die Summe aus dem Signal 8 und dem Signal 35 gleich dem Signal 6 ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines drehzahlgere­ gelten Antriebs (1), wobei unabhängig von der Anzahl der an einer Welle (3) arbeitenden Motoren (2) nur ein einziger Drehzahlregler (11) vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Ausgangssignal (16) des Drehzahlreglers (11) zu dessen Reglereingang (10) zurückge­ führt (33-35) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das zurückgeführte (33-35) Ausgangssignal (16) des Drehzahlreglers (11) invertiert (9) wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das zurückgeführte (33-35) Ausgangssignal (16) des Drehzahlreglers (11) mit einem Faktor multipliziert (34) wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Multiplikationsfaktor (34) derart eingestellt wird, dass sich bei Nennlast eine stati­ sche Regelabweichung von etwa 0,2% bis 1,5% ergibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die statische Regelabweichung durch einen korrigierten Sollwert n^* kompensiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Sollwertkompensation n_L ^* (36) abhängig von der geschätzten Belastung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Belastung nach einer Kenn­ linie aus dem nicht kompensierten Drehzahlsollwert (6, 7) oder insbesondere aus dem Drehzahlistwert (12) ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreh­ zahlregler (11) eine PI-Charakteristik aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreh­ zahlregelung (11) zum Antrieb des Propellers (4) eines Über- oder Unterwasserschiffs verwendet wird.

10. Drehzahlgeregelter Antrieb (1) mit einer aktiven Schwin­ gungsdämpfung, wobei unabhängig von der Anzahl der an einer Welle (3) arbeitenden Motoren (2) nur ein einziger Drehzahl­ regler (11) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsschleife (33-35) von dem Ausgang (16) des Drehzahlreglers (11) zu dessen Eingang (10).

11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Rückkopplungsschleife (33- 35) zu dem invertierenden Eingang des Drehzahlreglers (11) geführt ist.

12. Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Schleife (33-35) eine Reaktanz, insbesondere ein Widerstand (34), zur Multiplikati­ on, insbesondere Teilung, des Reglerausgangssignals (16) ein­ geschalten ist.

13. Antrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass der Drehzahl­ regler (11) mit einem Operationsverstärker aufgebaut ist.

14. Antrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, dass der Drehzahl­ regler (11) als PI-Regler beschalten ist.

15. Antrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, dass in den Soll­ wertzweig n^* des Drehzahlreglers (11) eine Kompensations­ schaltung eingeschalten ist.

16. Antrieb nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kompensationsschaltung durch ei­ nen zu dem linearen Zweig parallelen Zweig mit einer quadra­ tischen Kennlinie gebildet ist.

17. Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kompensationsschaltung mit einem Multiplikator aufgebaut ist, dessen Eingänge parallelgeschal­ ten sind.

18. Antrieb nach einem der Ansprüche 15 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kompensa­ tionsschaltung mit einem Hochlaufgeber (7) kombiniert oder mit diesem in Serie geschalten ist.

19. Antrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, dass dem Drehzahl­ regler (11) ein oder mehrere Stromregler (19) für einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren (2) unterlagert ist.

20. Antrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass die angetrie­ bene Welle (3) mit dem Propeller (31) eines Über- oder Unter­ wasserschiffes verbunden ist.