DE102004021412A1

DE102004021412A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Anregung einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102004021412A1
Application number: DE200410021412
Authority: DE
Inventors: Christof Dr.-Ing. Sihler
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-24
Also published as: WO2006007891A1

Abstract

Es wird eine Anregungsvorrichtung zur Anregung einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang (10) beschrieben, der mindestens eine elektrische Maschine (11) und einen angeschlossenen elektrischen Mehrpol (20) aufweist. Die Anregungsvorrichtung umfasst einen Energiewandler (33, 34) und einen Stromrichter (31), über den dem Antriebsstrang (10) ein Anregungsdrehmoment aufgeprägt werden kann. Weiterhin wird eine Steuereinrichtung (40, 50, 60) beschrieben, die den Stromrichter (31) mit unterschiedlichen Frequenzen ansteuert, um den rotierenden Antriebsstrang (10) mit unterschiedlichen Frequenzen anzuregen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anregungsvorrichtung zur Anregung einer Torsionsschwingung in einem Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Anregung einer Torsionsschwingung gemäß Anspruch 16.
In Antriebssträngen, die der Drehmomentübertragung dienen und die einen elektrischen Motor oder Generator enthalten, können Betriebszustände mit Torsionsschwingungen auftreten, die sich auf angrenzende Bauteile auswirken können oder schlimmstenfalls den Antriebsstrang selbst zerstören können. Besonders problematisch sind Torsionsschwingungen in Antriebssträngen mit großen bewegten Massen in Verbindung mit geringen Dämpfungen, wie sie insbesondere für den Werkstoff Stahl typisch sind. Zur Verhinderung dieser gefährlichen Betriebszustände ist es wichtig, die Frequenzen zu kennen, bei denen das System besonders leicht zu Schwingungen angeregt werden kann. Diese Frequenzen sind im Allgemeinen die Torsionsschwingungsresonanzfrequenzen der Welle, bei denen sich ein Teil der Welle gegenüber einem anderen Teil der Welle jeweils mit den daran angeschlossenen Massen geringfügig verdreht, wodurch es zu einer Torsionsbelastung in der Welle kommt. Die Höhe der Resonanzfrequenzen ist insbesondere von den Massenträgheitsmomenten der an dem Antriebsstrang angeschlossenen Maschinen und den Federsteifigkeiten der Wellenverbindungen zwischen den Maschinen abhängig. Eine Berechnung der Resonanzfrequenzen gestaltet sich schwierig, da insbesondere die Torsionsfedersteifigkeiten der Wellen und Kupplungen oftmals schwierig zu erfassen sind.
Um das mechanische Antwortverhalten eines Antriebsstrangs auf eine Anregung einer Torsionsschwingung zu untersuchen, ist es möglich, bei ungefährer Kenntnis der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung den Antriebsstrang mit einer Frequenz anzuregen, die etwa der Resonanzfrequenz entspricht (siehe Publikation "Damping of Torsional Resonances in Generator Shafts using a Feedback Controlled Buffer Storage of Magnetic Energy" von C. Sihler et al., International Conference on Power Systems Transients, New Orleans, LA, USA, 3b-6). Dieses Verfahren ist jedoch zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz nicht geeignet, da für seine Umsetzung die Resonanzfrequenz zumindest näherungsweise bereits bekannt sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung von Torsionsschwingungen in rotierenden Antriebssträngen anzugeben, wobei die Anregung mit möglichst geringem Aufwand und auf möglichst zuverlässige Weise erfolgen soll und Resonanzschwingungen im Antriebsstrang ermittelbar sein sollen.
Diese Aufgaben werden hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein Stromrichter, über den eine elektrische Maschine des Antriebsstrangs mit einem Anregungsdrehmoment beaufschlagt werden kann, mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird. Dies ist vorteilhaft, da bei einer Anregung mit verschiedenen Frequenzen keine genaue Kenntnis der Resonanztorsionsfrequenz notwendig ist, um diese anzuregen.
Vorteilhafterweise weist die Anregungsvorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die dazu geeignet ist, den Stromrichter mit unterschiedlichen, vorgegebenen Frequenzen anzusteuern. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise ein handelsüblicher Computer mit einer Digital/Analog-Wandlerkarte sein, mit der es möglich ist, Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz vorzugeben. Wird die Steuereinrichtung so eingestellt, dass sie nacheinander unterschiedliche Frequenzen für den Stromrichter vorgibt, so hat dies den Vorteil, dass der Antriebsstrang automatisch nacheinander mit verschiedenen Frequenzen angeregt wird. Die Steuereinrichtung kann auch eine speziell für die Anregungsvorrichtung hergestellte und programmierte elektronische Schaltung sein. Damit ließe sich der Vorteil realisieren, dass die Steuereinrichtung möglichst kompakt aufgebaut werden kann, um die Anregungsvorrichtung als kompaktes, wenn möglich tragbares Gerät auszugestalten.
Vorzugsweise wird zur Anregung einer Torsionsschwingung in dem rotierenden Antriebsstrang, der die elektrische Maschine aufweist, der Stromrichter mit einem daran angeschlossenen Energiewandler verwendet. Der Stromrichter ist über einen elektrischen Mehrpol, beispielsweise über eine Drehstromleitung mit der elektrischen Maschine verbunden. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise Teil des Antriebsstrangs, das heißt sie ist ohnehin im Antriebsstrang vorhanden und muss nicht allein für die Anregung zusätzlich am Antriebsstrang angeschlossen werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche elektrische Maschine benötigt wird, um die Torsionsschwingung anzuregen. Weist ein Antriebsstrang mehrere elektrische Maschinen auf, so kann jede der Maschinen oder auch mehrere der Maschinen über einen Stromrichter mit einem Anregungsdrehmoment beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, mehrere Stromrichter zu verwenden, um eine oder mehrere elektrische Maschinen anzuregen. Die Verwendung von mehreren Stromrichtern hat den Vorteil, dass dadurch die maximale Nennleistung der Anregungsvorrichtung skalierbar ist.
Vorzugsweise wird mit dem Stromrichter dem Antriebsstrang über die elektrische Maschine Energie entnommen und an einen Energiewandler weitergegeben. Der Energiewandler kann dazu geeignet sein, die entnommene Energie in Wärme umsetzen. Wird nun der Stromrichter mit einer bestimmten Frequenz angesteuert, so hat dies den Vorteil, dass dem Antriebsstrang mit dieser Frequenz Energie entnommen wird. Dadurch erfolgt eine Anregung des Antriebsstrangs mit dieser Frequenz.
Umgekehrt kann dem Antriebsstrang über den Stromrichter und die elektrische Maschine entsprechend Energie zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass dem Antriebsstrang für die gewünschte Anregung keine Energie entnommen werden muss. Die Energie kann beispielsweise von einem Energiewandler bereitgestellt werden, der gespeicherte Energie in elektrische Energie für den Stromrichter wandeln kann. So ist es beispielsweise möglich, eine Batterie oder eine Anordnung von Kondensatoren dazu zu verwenden, Energie zu speichern, und diese in elektrische Energie zu wandeln, wenn der Stromrichter die elektrische Maschine mit Energie versorgt, um dem Antriebsstrang ein Anregungsdrehmoment aufzubringen. Die gespeicherte Energie kann beispielsweise aus einem allgemeinen Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, falls dem Antriebsstrang Energie sowohl entnommen als auch zugeführt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass eine besonders effektive Schwingungsanregung möglich ist, da der Antriebsstrang während einer Schwingungsperiode beschleunigt und während einer folgenden Schwingungsperiode abgebremst werden kann. Das Abbremsen und Beschleunigen geschieht dabei mit der Anregungsfrequenz. Weitere Vorteile können sich ergeben, falls die Energie, die dem Antriebsstrang entnommen wird, zumindest teilweise während einer Beschleunigungsphase auch wieder zugeführt wird. Dies bietet den Vorteil, dass die Anregungsvorrichtung lediglich an den mit der elektrischen Maschine verbundenen Mehrpol angeschlossen werden muss. Sollte jedoch eine stärkere Anregung gewünscht sein oder ist eine externe Energieversorgung für verschiedene andere Einrichtung der Anregungsvorrichtung sinnvoll, so kann auch eine weitere Energieversorgung beispielsweise in Form einer Batterie für einen mobilen Betrieb oder in Form eines Netzanschlusses bereitgestellt werden. Ein weiterer Vorteil des wechselweisen Entnehmens und Zufügens von Energie besteht darin, dass die Anregungsvorrichtung nur über eine geringe Leistung verfügen muss, da in der Anregungsvorrichtung kaum Verlustleistung anfällt. Der Erfinder hat festgestellt, dass es für praktische Anwendungen ausreichend ist, wenn der Energiewandler lediglich die Energie weniger Schwingungshalbwellen speichern kann. Dies ist deshalb von Vorteil, da dadurch die Anregungsvorrichtung äußerst kompakt aufgebaut werden kann und so ausführbar sein kann, dass sie sich auch zum mobilen Einsatz eignet.
Vorzugsweise wird der Energiewandler über einen Gleichstromkreis mit Wechselstromanteil an den Stromrichter angeschlossen. Ein Gleichstromkreis bietet den Vorteil, dass der Stromrichter zu jedem beliebigen Zeitpunkt dem Gleichstromkreis und dem Energiewandler Energie entziehen kann. Der Wechselstromanteil ergibt sich aus der Stromsteuerung des Gleichstromkreises bei Entnahme oder Zuführung von Energie über den Stromrichter aus der oder in die elektrische Maschine des Antriebsstrangs. Durch Steuerung des Stroms im Gleichstromkreis unter Verwendung des Stromrichters kann die Menge der entnommenen oder zugeführten Energie beeinflusst werden. Dies bie tet den Vorteil, dass auf sehr einfache Weise, nämlich lediglich durch Steuerung des Stromrichters der Antriebsstrang mit Energie versorgt wird oder ihm Energie entnommen wird, um ihn dadurch mit einem Anregungsdrehmoment zu beaufschlagen.
Vorzugsweise weist der Energiewandler eine Induktivität auf. Induktivitäten bieten den Vorteil, dass sie in kurzer Zeit eine hohe Energie aufnehmen können und diese Energie auch in kurzer Zeit wieder abgeben können. Als Induktivität wird vorzugsweise eine Spule verwendet. Die Spule kann beispielsweise eine Induktivität zwischen 20 mH und 200 mH aufweisen. Der Widerstand der Spule sollte umso niedriger sein, je höher die geforderte Ausgangsleistung der Anregungsvorrichtung ist. Für eine Ausgangsleistung von beispielsweise 300 kW kann eine Spule mit 100 mH und einem Widerstand von 1 Ohm ausreichend sein. Vorteilhafterweise ist die Spule luft- oder wassergekühlt. Ist die Spule luftgekühlt, so bietet dies den Vorteil, dass zur Kühlung der Spule lediglich eine ausreichende Luftzufuhr ermöglicht werden muss. Eine Wasserkühlung bietet den Vorteil, dass die Spule kompakter aufgebaut werden kann. Mit einer Spule als Energiewandler ist es möglich, dem Antriebsstrang über den Stromrichter und die elektrische Maschine Energie zu entnehmen, diese in der Spule in magnetische Energie zu wandeln und die gespeicherte magnetische Energie zumindest teilweise zu einem anderen Zeitpunkt wieder in elektrische Energie zu wandeln, um sie über den Stromrichter wieder der elektrischen Maschine und damit dem Antriebsstrang zuzuführen. Eine Spule bietet dabei auch den Vorteil, dass sie nur einen sehr geringen Verlust aufweist, der von ihrem Widerstand abhängig ist. Es ergibt sich dadurch eine besonders energiesparende und effektive Anregung des Antriebsstrangs.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist der Energiewandler mindestens ein elektrischer Widerstand. Ein elektrischer Widerstand hat den Vorteil, dass er besonders günstig herzustellen ist und einfach zu betreiben ist. Der Widerstand kann dazu dienen, Energie, die dem Antriebsstrang über die elektrische Maschine und den Stromrichter entnommen wurde, in Wärme umzuwandeln.
Wird ein Kondensator als Energiespeicher verwendet, so bietet dies den Vorteil, dass dem Antriebsstrang sowohl Energie entnommen als auch wieder zugeführt werden kann. Ein Kondensator bietet weiterhin den Vorteil, dass er spannungsgesteuert betrieben werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, falls der Stromrichter mit IGBT-Transistoren bestückt ist, da mit IGBT-Transistoren eine Spannungssteuerung besonders leicht zu realisieren ist.
Vorzugsweise besitzt der Stromrichter eine Nennleistung von maximal 2% der Nennleistung der elektrischen Maschine. Dies hat den Vorteil, dass der Stromrichter und der daran angeschlossene Energiewandler für eine geringe Nennleistung ausgelegt werden können, wodurch eine sehr kompakte Bauform möglich ist. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Nennleistung des Stromrichters und des Energiewandlers, also beispielsweise der an den Stromrichter angeschlossenen Spule, so gering ist, dass die Anregungsvorrichtung als tragbares Gerät hergestellt werden kann. Dazu kann der Stromrichter eine Nennleistung von maximal 1% der Nennleistung der elektrischen Maschine besitzen. Es ist jedoch auch möglich, dass die maximale Nennleistung des Stromrichters 5% der Nennleistung der elektrischen Maschine beträgt. Dies bietet den Vorteil, dass auch mit relativ starken Drehmomenten der Antriebsstrang angeregt werden kann. Die Nennleistung ist dabei die Leistung, die der Stromrichter und die Spule jeweils auf Dauer zu leisten fähig sind, ohne dass sie Schaden nehmen.
Vorteilhafterweise werden im Stromrichter abschaltbare Halbleiterbauelemente wie beispielsweise IGBT-Transistoren oder GTO-Thyristoren verwendet. Solche Stromrichter haben den Vorteil, dass sie Signale mit nahezu jeder Frequenz erzeugen können. Alternativ ist es auch möglich, den Stromrichter mit herkömmlichen Thyristoren zu bestücken, die den Vorteil bieten, dass sie günstiger in der Herstellung sind. Abschaltbare Halbleiterbauelemente bieten gegenüber herkömmlichen Thyristoren den Vorteil, dass sie zum Abschalten des Stromdurchflusses in einem Ventil des Stromrichters nicht auf einen Nulldurchgang der Wechselspannungsseite des Stromrichters warten müssen. Dadurch ist es möglich, im Antriebsstrang auch Torsionsschwingungen mit Frequenzen anzuregen, die deutlich, beispielsweise zweifach, über der Netzfrequenz des Wechselstromnetzes des Mehrpols liegen.
Das Verfahren und die Anregungsvorrichtung sind besonders geeignet für Anlagen mit elektrischen Maschinen, bei denen die Masse der rotierenden Antriebswelle mit den daran befestigten mitrotierenden Teilen mehr als 10 t oder beträgt. Der Einsatz der Anregungsvorrichtung ist deshalb bei solchen Anlagen besonders vorteilhaft, da die Anregungsvorrichtung mit einer geringen Nennleistung ihrer Teile auskommt und daher auch bei solch großen Anlagen nicht besonders aufwändig in der Herstellung oder beim Transport ist und daher auch mobil eingesetzt werden kann. Außerdem weisen Anlagen, bei denen die Masse der mitrotierenden Teile groß ist, im Allgemeinen tiefe Resonanzfrequenzen bei geringer Dämpfung auf, wofür das erfindungsgemäße Verfahren und die Anregungsvorrichtung besonders geeignet sind. So ist ihr Einsatz besonders vorteilhaft, wenn das Gesamtmassenträgheitsmoment des Antriebsstrangs mit den daran montierten Teilen mehr als 500 kgm² beträgt. Der Einsatz kann aber auch bei größeren Massenträgheitsmomenten sinnvoll sein, z.B. über 1000 kgm². Insbesondere eignet sich das Verfahren für sehr große Massenträgheitsmomente von über 20.000 kgm² oder 80.000 kgm². So ist der Einsatz besonders vorteilhaft bei Gesamtmassen der rotierenden Teile eines Antriebsstrangs von über 30 t oder 100 t. Da kleinere Anlagen mit geringeren Massen oder Massenträgheitsmomenten geringere Leistungen zur Anregung einer Torsionsschwingung benötigen, ist eine Anregungsvorrichtung, die für große Anlagen ausgelegt ist, auch dazu geeignet, kleine Anlagen anzuregen, weswegen sie besonders universell einsetzbar ist.
Vorteilhafterweise weist die Anregungsvorrichtung eine Messeinrichtung auf, mit der eine Regelgröße ermittelt werden kann. Die Regelgröße repräsentiert die Torsionsbeanspruchung an mindestens einer Stelle des Antriebsstrangs. Dies hat den Vorteil, dass eine Reaktion des Antriebsstrangs auf eine Schwingungsanregung durch die Anregungsvorrichtung verfolgt werden kann. Die Messeinrichtung kann aus einem oder mehreren Sensoren bestehen. Mehrere Sensoren haben den Vorteil, dass durch eine geeignete Signalaufbereitung der Sensorsignale Störgrößen ausgefiltert werden können. Ein einzelner Sensor hat den Vorteil, dass dieser einen geringern Aufwand für den Auf- und Einbau der Messeinrichtung bedingt. Beim Einsatz mehrerer Sensoren werden diese vorzugsweise an verschiedenen Positionen des Antriebsstrangs angebracht. Die verschiedenen Positionen können azimuthal oder axial bezüglich des Antriebsstrangs zueinander beabstandet sein. So ist beispielsweise eine Anordnung von zwei Torsionsdehnungsmesssensoren auf zwei gegenüberliegenden Positionen des Antriebsstrangs vorteilhaft, dergestalt, dass die beiden Sensoren einen Azimuthalwinkel von 180° einschließen. Bei geeigneter Verarbeitung der Ausgangssignale der Sensoren können so Störgrößen, die durch eine über den Umfang variierende Eigenschaft der Antriebswelle bedingt sind, ausgefiltert werden. Bei geeigneter Signalaufbereitung sind auch andere Azimuthalwinkel möglich, beispielsweise 30° oder 90°. Vorzugsweise können auch mehrere Sensoren axial zueinander beabstandet angebracht werden. Axial voneinander beabstandete Torsionsdehnungsmesssensoren sind insbesondere vorteilhaft, wenn zunächst die exakte Eigenform der Resonanztorsionsschwingung und der Ort der höchsten mechanischen Beanspruchung unbekannt sind. Auch können auf diese Weise Torsionsschwingungseigenformen zumindest näherungsweise bestimmt werden.
Als Sensoren eignen sich alle Sensoren, die eine Torsionsbeanspruchung an einer Stelle oder in einem Bereich des Antriebsstrangs wiedergeben können. So sind beispielsweise auf dem magnetostriktiven Effekt basierende induktive Sensoren geeignet, Torsionsdehnungen des Antriebsstrangs berührungslos auch bei einem Rotieren des Antriebsstrangs zu erfassen. Es können jedoch auch andere Sensoren eingesetzt werden, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, die auf dem Antriebsstrang montiert sind. Das Signal der Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise über Funk oder über einen Schleifringübertrager von der rotierenden Welle abgenommen werden. Weiterhin können auch Drehwinkelgeschwindigkeitsmesssensoren geeignet sein, eine Torsionsbeanspruchung zu ermitteln. So kann aus den Geschwindigkeitsunterschieden zweier axial voneinander beabstandeter Stellen des Antriebsstrangs eine Verdrehung des Bereichs zwischen diesen beiden Stellen (Torsion) ermittelt werden. Drehwinkelgeschwindigkeitsaufnehmer haben gegenüber magnetostriktiven Sensoren den Vorteil, dass sie kostengünstiger sein können. Magnetostriktive Sensoren haben insbesondere den Vorteil, dass sie berührungslos arbeiten und eine Montage auch bei rotierendem Antriebsstrang möglich ist. Dies ist insbesondere bei großen Anlagen von Vorteil, bei denen ein Stoppen der Anlage zur Montage der Messeinrichtung und der Anregungsvorrichtung größere Kosten verursachen würde. Da auch die Anregungsvorrichtung lediglich an den Mehrpol angeschlossen werden muss, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, ist auf diese Weise ein Aufbau der Anregungsvorrichtung an einer bestehenden Anlage während des regulären Betriebs der Anlage möglich.
Vorzugsweise weist die Anregungsvorrichtung einen Regler auf, der die Steuereinrichtung regelt und die Stärke des Anregungsdrehmoments in Abhängigkeit der Regelgröße regelt. Dies hat den Vorteil, dass bei Überschreiten eines Schwellwertes der Regelgröße die Stärke des Anregungsdrehmoments vermindert werden kann, um eine Beschädigung der Antriebswelle oder anderer Anlagenteile zu vermeiden. Es ist auch möglich, die Stärke des Anregungsdrehmoments zu erhöhen, falls bei einer Frequenz nach einer Anzahl von Anregungsperioden keine messbare Torsionsschwingung festzustellen ist. Dies hat den Vorteil, dass zuerst mit geringen Anregungsdrehmomenten versucht werden kann, den Antriebsstrang bei einer Frequenz zu einer Torsionsschwingung anzuregen. Falls es nicht gelingt, kann die Stärke des Anregungsdrehmoments erhöht werden. Durch diese Prozedur kann die Dauer des Messverfahrens verkürzt werden.
Vorzugsweise weist die Anregungsvorrichtung eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Frequenzen oder anderer Parameter des Betriebs der Anregungsvorrichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass die Anregungsfrequenzen mit verschiedenen anderen Betriebsparametern nach einem Test analysiert werden können, um beispielsweise festzustellen, welche Resonanzfrequenzen der Antriebsstrang aufweist. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Frequenzen abgespeichert werden, bei denen eine Überschreitung des Schwellwerts durch die Regelgröße auf tritt. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Versuchsdurchlauf, bei dem verschiedene Frequenzen durchlaufen wurden, im Bereich der dabei abgespeicherten Frequenzen noch einmal Versuche gestartet werden können. Dabei kann genau ermittelt werden, bei welcher Frequenz es möglich ist, eine Torsionsschwingung in dem Antriebsstrang anzuregen. So kann beispielsweise, falls eine bestimmte Frequenz abgespeichert wurde, bei der eine Schwellwertüberschreitung festgestellt wurde, ein Bereich von 5% oberhalb und unterhalb dieser Frequenz noch einmal in kleineren Schritten abgetastet werden, um festzustellen, wie hoch die Resonanzfrequenz ist. Alternativ ist es auch möglich, alle Frequenzen abzuspeichern und für jede der Frequenzen die gemessene Maximalamplitude einer eventuell auftretenden Torsionsschwingung mit abzuspeichern. Dies hat den Vorteil, dass bei einer anschließenden Auswertung auch quantitative Aussagen beispielsweise über die Dämpfung bei einer bestimmten Resonanztorsionsschwingung getroffen werden können.
Vorzugsweise weist die Anregungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, die aus den gespeicherten Frequenzen Torsionsschwingungsresonanzfrequenzen ermittelt. Falls beispielsweise zwei nahe beieinander liegende Frequenzen ermittelt werden, bei denen eine Schwellwertüberschreitung auftritt, so kann eine dazwischenliegende Resonanztorsionsfrequenz errechnet werden. Die nahe beieinander liegenden Frequenzen können zwei aufeinanderfolgende Frequenzen sein, die bei einem schrittweisen Abtasten eines Frequenzbereiches sich lediglich durch einen Frequenzschritt unterscheiden. Das Berechnen der Resonanzfrequenz aus zwei Frequenzen, bei denen die Auswerteeinrichtung eine Überschreitung des Schwellwertes festgestellt hat, kann beispielsweise durch ein Interpolationsverfahren geschehen. Es ist auch möglich, die Phasenverschiebung der angeregten Torsionsschwingung, die mit der Messeinrichtung erfasst wird, gegenüber der Phasenlage des Anregungsdrehmomentes zu berücksichtigen, um bestimmen zu können, ob eine Anregungsfrequenz über oder unterhalb einer Resonanztorsionsfrequenz liegt. So ist eine Phasenverschiebung nach vorne ein Zeichen dafür, dass die Resonanzfrequenz höher ist als die Anregungsfrequenz, und umgekehrt. Weiterhin ist es möglich, eine Resonanztorsionsfrequenz aus dem Ausschwingen einer angeregten Torsionsschwingung nach Beendigung der Anregung zu messen. Tritt keine weitere Anregung mehr auf, so schwingt eine Torsionsschwingung mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Anregungsvorrichtung ein Ausgabegerät auf, mit dem eine automatisch ermittelte Torsionsresonanzfrequenz für einen Benutzer ausgegeben werden kann. Dies hat den Vorteil, dass der Benutzer die Torsionsresonanzfrequenz nicht aus Messergebnissen oder Betriebsparametern selbst ermitteln muss.
Angeregt wird vorzugsweise ein Antriebsstrang, der mindestens eine Maschine zur elektrisch mechanischen Energiewandlung aufweist, wobei dies zum Beispiel ein Generator und/oder ein Motor sein kann. Die Maschine kann eine Synchron- oder Asynchron-Maschine sein. Die Erfindung eignet sich besonders für die Verwendung mit einer Synchronmaschine, da mit dieser durch die Bereitstellung der Anregungsenergie in einem Gleichstromkreis die Schwingungsanregung unabhängig von der Netzfrequenz des Mehrpols und damit von der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsstrangs ist. Wird für den Stromrichter beispielsweise eine Brückenschaltung mit IGBT-Transistoren verwendet, so können auch deutlich höhere Frequenzen als die durch die Drehzahl der Welle der Synchronmaschine festgelegte Netzfrequenz angeregt werden. Alternativ ist es auch möglich, höhere Frequenzen als die Netzfrequenz beispielsweise mit einer 12-Puls-Thyristor-Brückenschaltung anzuregen.
Angeregt wird vorzugsweise ein Antriebsstrang, der mindestens eine Maschine zur elektrisch-mechanischen Energiewandlung aufweist, beispielsweise eine Dampfturbine mit angeschlossenem Generator, eine Windkraftanlage mit Generator, eine Wasserkraftturbine mit Generator oder ein Zwischenspeicher für elektrische Energie mit einem Schwungrad, einem Motor, der das Schwungrad antreibt und einem Generator. Es ist auch möglich, Propellerwellen von Schiffen über einen an der Propellerwelle angebrachten Generator anzuregen. Es können auch andere Antriebskonfigurationen, beispielsweise Antriebe von Kränen oder Aufzügen oder deren Motoren zu Schwingungen angeregt werden. Dazu muss die Anregungsvorrichtung lediglich an den Mehrpol angeschlossen werden, der den Motor mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ist es möglich, über den elektrischen Motor einer Walzanlage oder den elektrischen Antrieb einer Königswelle Torsionsschwingungseigenfrequenzen dieser Anlagen zu ermitteln. Im Fall der Königswelle mit mehreren an der Königswelle angeschlossenen mechanischen Abtrieben ergibt sich als besonderer Vorteil, dass zur Anregung verschiedener Torsionsschwingungseigenformen lediglich eine erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung an den elektrischen Antrieb der Königswelle angeschlossen werden muss. Wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Windkraftanlage angeregt, so kann beispielsweise überprüft werden, ob die Windkraftanlage allen im Betrieb zu erwartenden Belastungen Stand hält.
Je nach Anwendungsfall kann die Anwendbarkeit des Verfahrens und der Anregungsvorrichtung einen zusätzlichen technischen Aufwand erfordern, beispielsweise bei einem drehzahlveränder lichen Betrieb der Antriebswelle. Dieser Aufwand betrifft im Wesentlichen die Anpassung des Stromrichters an eine ggf. in einem größeren Bereich veränderliche Netzfrequenz. Auch eine als Energiewandler und Energiespeicher verwendete Spule kann unterschiedlichen Anwendungsfällen angepasst werden, insbesondere bezüglich ihrer Induktivität und ihres Innenwiderstandes.
Vorteilhafterweise wird der Stromrichter mit seiner wechselstromseitigen Seite galvanisch vom Wechselstromkreis getrennt. Dies hat den Vorteil, dass die Spannung auf der wechselstromseitigen Seite des Stromrichters über das Übersetzungsverhältnis des Transformators eingestellt werden kann. Diese Einstellung erfolgt in Abhängigkeit von der Spannung im Mehrpol, an den die elektrische Maschine angekoppelt ist. Es ist auch eine Anordnung ohne galvanische Trennung möglich, wobei sich Vorteile aus dem Verzicht auf den Transformator ergeben können, insbesondere im Hinblick auf die Gesamtmasse der Anregungsvorrichtung.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Antriebsstrang, der mindestens eine elektrische Maschine und eine über einen elektrischen Mehrpol angeschlossene erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung aufweist. Besondere Vorteile ergeben sich, falls die elektrische Maschine, an die die Anregungsvorrichtung angeschlossen ist, ein fest installiertes Teil des Antriebsstrangs ist. In diesem Fall sind keine zusätzlichen elektromechanischen Schwingungsanreger wie zusätzliche Motoren notwendig, um die Schwingung anzuregen. Dies ist insbesondere bei Antriebssträngen mit großen bewegten Massen von Vorteil, da eine Maschine, die einen solchen Antriebsstrang anregen könnte, auch über große Ausmaße verfügen würde, da sie eine große Leistung auf den Antriebsstrang aufbringen müsste, um diesen anzuregen. Die fest installierte Maschine kann beispielsweise der Generator einer Dampfturbine, der Generator einer Windkraftanlage, der Stromgenerator einer Propellerwelle, der Motor eines Antriebs oder eine elektrische Maschine sein, die an einem Antriebsstrang zeitweise als Motor und zeitweise als Generator eingesetzt wird, beispielsweise an einem Energiespeicher mit einem Schwungrad.
Vorzugsweise wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Antriebsstrang für eine vorgegebene Anregungszeit ein Anregungsdrehmoment aufgeprägt, das eine bestimmte Frequenz aufweist. Anschließend wird für eine vorgegebene Zeit abgewartet. Dies hat den Vorteil, dass die Anregungsvorrichtung nur für einen bestimmten begrenzten Zeitraum betrieben wird und anschließend während der Wartezeit abkühlen kann. Dadurch kann die Nennleistung der Anregungsvorrichtung vorteilhafterweise weit unterhalb der tatsächlichen Anregungsleistung liegen. So ist es beispielsweise möglich, für kurze Zeit, beispielsweise 2 bis 8 Sekunden, eine Spule mit dem fünffachen ihrer Nennleistung zu belasten. So kann mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Nennleistung von 1% der von der Maschine maximal gewandelten Leistung aufweist, die Maschine kurzzeitig mit 5% ihrer maximal gewandelten Leistung angeregt werden. Beträgt beispielsweise die Nennleistung des Stromrichters oder der Spule 40 A, so kann für 4 Sekunden der Antriebsstrang mit einer Leistung angeregt werden, die einen Strom in der Spule von 200 A erfordert. Während der Wartezeit wird der Spulenstrom im Gleichstromkreis mit dem darin angeordneten Energiewandler, der auch beispielsweise ein Widerstand sein kann, abgeschaltet oder wenigstens gegenüber den Anregungszeiten vermindert, um dem Energiewandler, beispielsweise der Spule oder dem Widerstand Zeit zum Abkühlen zu geben. Anschließend an die Wartezeit wird wieder ein Anregungsdrehmoment auf den Antriebsstrang aufgeprägt, vorzugsweise mit einer anderen Frequenz. Dies hat den Vorteil, dass nach einander das Antwortverhalten des Antriebsstrangs auf Torsionsschwingungsanregungen mit verschiedenen Frequenzen getestet werden kann. Wird das beschriebene Verfahren mehrmalig wiederholt, so bietet dies den Vorteil, dass viele verschiedene Frequenzen getestet werden können. Dabei kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass ein Frequenzbereich zwischen 5 und 500 Hz schrittweise getestet wird. Die Schrittweite kann beispielsweise ein Zehntel, ein Hundertstel oder ein Tausendstel des Frequenzbereiches ausmachen. Werden automatisch schrittweise nacheinander verschiedene Frequenzen getestet, so kann die Anregungsvorrichtung über eine lange Zeit automatisch verschiedene Frequenzen durchtesten, um eine oder mehrere Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Dieser Betrieb kann unabhängig von einem manuellen Eingreifen gestaltet werden. Über eine Messeinrichtung kann die Anlage auch überwacht werden, damit es zu keinen Beschädigungen am Antriebsstrang oder anderen Teilen kommt. Damit ist es nahezu unerheblich, wie lange die Anregungszeiten und die Wartezeiten sind. Dies ermöglicht es, mit sehr geringen Leistungen den Antriebsstrang zu Torsionsschwingungen anzuregen, da für die Anregung bei einer bestimmten Frequenz nahezu uneingeschränkt Zeit zur Verfügung steht. Bei einer geringen Dämpfung, wie dies insbesondere bei großen Antriebssträngen mit großen bewegten Massen beispielsweise über 20 t der Fall ist, bauen sich auch bei einer Anregung mit geringer Leistung nahe einer Resonanzfrequenz messbare Torsionsschwingungen auf, falls lange genug angeregt wird.
Vorzugsweise wird eine Wartezeit gewählt, die länger ist als die Zeitdauer der vorangegangenen Anregung. Damit wird ermöglicht, dass die Anregungsvorrichtung ausreichend Zeit hat abzukühlen. Es kann auch ein Thermoelement oder mehrere Thermoelemente vorgesehen sein, die den Betrieb der Anregungsvorrichtung überwachen, um bei einer drohenden Überlastung der Anregungsvorrichtung abzuschalten oder um die Wartezeit abhängig von einer erreichten Auskühltemperatur zu wählen. Dies hätte den Vorteil, dass die Anlage vor Beschädigungen geschützt wird und die Gesamtdauer des Tests minimiert wird, da nicht übermäßig lange auf eine ausreichende Abkühlung der Anregungsvorrichtung gewartet werden muss. Außerdem kann der Zeitpunkt des Beginns einer nachfolgenden Anregung auch davon abhängig gemacht werden, ob eine mit der vorherigen Anregung angeregte Schwingung wieder abgeklungen ist, d.h. beispielsweise der Messwert unter einen bestimmten Schwellwert gefallen ist. Dies hat den Vorteil, dass eine nachfolgende Messung nicht durch die Schwingungsanregung einer vorherigen Messung verfälscht wird. Auch kann eine Reihenfolge der Testfrequenzen gewählt werden, bei der Frequenzabstand zweier aufeinander folgender Anregungen so groß ist, dass eine mit der ersten Frequenz angeregte Schwingung die nächste Messung bei der Anregung mit der zweiten Frequenz nicht beeinflusst. Beispielsweise könnte in der folgenden Reihenfolge angeregt werden: 20 Hz, 70 Hz, 150 Hz, 21 Hz, 71 Hz, 151 Hz usw.. Dabei hätte eine bei 20 Hz angeregte Torsionsschwingung drei Anregungsphasen Zeit abzuklingen, bevor sie die Messung bei 21 Hz beeinflussen könnte. Die Messungen bei 70 Hz und 150 Hz werden durch eine Schwingung mit 20 Hz nicht beeinflusst, da diese ausgefiltert werden kann.
Vorzugsweise werden nach einem Abtasten eines Frequenzbereichs, d.h. dem Aufprägen von Anregungsdrehmomenten mit unterschiedlichen Frequenzen, ein oder mehrere Bereiche des bereits untersuchten Frequenzbereichs genauer untersucht. Wird beispielsweise festgestellt, dass bei einem ersten schrittweisen Abtasten eines Frequenzbereichs bei bestimmten Frequenzen eine Schwellwertüberschreitung auftritt, so können Bereiche (beispielsweise +/– 2%) genauer untersucht werden. Wird eine Schwellwertüberschreitung der mit der Messeinrich tung gewonnenen Regelgröße bei zwei Frequenzen festgestellt, die lediglich um einen Schritt auseinanderliegen, so ist zu vermuten, dass zwischen diesen beiden Frequenzen eine Resonanzfrequenz einer Torsionsschwingung liegt. Vorteilhaft ist es dann, wenn dieser Bereich noch einmal mit einer kleineren Schrittweite abgetastet wird. Das heißt, dass beispielsweise mit der tieferen Frequenz begonnen wird, dem Antriebsstrang Anregungsdrehmomente aufzubringen, um dann in kleineren Schritten die Frequenz zu erhöhen und dem Antriebsstrang Anregungsdrehmomente mit der schrittweise erhöhten Frequenz aufzuprägen. Hierfür können beispielsweise Schrittweiten gewählt werden, die ein Zehntel der beim ersten Durchlauf verwendeten Schrittweiten betragen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass dann bei einem ersten Durchlauf größere Schrittweiten gewählt werden können und dadurch die Gesamtlaufzeit des Tests vermindert wird. Es ist auch möglich, einen dritten Durchlauf anzuschließen, um die Schrittweite in einem ausgewählten Bereich weiter zu verfeinern. Dies bietet den Vorteil, dass Resonanztorsionsfrequenzen sehr exakt ermittelt werden können.
Bevorzugt wird dieses Verfahren von der Anregungsvorrichtung automatisch durchgeführt. Je nach Dauer der Anregungsphasen, der Wartezeit, des untersuchten Frequenzbereichs und der nachfolgenden Feinmessungen kann eine solche automatisierte Untersuchung mehrere Tage oder Wochen dauern. Wird die erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren während des laufenden Betriebs benutzt, so stellt dies jedoch keinen Nachteil dar, da die mit dem Antriebsstrang zusammenhängende Anlage durchgehend in Betrieb sein kann, während der Test durchgeführt wird.
Vorteilhafterweise wird als Stromrichter nicht ein fest installierter Anlagenstromrichter verwendet, der zum Betrieb des Antriebsstrangs verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Stromrichter speziell für die Schwingungsanregung ausgelegt werden kann, beispielsweise mit einer Nennleistung, die unterhalb der Nennleistung der elektrischen Maschine des Antriebsstrangs liegt. Alternativ kann auch ein ohnehin an der Anlage vorhandener Anlagenstromrichter verwendet werden, falls sich dieser zur Schwingungsanregung eignet. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Stromrichter vorgehalten werden muss.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine genauere Darstellung des Leistungsmoduls aus 1,
3 eine alternative Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit einer angepassten Steuerung,
4.1–4.3 Betriebsparameter der Anregungsvorrichtung aus 1 während einer Schwingungsanregung, und
5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein Antriebsstrang 10 eines Turbogenerators dargestellt, der über einen Generator 11 verfügt, der mechanische Energie einer Welle 12 in elektrische Energie umwandelt. Die Drehbewegung der Welle 12 wird durch eine Hochdruckturbine 13, eine Mitteldruckturbine 14 und zwei Nieder druckturbinen 15 und 16 angetrieben. Der Generator 11 gibt die erzeugte elektrische Energie an einen Mehrpol 20 ab, an dem ein öffentliches Netz 21 angeschlossen ist. Der Mehrpol 20 ist eine Drei-Phasen-Drehstromleitung. Die Nennleistung des Generators 11 beträgt im dargestellten Beispiel 200 MVA. Um den Antriebsstrang 10 zu Torsionsschwingungen anzuregen, ist an dem Mehrpol 20 eine erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung angeschlossen, die ein Leistungsmodul 30, eine Steuerung 40, einen Schwingungsgeber 50 und eine Regel- und Auswerteeinheit 60 umfasst, an die ein Sensor 70 angeschlossen ist.
Die Steuerung 40 erhält von dem Schwingungsgeber 50 ein Schwingungssignal 51, das im Leistungsmodul 30 verstärkt wird und über den Mehrpol 20 als Anregungsdrehmoment über den Generator 11 auf die Welle 12 aufgebracht wird. Das Schwingungssignal 51 wird von einem Signalmodulator 52 erzeugt. Der Signalmodulator 52 kann Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz erzeugen und entspricht in seinem Aufbau üblichen Geräten zur Erzeugung solcher Schwingungen, wobei er außerdem in der Lage ist, das Schwingungssignal mit einem Gleichstromanteil zu addieren.
Die Steuerung 40 verfügt über eine Stromrichtersteuerung 41, die mit einem Stromrichter 31 in dem Leistungsmodul 30 verbunden ist. Der Stromrichter 31 besteht aus einer an sich bekannten Zwölfpuls-Brückenschaltung mit einer Serienschaltung von 2 Thyristor-bestückten Sechspuls-Brückenschaltungen, die in der 2 detailliert dargestellt sind. Die Stromrichtersteuerung 41 steuert die beiden Sechspuls-Brückenschaltungen in einem ebenfalls bekannten Steuerungsverfahren mit der gleichzeitigen Stromführendstellung von zwei Ventilen und der Bildung von drei Gruppen, die jeweils einen Versatz von 120° aufweisen, an. Der Stromrichter 31 ist über einen Transforma tor 32 auf seiner Wechselstromseite mit dem Mehrpol 20 verbunden.
Der mit dem Stromrichter 31 verbundene Gleichstromkreis weist eine Induktivität 33 und einen Widerstand 34 auf. Die Induktivität 33 und der Widerstand 34 stellen eine Spule mit einer Induktivität von 100 mH und einem Widerstand von 1 Ohm dar, die auf der Gleichstromseite des Stromrichters 31 angeordnet ist. Der Gleichstromkreis enthält weiterhin ein Strommessgerät 35, das der Steuerung 40 dazu dient, zu überprüfen, ob der Strom im Gleichstromkreis dem Ansteuersignal, das ist das Schwingungssignal 51, entspricht (Soll/Ist-Vergleich). Für den Vergleich weist die Steuerung 40 einen Addierer 42 auf, der die Stromstärke im Gleichstromkreis von dem Schwingungssignal 51 abzieht und damit einen Soll-Ist-Vergleich durchführt.
Der Stromrichter 31 entnimmt dem Mehrpol 20 entsprechend der Frequenz des Schwingungssignals 51 Energie oder führt dem Mehrpol 20 Energie zu. Auf der Gleichstromseite des Stromrichters 31 wird die entnommene Energie teilweise in der Induktivität 33 zwischengespeichert und teilweise durch den Widerstand 34 in Wärme umgewandelt. Energie, die in der Induktivität 33 zwischengespeichert wurde, kann in einer der nächsten Halbwellen des Schwingungssignals 51 über den Stromrichter 31 wieder dem Mehrpol 20 zugeführt werden. Da auf diese Weise dem Mehrpol 20 Schwingungsenergie mit einer Frequenz entnommen und zugeführt wird, die der Frequenz des Schwingungssignals 51 entspricht, wird die Welle 12 des Antriebsstrangs 10 über den Generator 11 zu Torsionsschwingungen angeregt, da der Generator 11 die Welle 12 mit der Frequenz des Schwingungssignals 51 bremst oder beschleunigt. Ist die Frequenz des Schwingungssignals 51 in der Nähe einer Re sonanzfrequenz einer Torsionsschwingung der Welle 12 des Antriebsstrangs 10, so stellt sich eine Torsionsschwingung ein.
Die Nennleistung des Transformators 32, des Stromrichters 31, der Induktivität 33 und des Widerstands 34 entspricht 100 kW, wobei der Dauernennstrom der Spule, die die Induktivität 33 und den Widerstand 34 darstellt, 60 A beträgt. Da das Leistungsmodul 30 jeweils nur für wenige Sekunden betrieben wird, ist es möglich, mit einem pulsierenden Spulenstrom von maximal 350 A eine Leistung von etwa 400 kW zur Anregung des Antriebsstrangs 10 bereitzustellen. Nach einem solchen Kurzzeitbetrieb wird jeweils eine Pause vorgesehen, die ausreichend lang ist, damit sich die Spule wieder abkühlen kann. Die Dauer der Pause ist abhängig von der Anordnung der Spule und der Kühlung der Spule.
Um feststellen zu können, ob sich in der Welle 12 des Antriebsstrangs 10 tatsächlich eine Torsionsschwingung einstellt, wird ein Sensor 70 an der Welle 12 zwischen dem Generator 11 und der Niederdruckturbine 16 angebracht. Der Sensor 70 ist ein magnetostriktiver Sensor, der berührungslos die mechanische Belastung der Welle 12 misst, indem er den magnetostriktiven Effekt ausnützt, der bei einer Gitterdehnung des Stahls der Welle 12 entsteht. Der Sensor 70 liefert ein Signal, dessen Verlauf sich aus der Schwingungsamplitude einer angeregten Torsionsschwingung und ggf. Störgrößen, wie beispielsweise umlaufenden magnetischen Feldern, zusammensetzt. Daher verfügt die Auswerte- und Regeleinrichtung 60 über einen Filter 61, an den der Sensor 70 angeschlossen ist. Der Filter 61 ist ein Bandpassfilter, der auf eine bestimmte Frequenz einstellbar ist. Der Bandpassfilter 61 wird von einer Zentraleinheit 62 auf eine Frequenz eingestellt, die der Frequenz des Schwingungssignals 51 entspricht. Die Zentraleinheit 62 gibt an einem Ausgang die Frequenz des Schwingungs signals 51 für den Schwingungsmodulator 52 vor. Der Filter 61 erhält die Information über die auszufilternde Frequenz auch von diesem Ausgang.
Die Zentraleinheit 62 steuert pulsgesteuert über den Schwingungsgeber 50 und die Steuerung 40 das Leistungsmodul 30 mit unterschiedlichen Frequenzen an, wobei jeweils während eines Pulses mit einer konstanten Frequenz für die Dauer von 4 Sekunden versucht wird, eine Torsionsschwingung in der Welle 12 des Antriebsstrangs 10 zu erzeugen. Darauf folgend wird aus thermischen Gründen, das heißt zur Abkühlung der kurzzeitig mit Überlast betriebenen Bauteile, eine Wartezeit von 10 Minuten durch die Zentraleinheit 62 vorgegeben. Anschließend wird mit der nächsten Frequenz versucht, eine Schwingung anzuregen. Dabei tastet die Zentraleinheit 62 schrittweise Frequenzen zwischen 10 Hz und 90 Hz ab, wobei ein Schritt 1 Hz beträgt. Damit ergibt sich eine Versuchsdauer von etwa 14 Stunden.
In einer Vergleichseinheit 63 wird überprüft, ob bei einer Anregungsfrequenz eine messbare Torsionsschwingung der Welle 12 mit einer Frequenz nahe der Anregungsfrequenz auftritt. Dazu wird das Ausgangssignal des Filters 61 mit einem Schwellwert verglichen. Wird mit der Vergleichseinheit 63 festgestellt, dass das gemessene Schwingungssignal den Schwellwert überschreitet, so meldet sie dies an die Zentraleinheit 62, die dann die Frequenz, bei der die Schwellwertüberschreitung aufgetreten ist, in einem Speicher 64 abspeichert. An dem Speicher 64 ist eine Ausgabeeinheit 65 angeschlossen, die aus den abgespeicherten Frequenzen des Speichers 64 Resonanzfrequenzen von Torsionsschwingungen des Antriebsstrangs 10 berechnet und ausgibt. Auf Einzelheiten des Verfahrens wird im Zusammenhang mit 3 eingegangen.
In 2 ist das Leistungsmodul 30 detaillierter dargestellt. Es umfasst den Stromrichter 31, der aus zwei in Serie geschalteten Sechspuls-Brückenschaltungen besteht. Die Sechspuls-Brückenschaltungen sind mit Thyristoren bestückt. Jede der beiden Sechspuls-Brückenschaltungen ist jeweils galvanisch getrennt über den Transformator 32 mit dem in 2 nicht dargestellten Mehrpol 20 verbunden. Auf der Gleichstromseite des Stromrichters 31 befinden sich die Induktivität 33, der Widerstand 34 und das Strommessgerät 35.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform mit einem IGBT-Leistungsmodul 30' und eine IGBT-Steuerung 40' gezeigt, die anstelle des in 1 gezeigten Leistungsmoduls 30 und anstelle der in 1 gezeigten Steuerung 40 eingesetzt werden können. Das Besondere an dem IGBT-Leistungsmodul 30' ist, das es mit einem IGBT-Stromrichter 31' bestückt ist, der aufgrund des Einsatzes von IGBT-Transistoren auch dazu geeignet ist, in dem Antriebstrang Frequenzen anzuregen, die deutlich über der Netzfrequenz des Mehrpols liegen. Wegen des Einsatzes von IGBT-Transistoren im IGBT-Stromrichter 31' ist es zweckmäßig, als Energiespeicher anstelle der Induktivität eine Kapazität 33' zu verwenden. Die Kapazität 33' weist einen Kapazitätswert von 25 mF auf. Da aufgrund der Verwendung von IGBT-Transistoren im IGBT-Stromrichter 31' die Gleichstromseite des IGBT-Leistungsmoduls 30' spannungsgesteuert betrieben wird, um in der Kapazität 33' Energie zwischenzuspeichern, wird eine angepasste IGBT-Steuerung 40' verwendet. Die IGBT-Steuerung 40' verfügt über eine IGBT-Stromrichtersteuerung 41', die einen Sollwert von dem Addierer 42 erhält, der, wie in 1 gezeigt, mit einem Schwingungssignal (hier nicht dargestellt) angesteuert wird. Der Addierer 42 berücksichtigt über einen Soll-Ist-Vergleich mit Hilfe eines Spannungsmessgerätes 35' die tatsächlich in der Kapazität 33' gespeicherte Energie. Das Spannungsmessgerät 35' ist zu die sem Zweck im Nebenschluss mit der Kapazität 33' im Gleichstromkreis angeordnet. Die Ansteuerung der IGBT-Transistoren durch die IGBT-Stromrichtersteuerung 41' erfolgt auf an sich bekannte Weise mit einer Spannungssteuerung. Der IGBT-Stromrichter 31' ist wiederum über einen Transformator 32 mit dem hier nicht dargestellten Mehrpol 20 verbunden.
In 4.1 ist der Strom in der Spule, die in 1 durch die Induktivität 33 und den Widerstand 34 dargestellt ist, während des Beginns einer Schwingungsanregung gezeigt. Der Spulenstrom ist über die Zeit aufgetragen. Zum Messzeitpunkt 1,4 Sekunden fließt kein Strom im Gleichstromkreis, d.h. die Spule hat keine Energie gespeichert. Während etwa einer Zehntelsekunde wird anschließend der Stromfluss im Gleichstromkreis auf 200 A erhöht und damit Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert. Anschließend wird der Spulenstrom so gesteuert, dass er zwischen etwa 100 A und 300 A mit einer Frequenz von etwa 24 Hz schwankt.
Die 4.2 zeigt, wie durch den schwankenden Spulenstrom dem Generator 11 in 1 in Abhängigkeit von der Zeit Energie entnommen oder zugeführt wird. In 2.2 ist die vom Stromrichter übertragene Leistung über der Zeit dargestellt. Die maximal übertragene Leistung des Stromrichters beträgt dabei etwa 400 kW. Da der in 1 dargestellte Antriebsstrang eine Torsionsschwingungsresonanzfrequenz von etwa 24 Hz aufweist, gelingt es auch mit der geringen Leistung von etwa 400 kW eine Schwingung anzuregen.
In 4.3 ist das Messsignal des magnetostriktiven Sensors 70 über der Zeit angetragen. Nach Beginn der Anregung bei 1,67 Sekunden baut sich messbar eine Resonanztorsionsschwingung auf, die nach etwa einer Sekunde Anregungszeit bereits zu einem maximalen durch die Torsionsschwingung bedingten Torsionsdrehmoment von etwa 100 kNm führt. Nach der gesamten Anregungsdauer von 4s tritt ein durch die Torsionsschwingung gedingtes Torsionsdrehmoment von über 300 kNm auf.
Im Falle der Verwendung des in 3 dargestellten IGBT-Stromrichters 31' erfolgt die Ansteuerung des Gleichstromkreises durch Einstellen der Spannung im Gleichstromkreis, wodurch es zu entsprechenden Spannungs- und Stromverläufen im Gleichstromkreis kommt.
In 5 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Resonanztorsionsfrequenz eines Antriebsstrangs dargestellt. Das gezeigte Verfahren wird mit der in 1 gezeigten Anregungsvorrichtung an dem in 1 gezeigten Antriebsstrang 10 durchgeführt.
Im Schritt 101 wird die Zentraleinheit 62 initialisiert, wobei der Frequenzbereich festgelegt wird, der überprüft werden soll. Der Frequenzbereich beträgt 10 Hz bis 90 Hz, wobei in Schritten von 1 Hz überprüft werden soll, ob bei der jeweiligen Frequenz eine Resonanztorsionsschwingung angeregt werden kann.
Im Schritt 102 wird dem Schwingungsgeber 50 die erste Testfrequenz vorgegeben, dies ist die tiefste zu testende Frequenz von 10 Hz.
Im Schritt 103 steuert der Schwingungsgeber 50 über die Steuerung 40 das Leistungsmodul 30 so an, dass im Generator 11 Wirkleistung mit einer Frequenz verursacht wird, die der aktuellen Testfrequenz entspricht.
Im Schritt 104 wird überprüft, ob in der Welle 12 eine Torsionsschwingung mit der Testfrequenz auftritt und ob die Ampli tude der Schwingung oberhalb eines Schwellwerts liegt. Falls die Amplitude oberhalb des Schwellwerts liegt, springt das Verfahren im Schritt 104 zum Schritt 105, in dem die Testfrequenz mit dem ermittelten Messwert, welcher der maximalen Schwingungsamplitude nach einer bestimmten Anregungszeit entspricht, abgespeichert wird. Falls keine Schwingungsamplitude oder eine Schwingungsamplitude unterhalb des Schwellwerts festgestellt wird, springt das Verfahren zum Schritt 106, in dem die Testfrequenz um einen Schritt, d.h. um 1 Hz erhöht wird. Auch nach dem Schritt 105, in dem die Frequenz und die maximale Schwingungsamplitude abgespeichert werden, springt das Verfahren zum Schritt 106.
Im anschließenden Schritt 107 wird eine Wartezeit von 10 Minuten eingehalten, um die Spule des Leistungsmoduls 30 abkühlen zu lassen.
Im Schritt 108 wird überprüft, ob die um einen Frequenzschritt erhöhte Testfrequenz höher ist als die höchste zu testende Frequenz (hier: 90 Hz). Falls die Testfrequenz niedriger oder gleich 90 Hz ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt 103, bei dem versucht wird, die Welle 12 zu einer Torsionsschwingung mit der neuen Testfrequenz anzuregen. Wie die Zeitdauer der ersten Anregungsphase betragen auch die Zeitdauern fortfolgenden Anregungsphasen 4 Sekunden.
Wird im Schritt 108 festgestellt, dass alle zu testenden Frequenzen durchfahren wurden, werden im Schritt 109 die Testfrequenzen der abgespeicherten Frequenzen ermittelt, zwischen denen vermutlich eine Resonanzfrequenz einer Torsionsschwingung der Welle 12 liegt. Dazu werden zwei nebeneinanderliegende abgespeicherte Frequenzen ausgesucht, bei denen die Anregung einen höheren Messwert für eine auftretende Schwingung ergab als bei den darüber oder darunter liegenden Frequenzen.
Der Bereich zwischen diesen beiden Frequenzen wird nun noch einmal durch feinere Schritte aufgeteilt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die erste Frequenz 24 Hz und die zweite Frequenz 25 Hz. Die anderen Frequenzen unterhalb von 24 Hz und oberhalb von 25 Hz weisen geringere Messwerte auf als diese beiden Frequenzen.
Im Schritt 110 werden die Frequenzen 24 Hz und 25 Hz als neue tiefste zu testende Frequenz und höchste zu testende Frequenz festgelegt. Die Schrittweite wird auf 0,05 Hz verkleinert.
Im nachfolgenden Schritt 111 wird entsprechend den Schritten 103 bis 108 die Resonanztorsionsfrequenz genauer ermittelt. Im Schritt 112 wird dann die Frequenz ausgewählt, bei der eine Anregung den höchsten Messwert ergeben hat. Dies ist im vorliegenden Beispiel die Frequenz 24,1 Hz. Der Antriebsstrang weist also eine Resonanztorsionsfrequenz bei 24,1 Hz auf. Im Schritt 113 wird das Ergebnis des Verfahrens ausgegeben.
Falls in den Schritten 102 bis 109 festgestellt wird, dass der Antriebsstrang mehr als eine Torsionsresonanzfrequenz zwischen 10 Hz und 90 Hz aufweist, so werden die Schritte 110 bis 113 für jede der Torsionsresonanzfrequenzen durchgeführt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

10: Antriebsstrang
11: Generator
12: Welle
13: Hochdruckturbine
14: Mitteldruckturbine
15, 16: Niederdruckturbine
20: Mehrpol
21: Öffentliches Netz
30: Leistungsmodul
30': IGBT-Leistungsmodul
31: Stromrichter
31': IGBT-Stromrichter
32: Transformator
33: Induktivität
33': Kapazität
34: Widerstand
35: Strommessgerät
35': Spannungsmessgerät
40: Steuerung
40': IGBT-Steuerung
41: Stromrichtersteuerung
41': IGBT-Stromrichtersteuerung
42: Addierer
50: Schwingungsgeber
51: Schwingungssignal
52: Signalmodulator
60: Auswerte- und Regeleinrichtung
61: Filter
62: Zentraleinheit
63: Vergleichseinheit
64: Speicher
65: Ausgabeeinheit
70: Sensor

Claims

Anregungsvorrichtung (30, 30',40, 40', 50, 60, 70) zur Anregung einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang (10), der mindestens eine elektrische Maschine (11) und einen angeschlossenen elektrischen Mehrpol (20) aufweist, wobei die Anregungsvorrichtung (30, 30', 40, 40', 50, 60, 70) umfasst: – einen Energiewandler (33, 33', 34), der dazu geeignet ist, Energie aufzunehmen, die dem Antriebsstrang entnommen wird oder Energie abzugeben, die dem Antriebsstrang zugeführt wird, und – einen Stromrichter (31, 31'), über den der Energiewandler (33, 33', 34) gesteuert mit dem Mehrpol (20) verbindbar ist, so dass dem Antriebstrang (10) ein Anregungs-Drehmoment aufgeprägt werden kann, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (40, 40', 50, 60), die dazu geeignet ist, den Stromrichter mit unterschiedlichen, vorgegebenen Frequenzen anzusteuern, um den rotierenden Antriebsstrang (10) mit unterschiedlichen Frequenzen anzuregen.
Anregungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (33, 33', 34) über einen Gleichstromkreis mit Wechselstromanteil an den Stromrichter (31, 31') angeschlossen ist.
Anregungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (33, 33', 34) mindestens eine Spule (33) aufweist, wobei die mindestens eine Spule (33) eine luft- oder wassergekühlte Spule (33) ist.
Anregungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (33, 33', 34) mindestens einen elektrischen Widerstand (34) oder einen Kondensator (33') aufweist.
Anregungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (31, 31') eine maximale Nennleistung von 2% der von der elektrischen Maschine (11) maximal gewandelten Leistung besitzt.
Anregungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (31') abschaltbare Halbleiterbauelemente aufweist.
Anregungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10) eine bewegten Gesamtmasse über 10t aufweist.
Anregungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (70) mit mindestens einem Sensor (70) zur Ermittlung einer Regelgröße, welche eine Torsionsbeanspruchung an. mindestens einer Stelle des Antriebsstrangs (10) repräsentiert.
Anregungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (70) bezüglich des Antriebsstrangs (10) azimuthal und/oder axial zueinander beabstandet sind.
Anregungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Regler (62, 63), der die Steuereinrichtung (40, 40', 50, 60) regelt und die Stärke des Anregungs-Drehmoments in Abhängigkeit der Regelgröße regelt, um bei Überschreiten eines Schwellwertes der Regelgröße die Stärke des Anregungs-Drehmoments zu verändern.
Anregungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (64) zur Speicherung von Frequenzen, bei denen eine Überschreitung des Schwellwerts durch die Regelgröße auftritt.
Anregungsvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (65), die aus den gespeicherten Frequenzen Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenzen ermittelt.
Anregungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (11) eine Synchronmaschine (11) ist.
Antriebsstrang (10), der mindestens eine elektrische Maschine (11) und eine über einen elektrischen Mehrpol (20) angeschlossene Anregungsvorrichtung (30, 30', 40, 40', 50, 60, 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Antriebsstrang nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (11) ein fest installiertes Teil des Antriebsstrangs (10) ist.
Verfahren zur Anregung einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang (10), der mindestens eine elektrische Maschine (11) mit einem daran angeschlossenen elektrischen Mehrpol (20) aufweist, wobei dem Antriebsstrang (10) über die elektrische Maschine (11) ein Anregungs-Drehmoment mit einer vorgegebenen Frequenz aufgeprägt wird, indem mit der vorgegebenen Frequenz dem Antriebsstrang (10) über den Mehrpol (20) und einen Stromrichter (31, 31') Energie entnommen und/oder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (10) aufeinander folgend Anregungs-Drehmomente mit unterschiedlichen Frequenzen aufgeprägt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufprägen eines Anregungs-Drehmoments auf den Antriebsstrang (10) mit einer ersten Frequenz für eine vorgegebene Anregungszeit, – Abwarten einer vorgegebenen Wartezeit, und – Aufprägen eines weiteren Anregungs-Drehmoments mit einer unterschiedlichen Frequenz für die vorgegebene Anregungszeit.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungszeit kleiner ist als die Wartezeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermittlung einer Regelgröße, welche eine Torsionsbeanspruchung an mindestens einer Stelle des Antriebsstrangs (10) repräsentiert, – Vergleich der Regelgröße mit einem Schwellwert, und – Speichern der Frequenzen als Ansprechfrequenzen, bei denen der Vergleich der Regelgröße mit dem Schwellwert eine Überschreitung des Schwellwerts durch die Regelgröße ergibt.
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Berechnung einer Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenz aus den Ansprechfrequenzen, und – Ausgabe der Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenz auf einem Ausgabegerät (65).
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch die Schritte: – Nochmaliges Aufprägen von Anregungs-Drehmomenten auf den Antriebsstrang (10) mit unterschiedlichen Frequenzen, wobei ein Bereich zwischen zwei Grenzfrequenzen, die zwei aufeinanderfolgenden Ansprechfrequenzen entsprechen, in mehreren Schritten durchfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: – Aufnahme der entnommenen Energie mittels eines über einen Gleichstromkreis mit Wechselstromanteil an den Stromrichter (31, 31') angeschlossenen Energiewandlers (33, 33', 34).
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Zwischenspeichern der entnommenen Energie im Energiewandler (33, 33', 34), und – Zuführen zumindest eines Teils der entnommenen Energie über den Stromrichter (31, 31') in den Antriebsstrang (10).
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (33, 33', 34) Energie mittels mindestens einer Spule (33) wandelt und/oder zwischenspeichert, wobei die Spule (33) mit Luft oder Wasser gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 5% der von der elektrischen Maschine (11) maximal gewandelten Leistung über den Stromrichter (31, 31') für die Anregung der Torsionsschwingung eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (10), in dem eine Torsionsschwingung angeregt wird, eine bewegte Masse von mehr als 10t aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (31, 31') ein gesondertes Bauteil und kein fest installierter Anlagenstromrichter des Antriebsstrangs ist.