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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen
Antriebs sowie einen elektrischen Antrieb.
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Jeder
Antriebsstrang stellt grundsätzlich
ein schwingungsfähiges
System dar. Er kann durch äußere Einwirkungen
oder durch periodische Änderung innerer
Parameter zu Schwingungen angeregt werden. Ein solcher Zustand führt jedoch
gegenüber dem
schwingungsarmen Stationärbetrieb
zu Belastungserhöhungen
und wird nur selten bei der Projektierung der Anlagen vorab berücksichtigt.
Zwischenzeitlich zeigt sich die Tendenz, dass rotierende Maschinen
immer leichter und schneller und dass elektrische Antriebssysteme,
Umrichter, Steuer- und Regelsysteme immer drehzahldynamischer und
leistungsfähiger
werden. Damit steigt die Gefahr, dass Drehschwingungen (Torsionsschwingungen)
in mechanischen und/oder in elektrischen Anlagenkomponenten angeregt
und vom elektrischen Antrieb verstärkt werden und es zu vorzeitigen
Verschleiss in Maschinenkomponenten und zum plötzlichen Anlagenausfall kommt.
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Da
Drehschwingungsanregungen sich in den nächsten Jahren stark verbreiten
werden, sind einfache messtechnische Maßnahmen zum rechtzeitigen und
automatischen Erkennen von Drehschwingungen erforderlich. Aktive
und autarke Schutz- und Wächter-Systeme
für elektrische
und/oder mechanische Antriebssysteme werden erforderlich.
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Die
Drehschwingung ist eine spezielle Form der mechanischen Schwingung.
Bei diesem Sonderfall pendelt eine Masse in Form eines Massenträgheitsmomentes
um eine Drehfeder, wobei diese Feder in der Praxis ein drehmomentübertragendes
Bauteil wie eine Welle sein kann. Drehschwingungen sind bei der
Erzeugung einer gleichmäßigen Drehbewegung
unerwünscht,
deshalb werden z.B. bei verbrennungsmotorischen Antriebssträngen häufig Dämpferelemente
wie Viskosedämpfer
und/oder spezielle Kupplungen in den Antriebsstrang eingebunden,
die die schwingungsanregende Wirkung von Verbrennungsmotoren von
anzutreibenden Maschinen fernhalten. Eine weitere Möglichkeit
ist auch im allgemeinen Maschinenbau der Einsatz eines Schwungrades,
das die Drehschwingung als träge Masse
dämpft.
Eine dritte Möglichkeit
ist die aktive Bedämpfung
durch Regelalgorithmen usw..
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Für Verbrennungsmotoren
ist es üblich, schon
während
der Konstruktionsphase Drehschwingungsberechnungen und Computersimulationen auszuführen. Ziel
ist es dabei, Kenntnis über
die örtlich
an den Komponenten auftretenden Belastungs- und Beanspruchungsverläufen zu
ermitteln und Auswirkungen von Drehschwingungen bereits im Projektstadium
zu beurteilen. Zudem lassen sich mit Simulationen Schwingbeanspruchungen
an Stellen untersuchen, die an der realen Maschine oder Anlage messtechnisch
nicht oder nur mit hohem Aufwand zugänglich sind. 1 zeigt
ein Antriebssystem bestehend aus 4 Massen, drei Steifigkeiten und
einer spielbehafteten Verzahnung. Als Erreger wirkt das Moment eines
Synchronmotors. Aus Eigenschwingungsberechnungen würden sich
für diesen
4-Massen-Schwinger drei Dreheigenfrequenzen ergeben, die bei Resonanz
mit antriebsspezifischen Erreger-Frequenzen zu Mehrbeanspruchungen
in den Antriebskomponenten führen
können.
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Es
zeigte sich, dass zunehmend auch elektrisch und insbesondere Umrichter
getriebene Maschinen zu Drehschwingungsanregungen führen können und
deshalb Drehschwingungen vorherberechnet werden müssen. Ziel
ist es, die Eigenfrequenzen des Systems und die zu erwartenden Resonanzüberhöhungen zu
ermitteln. Zur Durchführung dieser
Rechnungen gibt es Rechenprogramme, die es erlauben, Massenträgheitsmomente,
Steifigkeiten und Dämpfungen
zu berechnen und Eigenfrequenzen der mechanischen Antriebskomponenten
zu ermitteln. Die magnetischen und elektrischen Kräfte in elektrischen
Motoren und Generatoren können
durch diese Rechenprogramme nicht berücksichtigt werden. Sie werden
deshalb oft drastisch vereinfacht angenommen oder sogar vollständig vernachlässigt.
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Lediglich
an universitären
Einrichtungen versucht man, z.B. durch eine besondere Aufbereitung der
Gleichungen der Drehstromasynchronmaschine die magnetischen Kräfte durch
ein mechanisches Ersatzsystem mit frequenzunabhängigen Parametern nachzubilden,
so daß diese
Kräfte
in üblichen
Rechenprogrammen berücksichtigt
werden können. Komplexe
Reglerstrukturen in Umrichtern zu beherrschen, sind noch schwieriger
und sind aktueller Forschungsgegenstand. Meist bedient man sich
wieder umfangreicher und komplizierter Messungen und Tests, um die
Berechnungen zu validieren.
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In
der Schiffsbranche sind bei Verbrennungsmaschinen Drehschwingungen
abnahmepflichtig. Es ist bekannt, dass bei abnahmepflichtigen Schiffen
für die
Hauptantriebe Drehschwingungsberechnungen vorzulegen und Drehschwingungsmessungen
während
der Abnahmefahrten auszuführen
sind. Genutzt werden bei den Messungen oft Dehnungsmesstreifen,
deren Ergebnisse dann vom Inspektor der Klassifikationsgesellschaft
bewertet werden, um ausreichende Maschinenlebensdauer zu erreichen.
Für Getriebe
gelten im Schiffbau beispielsweise folgende Regeln:
- a) Im Betriebesdrehzahlbereich (plus 5% und kleiner 10%) sollen
im allgemeinen in keiner belasteten Getriebestufe höhere Wechseldrehmomente als
30% des mittleren Drehmomentes dieser Stufe auftreten.
- b) Beim An- und Abfahren dürfen
die beim Durchfahren der Resonanzen auftretenden Wechseldrehmomente
im Getriebe nicht größer als
etwa das zweifache des mittleren übertragenden Nenndrehmomentes
sein, für
das das Getriebe ausgelegt ist.
- c) Lastwechsel infolge von Wechseldrehmomenten ist im allgemeinen
nur beim Durchfahren im unteren Drehzahlbereich (bis 35 %) zulässig. Bei höheren Drehzahlen
sind Sperrbereiche einzuführen.
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Bei
Industrieantrieben lassen sich die o.g. Regeln ebenfalls verwenden,
zumal keine allgemeingültigen
besseren Werte zur Verfügung
stehen. So zeigt sich erst im neuen Jahrtausend bei drehzahlvariabel
betriebenen Maschinen und Anlagen die Tendenz, dass Drehschwingungen
angeregt werden und sich unkontrolliert ausprägen. Die Folge können extrem
hohe Körperschallschwingungen,
vorzeitiger Verschleiß und/oder
Dauer- bzw. Schwingbrüche oder
unerwartete und vorzeitige Lagerschäden sein.
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Kommt
es dann zu wiederholten Schäden, wird
vom betroffenen Komponentenhersteller oft durch aufwändige Belastungsmessungen
mit Dehnungsmesstreifen-Messungen versucht, die Wechseldrehmomente
bei der Drehschwingung W zu erfassen und Maßnahmen zum Verhindern der
Drehschwingungsanregung zu finden.
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An
industriellen Getrieben und Antriebssystemen können Drehschwingungen begrenzt
werden, indem durch Zusatzmassen oder, falls technisch machbar,
veränderte
Steifigkeiten das Drehschwingungssystem verstimmt und gedämpft werden.
Es gibt aber auch Beispiele, wo Drehzahlbereiche für die Maschine
gezielt gesperrt werden oder gezielt Filter im Umrichter gesetzt
werden, um Zusatzbeanspruchungen infolge von Drehschwingungen zu
begrenzen.
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Dieses
individuelle Vorgehen eignet sich jedoch nur für einzelne Großantriebe
und nicht für
den allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau, denn Drehschwingungen
entstehen immer aus dem Zusammenwirken von Massenträgheitsmomenten
und Steifigkeiten, die bei jedem Einsatzfall anders und anwendungsspezifisch
sind. So haben beispielsweise Papiermaschinen zwar vergleichbare
elektrische Antriebstechnik, jedoch ergeben sich durch unterschiedliche Drehzahlen,
Walzen, Antriebe, Getriebe, Kupplungen und Walzendurchmesser immer
andere Schwingungssysteme.
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Bei
Drehschwingungen entspricht die Schwingbewegung einer Verdrehung
um die Rotationsachse. Diese zusätzliche
Verdrehung bewirkt erhöhte
Materialbeanspruchungen und äußert sich
nur in Sonderfällen
im Körperschall-
oder Luftschallsignal. Erst wenn Antriebskomponenten soviel Energie hochdynamisch
aufbringen können,
dass sie die Drehschwingung verstärken, lassen sich Körperschallanregungen
deutlich messen. Erwähnt
sei eine Windenergieanlage, wo der Umrichter versucht, Drehungleichförmigkeiten
aus einer Planetenstufe auszuregeln und ein Papiermaschinenantrieb
mit Gelenkwelle, wo der Umrichter versucht, die Ungleichförmigkeit
im Kardan auszuregeln.
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Drehschwingungen
können
angeregt werden durch oszillierende Drehmomente infolge kinematischer
und dynamischer Erregungen (Verbrennungsmotoren, Kolbenpumpen, Zahnrädern, Prozesseinflüsee), Beschleunigungen
infolge von Anfahr- und Bremsvorgängen, Schaltvorgängen, Ungleichförmigkeit
bei Kreuzgelenkwellen, scheinbar oszillierenden Drehmoment infolge
von übersprechenden Biegeverformungen
aus statischen Versatz oder aus oszillierenden Biegeverformungen
usw.
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Drehschwingungen
treten jeweils bei festen Frequenzen auf und lassen sich mit Dehnungsmesstreifen,
appliziert auf Wellen nachweisen. Dies gelingt aber nur durch sehr
hochauflösende
und zeitlich langen Drehmomentmessungen, und immer in Bezug auf
die betroffene Welle (es muß sich
auch potentielle Energie aufbauen).
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Ein
hochdynamisches Antriebsregelsystem und hochpolige Antriebsmotoren,
wie die zukünftigen High-Torque-Motoren,
sind dagegen in der Lage, bei sich aufbauenden Drehschwingungen
die erforderliche Energie unabhängig
vom Messort aufzubringen und verstärkt die Drehschwingungen im
Antriebsstrang zu verstärken.
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Aus
der US 2005/0224047 A1 ist eine Drehzahlregelung eines Generators
mit Verblendungsantrieb bekannt, wobei das für die Regelschleife verwendete
Drehzahlmeßsignal
hinsichtlich Drehzahloszillatoren analysiert wird und wobei das
Filter der Regelschleife in Abhängigkeit
von der Frequenz der erfaßten
Drehzahloszillationen verändert
wird, um die Drehzahlschwankungen möglichst gering zu halten. Die
Drehzahl soll dabei auf einen möglichst
konstanten Wert geregelt werden.
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Die
US 5,994,959 betrifft eine
Drehzahlregelung für
einen Fahrzeugmotor, wobei ein Kompensator vorgesehen ist, der als
Bandpaß ausgebildet
ist, welcher die Drehresonanzfrequenzen des Antriebs durchläßt, wobei
der Kompensator bewirkt, dass ein drehschwingungskompensierender
Strom erzeugt wird, wenn die Drehzahl des Antriebs eine Frequenzkomponente
im Bereich der Drehschwingungsresonanzfrequenzen des Antriebs aufweist.
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Die
US 6,144,181 betrifft eine
Vorrichtung zur Minimierung von resonanten Drehschwingungen in einem
angetriebenen System, wobei ein spezielles Notch-Filter verwendet
wird, welches in die Regelschleife eingebunden wird.
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Die
US 2005/0093492 A1 betrifft eine Drehzahlregelung für einen
Antrieb, wobei erwähnt
wird, dass üblicherweise
die im Meßsignal
der Abtriebswellendrehzahl enthaltenen Drehzahlschwankungen mittels
geeigneter Filter ausgefiltert werden müssen, bevor dieses gefilterte
Drehzahl-Ist-Signal vom Regler verwendet werden kann. Gemäß der US 2005/0093492
A1 soll dieses Ziel dadurch erreicht werden, dass die Drehzahl nicht
nur am Antrieb, sondern auch an der Last erfaßt wird und der Regler mit einer
Linearkombination dieser beiden Meßsignale als Ist-Signal gespeist
wird.
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In
der
DE 10 2004
039 140 A1 ist eine Drehschwingungsüberwachung beschrieben, welche
zusätzlich
zu der Drehzahlregelung vorgesehen ist, um einen Drehschwingungsdämpfer zu überwachen. Dabei
werden Drehschwingungen der rotierenden Teile anhand von Drehzahlschwankungen
erfaßt,
wobei zur Drehzahlerfassung Inkrementalgeber vorgesehen sind. Das
Ergebnis der Drehschwingungsüberwachung
besteht darin, ein Signal auszugeben, welches eine Wartung oder
Instandsetzung des Drehschwingungsdämpfers veranlaßt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern
eines elektrischen Antriebs sowie einen solchen Antrieb zu schaffen,
wobei auf effiziente Weise für
einen Schutz des von dem Antrieb angetriebenen Systems vor unzulässigen Drehschwingungen
gesorgt werden soll.
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Dieses
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 sowie einen Antrieb gemäß Anspruch
11.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist
vorteilhaft, dass dadurch, dass zusätzlich zu der Regelungseinrichtung
des Motors eine Überwachungseinrichtung
zum Erkennen von unzulässigen
Drehschwingungszuständen
der Last vorgesehen ist, welche an der Last erfaßte Drehzahlsignale eines Sensors
auswertet, um bei Erkennen eines unzulässigen Drehschwingungslastzustands
ein entsprechendes Signal an die Regelungseinrichtung auszugeben,
um die Regelparameter und/oder die Filter der Regelungseinrichtung
in vorgegebener Weise so zu ändern,
dass die Last wieder in einen zulässigen Drehschwingungszustand
gebracht wird, auf effiziente Weise für einen Schutz der von dem
Antrieb angetriebenen Last vor unzulässigen Drehschwingungszuständen gesorgt
werden kann.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im
folgenden wird ein Beispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
Antriebssystem bestehend aus vier Massen, drei Steifigkeiten und
einer spielbehafteten Verzahnung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Antriebs mit Last gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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3 einen
beispielhaften zeitlichen Verlauf der an der Last des Systems von 2 gemessenen Drehzahl;
und
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4 den
zu 3 zugehörigen
zeitlichen Verlauf des Drehmoments.
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In 2 ist
schematisch ein Antrieb gezeigt, der einen Motor 10 aufweist,
welcher über
eine Ankopplung 12 eine Last 14 zu einer Drehbewegung
antreibt. Der Motor 10 wird von einem Umrichter 16 gesteuert,
auf den ein Regler 18 einwirkt, der seinen Ist-Wert von
einer Sensoreinrichtung 20 erhält, welche die Drehzahl und/oder
das Drehmoment am Motor 10 erfaßt. Der Regler 18 kann
dazu dienen, die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Motors 10 zu
regeln.
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Bei
der Last 14 kann es sich beispielsweise um die Trockengruppe
einer Papiermaschine handeln. Trockengruppen von Papiermaschinen
werden in Abhängigkeit
von der Papierqualität
bei unterschiedlichen Drehzahlen gefahren, wobei ein geregelter
Motor ein Getriebe und Papierwalzen antreibt. Zeitgemäß werden
erhöhte
Durchsätze
in der Papierindustrie oft durch Drehzahlsteigerungen erreicht, wozu
Gleichstromantriebe durch meist umrichtergesteuerte hochdynamische
Drehstromantriebe ersetzt werden. Bei besonders hochdynamischen
Antrieben verzichtet man dabei sogar auf die Drehzahlregelung, und
es findet eine hochdynamische Drehmomentregelung statt. Diese ist
aber so empfindlich, dass Drehschwingungen nicht nur angeregt, sondern der
elektrische Antrieb sogar versucht, die Drehmoment- und Drehzahlschwankungen
auszumitteln. Die Folge sind erhöhte
Schwingungen und Beanspruchungen, die im kritischen Fall nicht nur
schwellend, sondern auch mit Wechselbelastungen verbunden sind (diese
zeigen sich in 4 in Form von Nulldurchgängen beim
Drehmoment). Bei einer solchen Papiermaschine wurde durch untypisches
Schadensbild z.B. an Kupplungsverzahnungen und erhöhten Schwingungen
in begrenzten Drehzahlbereichen festgestellt, dass komplexe dynamische
Belastungen im Antriebsstrang wirken, die zu Schwingbrüchen innerhalb
des Getriebes führten.
Durch Einbau einer zusätzlichen
externen Reglerstrecke wurde anschließend versucht, die Schwingungen
zu reduzieren. Damit verbunden waren aber andere Einbußen in der Dynamik
auf regelrelevante Zustände.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist
dagegen eine zusätzlich
zum Regler 18 wirkende Überwachungseinrichtung 22 zum
Erkennen von unzulässigen
Drehschwingungszuständen
der Last 14 vorgesehen, welche mittels einem oder mehreren
Sensoren 24, 26 die Drehzahl an einer oder mehreren Stellen
der Last 14 erfaßt,
die zeitliche Änderung
der erfaßten
Drehzahl auswertet, eine Bewertung des Drehschwingungslastzustands
basierend auf der Auswertung der zeitlichen Änderung der erfaßten Drehzahl
vornimmt und schließlich
bei Erkennen eines unzulässigen
Drehschwingungslastzustands ein entsprechendes Signal an den Regler 18 ausgibt,
um die Regelparameter und/oder die Filter des Regler 18 in
vorgegebener Weise so zu ändern,
dass die Last 14 wieder in einen zulässigen Drehschwingungszustand
gebracht wird. Als zusätzliche
Eingangsgröße kann
die Überwachungseinrichtung 22 das
von der Sensoreinrichtung 20 des Reglers 18 erfaßte Signal erhalten.
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Vorzugsweise
werden die Drehzahlschwankungen hochdynamisch erfaßt, beispielsweise
mit einer zeitlichen Auflösung
von mindestens 0,1 sec. Zweckmäßigerweise
werden die Amplituden der Drehzahländerung frequenzabhängig und/oder
ordnungsabhängig
von der Überwachungseinrichtung 22 ausgewertet.
Dabei wird ein unzulässiger
Drehschwingungslastzustand erkannt, falls die Amplitude der Drehzahländerung
in mindestens einem Frequenzbereich einen frequenzabhängig vorgegebenen
Schwellwert übersteigt,
wobei vorzugsweise das von der Überwachungseinrichtung 22 ausgegebene Signal
davon abhängt,
in welchem Frequenzbereich bzw. in welchen Frequenzbereichen der jeweilige Schwellwert
wie stark überschritten
wurde. Die Überwachungseinrichtung 22 kann
auch so ausgebildet sein, dass mittels entsprechender Sensoren auch Körperschallschwingungen
an der Last 14 erfaßt werden
und von der Überwachungseinrichtung 22 ausgewertet
werden, um bei der Ausgabe des Signals berücksichtigt zu werden.
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Bei
Ausgabe des entsprechenden Signals von der Überwachungseinrichtung 22 werden
die Regelparameter und Filter des Reglers 18 so geändert, dass
keine Zusatzenergie in die erfaßten
Drehschwingungen eingespeist wird, um Verstärkungen der angefachten Drehschwingungen
zu vermeiden.
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Mittels
des in 2 gezeigten Systems können unzulässige Drehschwingungen in dem
Antriebssystem anhand der zusätzlichen
Anregungen in den dynamischen Drehzahlsignalen von der Überwachungseinrichtung 22 sofort
erkannt werden und durch Ausgabe eines die Regelcharakteristik des Reglers 18 entsprechend
verändernden
Signals reduziert werden.