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HINTERGRUND
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Dämpfung von Drehmomentschwingungen.
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Wellenanordnungen
in Reihungen von Antriebsmaschinen und Verbrauchern, zu denen beispielsweise
Turbinengeneratoren, elektrische Motoren und Kompressoren gehören, weisen
manchmal schwach gedämpfte
mechanische Resonanzen (Drehmomentschwingungen) mit Frequenzen auf, die
auch unter die Netzwerk-Synchronfrequenz fallen können. Solche
Wellenanordnungen werden hier zur Vermeidung von Verwechslungen
mit sonstigen Wellen als „Achsenbaugruppen" bezeichnet. Im Laufe der
Zeit können
mechanische Schäden
auftreten, wenn ein elektrisches Netzwerk bei einer oder mehreren
der Eigenfrequenzen des Achsensystems eine signifikante Energiemenge
mit einem Generator austauscht. Unter die konventionell angewendeten
Gegenmaßnahmen
gegen Drehmomentresonanzphänomene
fallen die Bemühungen,
die Quelle der Resonanzerregung dadurch zu eliminieren, dass z.
B. die Netzwerk-, Betriebs- oder Kontrollparameter verändert werden.
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Wenn
ein energetisches System eine Verbindung mit einem großen Utility-Netzwerk
von mehreren Gigawatt generierter Energie aufweist, haben die elektrischen
Belastungen auf das Energieversorgungssystem nur einen vernachlässigbaren Effekt. Im
Gegensatz dazu haben Insel-Energieversorgungssysteme keine Verbindung
zu einem großen Utility-Netzwerk, und inselähnliche
Energieversorgungssysteme weisen nur eine schwache Verbindung zu
einem Utility-Netzwerk
auf (wie z. B. durch eine lange Übertragungslinie
mit einer vergleichsweise hohen Impedanz). Insel- und inselähnliche
Energieversorgungssysteme kommen üblicherweise in der Marine
(z. B. bei an Bord befindlichen Energieversorgungssystemen großer Schiffe),
isolierten an Land befindlichen Installationen (z. B. Windkraftanlagen)
und der Öl-
und Gasindustrie zum Einsatz. Bei solchen Energieversorgungssystemen
tritt normalerweise eine in Relation zum Netzwerk hohe Belastung auf,
so dass die Belastungen das Netzwerk potentiell beeinträchtigen
können.
Mit zunehmenden Betriebswerten der elektrischen Motoren und Treiber
werden in diesen Systemen die mechanischen und elektrischen Dynamiken
zunehmend gekoppelt, so dass es schwierig wird, Drehmomentschwankungen
bei Motor- oder Generator-Antriebsreihen durch konventionelle Gegenmaßnahmetechniken
zu vermeiden.
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Ein
Verfahren zur Unterdrückung
von Drehmomentschwingungen bei Synchrongeneratoren wird bei C. Sihler „Suppression
of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled
device" [Unterdrückung von
Drehmomentschwingungen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte Vorrichtung", 35th Annual IEEE
Power Electronics Specialist Conference, S. 1424-1430 (2004). Das Verfahren
beinhaltet die Anwendung eines Drehmoments in einer Gegenphase zu
einer gemessenen Drehgeschwindigkeit durch den Einsatz eines zusätzlichen
Thyristorwandler-Stromkreises, welcher einen Gleichstrom-Induktor
um fasst. Dieses Verfahren ist am besten bei Ausführungsformen anwendbar, bei
denen die Installation eines separaten gleichgerichteten Wandlersystems
und eines separaten Energiespeichers (Induktor oder Kondensator)
vom technischen sowie vom wirtschaftlichen Standpunkt realisierbar
ist.
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Ein
weiteres Verfahren zur Unterdrückung von
Drehmomentschwingungen wird in dem üblicherweise Sihler zugeschriebenen
US-Patent mit der Antragsnummer
11/110547 beschrieben. Das Verfahren beinhaltet das Erfassen
eines Signals, welches das Drehmoment einer Achse repräsentiert,
die an den Wechselrichter oder Gleichrichter eines Wandlersystems
gekoppelt sind, welches eine Gleichstrom-Verbindung aufweist, wobei
das erfasste Signal zur Feststellung des Vorhandenseins einer auf
der Achse auftretenden Drehmomentschwingung, die mit einer natürlichen
Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt, sowie zur Dämpfung der
Drehmomentschwingung durch die Modulierung der Wirkleistung mit
Hilfe des entsprechenden Wechselrichters oder Gleichrichters benutzt
wird.
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Es
wäre wünschenswert,
Optionen zu haben, die weniger komplex oder kostspielig sind, als diese
vorherigen Verfahren, die aber noch immer dazu ausreichen, Achsenschäden infolge
von Drehmomentschwingungen zu minimieren.
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KURZBESCHREIBUNG
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Kurz
gesagt umfasst ein resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem für eine Achse einer
Maschine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Sensor, der so konfiguriert ist,
dass er ein Signal erfassen kann, welches das Drehmoment der Achse
repräsentiert;
einen Regelgerät,
das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal nutzen kann,
um das Vorhandensein einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung festzustellen,
welche einer natürlichen
Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse entspricht, und dass es Kontrollsignale
zur Dämpfung
der Drehmomentschwingung generiert; einen Dämpfer, der einen Wandler und
einen Widerstand umfasst, welche an einen Gleichstrom-Output eines
Dämpfungswandlers gekoppelt
sind, wobei der Dämpfungswandler
durch einen Stromkanal an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle
Nennleistung von weniger oder gleich etwa fünf Prozent der nominellen Leistung
der Maschine aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem für die Achse
einer Maschine: das Erfassen eines Signals, welches das Drehmoment
auf der Achse repräsentiert; die
Verwendung des erfassten Signals zur Feststellung des Vorhandenseins
einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung, welche einer
natürlichen
Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse entspricht, sowie zur Generierung
von Kontrollsignalen zur Dämpfung
der Drehmomentschwingung; und die Weiterleitung der Kontrollsignale
an einen Dämpfer, welcher
einen Dämpfungswandler
und einen Widerstand umfasst, die an ein Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers
gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler
durch einen Stromkanal an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle
Nennleistung von weniger oder gleich fünf Prozent der nominellen Leistung
der Maschine aufweist.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
können
besser nachvollzogen werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
im Zusammenhang mit den dazugehörigen
Zeichnungen gelesen wird, in denen die gleichen Zahlen durchgehend
die gleichen Bauteile bezeichnen, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand in
Reaktion auf Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren
und die von einer Motorachse stammen.
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2 ein
Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand in
Reaktion auf Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren
und die von einer Generatorachse stammen.
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3 ein
simulierter Graph ist, welcher die Stromstärke im Ampere versus Zeit in
Millisekunden für
eine Widerstand-Stromstärke
vor und nach der Filterung illustriert.
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3 eine
Blockdiagramm eines anderen Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand
an einen Stromkanal gekoppelt sind und in Reaktion auf Signale reguliert
werden, die ein Drehmoment repräsentieren
und die von der Motorachse stammen.
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5 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften Subsystems zur Nutzung in der
Ausführungsform von 4 ist.
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6 ein
Blockdiagramm von einem weiteren beispielhaften Subsystem zur Nutzung
in der Ausführungsform
von 4 ist.
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7 ein
simulierter Graph ist, welcher Gleichstromstärke und Wirkleistung über die
Zeit sowie eine schnelle Fourier-Transformation illustriert, welche
aus einer Simulation der Ausführungsform aus
den 4-6 gewonnen wurden.
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8 ein
Blockdiagramm eines weiteren Systems zur Dämpfung von Drehschwingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand
an einen Stromkanal gekoppelt sind und in Reaktion auf Signale reguliert
werden, die das Drehmoment repräsentieren
und die von Generatorachsen stammen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist
ein Blockdiagramm eines resistiven Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystems 10 für eine Achse 12 einer
Maschine 14. Das Dämpfungssystem 10 umfasst
einen Sensor 16, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal
aufnehmen kann, welches das Drehmoment auf der Achse 12 repräsentiert,
und ein Reglergerät 18,
das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal zur Feststellung
des Vorhandenseins einer auf der Achse 12 auftretenden Drehmomentschwingung,
die einer Eigenfrequenz der Achsenbaugruppe entspricht, und zur
Generierung von Kontrollsignalen zur Dämpfung der Drehmomentschwingung
(welche in zwei getrennten Abschnitten von 1 gezeigt
wird, so dass 1 auf einem Blatt untergebracht
werden kann) verwenden kann. Das Dämpfungssystem 10 umfasst
außerdem einen
Dämpfer 20,
welcher einen Dämpfungswandler 22 und
einen Widerstand 24 aufweist, welche an einen Gleichstrom-Output
des Dämpfungswandlers 22 gekoppelt
sind. Der Dämpfungswandler
ist durch einen Stromkanal 26 (der manchmal als Stromschiene oder
Stromnetz bezeichnet wird) an die Maschine 14 gekoppelt.
Der Dämpfungswandler
hat typischerweise eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich
ungefähr
fünf Prozent
der nominellen Leistung der Maschine 14. So wie die Bezeichnung „Wandler" hier verwendet wird,
kann dieser beispielsweise einen Diodengleichrichter 22 wie
er in 1 gezeigt wird, oder einen aktiven Gleichrichter 322 mit
einschließen,
wie er in 4 gezeigt wird.
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Die
illustrierten Dämpfungssysteme
sind in vielen Zusammenhängen
von Nutzen, wozu z. B. auch Windturbinen, von elektrischen Motoren
angetriebene Kompressoren und Produktionslinien gehören. In
der Ausführungsform
von 1 umfasst die Maschine 14 einen Motor.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Motor-Ausführungsformen
beschränkt. Beispielsweise
wird in Bezug auf 2 und 8 eine Generator-Ausführungsform
beschrieben. „Gekoppelt" kann im Zusammenhang
mit der Achse eine elektrische Kopplung wie z. B. über einen
Motor beziehungsweise Generator oder aber eine indirektere Kopplung
bezeichnen, wie z. B. über
einen Kompressor 15, der durch eine Niedriggeschwindigkeitsachse 112,
ein Getriebe 13, und eine Hochgeschwindigkeitsachse 12 an
einen Motor 14 gekoppelt ist. Die Begriffe „Regelgerät" oder „Regler", wie sie hier verwendet
werden, sollen beliebige geeignete analoge, digitale oder Kombinationen
von analogen und digitalen Schaltungs- oder Verarbeitungseinheiten bezeichnen,
die benutzt werden, um die vorgesehene Reglerfunktion auszuführen. Wie
die Wörter „ein" oder „eine", hier gebraucht
werden, bedeuten sie „mindestens
ein/eine" sofern
dies nicht anders angegeben ist.
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Typischerweise
wird das Vorhandensein einer Drehmomentschwingung festgestellt,
wenn das aufgenommene Signal auf eine Eigenfrequenzschwingung der
Achse hinweist. In einer Ausführungsform
wird das aufgenommene Signal, welches das Drehmoment repräsentiert,
durch einen Drehmomentsensor 16 erfasst, während bei
anderen Ausführungsformen
indirekte Sensoren zum Einsatz kommen (wie z. B. Geschwindigkeitssensoren),
die entweder das Drehmoment repräsentieren
oder benutzt werden können,
um das Drehmoment zu bestimmen. Bei der Ausführungsform mit dem Drehmomentsensor
wird ein Drehmomentsensor 16 ausgewählt, der die Drehmo mentschwingungen
in der fraglichen Bauanordnung mit ausreichender Präzision messen kann.
Zum Beispiel sind bei Ausführungsformen
mit Antriebssträngen,
die einen großen
Durchmesser aufweisen, die Drehmomentwinkel entlang der Achse wegen
der hohen Steifigkeit der starren Achsen oft sehr klein (Hundertstel
bis Zehntel eines Grads), wobei aber die daraus resultierende Drehmomentbelastung
groß ist.
Der kleine Drehmomentwinkel und die hohe Rotationsgeschwindigkeit
solcher Achsen machen es schwierig, die Drehmomentschwingungen präzise zu
messen, wenn konventionelle Messvorrichtungen wie z. B. Geschwindigkeitssensoren
angewendet werden. Ein kontaktloser Sensor, der induktive Messungen
von Drehmomenten in verschiedenen Positionen liefert, ist beispielsweise
beim Fraunhofer Institut ITWM erhältlich. Ein alternatives Beispiel
für einen
Typ von Kontaktsensor ist ein Dehnmessstreifensensor.
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In
der Ausführungsform
von 1 ist ein Stromkanal 26 wiederum an einen
Motorantrieb 28 gekoppelt, der in einer Ausführungsform
einen verstellbaren Antrieb umfasst, und seinerseits an einen Stromkanal 126 gekoppelt
ist (optional über
den Transformator 30). Die Kopplung des Dämpfers 20 an
den Stromkanal 26 (zwischen Motor 14 und Motorantrieb 28)
und der Einsatz eines Diodengleichrichters 22 und eines
Kondensators 33 zur Herstellung einer definierten (geglätteten)
Gleichstromspannung ist für
hochverzerrte Energieversorgungssysteme nützlich, wie z. B. Systeme,
bei denen die direkte Anwendung eines netzgeführten Stromrichters zur aktiven
Dämpfung
unpraktisch ist. In dieser Ausführungsform
wird der Kondensator nicht zur Energiespeicherung, sondern zur Glättung der
Gleichstromspannung verwendet. In einer anderen Ausführungsform
wird der Kondensator weggelassen. Die Eliminierung des Kondensators
bewirkt zusätzliche
Oberwellen bei der modulierten Wirkleistung, was für einige
Dämpfungsanwendungen,
bei denen eine Niedrigkostenlösung
erwünscht
ist, akzeptabel sein kann.
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„Hochverzerrt" soll sich auf Systeme
beziehen, die eine Gesamtoberwellenverzerrung (THD) von mehr als
fünf Prozent
gemäß der Definition
des IEEE-Standards 519 aufweisen. THD-Werte über fünf Prozent
sind typisch für
Dreh-Energieversorgungssysteme
mit variabler Frequenz von Hochleistungsmotoren, die von netzgeführten Stromrichtern und
anderen auf Thyristoren beruhenden Gleichrichtertypen versorgt werden.
Hohe THD-Werte können auch
bei Insel- oder
inselähnlichen
Energieversorgungssystemen auftreten. Ein Beispiel umfasst Achsgeneratoren,
die zur Stromgewinnung aus Antriebsmaschinen benutzt werden, wie
z. B. Schiffsdieselmotoren oder turbinenbetriebenen Flugzeugtriebwerken.
Je nach den damit verbundenen Belastungen und Betriebsbedingungen
(wie z. B. das Ingangsetzen von elektrischen Hilfsantrieben) können manchmal
THD-Werte auftreten, die über
fünf Prozent
liegen, wenn zeitverlässliche
Drehmomentschwingungs-Dämpfung
gewünscht
wird. Ein weiteres Beispiel beinhaltet Windparks, die während Stromnetzstörungen in
Betreib sind. Verlässliche Drehmomentschwingungs-Dämpfung bei
Energieversorgungssystemen mit (vorübergehend) hohem THD kann die
Anwendung einer Gleichrichter-Bauart beinhalten, wie es in den 1 oder 2 gezeigt wird,
wobei die Generierung der Dämpfungs-Wirkleistung nicht
auf den verzerrten Systemspannungen beruht.
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Obwohl
die Begriffe Generator, Gleichrichter, Wechselrichter und Motor
zum Zwecke der Illustration verwendet werden, können diese Elemente so konfiguriert
werden, dass sie in jedem beliebigen der verfügbaren Modi betrieben werden
können,
wie es in dem zuvor erwähnten
Sihler,
US-Patentantragsnummer
11/110547 beschrieben wurde. In der Ausführungsform
von
1 umfasst der Dämpfungswandler
22 einen
zusätzlichen
(separaten) Wandler (im Gegensatz zu Wandlern, die eventuell schon
in dem Energieversorgungssystem vorhanden sind). Obwohl ein zusätzlicher
Wandler die Kosten erhöht, sind
solche Optionen für
Ausführungsformen
nützlich,
bei denen ein integrierter Wandler nicht einfach einzubauen ist.
Die hier beschriebenen Prinzipien können in einer beliebigen Wandlerausführungsform mit
einer Spannungs- oder Stromquelle angewendet werden.
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Durch
den Einsatz des Widerstands 24 zur Dissipation kann die
Ausführungsform
von 1 genutzt werden, um einige der Ziele des zuvor
erwähnten
C. Sihler „Suppression
of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled
device" [Unterdrückung von
Drehmomentvibrationen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte Vorrichtung", 35th Annual IEEE
Power Electronics Specialist Conference, S. 1424-1430 (2004) bei
reduzierten Kosten und reduzierter Komplexität zu erreichen (während die
Effektivität
für das
mechanische System aufrecht erhalten wird). Ein resistives Dämpfungssystem
gewinnt Strom aus einem Maschinenachsensystem und speist die Maschine
nicht mit Strom zurück,
wie es der Fall wäre,
wenn ein Energiespeicherungselement wie ein Kondensator oder ein
Induktor zur Modulierung der Wirkleistung benutzt werden würde. Daher
erfordert ein resistiver Dämpfer
den Betrieb des Wandlers in nur einem Quadranten (Thyristor-Zündwinkel
unter 90°),
so dass das Risiko von Kommutierungsfehlern signifikant gesenkt
wird, insbesondere, wenn ein thyristorgesteuerter Dämpfer in
einem hochverzerrten Energieversorgungssystem benutzt wird, wie
in 1 gezeigt wird.
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Optional
kann ein Transformator 31 verwendet werden, um den Dämpfer 20 an
den Stromkanal 26 zu koppeln, wobei er für die Anpassung
des Spannungsniveaus und auch für
die Reduzierung des Effekts von verzerrten Spannungen auf einen
beliebigen netzgeführten
Stromrichter nützlich
ist. Alternativ kann das Dämpfungssystem
direkt in drehenden Energieversorgungssystemen mit hohem THD eingesetzt
werden (um die Kosten für
einen zusätzlichen Transformator
einzusparen). Ein Stromkreisunterbrecher 68 kann miteingebaut
werden, um die Trennung des Dämpfers 20 vom
Stromkanal zu vereinfachen.
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Beim
Betrieb wird der Dämpfer 20 (über Steuersignale)
reguliert, um selektiv Strom vom Stromkanal 26 zum Dämpfungswiderstand 24 zu übertragen
(oder „abzuziehen"). Der Entzug von Strom
hat einen entsprechenden Effekt auf die Achse, der darauf ausgerichtet
ist, annäherungsweise
jeder Vibration entgegenwirkt, die ihrer Eigenfrequenz entspricht.
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In
der Ausführungsform
von 1 umfasst der Dämpfer 20 ferner ein
Element 29 mit modulierter Impulsbreite (PWM), das parallel
mit dem Widerstand 24 gekoppelt ist, wobei das Regelgerät 18 ist
so konfiguriert ist, dass es das vom Sensor 16 kommende Signal
benutzen kann, um das Vorhandensein einer Drehmomentschwingung festzustellen
und PWM-Kontrollsignale an das PWM-Element 29 zur Dämpfung der
Drehmomentschwingung zu senden. In einer Ausführungsform umfasst das PWM-Element 29 einen
PWM-gesteuerten Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode oder
einen IGCT-Thyristor, der in einer weiteren Ausführungsform an eine antiparallele
Diode gekoppelt ist. Die Verwendung eines einzelnen aktiven Elements
(PWM-Element 29) führt
zu einer bequemen Dämpfungs-Ausführungsform.
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Ein
zusätzlicher
Sensor 25 kommt in der Ausführungsform von 1 zum
Einsatz, um einen Parameter zu erhalten, der die durch den Widerstand 24 laufende
Spannung oder Stromstärke
repräsentiert,
die vom Regelgerät 18 zu
nutzen ist. Das Regelgerät 18 umfasst
typischerweise einen Bandpassfilter 44, um Sensorsignale
bei einer Frequenz weiterzugeben, die der Eigenfrequenzschwingung
entspricht, einen Phasenschieber 48 zur Anpassung der Phasenverschiebung
jedes gefilterten Signals an den korrekten Wert und ein Verstärkerelement 52 zur
Regulierung der Größe des angepassten
Signals.
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Typischerweise
ist die Modulation eine Annäherung
an eine Sinuskurve. Die Frequenz der Modulation entspricht der Eigenfrequenz,
und der Winkel entspricht der Amplitude der Torsionsschwingung.
Der Bandpassfilter 44 wird verwendet, um Signale von der
Drehmomentmessung abzuleiten, die die Schwingungskomponenten des
Drehmoments repräsentieren.
Das Signal beim Ausgang des Bandpassfilters ist eine Annäherung an
die Sinuskurve, wobei eine definierte Frequenz mit einer natürlichen Hauptfrequenz
des Achsenbausatzes übereinstimmt.
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Der
Phasenschieber 48 wird angewendet, um die Phasenverschiebung
des annähernden
Sinuskurven-Signals an den korrekten Wert anzupassen. Bei Bedarf
können
anstatt der Phasenschieber verstellbare Zeitverzögerungsmodule verwendet werden.
Zur optimalen Dämpfung
werden die annähernden
Sinuskurven-Signale mit einer Phasenverschiebung von 90° (Verzögerung)
rückgekoppelt. Wenn
ein Verzögerungsphasenwinkel
von 90° nicht erreicht
werden kann, kann der Phasenschieber so eingestellt werden, dass
er eine Gesamtphasenverschiebung von 360° + 90° zwischen dem Drehmoment (das
phasengleich mit dem Drehmomentwinkel ist, der die Drehmomentverschiebung
repräsentiert) und
der Wirkleistung (oder des Luftspaltdrehmoments), die von dem Regelgerät hervorgerufen
wird, bewirkt. Die Gesamtphasenverschiebung inklusive aller Systemzeitkonstanten
wird typischerweise experimentell durch die Durchführung von
Test mit offener Schleife bei niedrigem Stromniveau bestimmt.
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Die
Gewährleistung
einer einstellbaren Verstärkung
(z. B. durch die Verstärkerelemente 52)
ermöglicht
die Einstellung der Wirkleistung, die bei der Dämpfung der verschiedenen betreffenden
Drehmomentschwingungsmoden auftritt (hohe Verstärkung resultiert in einem hohen
Grad der Modulation, die wiederum einen starken Dämpfungseffekt
zur Folge hat). So hat diese Ausführungsform denselben Effekt wie
eine erhöhte
natürliche
Dämpfung
der Drehmomentschwingungsmoden, wobei der Grad der Dämpfung elektronisch
einstellbar ist.
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Regelgerät 18 kann
ferner einen Begrenzer 45 zur Begrenzung des regulierten
eingestellten Signals, ein Gleichstromkomponentenelement 57 (in Form
eines analogen Signals) und ein Summierungselement 58 zur
Errechnung der Summe des begrenzten Signals und der Gleichstromkomponente
(k) umfassen. Begrenzer 45 ist zur Erschaffung eines einpoligen
Signalflusses und zur Durchführung
von Tests bei niedrigem Dämpfungsstromlevel
nützlich. Das
Gleichstromkomponentenelement 57 und das Summierungselement 58 sind
optionale Elemente (was bedeutet, dass k 0 oder größer sein
kann), was vorteilhaft sein kann, wenn wegen Oberschwingungen zweiten
Grades Bedenken bestehen. Je höher der
Wert für
k ist, desto genauer ist die Annäherung an
die Sinuskurve, aber desto höher
sind auch die resultierenden Verluste in dem Energieversorgungssystem.
Durch die Anwendung einer Anstiegsfunktion des k-Werts während der
Dämpfung
können
Energieversorgungssystemverluste minimiert werden.
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Das
Regelgerät 18 kann
auch ein Verstärkerelement 39 zur
Anpassung der gemessenen Parameter von Sensor 25, einen
Tiefpassfilter 35 zur Filterung der Parameter von Sensor 25 oder,
sofern dies zutrifft, der verstärkungsangepassten
Parameter; ein Differenzelement 37 zur Errechnung der Differenz
zwischen dem begrenzten Signal (und der Gleichstromkomponente, sofern
dies zutrifft) und dem gefilterten Parameter, und ein PWM-Reglerelement 41 zur
Generierung zur von PWM-Kontrollsignalen umfassen. Der Tiefpassfilter 35 ist
für die
Annäherung
an eine Sinuskurve nützlich,
wie in 3 gezeigt.
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In
dem PWM-Reglerelement 41 werden Techniken zur Impulsbreitenmodulation
angewendet, um ein PWM-Signal 43 zu generieren, das darauf ausgerichtet
ist, das Differenzsignal von Differenzelement 37 gegen
Null zu führen.
In einer Ausführungsform,
bei der ein Stromstärkesignal
verwendet wird, ist die folgende Funktion zur Modulation der Stromstärke simuliert
worden: i(t) = 50 A·(k + sin(ω·t)),wobei i die Stromstärke, t die
Zeit, A der Amperewert, ω eine
Winkelfrequenz, die einer Resonanzwinkelfrequenz des Achsenbausatzes
entspricht, und k größer oder
gleich Null ist (wie oben dargelegt). Wenn das Quadrat von i(t)
der Wirkleistung entspricht, resultiert daraus die Gleichung i(t)2 = (50 A)2·(k2 + 2·k·sin(ω·t) + (sin(ω·t))2)
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Der
zweite Term dieser Funktion ist von größerer Bedeutung und hilft,
die Dissipation der Wirkleistung einer Sinuskurve anzunähern. Wie
oben dargelegt worden ist, kann in einigen Anwendungen ein höherer Wert
für k verwendet
werden, was zu höheren
Verlusten führt,
aber gleichzeitig eine bessere Annäherung an eine Sinuskurve bewirkt.
In anderen Anwendungen, bei denen die zweite Oberschwingung von ω keine Reaktion
im mechanischen System bewirkt, kann k auf niedrige Werte oder Null
reduziert werden, z. B. wenn das mechanische System keinen Resonanzpunkt
nahe 2ω hat.
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Obwohl
der Sensor 25 als ein Spannungssensor illustriert ist,
kann Sensor 25 alternativ aus einem Stromstärkesen sor
bestehen. Optional ist eine Diode parallel über den Widerstand 24 gekoppelt,
um sicherzustellen, dass der Strom in eine einzige Richtung fließt. und
um Überspannungszustände zu vermeiden,
wenn beim Widerstand eine Streuinduktanz auftritt, die nicht zu
vernachlässigen
ist. Das PWM-Element 29 reguliert die Stromstärke, die
in den Widerstand 24 abgeführt wird, was in einer bequemen
Ausführungsform
resultiert, da nur das aktive Element verwendet wird. Die Kondensatoren 33 sind über die
Kombination von Widerstand 24 und PWM-Element 29 gekoppelt
und werden zur Regulierung (Glättung)
der Spannung über
den Gleichrichter benutzt, so dass eine definierte Gleichstromspannung
erreicht werden kann. Das Element 32 umfasst einen Widerstand
oder einen Induktor, der insbesondere dann, wenn kein Transformer 31 vorhanden
ist, nützlich
ist, um Stromspitzen von den im Einsflussbereich liegenden Kondensatoren 33 zu
vermeiden.
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Anders
als der Induktor, der in dem zuvor erwähnten C. Sihler „Suppression
of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" [Unterdrückung von
Drehmomentvibrationen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte
Vorrichtung", 35th
Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference erwähnt wurde,
liefert der Widerstand der vorliegenden Anwendung keine exakte Sinuskurvenmodulation.
Wenn allerdings die erste harmonische Frequenz der Wirkleistung
der Frequenz des natürlichen
Antriebsstrangs entspricht, reicht die Drehmomentunterdrückung aus,
um die Vibrationen im mechanischen System auf akzeptable Niveaus
zu reduzieren, wodurch der Verschleiß der Achse und der an die
Achse gekoppelten Elemente reduziert wird. Diese Ausführungsfor men
sind besonders auf Systeme anwendbar, bei denen die Eigenfrequenzen
deutlich über
den Netzwerkfrequenzen liegen (bei denen Dämpfung für höhere Drehmomentschwingungsmoden
gewünscht
ist), und auf Ausführungsformen,
bei denen elektrische Maschinen mit einer hohen Geschwindigkeit
rotieren (wie z. B. über
6000 U/min), so dass es nicht einfach ist, netzgeführte Stromrichter
für die
Dämpfung
der Drehmomentschwingungsmode anzuwenden. Die meisten Probleme mit
Drehmomentschwingungen werden durch Störsignale verursacht, beispielsweise Störungen im
Netzwerk oder Oberschwingungen, die während des Ingangsetzens des
drehzahlveränderlichen
Motors entstehen. Zur Lösung
solcher Probleme eignet sich ein Dämpfungssystem, das auf einem Widerstand
basiert, weil die Dämpfungskraft,
die aus dem Antriebsstrang gewonnen wird, nur für eine kurze Zeit in den Widertand
abgeleitet werden muss (normalerweise weniger als einige Sekunden).
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1 illustriert
außerdem
eine modulare Herangehensweise, die angewendet werden kann, um Probleme
mit dem Drehmoment schneller zu lösen und eine höhere Verlässlichkeit
des Dämpfungssystems
zu erreichen. In 1 wird eine Mehrzahl von Dämpfern 20, 120 und 220 zusammen
mit den dazugehörigen
Wandlern 22, 122, 222, Widerständen 24, 124, 224 und
Sensoren 25, 125, 225 benutzt, um Signale
zu liefern, die von dem Dämpfungssystemregelgerät 18 verwendet
werden können.
Das Dämpfungssystemregelgerät 18 wiederum
hat eine Mehrzahl von dazugehörigen
Verstärkerelementen 39, 139, 239;
Tiefpassfiltern 35, 135, 235; Summierungselementen 37, 137, 237;
PWM-Regelgeräte 41, 141, 241 zur
Lieferung von PWM-Kontrollsignalen 43, 143, 243 für die dazugehörigen Dämpfer 20, 120, 220.
Ein Vorteil einer modularen Bauweise, insbesondere wenn identische
Module verwendet werden, besteht in der Einfachheit und Flexibilität, mit denen die
Bauweise an verschiedene Dämpfungsanforderungen
angepasst werden kann, indem die Anzahl der benutzten Module verändert wird.
Die Zeit, die für das
Entwerfen eines Dämpfungssystems
benötigt wird,
kann deutlich reduziert werden, indem Tests mit Standarddämpfungsmodulen
bei einem niedrigen Stromlevel durchgeführt werden, so dass die Anzahl der
Module, die für
die Erzielung einer ausreichenden Dämpfung notwendig ist, bestimmt
werden kann. Ausführungsformen,
die eine Energiespeichervorrichtung für die Dissipation aufweisen,
wie z. B. einen Kompensator oder einen Induktor, sind nicht wirtschaftlich
und für
eine modulare Bauweise ungeeignet, weil die gespeicherte Energie
proportional zum Quadrat der Stromstärke (Induktor) oder dem Quadrat
der Spannung (Kondensator) ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei ein Dämpfungswandler 22 und
ein Widerstand 24 in Reaktion auf Signale, die ein Drehmoment
repräsentieren
und die von einer Generatorachse 412 stammen, reguliert
werden. Im Beispiel von 2 wird eine Rotoreinheit 59 an
ein Getriebe 60 gekoppelt, welches wiederum durch die Achse 412, auf
der ein Sensor 16 Messungen durchführt, an einen Synchrongenerator
gekoppelt ist. Der Synchrongenerator 62 ist über einen
Stromkanal 326 an einen Spannungswandler 64 gekoppelt,
der seinerseits über
einen Transformator 66 an einen Stromkanal (Stromnetz) 426 gekoppelt
ist. Der Dämpfer 20 ist
an einen Stromkanal 326 gekoppelt. Dies ist ein Bei spiel,
bei dem der Transformator, der in 1 gezeigt wird
(Transformator 31), normalerweise nicht benötigt wird.
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3 ist
ein simulierter Graph, der Stromstärke in Amperes versus Zeit
in Millisekunden für
die Widerstandstromstärke
vor und nach der Filterung durch den Tiefpassfilter 35 illustriert.
Dieser Graph soll entweder die Ausführungsform von 2 oder die
Ausführungsform
von 1 mit einem Modul und einem K-Wert von 1 darstellen.
In diesem Beispiel beträgt
die IGBT-Schaltungsfrequenz 800 Hertz und die Fundamentalfrequenz
der Widerstandsstromstärke
20 Hertz. Die Information zur Stromstärke ist relevant, weil zu erwarten
ist, dass der Zeitverlauf der Spannung durch den Widerstand 24 dem
Zeitverlauf der Stromstärke
in Widerstand 24 entspricht. 3 zeigt,
dass eine gute Annäherung
an eine Sinuskurve erwartet werden kann.
-
4 ist
ein Blockdiagramm eines anderen Systems 110 zur Dämpfung von
Drehmomentschwingungen. In der Ausführungsform von 4 umfasst
ein Dämpfungssystem 110 einen
anderen Typ von Dämpfungswandler 322 (einen
aktiven Gleichrichter) und Regelgerätkonfiguration als in der Ausführungsform
von 1. 4 illustriert zusätzlich die
Verwendung von mehreren Sensoren 316 und 416. 5 ist
ein Blockdiagramm eines beispielhaften Subsystems, welches Regelgerät 118 aus 4 enthält, und 6 ist
ein Blockdiagramm eines anderen beispielhaften Subsystems, welches
Regelgerät 218 aus 4 enthält.
-
5 ist
eine Ausführungsform,
bei der das Regelgerät
118 ein
Bandpassfilter
144,
46 zur Weitergabe von Sensorsignalen
bei einer Frequenz, die der Eigenfrequenz entspricht, einen Phasenschieber
148,
50 zur
Anpassung der Phasenverschiebung jedes gefilterten Signals an den
korrekten Wert und ein Verstärkerelement
152,
54 zur
Regulierung der Stärke
des angepassten Signals beinhaltet.
5 illustriert
beispielhaft zwei Bandpassfilter, die so eingestellt sind, dass
sie zwei Eigenfrequenzen erkennen, wie es im zuvor erwähnten C.
Sihler
US-Patentantragsnummer 11/110547 beschrieben
wurde. Alternativ kann ein einzelnes Bandpassfilter oder zusätzliche
Bandpassfilter verwendet werden. Regelgerät
18 kann ferner ein
Gleichstromkomponentenelement
57 (in Form eines analogen
Signals) und Summierungselement
58 zur Errechnung der Summe
des begrenzten Signals und der Gleichstromkomponente (k) umfassen.
-
Ausführungsformen
mit einer Vielzahl von Sensoren, wie sie in 4 und 8 gezeigt
werden, könnten
nützlich
sein, wenn verschiedene Eigenfrequenzen entlang der Achsen in verschiedenen Positionen
vorhanden sind und durch einen gewöhnlichen Sensor schwer festgestellt
werden können.
Alternativ oder in Kombination können
mehrere Bandpassfilter 144 und 46 benutzt werden,
um die gewünschte
Feststellung durchzuführen.
In der Ausführungsform
von 5 können
Bandpassfilter 144 beispielsweise dazu verwendet werden,
eine Frequenz festzustellen, die der Eigenfrequenzschwingung entspricht,
die in einem Abschnitt der Achsenbauanordnung 12 auftritt,
und das Bandpassfilter 46 kann benutzt werden, um eine
Frequenz festzustellen, die der Eigenfrequenzschwingung entspricht,
die in einem anderen Abschnitt der Achsenbauanordnung auftritt.
Der Drehmomentsensor 16 erfasst ein Signal an einem der
illustrierten Abschnitte (obgleich das Signal schwächer ist
als bei einer Ausführungsform
mit direkter Messung, bei der eine Vielzahl von Drehmomentsensoren
verwendet wird), das zu dem jeweils anderen Abschnitt gehört.
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In
der Ausführungsform
von 6 wird der Dämpfungswandler 122 als
ein drehstromgesteuerter aktiver Gleichrichter 322 gezeigt,
welcher Wandlerschaltungen 55 umfasst. In einem Beispiel
umfasst der Wandler 322 einen Thyristor-Gleichrichter,
bei dem die Schaltungen Thyristoren aufweisen. In einem anderen
Beispiel, bei dem ein Gleichrichter mit einem Bipolartransistor
mit isolierter Gateelektrode (IGBT) eingesetzt wird, umfassen die
Schaltungen IGTBs. Zur Lieferung von Widerstandstromstärkesignalen
an das Regelgerät 218 ist
ein Sensor 47 vorhanden. Das Regelgerät 218 ist so konfiguriert,
dass es einen Dämpfungsbefehl
vom Regelgerät 118 erhalten
kann, wobei es das Stromstärkesignal
von dem Dämpfungsbefehl
abzieht (mit Hilfe des Differenzelements 49) und die Differenz
für die
Bestimmung der geeigneten Zündwinkel
der Schaltungen 55 (mit Hilfe des Kontrollsystems 51)
verwendet.
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Obwohl
in den 4-6 zwei Regelgeräte 118 und 218 als
Beispiele illustriert werden, kann eine beliebige gewünschte Regelgerätkonfiguration verwendet
werden. Beispielsweise kann ein Regelgerät zur Durchführung beider
Funktionen eingesetzt werden. Bei einem anderen Beispiel umfassen
einige Wandler integrierte Regelgeräte. In einem weiteren Beispiel
kann eine Vielzahl von Sensorlevel- Regelgeräten verwendet werden, um Signale
zu erhalten, die dann von einem Hauptregelgerät verwendet werden.
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7 ist
ein Graph eines Gleichstroms in Widerstand 24 und einer
Wirkleistung über
Zeit sowie einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), die aus
der Simulation der Ausführungsform
von 4-6 gewonnen wurde. In diesem
Beispiel umfasst der Wandler eine 6-Puls-Thyristorbrücke, und
die Fundamentalfrequenz der Widerstandstromstärke beträgt 20 Hertz. 7 illustriert,
das, obwohl nicht zu erwarten ist, dass die Stromstärke und
elektrische Energie perfekte Sinuskurven aufweisen, die resultierende
FFT eine deutliche Hauptspitze zeigt und darauf hinweist, dass zu
erwarten ist, dass die resultierende Stromstärke und elektrische Energie für die Erfüllung der
Systemziele nützlich
ist.
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8 ist
ein Blockdiagramm eines anderen Systems 210 zur Dämpfung von
Drehmomentschwingungen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Dämpfungswandler 422 und
ein Widerstand 24 an einen Stromkanal 226 gekoppelt
sind und in Reaktion auf die Signale reguliert werden, die das Drehmoment
repräsentieren
und von einer Generator 114 – Achse 212 stammen.
Ein Dämpfungswandler
kann z. B. einen Gleichrichter von dem Typ umfassen, der oben im Zusammenhang
mit 1 beschrieben wurde, oder einen Gleichrichter
des Typs, der oben im Zusammenhang mit 4 beschrieben
wurde. Für
Beispielzwecke werden zwei Generatoren 114 und 214, zwei
Achsen 212 und 312 sowie zwei Sensoren 116 und 216 illustriert,
aber die hier beschriebenen Ausführungsformen sind
auf eine oder mehr Achsen und einen oder mehr Sensoren anwendbar.
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Zusätzlich können, wie
oben beschrieben worden ist, ein oder mehrere Regelgeräte 318 verwendet
werden, um die Kontrollfunktionen zu implementieren. Eine oder mehrere
Turbinen 53 und 153 können verwendet werden, um die
Generatoren 114 und 214 anzutreiben, wobei zahlreiche
Arten von Turbinen wie Windturbinen, Gasturbinen und Dampfturbinen
in Frage kommen. Wie in Bezug auf 1 ausgeführt worden
ist, umfasst der Dämpfungswandler 422 in
der Ausführungsform
von 8 einen zusätzlichen
Wandler (gegenüber
beliebigen Wandlern 34, 36, die bereits in dem
Energieversorgungssystem vorhanden sind und die die Maschinen 38 über den Transformator 331 an
den Stromkanal 226 koppeln).
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Offenbart
wurde ein resistives Drehmoment-Dämpfungssystem 10 für eine Achse 12 einer Maschine 14 umfassend:
einen Sensor 16, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal
erfassen kann, welches das Drehmoment auf der Achse repräsentiert, ein
Regelgerät 18,
das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal verwenden kann,
um das Vorhandensein einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung
zu erkennen, die mit einer Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt,
und um Kontrollsignale zur Dämpfung
der Drehmomentschwingung zu generieren; und einen Dämpfer 20,
der einen Dämpfungswandler 22 und
einen Widerstand 24 umfasst, die an einen Gleichstrom-Output
des Dämpfungswandlers
gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler
durch einen Stromkanal 26 an die Maschine gekoppelt ist
und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent
der nominellen Leistung der Maschine aufweist.
-
Während hier
nur bestimmte Merkmale der Erfindung illustriert und beschrieben
wurden, werden auf diesem Gebiet fachkundigen Personen viele Modifikationen
und Veränderungen
einfallen. Es soll daher darauf hingewiesen werden, dass die angehängten Patentansprüche darauf
ausgerichtet sind, alle solchen Modifikationen und Veränderungen,
die der Wesensart der Erfindung entsprechen, abzudecken.
-
- 10,
100, 210
- Dämpfungssystem
- 12,
112, 212, 312, 412
- Achse
- 13
- Getriebe
- 14,
114, 214
- Maschine
- 15
- Kompressor
- 16,
116, 216, 316, 416
- Sensor
- 18,
118, 218, 318
- Dämpfungssystemregelgerät
- 20
- Dämpfer
- 22,
122, 222, 322, 422
- Dämpfungswandler
- 24
- Widerstand
- 25
- Sensor
- 26,
126, 226, 326, 426
- Stromkanal
- 27
- Diode
- 28
- Antrieb
- 29
- PWM-Kontrollelement
- 30
- Transformator
- 31,
331
- Transformator
- 32
- Widerstand
oder Induktanz
- 33
- Kondensator
- 34
- Wechselrichter
- 35
- Tiefpassfilter
- 36
- Gleichrichter
- 37
- Summierungselement
- 38
- Maschine
- 39
- Verstärkung
- 41
- PWM-Reglerelement
- 43
- Signal
- 44,
144
- Bandpassfilter
- 45
- Begrenzer
- 46
- Bandpassfilter
- 47
- Stromstärkesensor
- 48,
148
- Phasenverschieber
- 49
- Differenzelement
- 50
- Phasenverschieber
- 51
- Zündwinkel-Regelgerät
- 52,
152
- Verstärkung
- 53,
153
- Turbine
- 54
- Verstärkung
- 55
- Schaltungen
- 56
- Summierungselement
- 57
- Gleichstromkomponentenelement
- 58
- Summierungselement
- 59
- Rotoreinheit
- 60
- Getriebe
- 62
- Synchrongenerator
- 64
- Wandler
- 66
- Transformierer
- 68
- Stromkreisunterbrecher