DE102009039485B4

DE102009039485B4 - Regelungssystem und Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers

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Publication number: DE102009039485B4
Application number: DE200910039485
Authority: DE
Inventors: Dr. Denk Joachim; Dr. Köpken Hans-Georg; Dietmar Stoiber; Frank Viering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: DE102009039485A1; DE102009039485A8; WO2011023775A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem und Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers, wobei aus einem ersten Abstandssignal eine erste Verschiebung des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers heraus ermittelt wird, wobei aus einem zweiten Abstandssignal eine zweite Verschiebung des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers heraus ermittelt wird, wobei der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung ermittelt wird, wobei falls das erste und das zweite Abstandssignal als ordnungsgemäß erkannt werden, der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers verwendet wird, wobei falls das erste Abstandssignal als fehlerhaft erkannt wird, die zweite Verschiebung zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird, wobei falls das zweite Abstandssignal als fehlerhaft erkannt wird, die erste Verschiebung zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird. Die Erfindung ermöglicht bei Ausfall einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors, ein Weiterschweben des Rotors im Magnetlager.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Regelungssystem zur Regelung eines Magnetlagers.
Sei Verwendung von Magnetlagern kann ein Absturz des sich drehenden Rotors einer Maschine, der mittels der Magnetlager gelagert ist, zu erheblichem Verschleiß an den üblicherweise verwendeten Fanglagern führen.
Eine mögliche Ursache für einen Absturz des Rotors ist ein Defekt an der Messeinrichtung, die zur Regelung des Magnetlagers den Abstand des Rotors von der Messeinrichtung misst. Zum Beispiel kann durch einen Kabelbruch das Eingangssignal für die Regelung des Magnetlagers verloren gehen.
Häufig müssen zwei solche Messeinrichtungen in Differenzanordnung eingesetzt werden, um die thermische Drift der Messeinrichtungen oder Messfehler, z. B. infolge einer Aufweitung des Rotors durch Fliehkräfte, zu kompensieren.
Die Berechnung der beiden Messsignale, welche von den Messeinrichtungen erzeugt werden, zu einem Einzelsignal erfolgt beim Stand der Technik bereits in einer Auswerteeinheit auf Analogseite. Anschließend erfolgt beim Stand der Technik eine Digitalisierung des Einzelsignals und die Weiterverarbeitung in einer Regeleinrichtung, die das Magnetlager regelt, d. h. genauer ausgedrückt, das vom Magnetlager erzeugte Magnetfeld entsprechend regelt. Anschließend erfolgt in der Regeleinrichtung eine Offset-Kompensation und eine Kompensation der Messsignalverstärkung, so dass das Lagesignal einen Wert von Null annimmt, wenn der Rotor sich genau in der Magnetlagermitte befindet. Das Lagesignal wird als Regelistgröße einem Lageregler der Regeleinrichtung zugeführt.
Fällt eines der beiden Messsignale, z. B. aufgrund eines Kabelbruchs aus, so ist das Ausgangssignal der Auswerteeinheit fehlerhaft und geht im Allgemeinen in die Begrenzung und der Rotor stürzt ab.
Zum Stand der Technik wird verwiesen auf die DE 69 50 36 13 T2 , aus der ein aktives Magnetlager mit Positions-Selbsterfassung bekannt ist.
Aus der JP 51 18 331 A1 ist ein Magnetlager und ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers bekannt.
Aus der JP 59 18 71 13 A1 ist ebenfalls ein Magnetlager und ein Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers bekannt.
Aus der EP 0 989 315 A1 ist eine fehlertolerante magnetische Lagervorrichtung bekannt.
Aus der US 5,578,880 A ist ein fehlertolerantes Regelungssystem für Magnetlager bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei Ausfall einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors, ein Weiterschweben des Rotors im Magnetlager zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Regelungssystem nach Anspruch 2.
Es erweist sich als vorteilhaft, eine Maschine mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem auszubilden, wobei die Maschine ein Magnetlager und einen rotierbar angeordneten Rotor aufweist. Die Maschine kann dabei z. B. als Motor, insbesondere als Elektromotor, als Generator, Verdichter oder als Turbine ausgebildet sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Maschine, die das erfindungsgemäße Regelungssystem aufweist in Form einer schematisierten Darstellung,
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Messsignalaufbereitung zur Erzeugung eines Lagesignals für die Regelung eines Magnetlagers in Form einer schematisierten Darstellung und
3 eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitung zur Erzeugung eines Lagesignals für die Regelung eines Magnetlagers in Form einer schematisierten Darstellung.
In 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Maschine 10 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente der Maschine 10 dargestellt sind. Die Maschine 10 weist einen Rotor 1 auf, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels schematisiert in Form einer Welle dargestellt ist. Der Rotor 1 dreht sich dabei im Betrieb der Maschine 10 um seine Rotationsachse R. Der Rotor 1 weist dabei in der Regel neben der dargestellten Welle noch weitere Elemente auf, die z. B. im Falle einer Ausbildung der Maschine 10 als Elektromotor oder Generator in Form eines Jochs, das mit der Welle verbunden ist, ausgebildet sein können. Die weiteren Elemente sind jedoch der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt. Der Rotor 1 umfasst die rotierenden Teile der Maschine 10.
Weiterhin weist die Maschine 10 zu Lagerung des Rotors 1 ein linksseitig angeordnetes Magnetlager 2 und weiteres rechtsseitig angeordnetes Magnetlager 3 auf. In 1 sind dabei der Übersichtlichkeit halber nur die Teile des Magnetlagers 2 und 3 dargestellt, die eine in der Darstellung gemäß 1 in senkrechte Richtung wirkende Kraft, d. h. eine in X-Richtung wirkende Kraft, auf den Rotor 1 ausüben und ihn in senkrechter Richtung in Schwebe halten. Die Teile des Magnetlagers 2 und 3, die eine in Z-Richtung wirkende Kraft auf den Rotor 1 ausüben und ihn in Z-Richtung in Schwebe halten sind entsprechend wie die Teile des Magnetlagers 2 und 3 ausgeführt, die den Rotor 1 in senkrechter Richtung in Schwebe halten. Die Magnetlager 2 und 3 sind mit einem Gehäuse 4 der Maschine 10 verbunden.
Die Magnetlager 2 und 3 erzeugen ein Magnetfeld, das mittels einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 6 derart geregelt wird, dass der Rotor 1 möglichst in der Mitte M des Magnetlagers schwebt, so dass die Rotationsachse R mit Mitte M des Magnetlagers zusammenfällt. Der Rotor 1 wird solchermaßen in einem Luftspalt 26 von den Magnetlagern 2 und 3 in Schwebe gehalten. Die Magnetlager weisen elektrische Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds auf. Weiterhin weist die Maschine 10 zur Ermittlung der Lage in senkrechter Richtung des Rotors 1 Messeinrichtungen 4a, 4b, 5a und 5b auf. Die Messeinrichtungen liegen dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von Abstandssensoren vor, die jeweilig mit einer Elektronik versehen sind. Die erste Messeinrichtung 5a ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels oberhalb des Rotors 1 angeordnet und dient zur Ermittlung des Abstands x_A von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1. Die erste Messeinrichtung 5a erzeugt hierzu ein den Abstand x_A von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1 abbildendes erstes Abstandssignal u_A, das in der Regel in Form eines Spannungssignals vorliegt. Die zweite Messeinrichtung 5b ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels unterhalb des Rotors 1 angeordnet und dient zur Ermittlung des Abstands x_B von der zweiten Messeinrichtung 5b zu der der zweiten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1. Die zweite Messeinrichtung 5b erzeugt hierzu ein den Abstand x_B von der zweiten Messeinrichtung 5b zu der der zweiten Messeinrichtung zugewandten Oberfläche des Rotors 1 abbildendes zweites Abstandssignal u_B, das in der Regel in Form eines Spannungssignals vorliegt.
Wie aus 1 ersichtlich, sind dabei die erste Messeinrichtung 5a und die zweite Messeinrichtung 5b in Bezug auf den Rotor 1 zueinander gegenüberliegend angeordnet. Die Messeinrichtungen 4a und 4b sind entsprechend aufgebaut und angeordnet.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Folgenden die Erfindung nur anhand des Magnetlagers 3 in Bezug auf die Regelung des Magnetlagers in senkrechte Richtung beschrieben wird. Das entsprechende Regelungssystem zur Regelung der Magnetlager in Z-Richtung ist entsprechend wie das Regelungssystem zur Regelung des Magnetlagers 3 in senkrechter Richtung aufgebaut. Das Regelungssystem zur Regelung des Magnetlagers 2 ist entsprechend wie das Regelungssystem zur Regelung der Magnetlagers 3 aufgebaut.
Erfindungsgemäß wird dabei der Regeleinrichtung 6 das erste und das zweite Abstandssignal u_A und u_B auf getrennten Kanälen zugeführt und in der Regeleinrichtung 6 digitalisiert. Die Regeleinrichtung 6 weist eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit 7 auf, die aus dem ersten und zweiten Abstandssignal u_A und u_B die Verschiebung x_ist des Rotors 1 aus der Mitte des Magnetlagers ermittelt und ausgangsseitig ausgibt. Hierzu wird im Rahmen der Beschreibung zur 3, in der die erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit detaillierter darstellt ist, noch näher eingegangen. Im Weiteren wird mittels eines Subtrahierers 21 die Differenz von einer vorgegebenen Sollverschiebung x_soll und der ermittelten Verschiebung x_ist ermittelt und als Eingangsgröße einem Regler 8 zugeführt. Da in der Regel erwünscht ist, dass der Rotor 1 in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 schwebt, wird der Wert der Sollverschiebung im Allgemeinen zu Null gesetzt. Der Regler 8 ist dabei als ein so genannter PID-Regler (Proportional-Integral-Differential) ausgebildet und erzeugt ausgangsseitig einen Stromsollwert I_soll, der eingangsseitig einem Stromrichter 9 zugeführt wird. Entsprechend dem vorgegebenen Stromsollwert I_soll erzeugt der Stromrichter 9 Ausgangsströme I₁ und I₂ zur Ansteuerung des Magnetlagers 3, wobei der Strom I₁ dem unteren Teil des Magnetlagers 3 und der Strom I₂ dem oberen Teil des Magnetlagers 3 zugeführt wird. Schwebt z. B. der Rotor 1 zu tief, dann wird der Strom I₂ erhöht und entsprechend der Strom I₁ verkleinert.
Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird dabei vom Stromrichter 9 in Abhängigkeit von dem Sollstrom I_soll der Ausgangsstrom I₁ erhöht und gleichzeitig der Ausgangsstrom I₂ erniedrigt oder der Ausgangsstrom I₁ erniedrigt und gleichzeitig der Ausgangsstrom I₂ erhöht, so dass der Rotor 1 möglichst in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 schwebt.
In 2 ist im Rahmen einer schematisierten blockförmigen Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung x_ist aus dem ersten und dem zweiten Abstandssignal u_A und u_B dargestellt. In 2 sind dabei der Übersichtlichkeit halber linksseitig nur die erste Messeinrichtung 5a, die zweite Messeinrichtung 5b und der Rotor 1 dargestellt. Der Rotor 1 und damit dessen Rotationsachse R ist dabei um eine Verschiebung x aus der geometrischen Mitte M in Richtung X verschoben. In 2 ist der Rotor 1, wenn er nicht verschoben ist, d. h. die Rotationsachse R mit der geometrischen Mitte M des Magnetlagers zusammenfällt, gestrichelt dargestellt.
Von der ersten Messeinrichtung 5a wird der Abstand x_A von der ersten Messeinrichtung 5a zu der der ersten Messeinrichtung 5a zugewandten Oberfläche des Rotors 1 gemessen und ein den Abstand x_A abbildendes erstes Abstandssignal u_A erzeugt. Das erste Abstandssignal u_A liegt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form eines Spannungssignals vor dessen Spannung den Wert u_A = α_A·x_A + u_0A = α_A·(X_A0 – x) + u_0A aufweist,
wobei α_A die Verstärkung der ersten Messeinrichtung 5a ist und u_0A ein Spannungsoffset ist, welcher von der ersten Messeinrichtung erzeugt wird und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand x_A0 stellt dabei den Abstand der ersten Messeinrichtung 5a zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.
Das zweite Abstandssignal u_B liegt dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form eines Spannungssignals vor dessen Spannung den Wert u_B = α_B·x_B + u_0B = α_B·(x_B0 + x) + u_0B aufweist,
wobei α_B die Verstärkung der zweiten Messeinrichtung 5b ist und u_0B ein Spannungsoffset, welcher von der zweiten Messeinrichtung erzeugt wird, ist und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand x_B0 stellt dabei den Abstand der zweiten Messeinrichtung 5b zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.
Die Abstände x_A0, x_B0 der Messeinrichtungen 5a, 5b sind in der Regel individuell verschieden, d. h. x_A0 ≠ x_B0. Ursächlich verantwortlich hierfür sind Montagetoleranzen der Messeinrichtungen, die einige Zehntel Millimeter betragen können. Fanglagerspalte von typischen Maschinen liegen in ähnlicher Größenordnung.
Die Verstärkungen α_A, α_B und die Spannungsoffsets u_0A, u_0B der beiden Messeinrichtungen 5a und 5b werden für die folgenden Überlegungen idealisiert als identisch angenommen, d. h. es gilt α_A = α_B = α und u_0A = u_0B = u. Die Verstärkungen und Spannungsoffsets der Messeinrichtungen sind dabei, z. B. aus den Herstellerangaben der Messeinrichtungen, bekannt.
Das erste Abstandssignal u_A und das zweite Abstandssignal u_B werden dann beim Stand der Technik von einer Elektronikeinheit 11 voneinander analog subtrahiert und solchermaßen das Ausgangssignal s = 2·α·x + d erzeugt,
wobei die Konstante d = α·(x_B0 – x_A0) ist.
Anschließend wird das Signal s digitalisiert und die Konstante d mittels eines Subtrahierers 12 von dem Signal s subtrahiert. Anschließend wird das Ausgangssignal des Subtrahierers 12 mittels eines Dividierers 13 durch einen Faktor von 2·α dividiert. Der Subtrahierer 12 und der Dividierer 13 sind dabei Bestandteile einer Messsignalaufbereitungseinheit 7', die in der Regel Bestandteil einer Regeleinrichtung zur Regelung des Magnetlagers ist. Am Ausgang des Dividierers 13 ergibt sich die ermittelte Verschiebung x_ist, die im Idealfall mit der tatsächlichen Verschiebung x übereinstimmt. Die ermittelte Verschiebung x_ist wird als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers im Weiteren von der Regeleinrichtung verwendet, was in 2 nicht mehr dargestellt ist.
Nachteilig bei einer solchen Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung x des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers ist, dass bei Ausfall oder einer Störung des ersten oder des zweiten Abstandssignals, z. B. infolge eines Kabelbruchs oder eines technischen Fehlers in einer der beiden Messeinrichtungen, die ermittelte Verschiebung x_ist fehlerhaft ist und folglich das Magnetlager ausfällt und ein Weiterbetrieb der Maschine nicht mehr möglich ist. Der Rotor stürzt dann ab und wird von dem normalerweise an der Maschine angeordneten Fanglagern aufgefangen, die hierdurch jedoch stark verschlissen werden. Insbesondere, wenn der Rotor in einen so genannten Backward Whirl gelangt, kann die Maschine sogar stark beschädigt oder zerstört werden können.
In 3 ist im Rahmen einer schematisierten blockförmigen Darstellung eine erfindungsgemäße Messsignalaufbereitung zur Ermittlung der Verschiebung x_ist aus dem ersten und dem zweiten Abstandssignal u_A und u_B dargestellt.
Die linksseitig in 3 dargestellte Anordnung zur Erzeugung des ersten Abstandssignals u_A und des zweiten Abstandssignals u_B stimmt mit der zuvor in 2 beschriebenen Anordnung überein, so dass an dieser Stelle auf die Beschreibung zu 2 verwiesen wird. Das erste Abstandssignal u_A weist dabei einen Wert von u_A = α_A·x_A + u_0A = α_A·(x_A0 - x) + u_0A = – α_A·x + d_A, auf, wobei die Konstante d_A = α_A·x_A0 + u_0A ist, wobei α_A die Verstärkung der ersten Messeinrichtung 5a ist und u_0A ein Spannungsoffset ist, welcher von der ersten Messeinrichtung erzeugt wird und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand x_A0 stellt dabei den Abstand der ersten Messeinrichtung 5a zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.
Das zweite Abstandssignal u_B weist entsprechend einen Wert von u_B = α_B·x_B + u_0B = α_B·(x_B0 + x) + u_0B = α_B·x + d_B, auf, wobei die Konstante d_B = α_B·x_B0 + u_0B ist,
wobei α_B die Verstärkung der zweiten Messeinrichtung 5b ist und u_0B ein Spannungsoffset, welcher von der zweiten Messeinrichtung erzeugt wird, ist und x die Verschiebung des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers ist. Der Abstand x stellt dabei den Abstand der zweiten Messeinrichtung 5b zum Rotor 1 dar, wenn dieser gerade in der geometrischen Mitte M des Magnetlagers angeordnet ist, also die Verschiebung x = 0 ist.
Die Verstärkungen und Spannungsoffsets der Messeinrichtungen sind dabei, z. B. aus den Herstellerangaben der Messeinrichtungen, bekannt, oder werden messtechnisch bestimmt.
Die im Rahmen des Ausführungsbeispiels zu diesem Zeitpunkt noch analogen ersten und zweiten Abstandssignale u_A und u_B werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels in der Regeleinrichtung 6 (siehe 1) digitalisiert und anschließend von der erfindungsgemäßen Messsignalaufbereitungseinheit 7, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels Bestandteil der Regeleinrichtung 6 ist, weiterverarbeitet. Die erfindungsgemäße Messsignalaufbereitungseinheit 7 ist in 3 detaillierter dargestellt.
Zunächst wird mittels eines Subtrahierers 24 und eines Dividierers 15 aus dem ersten Abstandssignal u_A eine erste Verschiebung x₁ des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt. Hierzu wird vom ersten Abstandssignal u_A die Konstante d_A mittels des Subtrahierers 24 subtrahiert und anschließend das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 mittels des Dividierers 15 durch die Verstärkung –α_A der ersten Messeinrichtung 5a dividiert und solchermaßen am Ausgang des Dividierers 15 die erste Verschiebung x₁ des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt.
Parallel hierzu wird mittels eines Subtrahierers 25 und eines Dividierers 16 aus dem zweiten Abstandssignal u_B eine zweite Verschiebung x₂ des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt. Hierzu wird vom zweiten Abstandssignal u_B die Konstante d_B mittels des Subtrahierers 25 subtrahiert und anschließend das Ausgangssignal des Subtrahierers 25 mittels des Dividierers 16 durch die Verstärkung α_B der zweiten Messeinrichtung 5b dividiert und solchermaßen am Ausgang des Dividierers 16 die zweite Verschiebung x₂ des Rotors 1 aus der geometrischen Mitte M des Magnetlagers 3 heraus ermittelt.
Im Idealfall, d. h. wenn die Signale der beiden Messeinrichtungen durch Subraktion und Division optimal korrigiert wurden, gilt: x = x₁ = x₂
Anschließend wird der Mittelwert aus der ersten Verschiebung x₁ und der zweiten Verschiebung x₂ ermittelt, indem die erste und die zweite Verschiebung mittels eines Addierers 17 addiert werden und anschließend das Ausgangssignal des Addierers 17 mittels eines Dividierers 18 durch einen Faktor von 2 dividiert wird.
Falls das erste und das zweite Abstandssignal u_a und u_B ordnungsgemäß sind, d. h. z. B. kein Kabelbruch vorliegt und keine Störung der ersten oder der zweiten Messeinrichtung vorliegt, ergibt sich am Ausgang des Dividierers 18 die gesuchte Verschiebung x des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers heraus. Falls jedoch das erste Abstandssignal u_A oder das zweite Abstandssignal u_B fehlerhaft ist, z. B. infolge eines Kabelbruchs oder einer fehlerhaften ersten oder zweiten Messeinrichtung, stimmt das Signal am Ausgang des Dividierers 18 nicht mehr mit der tatsächlichen Verschiebung x des Rotors 1 überein.
Erfindungsgemäß wird deshalb das Ausgangssignal des Dividierers 18 einer Auswahleinheit 23 als Eingangsgröße zugeführt. Die Auswahleinheit 23 wird dabei von einer Grenzwertüberwachungseinheit 14 angesteuert, was durch einen Pfeil 19 in 3 dargestellt ist. Der Grenzwertüberwachungseinheit 14 werden als Eingangsgrößen das erste Abstandssignal u_A und das zweite Abstandssignal u_B zugeführt. Die Grenzwertüberwachungseinheit 14 ermittelt anhand einer Grenzwertüberwachung, ob das erste oder das zweite Abstandssignal ordnungsgemäß oder fehlerhaft ist. Im Falle eines Drahtbruchs des Kabels, das die erste Messeinrichtung 5a mit der Regeleinrichtung 6 verbindet, äußert sich der Fehler darin, dass das erste Abstandssignal u_A am Eingang der Regeleinrichtung 6 und insbesondere am Eingang der Messsignalaufbereitungseinheit 7 z. B. einen Wert von Null annimmt, so dass ein innerhalb der Grenzwertüberwachungseinheit 14 voreingestellter Grenzwert unterschritten wird und die Grenzwertüberwachungseinheit 14 somit erkennt, dass das erste Abstandssignal u_A fehlerhaft ist. Der Grenzwert wird dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels z. B. vorzugshalber so gewählt, dass dieser kleiner ist als der Spannungsoffset u₀.
Am Ausgang des Dividierers 18 ergibt sich in diesem Fall somit eine fehlerhaft ermittelte Verschiebung x. Die zweite Verschiebung x₂, welches aus dem noch ordnungsgemäß vorhandenen zweiten Abstandssignal u_B ermittelt wird, ist aber noch immer ordnungsgemäß.
Falls das erste und das zweite Abstandssignal u_A und u_B von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 als ordnungsgemäß erkannt werden, wird der am Ausgang des Dividierers 18 berechnete Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers verwendet, wobei falls das erste Abstandssignal u_A als fehlerhaft erkannt wird, die zweite Verschiebung x₂ zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird, wobei falls das zweite Abstandssignal u_B als fehlerhaft erkannt wird, die erste Verschiebung x₁ zur Regelung des Magnetlagers als Regelistgröße verwendet wird. Die Regelistgröße liegt dabei in Form der solchermaßen ermittelten Verschiebung x_ist vor, die gemäß 1 als Regelistgröße innerhalb der Regeleinrichtung 6 zur Regelung des Magnetlagers 3 verwendet wird.
Wenn z. B., wie oben beschrieben, von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 das erste Abstandssignal u_A als fehlerhaft erkannt wird, wird ein entsprechendes Signal an die Auswahleinheit 23 geschickt, die dann den Schalter 22 von der Stellung I nach unten auf die Stellung III umschaltet, was durch einen Pfeil 21 angedeutet ist. Die ermittelte Verschiebung x_ist, die als Regelistgröße verwendet wird, nimmt dann den Wert der ermittelten zweiten Verschiebung x₂ an. Entsprechend wird der Schalter 22 auf die Position II geschalten, wenn das zweite Abstandssignal u_B von der Grenzwertüberwachungseinheit 14 als fehlerhaft erkannt wird, so dass infolge die erste Verschiebung x₁ als Regelistgröße verwendet wird. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Schalter 22 im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Softwareschalter realisiert ist, der eine Signalumschaltung der entsprechenden Signale innerhalb der Software der Regeleinrichtung 6 durchführt.
Wenn die Verschiebung x_ist nur anhand eines der beiden Abstandssignale ermittelt wird, ist die ermittelte Verschiebung x_ist ungenauer, als wenn die Verschiebung x_ist aus beiden Abstandssignalen u_A und u_B ermittelt wird, z. B. dann, wenn eine Fliehkraftaufweitung des Rotorradius auf Grund der Rotordrehung stattgefunden hat. Eine Fliehkraftaufweitung des Rotorradius um den Wert Δr_F äußert sich dadurch, dass sich die Abstände des in Magnetlagermitte befindlichen Rotors von der Messeinrichtung von ihren Werten x_A0 und x_B0 bei Stillstand auf die Werte x_A0 + Δr_F und x_B0 + Δr_F bei Drehung ändern. Für die Verschiebungen x₁ und x₂ nach Subraktion und Division ergibt sich dann x₁ = x + Δr_F und x₂ = x – Δr_F. Ist kein Signal fehlerhaft, ergibt sich nach Mittelwertbildung x_ist = x, d. h. der Einfluss der Fliehkraftaufweitung wird kompensiert. Ist hingegen ein Sensor fehlerhaft, so ergibt sich x_ist = x + Δr_F bzw. x_ist = x – Δr_F, d. h. der Rotor wird um einen kleinen Wert verspringen. Die Genauigkeit reicht aber aus, um zumindest für einen kurzen Zeitraum den Weiterbetrieb des Magnetlagers zu ermöglichen, bis z. B. der Rotor 1, infolge einer bei einem erkannten Fehler eines Abstandssignals eingeleiteten Abschaltung der Maschine, ausgelaufen oder bis zum Stillstand abgebremst wurde. In vielen Fällen kann jedoch auch, insbesondere wenn eine kleinere dauerhafte Verschiebung des Rotors aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers toleriert werden kann, ein längerer Weiterbetrieb des Magnetlagers und damit ein längerer Weiterbetrieb der Maschine erfolgen.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Grenzwertüberwachungseinheit 14 aber auch gegebenenfalls mehrere Grenzwerte auf Über- oder Unterschreitung überwachen kann, so dass die verschiedensten Fehlerfälle von der Grenzwertüberwachungseinheit erkannt werden können und die Auswahleinheit 23 entsprechend angesteuert wird. Als Alternative zur Ansteuerung durch eine Grenzwertüberwachungseinheit kann die Auswahleinheit auch durch ein Bereitschaftssignal der Messeinrichtung angesteuert werden, das anzeigt, ob der Messwert gültig ist.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Magnetlagers (3), wobei mittels des Magnetlagers (3) ein Rotor (1) einer Maschine (10) in Schwebe gehalten wird, wobei von einer ersten Messeinrichtung (5a), ein den Abstand (x_A) von der ersten Messeinrichtung (5a) zur der der ersten Messeinrichtung (5a) zugewandten Oberfläche des Rotors (1) abbildendes erstes Abstandssignal (u_A) erzeugt wird, wobei von einer zweiten Messeinrichtung (5b), ein den Abstand (x_B) von der zweiten Messeinrichtung (5b) zur der der zweiten Messeinrichtung (5b) zugewandten Oberfläche des Rotors (1) abbildendes zweites Abstandssignal (u_B) erzeugt wird, wobei die erste Messeinrichtung (5a) und die zweite Messeinrichtung (5b) im Bezug auf den Rotor (1) zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei aus dem ersten Abstandssignal (u_A) eine erste Verschiebung (x₁) des Rotors (1) aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers (3) heraus ermittelt wird, wobei aus dem zweiten Abstandssignal (u_B) eine zweite Verschiebung (x₂) des Rotors (1) aus der geometrischen Mitte (M) des Magnetlagers (3) heraus ermittelt wird, wobei der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung (x₁, x₂) ermittelt wird, wobei von einer Grenzwertüberwachungseinheit (14) anhand einer Grenzwertüberwachung ermittelt wird, ob das erste und/oder das zweite Abstandssignal (u_a, u_b) ordnungsgemäß oder fehlerhaft ist, wobei falls das erste und das zweite Abstandssignal (u_A, u_B) als ordnungsgemäß erkannt werden, der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung (x₂, x₂) als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers (3) verwendet wird, wobei falls das erste Abstandssignal (u_A) als fehlerhaft erkannt wird, die zweite Verschiebung (x₂) zur Regelung des Magnetlagers (3) als Regelistgröße verwendet wird, wobei falls das zweite Abstandssignal (u_B) als fehlerhaft erkannt wird, die erste Verschiebung (x₁) zur Regelung des Magnetlagers (3) als Regelistgröße verwendet wird.
Regelungssystem zur Regelung eines Magnetlagers (3), wobei mittels des Magnetlagers (3) ein Rotor (1) einer Maschine (10) in Schwebe haltbar ist, wobei das Regelungssystem eine erste und eine zweite Messeinrichtung (5a, 5b) aufweist, wobei von der ersten Messeinrichtung (5a), ein den Abstand (x_A) von der ersten Messeinrichtung (5a) zur der der ersten Messeinrichtung (5a) zugewandten Oberfläche des Rotors (1) abbildendes erstes Abstandssignal (u_A) erzeugbar ist, wobei von der zweiten Messeinrichtung, ein den Abstand (x_B) von der zweiten Messeinrichtung (5b) zur der der zweiten Messeinrichtung (5b) zugewandten Oberfläche des Rotors (1) abbildendes zweites Abstandssignal (u_B) erzeugbar ist, wobei die erste Messeinrichtung (5a) und die zweite Messeinrichtung (5b) im Bezug auf den Rotor (1) zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei von dem Regelungssystem aus dem ersten Abstandssignal (u_A) eine erste Verschiebung (x₁) des Rotors (1) aus der geometrischen Mitte (M) des Magnetlagers (3) heraus ermittelbar ist, wobei aus dem zweiten Abstandssignal (u_B) eine zweite Verschiebung (x₂) des Rotors (1) aus der geometrischen Mitte des Magnetlagers (3) heraus ermittelbar ist, wobei von dem Regelungssystem der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung (x₁, x₂) ermittelbar ist, wobei das Regelungssystem eine Grenzwertüberwachungseinheit (14) aufweist, die anhand einer Grenzwertüberwachung ermittelt, ob das erste und/oder das zweite Abstandssignal (u_a, u_b) ordnungsgemäß oder fehlerhaft ist, wobei das Regelungssystem derart ausgebildet ist, dass falls das erste und das zweite Abstandssignal (u_A, u_B) als ordnungsgemäß erkannt werden, der Mittelwert aus der ersten und der zweiten Verschiebung (x₁, x₂) als Regelistgröße zur Regelung des Magnetlagers (3) verwendet wird, wobei falls das erste Abstandssignal (u_A) als fehlerhaft erkannt wird, die zweite Verschiebung (x₂) zur Regelung des Magnetlagers (3) als Regelistgröße verwendet wird, wobei falls das zweite Abstandssignals (u_B) als fehlerhaft erkannt wird, die erste Verschiebung (x₁) zur Regelung des Magnetlagers (3) als Regelistgröße verwendet wird.