DE10359259A1 - Torsional oscillation damping method for rotary drive train, using damping torque at given damping frequency provided by electrical machine within drive train - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung einer Torsionsschwingung in einem Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Dämpfungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 23.The The invention relates to a method for damping a torsional vibration in a drive train according to the preamble of claim 1 and a corresponding damping device according to the preamble of claim 23.
In Antriebssträngen, die der Drehmomentübertragung dienen und die einen elektrischen Motor oder Generator enthalten, können insbesondere bei einer großen Masse der bewegten Teile, respektive großen Massenträgheitsmomenten der Welle und der an der Welle befestigten Teile in Verbindung mit geringen Dämpfungen, wie sie insbesondere für den Werkstoff Stahl typisch sind, Torsionsschwingungen auftreten. Aufgrund der geringen Dämpfung bedarf es zur Anregung einer Resonanztorsionsschwingung (Torsionsschwingung bei einer Resonanzfrequenz) nur relativ kleiner Leistungen. Die Anregung kann dabei insbesondere mechanisch und/oder elektrisch erfolgen. Auf der mechanischen Seite können die Anregungen beispielsweise durch plötzliche mechanische Lastwechsel mit einem breiten Anregungs-Frequenzspektrum verursacht werden. Auf der elektrischen Seite kann beispielsweise bei einem Generator das Hinzu- oder Abschalten von Lasten eine Anregung darstellen, oder es kommt durch elektromagnetische Ausgleichsvorgänge im Netz zu Anregungen mit der Resonanzfrequenz.In Powertrains, the torque transmission serve and which contain an electric motor or generator, can especially with a large one Mass of moving parts, respectively large moment of inertia the shaft and the shaft-mounted parts in conjunction with low attenuation, as they especially for the material steel are typical, torsional vibrations occur. Due to the low attenuation it requires excitation of a resonance torsional vibration (torsional vibration at a resonant frequency) only relatively small powers. The Excitation may be mechanical and / or electrical in particular respectively. On the mechanical side, the suggestions can be, for example by sudden mechanical load changes with a wide excitation frequency spectrum caused. For example, on the electrical side for a generator, the addition or disconnection of loads is a stimulus, or it comes through electromagnetic balancing processes in the network to suggestions with the resonance frequency.
Die Resonanztorsionsschwingungen können erhebliche Schäden am Antriebsstrang oder an Teilen von diesem, z.B. Kupplungen, verursachen. Versagt der Antriebsstrang, d.h. kommt es auf grund der Torsionsbelastung zum Bruch, kann es aufgrund der hohen mechanischen Energie der rotierenden Teile des Antriebsstrangs zur Zerstörung der an dem Antriebsstrang angeschlossenen Teile kommen. Selbst wenn die Schäden rechtzeitig bemerkt werden, sind die Reparaturen aufwändig und insbesondere wegen der Stilllegung während des Wartungszeitraumes sehr teuer. Da das einfache Abschalten der Maschinen bei Auftreten der genannten Torsionsschwingungen zwar möglich, aber wirtschaftlich nachteilig ist, wurden verschiedene Systeme entwickelt, um solche Schwingungen zu verhindern.The Resonance torsional vibrations can be significant damage on the drive train or on parts thereof, e.g. Couplings, cause. If the drive train fails, i. it comes down to the torsional load To break, it may be due to the high mechanical energy of the rotating Parts of the powertrain to destroy the on the drive train connected parts come. Even if the damage is timely be noticed, the repairs are complex and in particular because of Decommissioning during the maintenance period very expensive. Because the simple shutdown of the Although machines in the occurrence of the aforementioned torsional vibrations possible, but economically disadvantageous have been different systems designed to prevent such vibrations.
Beispielsweise
wird im US-Patent
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass sie nur die Schwingungsanregung durch die elektrische Last unterdrückt, nicht jedoch die Schwingung direkt dämpft, also auch keiner Anregung, die auf der mechanischen Seite entsteht, entgegenwirken kann.adversely At this device is that they only vibrate suppressed by the electrical load, but not the vibration directly muffled, so also no stimulation, which arises on the mechanical side, can counteract.
Zur unmittelbaren Dämpfung von Torsionsschwingungen im Antriebstrang eines Generators schlagen C.-J. Wu et al. in „IE-EE Trans. Energy Conv." Bd.8, 5.63 ff., 1993 ein System mit einem Energiezwischenspeicher vor, von dem Wirkleistung in den Generator übertragen und dadurch Schwingungen des Antriebsstranges entgegengewirkt werden kann. Zur Energiezwischenspeicherung wird eine in einem Gleichstromkreis angeordnete supraleitende Spule benutzt, wobei der Gleichstromkreis über eine Thyristorschaltung und einen Transformator an das elektrische Netz des Generators angeschlossen ist. Das Netz besteht aus einer Vielzahl verschiedener Verbraucher, die unabhängig voneinander kurzfristig Lasten zuschalten oder abschalten. Der ursprüngliche Zweck der von C.-J. Wu et al. beschriebenen Anordnung ist dabei nicht die Schwingungsdämpfung, sondern die Bereitstellung eines Energiezwischenspeichers zum Ausgleich kurzfristiger Lastunterschiede im Netz. Indem der Steuerung der Anordnung ein Regler überlagert wird, der Geschwindigkeitsänderungen an der Achse des Generators registriert und diesen mit Hilfe der Anordnung entgegenwirkt, können Torsionsschwingungen im Antriebsstrang, die sich als Geschwindigkeitsänderung an der Achse des Generators bemerkbar machen, gedämpft werden.to immediate damping of torsional vibrations in the drive train of a generator C.-J. Wu et al. in "IE-EE Trans. Energy Conv." Vol.8, 5.63 ff., In 1993, a system with a power cache before, from the real power transferred to the generator and thereby vibrations of the drive train can be counteracted. For energy caching is one in a DC circuit arranged superconducting coil, wherein the DC circuit via a thyristor circuit and a transformer connected to the electrical network of the generator is. The network consists of a large number of different consumers, the independent Switch loads on or off at short notice. The original one Purpose of the C.-J. Wu et al. described arrangement is here not the vibration damping, but the provision of an energy buffer to compensate short-term load differences in the network. By controlling the Arrangement a controller superimposed will, the speed changes registered on the axis of the generator and this with the help of Counteracts arrangement can Torsional vibrations in the drive train, posing as a speed change be felt on the axis of the generator, be damped.
Mit diesem Verfahren könnte zwar theoretisch eine direkte Dämpfung der Torsionsschwingung realisiert werden. Insbesondere wegen der folgenden Nachteile ist das Verfahren von C.-J. Wu et al. jedoch für praktische Anwendungen ungeeignet. So werden bei diesem Verfahren alle Geschwindigkeitsänderungen erfasst und bedämpft, unabhängig davon, ob sie zu einer Torsionsschwingung in Resonanz gehören oder nicht. So kann es zu Störungen beim Generatorbetrieb kommen.With this method could theoretically a direct damping the torsional vibration can be realized. Especially because of The following disadvantages are the method of C.-J. Wu et al. however, for practical Applications inappropriate. So with this procedure all speed changes recorded and damped, independently of whether they belong to a torsional vibration in resonance or Not. So it can cause disturbances come in generator mode.
Außerdem ist der Einsatz in einem Netz problematisch, an dem mehrere Generatoren angeschlossen sind, deren Antriebsstränge gegebenenfalls unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, da die Dämpfung einer Schwingung eines Antriebsstrangs zur Anregung einer Schwingung in einem anderen Antriebsstrang führen kann.Besides that is the use in a network is problematic, involving multiple generators are connected, the drive trains possibly different Have resonant frequencies, since the attenuation of a vibration of a Powertrain to excite a vibration in another powertrain to lead can.
Zur Bereitstellung der Energie für die breitbandige Dämpfung des Antriebsstranges ist ferner die supraleitende Spule mit großer Induktivität erforderlich, mit deren Betrieb weitere Nachteile verbunden sind.to Providing the energy for the broadband attenuation the drive train is also required the superconducting coil with high inductance, with their operation further disadvantages are connected.
Problematisch bei dem Einsatz einer großen supraleitenden Spule zur Dämpfung von Schwingungen ist unter anderem, dass es bei einer Abgabe von Wirkleistung im Bereich zwischen 10 Hz und 40 Hz in der supraleitenden Wicklung zu Wechselfeldverlusten kommen kann, die zu einem Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) führen können. Dies könnte zwar mit großem technischen Aufwand vermieden werden, im Ergebnis wäre die Anlage aber unwirtschaftlich. Außerdem ist es bei dem von C.-J. Wu et al. beschriebenen Verfahren mit einer großen Spule zwingend erforderlich, die Spule unabhängig vom Auftreten einer Schwingung, dauernd stromdurchflossen vorzuhalten, wodurch Verluste entstehen, insbesondere auch im Bereich der Kühlanlage.Problematic in the use of a large superconducting coil for damping Schwingun Among other things, it can happen that with an output of active power in the range between 10 Hz and 40 Hz in the superconducting winding to alternating field losses, which can lead to a collapse of superconductivity (quench). Although this could be avoided with great technical effort, as a result, the system would be uneconomical. Moreover, it is in the case of C.-J. Wu et al. described method with a large coil mandatory, the coil regardless of the occurrence of a vibration to keep current flowing through, resulting in losses, especially in the field of cooling system.
Des weiteren ist die Messung der Geschwindigkeitsunterschiede der Generatorachse als Regelgröße störanfällig, da die Geschwindigkeitsabweichungen relativ zur Rotationsgeschwindigkeit der Achse sehr klein sind. Dies zum einen deshalb, da die Achsen mit Rotationsgeschwindigkeiten von teilweise über 1000 Umdrehungen pro Minute rotieren, und außerdem die Winkelgeschwindigkeiten aufgrund der Torsionsschwingung bei Achsen mit einem großen Durchmesser, beispielsweise mehr als 20 cm, sehr klein sind. So können bei Antriebssträngen großer Generatoren Schwingungen bei etwa 30 Hz mit einer Amplitude der gesamten Winkelverdrehung von einem Zehntel Grad bereits zu kritischen Beanspruchungen führen. Angesichts der hohen Winkelgeschwindigkeit der Welle auf Grund der betriebsbedingten Rotation ist die Messung solcher Winkelverdrehungen über eine Geschwindigkeitsmessung der Welle fehlerbehaftet und unzuverlässig.Of Another is the measurement of the speed differences of the generator axis as a controlled variable susceptible to interference, since the speed deviations relative to the rotational speed the axis are very small. This is partly because the axles with rotational speeds of more than 1000 revolutions per minute rotate, and also the angular velocities due to the torsional vibration at Axes with a big one Diameter, for example more than 20 cm, are very small. So can in drive trains of large generators Oscillations at about 30 Hz with an amplitude of the total angular rotation of a tenth of a degree already lead to critical stress. in view of the high angular speed of the shaft due to the operational Rotation is the measurement of such angular rotations over one Velocity measurement of the shaft erroneous and unreliable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in rotierenden Antriebssträngen anzugeben, wobei die Dämpfung mit möglichst geringem Aufwand erfolgen soll und Resonanzschwingungen im Antriebsstrang unterdrücken soll. Außerdem soll die Dämpfung von mehreren Antriebssträngen verschiedener elektrischer Maschinen, die an ein Netz angeschlossen sind, mit gegebenenfalls unterschiedlichen Torsionsresonanzfrequenzen mit möglichst geringem Aufwand erfolgen.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus for damping of Specify torsional vibrations in rotating drive trains, with the damping as possible low effort and resonant vibrations in the drive train suppress should. Furthermore should the damping of several drive trains various electrical machines connected to a network are, optionally with different torsional resonance frequencies with as possible little effort.
Diese Aufgaben werden hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 23 gelöst.These Tasks are governed by the characteristics of the process Claim 1 and with respect the device solved by the features of claim 23.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ausschließlich Torsionsschwingungen gedämpft werden, die im Betrieb einer Anlage, die einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine aufweist, problematisch sind. Problematisch sind dabei beispielsweise solche Torsionsschwingungen mit einer bestimmten Frequenz, die zu einem Schaden an Teilen der Anlage führen können. Dies hat den Vorteil, dass die eingesetzte Dämpfungsleistung minimiert werden kann.Of the Invention is based on the idea that only torsional vibrations muted be involved in the operation of a plant that has a powertrain an electric machine, are problematic. Problematic are, for example, such torsional vibrations with a certain frequency, which can lead to damage to parts of the plant. This has the advantage that the damping power used can be minimized.
Die
Dämpfung
erfolgt erfindungsgemäß entsprechend
einer klassischen mechanischen Dämpfung.
Die Dämpfung
wird in Gegenphase zur Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung
aufgebracht. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Energie
zielgerichtet für
die Dämpfung
der Torsionsschwingung verwendet wird. Die Torsionsschwingung eines
Antriebsstranges lässt
sich vereinfacht in Form der Differentialgleichung eines einfachen
Torsionsschwingers darstellen:
Dabei ist I das Massenträgheitsmoment des Schwingers, cm die Konstante der Torsionsdämpfung und kΦ die Konstante der Torsionsfeder. Φ ist die zeitabhängige Weggröße der Torsions schwingung. Die erste Ableitung der Weggröße nach der Zeit ist die Winkelgeschwindigkeit Φ* und die zweite Ableitung der Weggröße nach der Zeit ist die Winkelbeschleunigung Φ**. Ein Dämpfungsdrehmoment ist dann effektiv, wenn es das maximale Drehmoment beim Durchgang der Nulllage der Weggröße aufbringt, also in Gegenphase zur Winkelgeschwindigkeit.Where I is the mass moment of inertia of the vibrator, cm the constant of the torsional damping and k Φ the constant of the torsion spring. Φ is the time-dependent path of the torsional vibration. The first derivative of the path magnitude by time is the angular velocity Φ * and the second derivative of the path magnitude by time is the angular acceleration Φ **. A damping torque is effective when it applies the maximum torque in the passage of the zero position of the path size, so in opposite phase to the angular velocity.
Gedämpft wird vorzugsweise ein Antriebsstrang, der mindestens eine Maschine zur elektrisch-mechanischen Energiewandlung aufweist, wobei dies z.B. ein Generator und/oder ein Motor sein kann. Die Maschine kann eine Synchron- oder Asynchron-Maschine sein. Der Antriebsstrang kann 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 sein. Der Zwischenspeicher für elektrische Energie kann auch eine elektrische Maschine für den Antrieb und Abtrieb des Schwungrads aufweisen. Die elektrische Maschine kann beispielsweise auch ein Motor einer Walzanlage sein. Während des bestimmungsgemäßen Betriebes rotiert der Antriebsstrang der hier beschriebenen Anlagen üblicherweise kontinuierlich. Dabei kann er kontinuierlich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit oder mit einer richtungstreuen veränderlichen Winkelgeschwindigkeit in einem Bereich zwischen zwei Winkelgeschwindigkeiten unter Einschluss von Ein- und Ausschaltvorgängen rotieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei Anlagen eingesetzt werden, bei denen es insbesondere darum geht, Schwingungen, die während des Ein- und/oder Ausschaltvorganges auftreten, zu dämpfen.Is damped Preferably, a drive train, the at least one machine for having electrical-mechanical energy conversion, e.g. may be a generator and / or a motor. The machine can be one Synchronous or asynchronous machine be. The drive train, for example, a steam turbine with connected generator, a wind turbine with generator, a hydroelectric turbine with generator or a buffer for electrical energy with a Flywheel, a motor that drives the flywheel, and a Be generator. The cache for electrical energy can also an electric machine for have the drive and output of the flywheel. The electric Machine can for example also be a motor of a rolling mill. While the intended use The drive train of the systems described here usually rotates continuously. He can continuously with constant angular velocity or with a directional variable angular velocity in a range between two angular velocities, including of switching on and off rotate. The inventive method can also be used in installations where it is particularly that's all about vibrations that happen during of inputs and / or Switching occur, damp.
Die elektrische Maschine ist an einen elektrischen Mehrpol angeschlossen, der die Maschine antreiben und/oder von der Maschine Leistung entnehmen kann. Der Mehrpol kann ein Dreh- stromnetz oder ein einfaches Wechsel- oder Gleichstromnetz darstellen. Der Mehrpol kann ein öffentliches Versorgungsnetz oder ein fabrikinternes Versorgungsnetz sein. Wird mit der elektrischen Maschine ein starres Netz (z.B. öffentliches Versorgungsnetz) versorgt, so lässt sich die Wirkung der erfindungsgemäßen Dämpfung erhöhen, wenn das Versorgungsnetz von der elektrischen Maschine mit der Dämpfungsvorrichtung durch eine Induktivität (z.B. Drossel oder Transformator) vom starren Netz entkoppelt wird. Durch dieses Maßnahme wird vorteilhafterweise die Eingangsinduktivität des Versorgungsnetzes für die von der Dämpfungsvorrichtung bereitgestellte Wirkleistung erhöht. Entsprechendes gilt für eine elektrische Maschine, die aus einem starren Netz versorgt wird.The electric machine is connected to an electrical connected multipole, which can drive the machine and / or remove power from the machine. The multipole can be a three-phase network or a simple AC or DC network. The multipole may be a public utility network or an in-house utility grid. If a rigid network (eg public supply network) is supplied by the electric machine, the effect of the damping according to the invention can be increased if the supply network is decoupled from the electrical machine with the damping device by an inductance (eg choke or transformer) from the rigid network. By this measure, the input inductance of the supply network for the active power provided by the damping device is advantageously increased. The same applies to an electrical machine that is supplied from a rigid network.
Vorzugsweise wird eine Abstimmung der Dämpfungsvorrichtung auf eine Resonanzfrequenz einer Torsionsschwingung vorgenommen, wodurch sich einerseits die Genauigkeitsanforderungen an die Messeinrichtung und andererseits die eingesetzte Leistung zur Dämpfung minimieren lassen. Die Dämpfung mit der Resonanzfrequenz besitzt ferner den folgenden Vorteil. Generatoranlagen mit den dazugehörigen Turbinen und bewegten Massen oder andere Anlagen mit elektrischen Maschinen vergleichbarer Größenordnung werden üblicherweise über Jahre hinweg nicht in ihrer Anordnung geändert. Deshalb ändern sich auch die Resonanzfrequenzen der Torsionsschwingungen des Antriebsstranges im wesentlichen nicht. Die Vorrichtung kann auf die tiefste Resonanzfrequenz des Antriebsstranges oder eine höhere Torsionsresonanzfrequenz abgestimmt sein. Die Abstimmung kann auch auf eine abweichende Frequenz, die z.B. bis zu 3% über- oder unterhalb einer Resonanzfrequenz liegt, erfolgen. Die Frequenzabstimmung kann bauartbedingt festgelegt und nicht regelbar sein. Es ist ausreichend, wenn die Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Amplitude und die Phasenlage der Dämpfung regelt. Dadurch, dass die Vorrichtung auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt wird, kann sich auch ein Kostenvorteil ergeben.Preferably becomes a vote of the damping device made to a resonant frequency of a torsional vibration, on the one hand the accuracy requirements for the measuring device and on the other hand, minimize the power used for damping. The damping with The resonance frequency also has the following advantage. generator sets with the corresponding ones Turbines and moving masses or other installations with electric Machines of comparable size usually over years not changed in their order. That's why change also the resonance frequencies of the torsional vibrations of the drive train essentially not. The device can be at the lowest resonance frequency of the drive train or a higher Torsionsresonanzfrequenz be tuned. The vote can also to a different frequency, e.g. up to 3% above or below one Resonance frequency is done. The frequency tuning can be due to design fixed and not controllable. It is sufficient if the scheme the device according to the invention controls the amplitude and the phase position of the damping. As a result of that the device is tuned to a resonant frequency can also result in a cost advantage.
Vorteilhafterweise wird die Erfindung zur Torsionsdämpfung bei Antriebssträngen eingesetzt, deren Resonanztorsionsschwingung einen Gütefaktor von 500 oder mehr aufweist. Der Gütefaktor ist bei geringen Dämpfungen in guter Näherung indirekt proportional zum logarithmischen Dekrement einer Schwingung und beschreibt das Abklingverhalten. Das Verfahren kann auch vorteilhafterweise bei einem Gütefaktor von mehr als 300 oder 150 eingesetzt werden. Torsionsschwingungen, die einen solch hohen Gütefaktor aufweisen, treten typischerweise in großen, massereichen Anlagen auf.advantageously, The invention is torsional damping in drive trains whose resonant torsional vibration has a quality factor of 500 or more. The quality factor is at low attenuation in a good approximation indirectly proportional to the logarithmic decrement of a vibration and describes the decay behavior. The method may also be advantageous at a quality factor of more than 300 or 150 are used. torsional vibrations, the one such high quality factor typically occur in large, massive plants.
Alternativ kann die Erfindung auch vorteilhaft bei Antriebssträngen eingesetzt werden, deren Resonanztorsionsschwingung einen Gütefaktor von unter 150 aufweist, beispielsweise in Produktionsanlagen. Werden Torsionsschwingungen in Produktionsanlagen erfindungsgemäß gedämpft, so bietet dies den Vorteil, dass die Fertigungsgenauigkeit erhöht wird.alternative The invention can also be used advantageously in drive trains whose resonant torsional vibration has a figure of merit of less than 150, for example in production plants. Become torsional vibrations Steamed in production facilities according to the invention, this offers the advantage that the manufacturing accuracy is increased.
Der Gütefaktor mit dem erfindungsgemäß aufgeprägten Dämpfungsdrehmoment liegt vorzugsweise unter 200. Der Gütefaktor mit aufgeprägtem Dämpfungsdrehmoment kann aber auch vorteilhafterweise darunter liegen, beispielsweise unter 150 oder unter 100. Auch ein Gütefaktor unter 70 ist möglich, je nach Wirkung der Dämpfung. Ein niedriger Gütefaktor hat den Vorteil, dass die Schwingung schnell abklingt.Of the quality factor with the inventively imposed damping torque is preferably less than 200. The quality factor with impressed damping torque but can also be advantageously below, for example below 150 or under 100. Also, a quality factor below 70 is possible, depending after the effect of damping. A low quality factor has the advantage that the vibration fades away quickly.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Amplitude oder die Leistung des Dämpfungsdrehmoments in Abhängigkeit von einer Regelgröße geregelt. Als Eingangsgröße verwendet der Regler eine Regelgröße, welche die mechanische Belastung durch Torsion (Torsionsbeanspruchung) an mindestens einer Stelle des Antriebsstranges repräsentiert. Vorzugsweise wird die Torsionsbeanspruchung des Antriebsstrangs an mindestens einer Stelle gemessen, an der die mechanische Belastung maximal ist. Dadurch können Torsionsschwingungen besonders genau und fehlerfrei detektiert werden. Insbesondere bei Antriebssträngen mit großen Durchmessern kann die Torsionsbeanspruchung durch eine Resonanzschwingung auch bei relativ kleinen Torsionswinkeln sehr hoch sein. Die Messung der mechanischen Beanspruchung an einer geeigneten Stelle bietet daher gegenüber einer bloßen Winkelgeschwindigkeitsmessung an der Welle der elektrischen Maschine Vorteile, obwohl auch bei geeigneter Signalaufbereitung eine Messung der Winkelgeschwindigkeit an der Maschine vorgesehen sein kann. Die Torsionsbeanspruchung als Regelgröße für die Stärke der Dämpfung zu verwenden, hat den Vorteil, dass die aufgebrachten Drehmomente zur Dämpfung der Torsionsschwingung gezielt eingesetzt werden und bei geeigneter Einstellung des Reglers nicht zu einer Überkompensation, d.h. zu einer Schwingungsanregung führen.In a preferred embodiment The invention relates to the amplitude or power of the damping torque dependent on regulated by a controlled variable. As input used the Controller a controlled variable, which the mechanical load due to torsion (torsional stress) represented at least at one point of the drive train. Preferably, the torsional stress of the drive train Measured at least one point at which the mechanical load is maximum. Thereby can Torsional vibrations are detected particularly accurately and without errors. Especially with drive trains with big Diameters can be the torsional stress by a resonance vibration be very high even at relatively small torsion angles. The measurement provides mechanical stress at a suitable location therefore opposite a mere angular velocity measurement on the shaft of the electric machine advantages, although also at suitable signal conditioning a measurement of the angular velocity can be provided on the machine. The torsional stress as a controlled variable for the strength of damping to use, has the advantage that the applied torques to damping the torsional vibration can be used selectively and suitable Adjustment of the controller does not lead to overcompensation, i. to a vibration excitation to lead.
Die Regelgröße kann aus dem Messsignal eines Sensors oder aus den Messsignalen mehrerer Sensoren ermittelt werden. Mehrere Sensoren können dabei den Vorteil haben, dass durch geeignete Signalaufbereitung der Sensoren Störgrößen ausgefiltert werden können. Ein Sensor kann den Vorteil haben, dass dieser einen geringeren Aufwand für den Auf- und Einbau der Messeinrichtung bedingt. Beim Einsatz mehrerer Sensoren werden diese vorzugsweise an verschiedenen Positionen des Antriebsstrangs angebracht. Dabei können die verschiedenen Positionen azimuthal oder axial bezüglich des Antriebsstrangs zueinander beabstandet sein. So ist z.B. eine Anordnung von zwei Torsionsdehnungsmesssensoren auf zwei gegenüberliegenden Positionen des Antriebsstranges vorteilhaft, dergestalt dass die beiden Sensoren einen Azimuthalwinkel von 180° einschließen.The controlled variable can be determined from the measuring signal of a sensor or from the measuring signals of several sensors. Several sensors can thereby have the advantage that interference variables can be filtered out by suitable signal conditioning of the sensors. A sensor may have the advantage that this requires less effort for the installation and installation of the measuring device. When using multiple sensors, these are preferably attached to different positions of the drive train. The ver various positions azimuthally or axially with respect to the drive train spaced from each other. For example, an arrangement of two torsional strain gauges on two opposite positions of the drive train is advantageous, such that the two sensors enclose an azimuthal angle of 180 °.
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 Torsionsdehnmesssensoren sind insbesondere vorteilhaft, wenn zunächst die exakte Eigenform der Resonanztorsionsschwingung und der Ort der höchsten mechanischen Beanspruchung unbekannt sind.at suitable processing of the output signals of the sensors can so Disturbances that through one over the circumference varying property of the drive shaft is conditional be filtered out. With suitable signal conditioning are also other azimuth angles possible, for example 30 ° or 90 °. Preferably can Also, several sensors are mounted axially spaced from each other. Axially spaced Torsionsdehnmesssensoren are particular advantageous when first the exact eigenform of the resonance torsional vibration and the location of the highest mechanical stress are unknown.
Wird die Messung der Torsionsbeanspruchung mit Hilfe einer oder mehrerer Winkelgeschwindigkeitsmesssensoren vorgenommen, bieten zwei axial voneinander beabstandete Winkelgeschwindigkeitsmesseinrichtungen besondere Vorteile, da auf diese Weise aus dem Differenzsignal die Torsionsbeanspruchung der zwischen den beiden Sensoren liegenden Teile des Antriebsstranges ermittelt werden kann.Becomes the measurement of torsional stress by means of one or more Angular velocity sensors made provide two axial spaced apart angular velocity measuring devices special advantages, since in this way from the difference signal the Torsion stress of lying between the two sensors Parts of the drive train can be determined.
Die Winkelgeschwindigkeit der Welle der elektrischen Maschine ist im kontinuierlichen Betrieb Veränderungen unterworfen, die auch bei minimaler Größe die Ermittlung der Torsionsbeanspruchung stark erschweren oder unmöglich machen können. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Winkelgeschwindigkeit aufgrund der Torsionsschwingung gegenüber der konstanten Winkelgeschwindigkeit der Welle sehr klein ist. So sind bei großen Generatoranlagen Winkelgeschwindigkeiten von über 1000 Umdrehungen/Minute üblich. Wegen der durch die dicken Antriebsstränge bedingten hohen Torsionsfedersteifigkeiten kommt es bei den Torsionsschwingungen nur zu kleinen Auslenkungen. In Verbindung mit der oft niedrigen Frequenz der ersten Resonanztorsionsschwingung, z.B. zwischen 10 und 40 Hz, führt dies zu geringen Winkelgeschwindigkeiten der Torsions schwingung. Diese geringen Torsionswinkelgeschwindigkeiten können messtechnisch ein großes Problem darstellen. Deshalb ist die Messung über ein Differenzsignal zweier voneinander axial beabstandeten Sensoren vorteilhaft. Bei Einsatz eines ausreichend genauen Sensors in Verbindung mit einer sehr guten Signalaufbereitung ist es jedoch auch möglich, nur einen Sensor zu verwenden.The Angular velocity of the shaft of the electric machine is in continuous operation changes subjected to the determination of the torsional stress even at minimum size complicate or impossible can do. there is taken into account, that the angular velocity due to the torsional vibration against the constant angular velocity of the shaft is very small. So are at big Generator systems angular speeds of over 1000 revolutions / minute usual. Because of the through the thick drive trains conditional high torsional spring stiffness occurs in the torsional vibrations only to small deflections. In conjunction with the often low Frequency of the first resonant torsional vibration, e.g. between 10 and 40 Hz this at low angular velocities of the torsional vibration. These low torsional angular velocities can be a major problem in terms of metrology represent. Therefore, the measurement is a differential signal of two axially spaced apart sensors advantageous. When used a sufficiently accurate sensor in conjunction with a very good Signal conditioning, however, it is also possible to only one sensor use.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung mit verschiedenen Sensortypen realisiert werden. Wird die Messung der Torsionsbeanspruchung mit Hilfe von Winkelgeschwindigkeitssensoren durchgeführt, so können alle an sich bekannten optischen Winkelgeschwindigkeitssensoren eingesetzt werden. Diese besitzen die Vorteile, dass sie berührungslos messen, in der Anwendung erprobt sind und außerdem kostengünstig sind.advantageously, The invention can be realized with different types of sensors. Is the measurement of torsional stress using angular velocity sensors performed, so can all known optical angular velocity sensors be used. These have the advantages of being contactless measure, are proven in the application and are also cost-effective.
Vorzugsweise wird die Torsionsbeanspruchung jedoch direkt gemessen. Dazu können z.B. Dehnmessstreifen verwendet werden, die auf der Welle befestigt, z.B. aufgeklebt werden. Hierbei sind aufgrund der geringen Dehnungen insbesondere bei Wellen mit großen Durchmessern lange Dehnmesssteifen mit mehreren parallel liegenden Bahnen sinnvoll. Mit Dehnmessstreifen wird direkt die mechanische Beanspruchung gemessen, was einen Vorteil gegenüber indirekten Messungen bedeuten kann.Preferably However, the torsional stress is measured directly. For this, e.g. Strain used, which are mounted on the shaft, e.g. glued on. These are due to the low strains especially in waves with big Diameters long strain gauges with several parallel lying Makes sense. With strain gauges is directly the mechanical Stress measured, which means an advantage over indirect measurements can.
Vorzugsweise wird eine berührungslose Messung der Torsionsbeanspruchung vorgenommen, beispielsweise durch einen magnetostriktiven Sensor. So sind aus der Praxis verschiedene Sensoren zur magnetostriktiven Messung der Torsionsbeanspruchung bekannt, z.B. der „Berührungslose Drehmomentsensor" des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern (Datenblatt Fraunhofer ITWM 2001). Für den Einsatz an großen Wellen sind magnetostriktive Sensoren wegen ihrer hohen Genauigkeit besonders vorteilhaft. Um Störeffek te, die beispielsweise durch mit der Welle umlaufenden Materialinhomogenitäten verursacht werden können, auszuschließen, können mehrere Sensoren in Umfangsrichtung der Welle angebracht werden.Preferably becomes a non-contact measurement the torsional stress made, for example by a magnetostrictive sensor. So are from practice different sensors known for magnetostrictive measurement of torsional stress, e.g. the "Non-Contact Torque Sensor" of the Fraunhofer Institute for techno- and Business Mathematics in Kaiserslautern (Datasheet Fraunhofer ITWM 2001). For the use of large Shafts are magnetostrictive sensors because of their high accuracy especially advantageous. To disturbing people, caused for example by circulating with the shaft material inhomogeneities can be ruled out can several Sensors are mounted in the circumferential direction of the shaft.
Das Messsignal des Sensors oder der Sensoren wird verarbeitet, um zur Regelung der Dämpfung eingesetzt zu werden. Vorzugsweise wird aus der Regelgröße, die aus dem Messsignal eines oder mehrerer Sensoren gewonnen wurde, eine Rückführgröße abgeleitet. Die Rückführgröße stellt dabei vorzugsweise die von der Resonanztorsionsschwingung verursachte Winkelgeschwindigkeit dar. Wird diese Winkelgeschwindigkeit, wie oben beschrieben, direkt aus der Differenz des Signals zweier Winkelgeschwindigkeitsmesssensoren ermittelt, so wird dieses Signal vorteilhafterweise nur noch gefiltert, um die Rückführgröße zu erhalten. Eventuell sind weitere Verfahrensschritte vorgesehen, um Störgrößen auszublenden. Wird die Torsionsbeanspruchung direkt gemessen, so können die ermittelten Weggrößen abgeleitet werden, um eine der Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung entsprechende Größe zu erhalten. Vorteilhafterweise wird dazu das gefilterte Messsignal phasenverschoben und invertiert. Beträgt die gesamte Phasenverschiebung im Regelkreis im Wesentlichen 90°, so entsteht mit der Invertierung eine Größe, die in Gegenphase zur Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung steht. Wird das Signal vor oder nach der Phasenverschiebung und Invertierung mit einem Filter bearbeitet, der darauf ausgelegt ist, dass das ausgegebene Signal hauptsächlich ein Schwingungssignal entsprechend einer Resonanztorsionsfrequenz des Antriebsstranges ist, bietet dies den Vorteil, dass die Dämpfungsvorrichtung die eingesetzte Leistung hauptsächlich oder ausschließlich zur Dämpfung der Resonanztorsionsschwingung verwendet.The measurement signal from the sensor or sensors is processed to be used to control damping. Preferably, a feedback variable is derived from the controlled variable obtained from the measurement signal of one or more sensors. In this case, the feedback variable preferably represents the angular velocity caused by the resonance torsional vibration. If this angular velocity, as described above, is determined directly from the difference between the signals of two angular velocity measuring sensors, this signal is advantageously only filtered in order to obtain the feedback variable. Eventually, further method steps are provided to hide disturbances. If the torsional stress is measured directly, the determined travel quantities can be derived in order to obtain a variable corresponding to the angular velocity of the torsional vibration. Advantageously, the filtered measuring signal is phase-shifted and inverted for this purpose. If the total phase shift in the control loop is essentially 90 °, then the inversion results in a quantity that is in antiphase to the angular velocity of the torsional vibration. Becomes the signal before or after the phase shift and inversion is processed with a filter designed so that the output signal is mainly a vibration signal corresponding to a resonance torsional frequency of the drive train, this offers the advantage that the damping device uses the power mainly or exclusively for damping the Resonant torsional vibration used.
Die Dämpfung der Torsionsschwingung geschieht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung dadurch, dass Wirkleistung in der Maschine verursacht wird. Dadurch wird die Maschine je nach Phasenlage der Torsionsschwingung und des Dämpfungsdrehmoments abgebremst oder beschleunigt. Vorteilhafterweise wird ein Energiezwischenspeicher verwendet, in dem Energie, die der elektrischen Maschine in einer Bremsphase entnommen wird, zwischengespeichert wird, um sie der Maschine in der nächsten Beschleunigungsphase wieder als Wirkleistung aufzuprägen. Die Energie kann jedoch alternativ einem anderen Energieträger entnommen werden. Ist der an die elektrische Maschine angeschlossene Mehrpol ein Wechselstromkreis, so wird vorteilhafterweise als Energiezwischenspeicher ein Gleichstromkreis mit Schwingungsanteil, welcher auch als Wechselstromanteil bezeichnet werden kann, verwendet.The damping The torsional vibration occurs in the method according to the invention with the damping device according to the invention in that active power is caused in the machine. Thereby the machine is depending on the phase position of the torsional vibration and the damping torque braked or accelerated. Advantageously, an energy buffer is used in the energy that the electric machine in one Brake phase is taken, cached to them Machine in the next acceleration phase to impose again as active power. However, the energy can alternatively be taken from another source of energy become. Is the multipole connected to the electric machine an AC circuit, it is advantageously used as an energy buffer a DC circuit with vibration component, which also as AC component can be designated.
Als Energiezwischenspeicher im Gleichstromkreis eignet sich besonders eine Spule, da diese vorteilhafterweise ein hohes Energiespeichervermögen hat. Es ist alternativ möglich, im Gleichstromkreis eine Anordnung von Kapazitäten und/oder Induktivitäten und/oder zusätzlichen ohmschen Widerständen als Energiezwischenspeicher zu verwenden.When Energy buffer in the DC circuit is particularly suitable a coil, since this advantageously has a high energy storage capacity. It is alternatively possible in the DC circuit an arrangement of capacitances and / or inductances and / or additional ohmic resistances to use as energy buffer.
Wird als Energiezwischenspeicher eine Spule verwendet, so ist diese Spule vorteilhafterweise eine Spule mit oder ohne Eisenkern, die Luft- oder wassergekühlt ist. Diese zeichnen sich gegenüber beispielsweise supraleitenden Spulen durch wesentlich geringere Anschaffungskosten und Unterhaltskosten aus. Es ist jedoch auch möglich, eine andere, als die hier genannten Spulen zu verwenden. Auch eine Kombination von Spulen ist möglich.Becomes as a temporary energy store uses a coil, so this coil advantageously a coil with or without iron core, the air or water cooled is. These are distinguished from, for example superconducting coils by significantly lower acquisition costs and maintenance costs. However, it is also possible to use a different one than that to use coils mentioned here. Also a combination of coils is possible.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtinduktivität der mindestens einen Spule weniger als 5 mH. Durch die Verwendung von Spulen mit geringer Induktivität lassen sich Kosteneinsparungen und eine kompakte Bauform der Dämpfungsvorrichtung erzielen. Bei größeren Anlagen oder tiefen Resonanzfrequenzen können auch größere Spulen, beispielsweise bis 10 mH oder auch 20 mH oder darüber (z. B. 50 mH) vorteilhaft sein. Bei bestimmten Anwendungen können auch Gesamtinduktivitäten kleiner als 3 mH oder auch 1 mH ausreichend und vorteilhaft sein. Ein weiterer, besonders wichtiger Vorteil der Verwendung von kleinen Induktivitäten besteht in der Möglichkeit, die Spule schnell aufladen zu können. Der Stromaufbau in der Spule kann innerhalb kurzer Zeit zum Beispiel innerhalb weniger Millisekunden erfolgen. Die Spule muss nicht dauernd stromdurchflossen vorgehalten werden und kann gegebenenfalls erst beim Auftreten einer Resonanztorsionsschwingung bereits während der ersten Periode geladen werden. Die Dämpfungsvorrichtung kann somit Verluste ersparen, die beim Vorhalten der stromdurchflossenen Spule auftreten würden.Preferably is the total inductance of at least one coil less than 5 mH. By the use of Leave coils with low inductance cost savings and a compact design of the damping device achieve. For larger systems or low resonance frequencies also larger coils, for example, up to 10 mH or 20 mH or above (z. B. 50 mH) may be advantageous. For certain applications can also total inductors less than 3 mH or 1 mH be sufficient and advantageous. Another, especially important advantage of using small inductors consists in the possibility of the Recharge the coil quickly. The current build-up in the coil can be done within a short time, for example within a few milliseconds. The coil does not have to be permanent be kept streamed through and can optionally only on the occurrence of a resonance torsional vibration already during the first period to be loaded. The damping device can thus Save losses when holding the current-carrying coil would occur.
Vorteilhafterweise wird der Gleichstromkreis über einen Stromrichter an den Wechselstromkreis angeschlossen. Dies ist im Falle eines Drehstromkreises mit einer Netzfrequenz über der zu dämpfenden Resonanztorsionsfrequenz vorzugsweise eine 6-Puls-Brückenschaltung. Es ist jedoch alternativ möglich, eine 12-Puls-Brückenschaltung oder andere Schaltungen zu verwenden. Liegt die Torsionsresonanzfrequenz über der Netzfrequenz des Wechselstromkreises, so können andere Stromrichter als die genannten sinnvoll sein. Im Falle einer 6-Puls-Brückenschaltung oder anderer thyristorbestückter Stromrichter kann der Gleichstromkreis über eine geeignete Zündwinkelansteuerung der Thyristoren stromgeregelt werden. Dabei erfolgt die Thyristoransteuerung nach an sich bekannten Methoden der Stromrichtertechnik.advantageously, the DC circuit is over a power converter connected to the AC circuit. This is in the case of a three-phase circuit with a mains frequency above the to be damped Resonant torsional frequency, preferably a 6-pulse bridge circuit. However, it is alternatively possible a 12-pulse bridge circuit or to use other circuits. Is the torsional resonance frequency above the Mains frequency of the AC circuit, so other converters than the mentioned ones make sense. In the case of a 6-pulse bridge circuit or other thyristor-equipped power converter can the DC circuit over a suitable Zündwinkelansteuerung the thyristors are current regulated. The thyristor control takes place here according to known methods of power converter technology.
Die Erfindung wird vorzugsweise zur Dämpfung einer Torsionsschwingung an einem Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine, die eine Synchronmaschine ist, eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass über die Drehzahl der Synchronmaschine die Netzfrequenz festgelegt ist. Damit kann bei bekannter Frequenz der Torsionsschwingung und bekannter Netzfrequenz oder bekanntem Netzfrequenzbereich der Stromrichter geeignet ausgelegt werden. Falls die Netzfrequenz in einem Bereich über der zu dämpfenden Torsionsfrequenz liegt, lassen sich beispielsweise die oben genannten 6- oder 12-Puls-Brückenschaltungen verwenden.The Invention is preferably for damping a torsional vibration on a powertrain with an electric machine that has a Synchronous machine is used. This has the advantage that over the Speed of the synchronous machine, the mains frequency is fixed. In order to can at known frequency of torsional vibration and known network frequency or known power frequency range of the power converter designed suitable become. If the grid frequency is in a range above that to be attenuated Torsion frequency is, for example, the above 6- or 12-pulse bridge circuits use.
Je nach Anwendungsfall kann die Anwendbarkeit des Verfahrens bei der Asynchronmaschine oder der Synchronmaschine einen zusätzlichen technischen Aufwand erfordern, beispielsweise bei einem drehzahlveränderlichen Antrieb. Dieser Aufwand betrifft die Anpassung des Stromrichters an die ggf. in einem größeren Bereich veränderliche Netzfrequenz.ever After application, the applicability of the method in the Asynchronous machine or the synchronous machine an additional require technical effort, for example in a variable speed Drive. This effort relates to the adaptation of the power converter to the possibly in a larger area variable Mains frequency.
Vorteilhafterweise wird der Stromrichter mit seiner wechselstromseitigen Seite galvanisch vom Wechselstromkreis getrennt. Dies hat den Vorteil, dass die Spannung auf der Seite des Stromrichters über das Übersetzungsverhältnis des Transformators eingestellt werden kann. Diese Einstellung erfolgt in Abhängigkeit von der Spannung im Wechselstromkreis, an dem 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.Advantageously, the power converter with its AC side is electrically isolated from the AC circuit. This has the advantage that the voltage can be adjusted on the side of the power converter via the transmission ratio of the transformer. This setting is dependent on the voltage in the AC circuit to which the electrical machine is coupled is. It is also an arrangement without galvanic isolation possible, with advantages may result from the waiver of the transformer.
Aus der Rückführgröße des Regelkreises wird durch geeignete Maßnahmen ein Sollwert für die Phasenanschnittsteuerung der Stromregelung des Gleichstromkreises gebildet. Vorteilhafterweise wird dazu ein Schwingungsanteil, der die Rückführgröße repräsentiert und dementsprechend eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der zu dämpfenden Resonanztorsionsfrequenz entspricht, mit einem Gleichstromanteil addiert. Wird nun mit dem so gebildeten Sollwert der Stromrichter angesteuert, so wird entsprechend dem Schwingungsanteil des Sollwerts Dämpfungsleistung in der Maschine verursacht.Out the feedback size of the control loop is through appropriate measures a setpoint for the phase control of the current control of the DC circuit educated. Advantageously, this is a vibration component, the represents the return value and accordingly has a frequency that is substantially the resonant torsional frequency to be damped equals, with a dc share added. Will now with the so set value of the converter controlled so will be accordingly the vibration component of the setpoint damping performance in the machine caused.
Die Stärke der Dämpfung kann vorteilhafterweise geregelt werden, indem die Amplitude des Schwingungsanteils des Sollwerts gesteuert wird. Je größer der Schwingungsanteil, um so mehr Energie wird in jeder Torsionsschwingungs-Phase der Maschine entzogen und wieder zugeführt. Außerdem kann die Dämpfungsleistung über die Größe des Gleichstromanteils eingestellt werden. Dadurch ist es vorteilhafterweise auch möglich, eine maximale Dämpfungsleistung vorzugeben, da die maximal speicherbare Energie in jeder Phase vom Gleichstromanteil abhängig ist. Die Steuerung des Gleichstromanteils bietet besondere Vorteile bei der erstmaligen Einrichtung und Inbetriebnahme der Dämpfungsvorrichtung an einer neuen oder an einer bereits bestehenden Anlage. Vorzugsweise wird der Gleichstromkreis stromlos geschaltet, wenn keine Torsionsschwingung auftritt. Auch nach dem Ausklingen einer Torsionsschwingung kann der Gleichstromkreis stromlos geschaltet werden, gegebenenfalls nach einer Wartezeit.The Strength the damping can be advantageously controlled by the amplitude of the vibration component the setpoint is controlled. The greater the vibration component, the more energy is generated in each torsional vibration phase of the machine withdrawn and returned. In addition, can the damping performance over the Size of DC component be set. As a result, it is advantageously possible, a maximum damping performance pretend that the maximum storable energy in each phase of DC component dependent is. The control of the DC component offers particular advantages during the initial setup and startup of the damping device at a new or existing plant. Preferably the DC circuit is de-energized when no torsional vibration occurs. Even after the end of a torsional vibration can the DC circuit are de-energized, if necessary after a wait.
Die Dämpfungsvorrichtung ist darauf ausgelegt, Wirkleistung mit der Frequenz einer Torsionsresonanzfrequenz der Antriebswelle in der elektrischen Maschine zu leisten. Dies könnte bei nicht funktionierendem Regelkreis innerhalb kurzer Zeit zu schweren Schäden an der Anlage führen. Deshalb ist für die Betriebssicherheit der Dämpfungsvorrichtung die Stromregelung im Gleichstromkreis von besonderem Vorteil, da dadurch bei kleinem Gleichstromanteil und entsprechend geringer maximaler Wirkleistung die Funktionsfähigkeit des Regelkreises und der gesamten Dämpfungsvorrichtung überprüft werden können. Im Betrieb ermöglicht die Stromregelung eine Beschränkung der Dämpfungsleistung, wodurch eine Überlastung des Stromrichters und/oder der Spule und/oder anderer Teile verhindert werden kann.The damping device is designed to provide real power at the frequency of a torsional resonance frequency to perform the drive shaft in the electric machine. This could if the control loop is not functioning, it will be too heavy within a short time damage at the plant lead. That is why for the reliability of the damping device the current control in the DC circuit of particular advantage, since thereby at a small DC component and correspondingly lower maximum efficiency the functionality of the control circuit and the entire damping device to be checked can. in the Operation possible the current regulation is a limitation the damping performance, causing an overload the power converter and / or the coil and / or other parts prevented can be.
Die Dämpfungsvorrichtung kann vorteilhafterweise bei einer sehr geringen Leistung betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass alle Komponenten im Bereich des Stromrichters und des Gleichstromkreises kostengünstig ausgelegt werden können. Vorzugsweise ist die Dämpfungsvorrichtung darauf ausgelegt, maximal 5% der von der Maschine elektrisch-mechanisch gewandelten Leistung als Dämpfungsleistung einzusetzen. Dies ist in den meisten Anwendungsfällen ausreichend, da mit der Dämpfungsvorrichtung nur die Schwingungen im Frequenzbereich der Resonanz bedämpft werden. Es ist alternativ möglich, die Anlage auf maximal 1% oder 3% der von der Maschine gewandelten Leistung auszulegen. Es kann aber auch eine Auslegung auf 10% oder 20% sinnvoll sein.The damping device can be advantageously operated at a very low power. This has the advantage that all components in the field of the power converter and the DC circuit can be designed inexpensively. Preferably is the damping device designed to be a maximum of 5% of the machine's electrical-mechanical converted power as damping performance use. This is sufficient in most applications, as with the damping device only the vibrations in the frequency range of resonance are damped. It is alternatively possible the plant to a maximum of 1% or 3% of that converted by the machine Performance interpreted. It can also be a design to 10% or 20% make sense.
Das Verfahren und die Dämpfungsvorrichtung sind besonders geeignet für Anlagen mit elektrischen Maschinen, bei denen die Masse der rotierenden Antriebswelle mit den daran befestigten mitrotierenden Teilen mehr als 20 Tonnen beträgt. Die Torsionsschwingungseigenschaften werden wesentlich durch die Massenträgheitsmomente der an der Antriebswelle montierten Teile bestimmt. Tiefe Resonanzfrequenzen bei geringer Dämpfung, für die das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet ist, treten bevorzugt bei Antriebssträngen mit großen Massenträgheitsmomenten auf. So ist der Einsatz des Verfahrens und der Vorrichtung zur Dämpfung besonders vorteilhaft, wenn das Gesamtmassenträgheitsmoment des Antriebsstranges mit den daran montierten Teilen mehr als 5000 kgm2 beträgt. Der Einsatz kann aber auch bei geringeren, z.B. über 1000 kgm2, Massenträgheitsmomenten sinnvoll sein. Insbesondere eignet sich das Verfahren für sehr große Massenträgheitsmomente von über 20 000 oder 80 000 kgm2. So ist der Einsatz besonders vorteilhaft bei Gesamtmassen der rotierenden Teile eines Antriebsstranges von über 40 oder 100 Tonnen.The method and the damping device are particularly suitable for installations with electric machines, in which the mass of the rotating drive shaft with the co-rotating parts attached thereto is more than 20 tons. The torsional vibration characteristics are essentially determined by the mass moments of inertia of the parts mounted on the drive shaft. Low resonance frequencies with low damping, for which the method according to the invention is particularly suitable, preferably occur in drive trains with high mass moments of inertia. Thus, the use of the method and the device for damping is particularly advantageous if the total mass moment of inertia of the drive train with the parts mounted thereon is more than 5000 kgm 2 . The use can also be useful at lower, eg over 1000 kgm 2 , moments of inertia. In particular, the method is suitable for very large moments of inertia of over 20,000 or 80,000 kgm 2 . Thus, the use is particularly advantageous in total masses of the rotating parts of a drive train of over 40 or 100 tons.
Tiefe Resonanzfrequenzen, die mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung vorteilhaft gedämpft werden können, können aber auch bei wesentlich niedrigeren Massen des Antriebsstrangs auftreten. Die Resonanzfrequenz ist nicht nur vom Massenträgheitsmoment der rotierenden Massen, sondern auch von den Torsionsfedersteifigkeiten der die rotierenden Massen verbindenden Wellen abhängig. So ist auch bspw. bei Papier- oder Druckmaschinen, die rotierende Massen von einer bis fünf Tonnen aufweisen können, ein Auftreten von tiefen Resonanzfrequenzen möglich, da die Torsionsfedersteifigkeiten der Wellen entsprechende Werte aufweisen.depth Resonant frequencies, which are advantageously damped with the damping device according to the invention can, can but also at much lower masses of the powertrain occur. The resonance frequency is not only the mass moment of inertia of the rotating masses, but also of the torsion spring stiffnesses the waves connecting the rotating masses dependent. So is also, for example, in paper or Printing machines, the rotating masses from one to five tons can have an occurrence of low resonance frequencies possible because the Torsionsfedersteifigkeiten the waves have corresponding values.
Bei großen Anlagen wird die Dämpfungsvorrichtung vorteilhafterweise in ein Regel- und mehrere Leistungsmodule getrennt, wodurch über die Anzahl baugleicher Leistungsmodule die Gesamtdämpfungsleistung skalierbar ist. Die Module sind derart ausgelegt, dass ein Regelmodul mehrere Leistungsmodule ansteuern kann. Die Leistungsmodule bestehen jeweils aus einem Stromrichter, eventuell einem Transformator zur galvanischen Trennung vom Netz, einem an den Stromrichter angeschlossenen Gleichstromkreis mit Energiezwischenspeicher, vorzugsweise in Form einer Spule, und der Zündwinkelsteuerung. Alternativ kann die Zündwinkelsteuerung auch im Regelmodul enthalten sein. Das Regelmodul beinhaltet alle für die Signalaufbereitung vorgesehenen Vorrichtungen und weist eingangsseitig Anschlüsse für einen oder mehrere Sensoren auf. Mit diesem Aufbau können vorteilhafterweise bestehende Dämpfungsvorrichtun gen durch das zusätzliche Installieren von Leistungsmodulen in ihrer maximalen Leistung verstärkt werden.For large systems, the damping device is advantageously separated into a control and several power modules, which on the number of identical power modules, the total attenuation performance is scalable. The modules are designed so that a control module can control several power modules. The power modules each consist of a power converter, possibly a transformer for electrical isolation from the grid, a connected to the power converter DC circuit with energy buffer, preferably in the form of a coil, and the ignition angle control. Alternatively, the ignition angle control may also be included in the control module. The control module includes all provided for the signal conditioning devices and has on the input side connections for one or more sensors. With this construction, existing damping devices can advantageously be strengthened by the additional installation of power modules in their maximum performance.
Befinden sich mehrere elektrische Maschinen in einem Netz, d.h. sind mehrere elektrische Maschinen an den selben Mehrpol angeschlossen, so können Resonanztorsionsschwingungen in den Antriebssträngen der einzelnen elektrischen Maschinen vorteilhafterweise getrennt bedämpft werden, falls die Antriebsstränge unterschiedliche Torsionsresonanzfrequenzen aufweisen. Dafür ist für jede Torsionsresonanzfrequenz eines Antriebsstranges einer elektrischen Maschine im Netz eine Dämpfungsvorrichtung vorgesehen, die auf die jeweilige Torsionsresonanzfrequenz abgestimmt ist. Die Leistung die zur Dämpfung in das Netz eingebracht wird, um die Torsionsschwingung einer Antriebswelle zu dämpfen, ist unschädlich für den Antriebsstrang einer anderen elektrischen Maschine in demselben Netz, da dort keine Resonanzschwingung angeregt werden kann, falls die Torsionsresonanzfrequenzen der Antriebsstränge unterschiedlich sind.Are located there are several electrical machines in a network, i. are several electrical machines connected to the same multipole, so resonant torsional vibrations in the drive trains the individual electrical machines advantageously separated attenuated if the drive trains have different torsional resonance frequencies. This is for each torsional resonance frequency a drive train of an electric machine in the network one damping device provided, which tuned to the respective torsional resonance frequency is. The power for damping is introduced into the network to the torsional vibration of a drive shaft to dampen, is harmless for the Powertrain of another electric machine in the same Net, because there can be stimulated no resonance oscillation, if the torsional resonance frequencies of the drive trains are different.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung dazu geeignet, mehrere Torsionsschwingungen mit verschiedenen Frequenzen eines rotierenden Antriebsstranges zu dämpfen. Dazu enthält das dem Antriebsstrang aufgeprägte Dämpfungsdrehmoment Frequenzanteile verschiedener vorgegebener Frequenzen, wobei die Frequenzanteile in Gegenphase zu den Winkelgeschwindigkeiten der verschiedenen Torsionsschwingungen liegen. Dies hat den Vorteil, dass auch mehrere tiefe Torsionsschwingungen, die im Betrieb des Antriebsstrangs eine Gefahr darstellen können, auf günstige Weise gedämpft werden können. Dazu verfügt die Dämpfungsvorrichtung vorteilhafterweise über mehrere Messeinrichtungen, mit denen für verschiedene Torsionsschwingungen des Antriebsstrangs mit verschiedenen Frequenzen jeweils Rückführgrößen ermittelbar sind. Die mehreren Messeinrichtungen können mit einem oder mehreren Sensoren verbunden sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass jede Messeinrichtung mit einem zugehörigen Sensor oder mit mehreren zugehörigen Sensoren verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoren getrennt auf die jeweiligen Messeinrichtungen und die von den Messeinrichtungen zu messenden Frequenzen abgestimmt sein können. Alternativ kann vorgesehen sein, dass mehrere Messeinrichtungen gemeinsam das Signal eines oder mehrerer Sensoren verwenden. Dies hat den Vorteil, dass nicht für jede Messeinrichtung ein eigener Sensor oder mehrere Sensoren angeordnet werden müssen.In an advantageous embodiment is the damping device according to the invention suitable for several torsional vibrations with different frequencies to dampen a rotating drive train. This includes the Drivetrain imprinted damping torque Frequency components of different predetermined frequencies, the Frequency components in antiphase to the angular velocities of different torsional vibrations are. This has the advantage that also several deep torsional vibrations during operation of the drive train may pose a danger on cheap Way steamed can be. It has the damping device advantageously over several measuring devices with which for different torsional vibrations the drive train with different frequencies each feedback variables can be determined are. The multiple measuring devices can be equipped with one or more sensors be connected. For example, it can be provided that each measuring device with an associated Sensor or with several associated sensors connected is. This has the advantage that the sensors are separated to the respective measuring equipment and that of the measuring equipment can be tuned to measured frequencies. Alternatively, it can be provided be that several measuring devices together signal the one or multiple sensors. This has the advantage that not for every Measuring device arranged a separate sensor or multiple sensors Need to become.
Vorzugsweise entsprechen zumindest einige der vorgegebenen Frequenzen, mit denen die mehreren Torsionsschwingungen des Antriebsstrangs gedämpft werden, im Wesentlichen Resonanzfrequenzen des Antriebsstrangs. Dies hat den Vorteil, dass die eingesetzte Leistung zur Dämpfung minimiert werden kann, da die Dämpfungsleistung für Torsionsschwingungen eingesetzt wird, die im Betrieb der Anlage eine Gefahr darstellen. Mehrere verschiedene Resonanzfrequenzen, die besonders vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung gedämpft werden können, treten bspw. an Turbogeneratoren auf, die über mehrere Turbinen bspw. eine Hochdruck-, eine Mitteldruck- und zwei Niederdruckturbinen verfügen. Jede der Turbinen, der Generator selbst und eventuell noch weitere Teile stellen rotierende Massen dar, die durch Wellen verbunden sind. Eine solche Anordnung weist oftmals mehrere Schwingungseigenformen mit einer tiefen Resonanzfrequenz auf. Eine tiefe Resonanzfrequenz ist bspw. eine Frequenz unter 50 Hz oder unter 100 Hz. Die dazugehörigen Schwingungseigenformen zeichnen sich dadurch aus, dass eine oder mehrere rotierende Massen gegenüber den anderen rotierenden Massen schwingen. So können bspw. bei dem beschriebenen Turbogenerator die Hochdruck- und die Mitteldruckturbine gegenüber den anderen Turbinen oder die Hochdruck-, die Mitteldruck- und eine Niederdruckturbine gegenüber der anderen Niederdruckturbine und dem Generator mit tiefen Resonanzfrequenzen schwingen. Um die verschiedenen Torsionsschwingungen möglichst genau zu erfassen, wird jeweils einer oder mehrere Sensoren an den Stellen des Antriebsstrangs angeordnet, an denen die durch die Torsionsschwingungen hervorgerufenen Verformungen maximal sind. Beispielsweise ist eine Anordnung der Schwingungssensoren jeweils an den Wellen zwischen den rotierenden Massen vorteilhaft, da dort die größten Verformungen bei den Schwingungseigenformen der Resonanzfrequenzen zu erwarten sind. Vorzugsweise wird die auf eine vorgegebene Resonanzfrequenz abgestimmte Messeinrichtung mit dem oder den Sensoren verbunden, die an der Stelle angeordnet sind, an der die durch die Torsionsschwingung mit der entsprechenden Resonanzfrequenz hervorgerufene Verformung maximal ist. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich der Messeinrichtungen ein minimaler Aufwand zur Weiterverarbeitung der die Regelgrößen darstellenden Sensorsignale nötig ist.Preferably correspond at least some of the predetermined frequencies with which the multiple torsional vibrations of the powertrain are damped, essentially resonance frequencies of the drive train. this has the advantage that the power used for damping can be minimized, because the damping performance for torsional vibrations is used, which represent a danger during operation of the system. Several different resonant frequencies, the most advantageous with the damping device according to the invention muted can be occur, for example, on turbogenerators, for example, via several turbines. one high-pressure, one medium-pressure and two low-pressure turbines feature. Each of the turbines, the generator itself and possibly others Parts are rotating masses connected by waves are. Such an arrangement often has several modes of vibration with a low resonance frequency. A low resonance frequency is for example, a frequency below 50 Hz or below 100 Hz. Draw the associated vibration eigenmodes characterized by the fact that one or more rotating masses compared to the swinging other rotating masses. Thus, for example, in the described Turbogenerator the high-pressure and the medium-pressure turbine compared to the other turbines or the high-pressure, the medium-pressure and a low-pressure turbine across from the other low-pressure turbine and the generator with low resonance frequencies swing. To the different torsional vibrations as possible to detect exactly, is in each case one or more sensors in the places arranged the drive train, where the by the torsional vibrations are maximum deformations caused. For example, one is Arrangement of the vibration sensors respectively at the shafts between The rotating masses advantageous because there the largest deformations to be expected in the vibration eigenmodes of the resonance frequencies are. Preferably, the to a predetermined resonance frequency matched measuring device connected to the sensor (s), which are arranged at the point where by the torsional vibration with the corresponding resonant frequency caused deformation is maximum. This has the advantage that in the field of measuring equipment a minimal effort for further processing of the control variables representing Sensor signals needed is.
Vorzugsweise werden aus den mehreren Regelgrößen mit den Messeinrichtungen mehrere Rückführgrößen gebildet, wobei jede Rückführgröße eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der entsprechenden Torsionsschwingung ist. Die Amplitude der einzelnen Rückführgrößen richtet sich nach der Stärke der dieser Rückführgröße zuordenbaren Torsionsschwingung. Dies hat den Vorteil, dass jede der zu dämpfenden Torsionsschwingungen mit der richtigen Stärke gedämpft wird und es nicht zu einer Überkompensation, d. h. einer Schwingungsanregung kommt. Vorteilhafterweise kann auch eine Messeinrichtung nur dann eine Rückführgröße ausgeben, falls eine Torsionsschwingung mit der entsprechenden Frequenz und einer Amplitude über einem vorher festgelegten Schwellwert auftritt. Dies hat den Vorteil, dass die Dämpfungsvorrichtung nur dann eingesetzt wird, falls tatsächlich eine Schwingung auftreten könnte, die einen Nachteil im Betrieb darstellen würde. Vorteilhafterweise weist die Dämpfungsvorrichtung einen Rückführgrößenaddierer auf, der die von den Messeinrichtungen ausgegebenen Rückführgrößen addiert und dessen Ausgang mit dem Eingang des Addierers des Reglers verbunden ist. In dem Addierer des Reglers wird zu der Summe der Rückführgrößen der die Amplitude der Dämpfungsleistung beeinflussende Gleichstromanteil addiert. Der Rückführgrößenaddierer hat den Vorteil, dass für verschiedene zu dämpfende Schwingungen nur ein Leistungsmodul nötig ist. Alternativ kann vorgesehen sein, mehrere Leistungsmodule zu verwenden, wobei bspw. ein Leistungsmodul Torsionsschwingungen der tiefsten Resonanzfrequenz und ein weiteres Leistungsmodul Torsionsschwingungen der beiden darüber liegenden Resonanzfrequenzen dämpft.Preferably, a plurality of feedback variables are formed from the plurality of controlled variables with the measuring devices, each feedback variable has a frequency substantially equal to the frequency of the corresponding torsional vibration. The amplitude of the individual feedback variables depends on the strength of the torsional vibration that can be assigned to this feedback variable. This has the advantage that each of the torsional vibrations to be damped is damped with the correct strength and there is no overcompensation, ie vibration excitation. Advantageously, a measuring device can only output a feedback variable if a torsional vibration with the corresponding frequency and an amplitude above a predetermined threshold value occurs. This has the advantage that the damping device is only used if in fact a vibration could occur, which would be a disadvantage in operation. Advantageously, the damping device has a feedback variable adder, which adds the feedback variables output by the measuring devices and whose output is connected to the input of the adder of the regulator. In the adder of the regulator, the DC component which influences the amplitude of the damping power is added to the sum of the feedback variables. The feedback variable adder has the advantage that only one power module is required for different vibrations to be damped. Alternatively, it may be provided to use a plurality of power modules, wherein, for example, one power module damps torsional vibrations of the lowest resonance frequency and another power module damps torsional vibrations of the two resonant frequencies lying above it.
Am Ausgang des Addierers wird die Summe der Rückführgrößen und des Gleichstromanteils ausgegeben, wobei diese Summe den Sollwert für den Stromrichter darstellt.At the The output of the adder becomes the sum of the feedback quantities and the DC component output, this sum represents the setpoint for the power converter.
Alternativ ist es auch möglich, die Aufgaben der Messeinrichtung durch einen Computer mit Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler auszuführen. Dies bietet den Vorteil, dass die Signalaufbereitung einschließlich der Filterung und der Phasenverschiebung mit geringem Aufwand adaptierbar ist. Auch die Summierung der Rückführgrößen und die Addierung des Gleichstromanteils kann digital erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass der Computer die Funktion der vielen einzelnen Elemente übernimmt und dadurch der Aufbau der Dämpfungsvorrichtung einfacher wird. Dagegen bietet der Aufbau aus analogen Einzelelementen den Vorteil, dass die Filterung und Phasenverschiebung unabhängig von der Rechenauslastung eines Computers zuverlässig innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ausgeführt werden.alternative it is also possible the tasks of the measuring equipment by a computer with analog-digital and digital-to-analog converter perform. This offers the advantage that the signal conditioning including the Filtering and the phase shift with little effort adaptable is. Also the summation of the feedback variables and the addition of the DC component can be done digitally. This has the advantage that the computer is the function of many individual Elements takes over and thereby the structure of the damping device gets easier. On the other hand, the structure consists of analog single elements the advantage that the filtering and phase shifting independent of the computing load of a computer reliably within a given Time span executed become.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:
In
Die
Resonanzfrequenz des Antriebsstranges bei der ersten Torsionsschwingungs-Eigenform
beträgt
im Beispiel etwa 25 Hz. Bei dieser Eigenform verdreht sich die Welle
des Generators
Die
Torsionsschwingungen werden angeregt durch Lastwechsel der Verbraucher
Die
mechanische Belastung aufgrund der Torsionsschwingung wird im Beispiel
mit dem Sensor
Die
Steuerung
Auf
der Gleichstromseite des Stromrichters
Des
Weiteren ist an den Stromrichter
Zum
erstmaligen Aufbau des Stroms im Gleichstromkreis wird dem Generator
Die
Torsionsschwingungen beider Resonanzfrequenzen werden angeregt durch
Lastwechsel der Verbraucher
Die
mechanische Belastung aufgrund der Torsionsschwingungen wird mit
den beiden Sensoren
In
einem Rückführgrößenaddierer
Der
weitere Aufbau und die weitere Funktionsweise des in
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.The The invention is not limited to the preferred embodiment described above limited. Rather, a variety of variants and modifications is possible, the also make use of the idea of the invention and therefore in fall within the scope of protection.
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