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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Modifizieren, insbesondere Dämpfen von Schwingungen in einer Anlage oder Konstruktion, vorzugsweise im niederfrequenten Bereich, mittels einer Anordnung aus mindestens zwei Unwuchtantrieben und einem Federsystem, wobei die Kraftübertragung aus der schwingenden Konstruktion oder Anlage in einer Richtung über das Federsystem erfolgt, und Frequenz, Phase und Amplitude der durch die Unwuchtantriebseinheiten erzeugten sinusförmigen Kraft durch Drehzahlmodifikation über entsprechende Steuer- und Regelelemente an die Erregerfrequenz der Anlage oder Konstruktion angepasst werden können. Die Erfindung betrifft insbesondere Schwingungstilger zur Dämpfung von Schwingungen, insbesondere Körperschallschwingungen in Windkraftanlagen. Die Erfindung betrifft vor allem auch Windkraftanlagen, welche mit derartigen Elementen aus Unwuchtantriebseinheiten und Federsystemen ausgestattet sind. Die Erfindung betrifft aber auch anderweitige mit Schwingungen behaftete Bauwerke, Maschinen oder Anlagen sowie Vorrichtungen, bei denen die Schwingungen modifiziert, also sowohl gedämpft als auch angeregt werden können.
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Windkraftanlagen sind auf Grund ihrer Funktionsweise (drehende Bauteile, wie Rotor), ihrer Aufstellung (Standort, Wind, Wetter, Wasser/Wellen) als auch durch Ihre hohe Bauform prädestiniert, Schwingungen zu generieren, welche den Betrieb, die Sicherheit, die Dauerhaftigkeit und Ökologie (Schall) nachhaltig beeinflussen können. Daher sind in der Vergangenheit zahlreichen Bemühungen angestellt worden, derartige unerwünschte Schwingungen durch geeignete technische Maßnahmen zu vermeiden oder zu reduzieren. So sind heutzutage in jeder modernen Windkraftanlage Schwingungsdämpfer oder Tilger an den unterschiedlichsten Lokalitäten zu unterschiedlichen Zwecken eingebaut, um allgemeine oder spezielle durch Störfrequenzen erzeugte Schwingungen zu beherrschen und nach Möglichkeit zu eliminieren. Viele dieser Dämpfer wirken passiv, es gibt aber auch zahlreiche aktive Dämpfungssysteme.
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Aktive Tilgersysteme werden dazu verwendet, störende Schwingungen einer Maschine, eines Bauwerks oder Teilen davon unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Aktors bzw. einer zusätzlichen Kraft zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Der Aktor erzeugt eine sinusförmige Kraft die in Frequenz, Phase und Amplitude so geregelt wird, dass sie den störenden Schwingungen entgegenwirkt, und diese damit eliminiert oder reduziert. Die erzeugte Kraft kann aber auch so in Phase und Amplitude geregelt werden, dass sie vorhandene Schwingungen verstärken kann. Somit können Aktoren zur Modifizierung von Schwingungen in einem System oder in einer Konstruktion verwendet werden, je nachdem, welches technisches Problem es zu lösen gilt.
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Als Aktoren werden nach dem Stand der Technik zum Beispiel elektromagnetische (Intertialshaker, Schwingmagnete) oder piezoelektrische Systeme aber auch Unwuchtantriebe eingesetzt. Unwuchtmotoren sind Aktuatoren, die auf kleinem Bauraum und mit kleiner Leistungsaufnahme relativ große umlaufende Kräfte erzeugen können. Sie werden in großen Stückzahlen in der Bauindustrie, der Verfahrenstechnik (z. B. Schwingmaschinen zum Fördern, Sieben, Mischen, Kühlen, Trocknen, etc.), aber auch in Anwenderelektronik eingesetzt. Ein Unwuchtmotor besteht im einfachsten Fall aus einer angetriebenen rotierenden Welle, die auf einer oder beiden Seiten mit einer Schwungmasse versehen sind, die bei Rotation der Welle als Unwucht auf das System einwirkt. Die dabei entstehende Zentrifugalkraft ist proportional zur Unwuchtmasse, dessen Abstand zur Wellenachse und dem Quadrat der Drehzahl. Die Zentrifugalkraft läuft mit der Welle um und zeigt in Richtung der Unwucht. Im nicht rotierenden System sind die Kraftkomponente Fx und Fy aus der Zentrifugalkraft Sinus-Schwingungen mit der Drehzahl als Frequenz, einer Phase und dem Betrag der Zentrifugalkraft als Amplitude. Der Antrieb der Welle und damit der Unwuchtmasse kann verschiedenartig sein, beispielsweise verbrennungstechnisch, pneumatisch, elektrisch und hydraulisch.
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Elektrisch betriebene Unwuchtmotoren können gemäß des Standes der Technik in Ihrer Drehzahl mittels eines Frequenzumrichters gesteuert werden. Fügt man einen Sensor hinzu, der die Position der Unwucht mit der Zeit bestimmt, kann man die Drehzahl und die Position der Unwucht über den Frequenzumrichter regeln.
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Die Verwendung von angetriebenen Unwucht-Massen zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungsereignissen bzw. Vibrationen ist ebenfalls grundsätzlich bekannt (z. B.:
WO 2005/116340 ,
WO 2006/029851 ).
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Die
EP 2 100 054 B1 beschreibt so eine verbrennungstechnisch, pneumatisch und hydraulisch angetriebene Unwucht-Vorrichtung zur Schwingungskontrolle mit zwei Massenkörpern die sich um parallel angeordnete Rotationsachsen bewegen (mit Massenschwerpunkten außerhalb der Rotationsachse), wobei auf die Erregerschwingung durch Variation des Drehwinkels und/oder des Abstandes der Rotationsachsen direkt Einfluss genommen werden kann.
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Die
EP 2 167 748 B1 beschreibt ein System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk, welches ebenfalls aus zwei gegenüberliegenden rotierenden Unwucht-Massen besteht, und an dem Bauwerk, z. B. an dem Turm einer Windkraftanlage, direkt befestigt ist. Das System weist überdies Regel- und Steuerelemente auf, mit denen die Drehzahl und so die Trägheitsmomente der Unwuchtmassen variiert und so Einfluss auf die Erregerschwingung genommen werden kann.
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Die beschriebenen bekannten Systeme haben den Nachteil, dass bei konstanter Frequenz die Unwucht-Antriebe in ihrer Kraftamplitude nur verändert werden können und somit regelbar sind, sofern man die Unwucht-Masse und/oder den Radius des Schwerpunktes der Unwuchtmasse verändert. Diese Änderungen bedeuten aber einen aufwendigen Eingriff in die interne Konstruktion der Unwucht-Antriebe.
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Die unabhängige Regelung der Kraftamplitude wäre ein essentieller Bestandteil eines modernen aktiven Tilgersystems, welches den erhöhten Anforderungen an Schwingungstechnik, insbesondere im Bereich der Windkraftanlagen, gerecht würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es also, ein aktives System zum Modifizieren, insbesondere Dämpfen von Schwingungen zur Verfügung zu stellen, bei dem die erzeugende Kraft (Aktor) in ihrer Amplitude neben der Regelung der Frequenz und der Phase auf einfache und technisch elegante Weise einstellbar ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass die an sich bekannten Unwuchtantriebe mit elastisch aufgehängten Bauteilen versehen werden, welche durch den Unwuchtantrieb zwangserregt werden. Je nach Eigenverhalten des schwingenden Systems und je nach den gewählten Federelementen kann die optimale Schwingungsamplitude generiert werden, um den gewünschten Einfluss auf die Erregerschwingung zu nehmen. Während also bei den relevanten Lösungen des Standes der Technik die Kraft des Unwuchtantriebes direkt auf die Erregerkraft einwirkt, in dem sie diese abschwächt (Dämpfung), geschieht dies bei der erfindungsgemäßen Lösung mittels eines in einer bestimmten Richtung wirksamen elastischen Federelementes durch Steuerung der generierten Kraftamplitude der Unwuchtmasse. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems ist dabei so ausgelegt, dass die Drehzahl der Unwuchtmotoren der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems sehr nahe kommt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine aktive Vorrichtung zur Modifizierung, insbesondere Dämpfung, von Schwingungen in einer Konstruktion (6), insbesondere in einer Windkraftanlage, umfassend mindestens zwei Unwucht-Antriebseinheiten (1)(2)(3)(9), vorzugsweise zwei Unwucht-Antriebseinheiten (1)(2)(3)(9), wobei jede Unwucht-Antriebseinheit eine Unwucht-Masse (2) umfasst, deren Schwerpunkt um eine Rotationsachse (3) drehbar ist, und die von einem Antrieb (9) in eine umlaufende Rotationsbewegung versetzt werden kann, wobei die Rotationsachen (3) der mindestens zwei Unwucht-Antriebseinheiten parallel ausgerichtet sind, und vorzugsweise aber nicht notwendigerweise beide Unwucht-Massen (2) gegensinnig rotieren, wobei die Unwucht-Antriebseinheit über eine Verbindungs- und Trägervorrichtung (4) mit einem in seinen Eigenschaften wählbaren Federsystem (5) verbunden ist, und dieses Federsystem wiederum mit der schwingungstechnisch zu modifizierenden Konstruktion (6) fest verbunden und so angeordnet ist, dass eine Kraftübertragung aus der schwingenden Konstruktion (6) über das Federsystem (5) in die Unwucht-Antriebseinheiten im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu den parallel angeordneten Rotationsachsen (3) erfolgt, und die Hauptschwingungsrichtung der Konstruktion (6) quer zu den Rotationsachsen (3) ist.
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Die Unwucht-Antriebseinheiten (1)(2)(3)(9) der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise mit mindestens einem Drehzahlsensor (10), und die schwingende Konstruktion (6) ist mit mindestens einem Beschleunigungssensor (7) ausgestattet, und weist mindestens eine Regeleinheit (8) und/oder eine Steuereinheit (11) auf, mit deren Hilfe Einfluss auf die Drehzahlen, die Kraftamplituden, sowie Frequenz und Phase der rotierenden Unwucht-Massen (2) genommen werden kann, so dass das elastische Federsystem (5)(5.1)(5.2) gezielt zwangserregt werden kann, und der Erregerfrequenz aus der Konstruktion entgegenwirkt (Dämpfung) oder, falls gewünscht, diese verstärkt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen in einer besonderen Ausführungsform Unwucht-Massen (2) auf, die zumindest temporär mit unterschiedliche Drehzahlen im Phasenschleifen-Betrieb (phase-locked-loop) betrieben werden.
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Gegenstand der Erfindung ist aber insbesondere auch eine Windkraftanlage umfassend (a) eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung zur regelbaren aktiven Dämpfung von Störschwingungen der Anlage insbesondere im Körperschallbereich und gegebenenfalls (b) Elementen zur Regelung und Steuerung der Vorrichtung, wobei besagte Schwingungsdämpfungsvorrichtung im Wesentlichen aus vorzugsweise zwei Unwucht-Antriebseinheiten (1)(2)(3)(9) und einem Federsystem (5) besteht und gegebenenfalls Regel- (8) und Steuereinheiten (11) zur Anpassung der Drehzahlen, Frequenz und Phase, wobei
- (i) jede Unwucht-Antriebseinheit eine Unwucht-Masse (2) umfasst, deren Schwerpunkt um eine Rotationsachse (3) regelbar drehbar ist, und die von einem Antrieb (9) in eine umlaufende Rotationsbewegung versetzt werden kann, wobei die Rotationsachen (3) der mindestens zwei Unwucht-Antriebseinheiten parallel ausgerichtet sind, und vorzugsweise aber nicht notwendigerweise beide Unwucht-Massen (2) gegensinnig rotieren,
- (ii) die Unwucht-Antriebseinheit über eine Verbindungs- und Trägervorrichtung (4) mit besagtem Federsystem (5) verbunden ist, und dieses Federsystem wiederum mit dem die Störschwingungen erzeugenden oder den Störschwingungen ausgesetzten Konstruktion (6) der Windkraftanlage oder Teilen davon in Verbindung steht und so angeordnet ist, dass eine Kraftübertragung aus der schwingenden Konstruktion (6) über das Federsystem (5)(5.1)(5.2) in die Unwucht-Antriebseinheiten im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu den parallel angeordneten Rotationsachsen (3) erfolgt, und vorzugsweise die Hauptschwingungsrichtung der Konstruktion (6) quer zu den Rotationsachsen (3) angeordnet ist, und gegebenenfalls in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung
- (iii) die beiden Unwucht-Massen (2) zumindest temporär mit unterschiedliche Drehzahlen im Phasenschleifen-Betrieb (phase-locked-loop) betrieben werden.
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Gegenstand der Erfindung ist hierbei eine entsprechende Vorrichtung oder Windkraftanlage, bei der das Federsystem (5) mindestens eine Elastomer-Feder (5.1) aufweist, deren Steifigkeit in Richtung der senkrecht zu den Rotationsachsen (3) wirkenden besagten Kraftübertagung höher, vorzugsweise mindestens doppelt so hoch, insbesondere 2–20 mal höher ist als in den beiden anderen Richtungen, und die Hauptschwingungsrichtung der zu dämpfenden Konstruktion (6) vorzugsweise im Wesentlichen der Richtung mit der höheren Steifigkeit der Elastomerfeder entspricht.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine entsprechende Vorrichtung oder Windkraftanlage, bei der das Federsystem (5) mindestens eine Biegefeder (5.2) beispielsweise eine Blattfeder oder Spiralfeder aufweist, die so angeordnet ist, dass deren steifere Achse parallel zur Richtung der besagten Kraftübertragung ist und vorzugsweise parallel zur Hauptschwingungsrichtung der Konstruktion (6) ausgerichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Kombination von zwei oder mehreren Unwuchtantriebseinheiten mit einer oder mehrerer Federelementen erlaubt die Regelung der Kraftamplitude durch unabhängige Veränderung der Drehzahlen der zwei oder mehreren Unwuchtantriebseinheiten. Mit dem Verfahren der Phasenschleife (Phase-Locked-Loop) kann in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung Phase und Amplitude der Kraft über kleine Drehzahländerungen angepasst werden. Gegenüber bekannten aktiven Tilgersystemen, die auf elektromagnetische oder piezoelektrische Wirkprinzipien beruhen und trotz eines größeren Leistungsbedarfs nur mäßig und damit oft nicht ausreichend hohe Kräfte erzielen, zeigt das erfindungsgemäße System deutliche Vorteile, insbesondere auch in Bezug auf die Qualität der variablen Regelung und Anpassung an die Erregerfrequenzen, welche ohne Einbindung eines bzw. ohne Kombination mit einem Federsystem, wie beschrieben, nicht zu erzielen wäre.
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Das aktive erfindungsgemäße Tilgersystem kann vorzugsweise störende Schwingungen eliminieren. Gleichzeitig kann diese System auch dazu verwendet werden Schwingungen gezielt anzuregen. Der Vorteil der Anregung mit diesem System ist, dass mit sehr wenig Leistung sehr große Schwingamplituden erzeugt werden können. Durch die Frequenz-Phasen- und Amplitudenregelung und durch die Möglichkeit externe Signale einzuspeisen, kann zum Beispiel in der Fördertechnik ein Prozess gezielt gesteuert werden. Auch in der Messtechnik ist es von Vorteil die eingehende Kraft genau zu regeln.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Oben und im Folgenden werden verschiedenen Positionsgrößen, die in den Abbildungen verwendet werden, Bezug genommen:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unwuchtantriebseinheit
- 2
- Unwuchtmasse
- 3
- Welle des Unwuchtmotors
- 4, 4.2
- Verbindungsvorrichtung
- 5
- Federelement
- 5.1
- elastomeres Federelement
- 5.2
- Blattfederelement
- 6
- Hauptsystem/Konstruktion
- 7
- Beschleunigungssensor
- 8
- Regeleinheit
- 9
- Motor
- 10
- Drehzahlsensor
- 11
- elektrische Steuerungseinheit
- 12
- Wellenlager
- 13
- Stromanschluss
- 14
- Externes Signal
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Die Bezugsgrößen dienen insbesondere in den Ansprüchen zur Charakterisierung sollen aber die Erfindung nicht im Sinne der Abbildungen einschränken.
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zeigt ein erfindungsgemäßes System aus zwei gegenläufigen Unwuchtantriebseinheiten mit einem Elastmerschicht-Element als Federsystem.
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zeigt dasselbe System um 90° gedreht.
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zeigt ein erfindungsgemäßes System aus zwei gegenläufigen Unwuchtantriebseinheiten mit Blattfederelementen als Federsystem.
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zeigt dasselbe System um 90° gedreht.
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Es hat sich gezeigt, dass die Kopplung von zwei, an-sich bekannten Unwuchtantriebseinheiten mit einem elastischen Federelement, beispielsweise mit einer Elastomerfeder, einer Biegefeder (z. B. Blattfeder), Luftfeder, Wickelfeder oder Gasdruckfeder, Eingriff in das Schwingungsverhalten eines Systems genommen werden kann. Dabei kann durch zusätzliche Regel- und Steuereinheiten die Schwingungsverhalten verstärkt oder vermindert werden. In den meisten Fällen ist eine Dämpfung der Erregerschwingung erwünscht.
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Der Aufbau ist so ausgelegt, dass die Drehzahl der Unwuchtmotoren der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems sehr nahe kommt. Die resultierenden großen Amplituden, die niedrigen Frequenzen (kleiner 20 Hz) und der Schlupf im Asynchronmotor führen dazu, dass sich die beiden Unwuchtmotoren automatisch synchronisieren, d. h. die Unwuchten haben im synchronisierten Zustand gleiche Drehzahl und konstante Phasenverschiebung zueinander. Die Kopplung von zwei gegenläufigen Unwuchtmotoren hat den Vorteil, dass sich die Kraftkomponenten in x-Richtung addieren und in y-Richtung aufheben. Bei diesem Aufbau regeln sich Phase und Frequenz ohne den Einsatz von zusätzlicher Elektronik. Die Amplitude der Kraft wird über den Frequenzabstand des Frequenzumrichters zur Eigenfrequenz des Systems bestimmt. Für Schwingungen mit kleinen Amplituden, wie sie bei Körperschallschwingungen auftreten, synchronisieren sich die Unwuchtmotoren nicht mehr von alleine und es kommt zu ungewünschten Amplituden-Frequenz und Richtungsschwankungen der resultierende Kräfte aus den beiden Unwuchtmotoren. Durch die Kopplung mit einem Federsystem kann das resultierende erfindungsgemäße aktive Tilgersysteme dazu verwendet werden Schwingungen von Systemen gezielt anzuregen bzw. zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Dabei sind vor allem Schwingungen im Bereich zwischen 0.1 Hz und 400 Hz, insbesondere 0.1 und 200 Hz, vorzugsweise zwischen 0.5 und 50 Hz sehr gut beeinflussbar bzw. modifizierbar.
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Die Erfindung ist ein aktives System zum gezielten Reduzieren und Anfachen von Schwingungen eines Hauptsystems oder Hauptkonstruktion (6) oder Teilen davon mit Hilfe von einem, zwei oder mehreren Unwuchtantriebseinheiten oder Unwuchtmotoren (1). Dabei sind die Unwuchtmotoren (1) auf eine oder mehrere Feder-Elemente (5.1), (5.2) montiert, die in X-Richtung und der Drehung um die Y-Achse eine viel geringere Steifigkeit besitzt als in Z-Richtung. Die Unwuchtmotoren (1) werden über ein Verbindungselement (4.1), (4.2) mit der Feder (5.1), (5.2) verbunden. Zur Stromversorgung ist jeder Unwuchtmotor (1) mit einer elektrischen Steuerungseinheit (11) ausgestattet, der auch gleichzeitig die Drehzahl des Unwuchtmotors (1) festlegt. Zudem verfügt jeder Unwuchtmotor (1) über einen Drehzahlsensor (10). Die Beschleunigung des Hauptsystems (6) wird über einen Beschleunigungssensor (7) ermittelt. Alle elektrischen Steuerungseinheiten (11), Drehzahlsensoren (10) und der Beschleunigungssensor (7) sind mit einer Regeleinheit (8) verbunden. Sie verarbeitet die Sensorsignale aus der Drehzahlsensoren (10), dem Beschleunigungssensor (7) und anderen externen Signalen (14) (z. B. Drehzahl der Windkraftanlage oder Temperaturen) und erzeugt Regelsignale, die an die elektrischen Steuerungseinheiten (11) weitergegeben werden. Ein Unwuchtmotor besteht aus einer Antriebseinheit (9), die eine Unwucht (2) behaftete Welle (3) antreibt. Die Welle ist in einem Wellenlager (12) geführt. Die Frequenzumrichter und die Regeleinheit müssen mit Strom (13) versorgt werden.
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Der Zweck des Aufbaus in den – ist die Erzeugung einer sinusförmigen Kraft zwischen Hauptsystem (6) und Feder (5.1)(5.2), die in den drei Größen Frequenz, Phase und Amplitude unabhängig geregelt werden kann. Zudem soll die Kraft ausschließlich in Z-Richtung wirken. Im Folgenden wird diese Kraftkomponente lediglich Kraft genannt. Die erforderliche Frequenz, Phase und Amplitude der Kraft wird in der Regeleinheit (8) über das externe Signal (z. B. die Drehzahl des anregenden Systems), den Beschleunigungssensor (7) und die Drehzahlsensoren (10) errechnet. Die Regeleinheit ermittelt die erforderliche Drehzahl jedes Unwuchtmotors und gibt diese Informationen an die beiden elektrischen Steuerungseinheiten (11) weiter. Diese stellen die Unwuchtmotoren auf die erforderliche Drehzahl. Der Mittelwert der Drehzahlen ω1 und ω2 muss der Störfrequenz entsprechen, die über das externe Signal oder über den Beschleunigungssensor festgestellt wird. Diese Drehzahlen können ohne weiteres über die elektrischen Steuerungseinheiten (11) eingestellt werden.
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Die Phasenlage zwischen Kraft aus dem Tilgersystem und dem Störsignal kann durch kleine Frequenzunterschiede zwischen Störsignal und Unwuchtmotoren angepasst werden (Phasenschleife, Phase-Locked-Loop). Dabei werden die beiden Unwuchtmotoren gleichzeitig in der Phase verschoben. Idealerweise läuft die Phase der Kraft in Gegenphase zum Störsignal. Die Kraftamplitude des Tilgersystems muss auf das Störsignal angepasst werden, da ansonsten das Tilgersystem das Störsignal nicht reduziert oder sogar zusätzlich einfachen kann. Die maximale Kraft in Z-Richtung erzeugt das Tilgerssystem, wenn die Unwuchtmotoren (1) bei gleicher Drehzahl gegenläufig (ω1 = –ω2) sind und die Phasenwinkel so eingestellt sind, dass wenn δ1 = 0° auch δ2 = 180° vorliegt. Damit folgen die beiden Phasenwinkel den Formeln δ1(t) = ω1 × t und δ2(t) = 180 – ω1 × t.
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Bei gleichsinnig laufenden Unwuchtmassen (2) würde es durch die gewünschte Phasenverschiebung zu unerwünschten Frequenzverschiebung kommen. Eine Amplitudenreglung wäre über die Federn aber weiterhin möglich. Aus diesem Grund sind Ausführungsformen der Erfindung mit gegensinnigen bzw. gegenläufigen Unwuchtmassen (2) bevorzugt. Es wird dabei keine wesentliche Kraft in Z-Richtung übertragen, wenn die Unwuchtmotoren (1) so betrieben werden, dass bei gegenläufigen Betrieb (ω1 = –ω2), die Phasenwinkel δ1 = 90° und δ2 = 270° gleichzeitig auftreten. Bei dieser Betriebsweise treten die folgenden Phasenwinkel gleichzeitig auf: δ1(t) = 90° + ω1 × t und δ2(t) = 270° – ω1 × t. Für diesen Fall erzeugen die Unwuchtmotoren (1) zwar eine Kraftkomponente in X-Richtung, aber da das Federelement in dieser Richtung sehr viel weicher ist als in Z-Richtung, kommt es in X-Richtung zu keiner nennenswerten Kraftübertragung. Diese Situation liegt allerdings nur vor, wenn die Drehzahl der Unwuchtmotoren (1) so hoch ist, dass die entstehende Frequenz der Kraft größer ist als ca. √2 mal des Isolationspunkts des Unwuchtmotor-Feder-Systems in X-Richtung. Dieser Faktor muss eingehalten werden damit die Kräfte in X-Richtung nicht zu groß werden.
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Der Isolationspunkt der Einmassenschwingers der Unwuchtantriebseinheiten (1) in den Federn (5.1) oder (5.2) in X-Richtung errechnet sich aus √2 mal der Eigenfrequenz dieses Einmassenschwingers. Damit muss die Frequenz der anregenden Kräfte, die sich aus der Drehzahl der Unwuchtmotoren ergibt 2 mal größer sein als die Eigenfrequenz des Einmassenschwingers in X-Richtung. Außerdem muss die Frequenz der anregenden Kräfte auch um den Faktor 2 größer sein als die Rotations-Eigenfrequenz um die Y-Achse. Dies ist von Bedeutung da ansonsten mit minimaler Kraft in Z-Richtung die Unwuchtmotoren (1) ein unerwünschtes Moment um die Y-Achse einleiten würden. Da alle Zustände zwischen der maximalen und der minimalen Kraft möglich sind, ist das aktive System in der Lage, die Kraftamplitude unabhängig von Drehzahl und Phase zu regeln.
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Der Frequenzbereich des aktiven Tilgersystems ist durch die translatorischen Eigenfrequenzen in X- und Z-Richtung und über die Rotations-Eigenfrequenz um die Y-Achse des Unwuchtmotor (1)-Feder (5.1)(5.2) Systems festgelegt. Die obere Frequenzgrenze ist dadurch festgelegt, dass man aus Lebensdauergründen unterhalb der Eigenfrequenz in Z-Richtung bleiben möchte. Mit einem Faktor von 0,75 der Eigenfrequenz in Z-Richtung stellt man sicher, dass die Wegamplituden in Z-Richtung begrenzt bleiben und so die gewünschte Lebensdauer erreicht wird. Die untere Frequenzgrenze ist entweder 2-mal der Eigenfrequenz in X-Richtung oder 2-mal der Eigenfrequenz um die Y-Achse, je nachdem welcher Grenzfrequenz größer ist. Da die Eigenfrequenzen durch die Abmessungen und Materialien der Federn bzw. die Masse der Unwuchtmotoren (1) bzw. der Verbindungsplatte (4.1 und 4.2) festgelegt sind, kann der gewünschte Frequenzbereich des aktiven Tilgers über die geeignete Auslegung der Feder (5.1)(5.2) bzw. der Unwuchtmotoren (1) ausgelegt werden. Die obere Frequenzgrenze ist auch durch die maximale Drehzahl des Unwucht-Antriebsaggregate (1) begrenzt. Im Markt sind Unwucht-Antriebseinheiten (1) bis 12000 U/min (entspricht einer Kraftfrequenz von 200 Hz) verfügbar. Andere Vibratoren (z. B. Kugelvibratoren) können bis 20000 U/min (entspricht einer Kraftfrequenz von 333 Hz) drehen. Da die Zentrifugalkräfte mit dem Quadrat der Drehzahl (bzw. Frequenz) steigen, können bei Frequenzen von 50 Hz (3000 U/min der Unwuchtmotoren und gleichzeitig die Netzfrequenz) schon Kräfte von 10 kN und mehr erzeugt werden (je nach Ausführung der Unwuchtantriebseinheiten). Je kleiner die zu bearbeitende Problemfrequenz, desto größer müssen die Unwuchtmotoren ausgeführt um eine gewünschte Kraft zu erzeugen. Die Einstellung der minimalen und maximalen Kraft bzw. alle Zustände dazwischen kann über die Phasenlage der Unwuchtmotoren (1) zueinander eingestellt werden. Diese Phasenlage kann dadurch verändert werden, dass man einen der Unwuchtmotoren (1) etwas langsamer bzw. schneller laufen lässt. Dieses Verfahren nennt man Phasenschleife (Phase-Locked-Loop). Die untere Frequenzgrenze liegt bei den beschriebenen Ausführungsformen für Anwendungen für Türme von Windkraftanalgen bei 0,2 Hz oder maximal 0.1 Hz, die ober Frequenzgrenze je nach technischer Gegebenheit der Einheiten (1) zwischen 100 und 400 Hz.
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Die Kombination von zwei oder mehreren Unwuchtmotoren (1) mit einer oder mehrerer Federn (5.1)(5.2) wie in dieser Patentbeschreibung erlaubt die Regelung der Kraftamplitude durch unabhängige Veränderung der Drehzahlen der Antriebe (9) der Unwuchtantriebseinheiten (1).
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Mit dem Verfahren der Phasenschleife (Phase-Locked-Loop) kann Phase und Amplitude der Kraft über kleine Drehzahländerungen angepasst werden.
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Aktive Tilgersysteme, die auf elektromagnetische oder piezoelektrische Wirkprinzipien aufbauen, haben einen größeren Leistungsbedarf und können nur schwerlich so hohe Kräfte erzielen wie Unwuchtmotoren. Außerdem sind sie i. d. R. auf einen relativ kleinen Frequenzbereich beschränkt, da sie Eigenfrequenzen von Feder-Masse-Systemen ausnutzen.
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Die Federn (5.1) und (5.2) sind zwei Varianten von möglichen Federn, die in Z-Richtung wesentlich steifer sind wie in X-Richtung. Feder (5.1) besteht aus zwei verspannten Elastomerfedern, die, bei diesem Aufbau, in Z-Richtung um einen Faktor 20 steifer sind als in X-Richtung. Gleichzeitig hat die Verdrehung um die Y-Achse ebenfalls sehr niederfrequent. Durch das Elastomer wird bei diesem Aufbau Dämpfung eingebracht, der die maximalen Amplituden begrenzt. Als Elastomere dienen die üblichen Elastomere, die für derartige Zwecke eingesetzt werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Naturkautschuk, einem Naturkautschukderivat oder aus einem geeigneten elastischen polymeren Kunststoff oder Kunststoffgemisch analog Die Elastomerschicht kann dabei unterschiedliche Härte (”Shore-Härte”) und unterschiedliche Dämpfungseigenschaften aufweisen, entsprechend den gewünschten Anforderungen. Vorzugsweise werden Elastomere mit einer Härte von 20 bis 100 Shore A, insbesondere 30 bis 80 Shore A verwendet. Weiteren Einfluss auf die Dämpfungs- oder Anregungseigenschaften des Schwingungssystems (6) kann man durch eine konstante oder regelbare Vorspannung der Elastomerfeder erreichen.
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Auch der Einsatz von hydraulischen Vorspannsystemen, wie beispielsweise in der
WO 2009/121552 oder in der
EP 1 566 543 A1 beschrieben, ist in Kombination mit den Unwuchtantriebseinheiten möglich und sinnvoll. Führt man so die Feder (
5.1), wie in
und
gezeigt, als Elastomer-hydraulische Feder aus, kann man zum einen die Kraft in Z-Richtung über einen angeschlossenen Drucksensor ermitteln. Zum anderen kann man die Steifigkeit der Feder über den Druck verändern und so den Frequenzbereich des aktiven Tilgersystems stark erweitern.
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Das Federelement (5) kann aber auch aus einer oder mehreren Biegefedern, z. B. Blattfedern bestehen. Feder (5.2) besteht aus einer oder mehrerer Blattfedern, die parallel geschaltet sind. Die Steifigkeitsunterschiede zwischen Z-Richtung und X-Richtung können durch Anzahl und die Maße der Blattfedern festgelegt werden. Da die Blattfedern üblicherweise aus Stahl sind und somit keine Materialdämpfung aufweisen, können im Resonanzfall sehr hohe Amplituden erreicht werden. Auch die Biegefedern können in unterschiedlichen Steifigkeiten verwendet werden (Material, Dimensionierung der Feder).
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Generell ermöglicht der Einsatz von Federelementen in Kombination mit den genannten Unwuchtantriebseinheiten eine große Variabilität um Einfluss auf das System und seine Erregerfrequenz zu nehmen, als dies bei Lösungen mit Unwuchtmassen der Fall ist, die ohne ein Federsystem arbeiten.
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Da der Unwuchtantrieb beim Anfahren durch diese Eigenfrequenz durchfahren muss, kann es zu sehr starken Amplituden kommen. Diese Amplituden können in weiteren Ausführungsformen der Erfindung durch Dämpfungseinrichtungen verhindert werden. Dazu kann ein Elastomeranschlag eingesetzt werden, der ab einer bestimmten Amplitude Dämpfung in das System einbringt.
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Der Antrieb (9) der Unwuchtantriebseinheiten (1) kann vielfältiger technischer Natur sein: so können erfindungsgemäß z. B. Asynchronmotoren, Synchronmotoren, Gleichstrommotoren, Verbrennungsmotoren, pneumatische Motoren oder hydraulische Motoren eingesetzt werden. Da man diese und andere Antriebe auch in der Drehzahl regeln kann, kann der Aufbau in auch zusammen mit diesen oder anderen Motoren als aktives Tilgersystem verwendet werden.
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Unwuchtmotoren (9) sind eine Untergruppe von Vibratoren. Solange diese Vibratoren auf einer Drehbewegung basieren und in der Drehzahl geregelt werden können, können sie gemäß der in den Abbildungen dargestellten Bauweise als aktive Systeme verwendet werden. Beispiele für diese Art von Vibratoren sind Kugelvibratoren und Rollvibratoren. Auch diese können als Aktor in einem aktiven Tilgersystem erfindungsgemäß eingesetzt werden.
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Man kann sich auch ein System vorstellen, bei dem die beiden Unwuchten (2) auf ihren Wellen (3) über ein Getriebe miteinander verbunden sind (Richterreger). Dieses Getriebe kann über einen Verstell-Mechanismus die Phase zwischen den bei Unwuchtmotoren regeln. Befestigt man das Getriebe mit den Unwucht (2) behafteten Wellen (3) über eine Verbindungsvorrichtung (4) an eine Feder (5.1) oder (5.2) wie in den Abbildungen gezeigt, kann man das System analog zur beschrieben Funktionsweise als aktives Tilgersystem verwenden.
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Die entsprechenden beschriebenen und beanspruchten Vorrichtungen sind optimal für den Einsatz in Windkraftanlagen konzipiert, und hier besonders zur Dämpfung von Körperschall. Dabei kann die erfindungsgemäße Tilgervorrichtung an den unterschiedlichsten Orten in der und an der Windkraftanlage positioniert, bzw. befestigt werden, so beispielsweise an der Turmwand, im Bereich des Rotors und der Rotornabe, zwischen Rotornabe und Getriebe, zwischen Getriebe und Generator auf dem Antriebsstrang, in der Gondel oder auf der inneren oder äußeren Seite der Gondeloberfläche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/116340 [0006]
- WO 2006/029851 [0006]
- EP 2100054 B1 [0007]
- EP 2167748 B1 [0008]
- WO 2009/121552 [0039]
- EP 1566543 A1 [0039]
