JP3579067B2 - タービン発電機の軸ねじり振動抑制装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はタービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統の送電線事故やそれに伴う再閉路、系統への非同期投入および直列コンデンサ補償系統におけるタービン発電機軸ねじり共振現象（Ｓｕｂ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ）等によって、タービン発電機軸にねじり加振力が作用する。さらに、軸ねじり振動に伴い、軸ねじり疲労が問題となる。従って、軸ねじり振動を検出しその信号に適切な演算処理を施した後、発電機の励磁装置に加えて軸ねじり振動を抑制する装置が考えられている。
【０００３】
図２は上記した従来技術のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置のブロック構成図である。
同図において、破線Ａで囲んだ部分がタービン発電機の軸系であり、１は高圧タービン、２は低圧タービン、３は発電機、４はそれらを結合している軸である。５は励磁装置であり、発電機３の端子電圧を検出し、この端子電圧が基準電圧設定値（図示しない）になるよう発電機３の界磁巻線６に流れる電流を制御している。７は電力系統、８は三相送電線、９は歯車、１０は角速度検出器、１１は軸ねじり振動抑制装置である。
【０００４】
今、例えば系統７に送電線事故等が発生すると、その擾乱は三相の送電線８を通して発電機３の軸４を加振して軸ねじり振動を引き起こす。この軸ねじり振動を発電機３の回転子の端部に設けられた歯車９から非接触で角速度を検出する角速度検出器１０で検出し、その検出信号は軸ねじり振動抑制装置１１に入力されて適切な位相補償を施され、励磁装置５に印加して軸ねじり振動を抑制すればよい。しかし、軸ねじり振動を抑制するためには、ねじり振動により発電機３の回転子が加速するときに発電機３の界磁巻線に流れる電流を増加して発電機３の出力を増加することにより発電機３に減速トルクを与える必要がある。しかし発電機３の界磁巻線は大きな応答遅れが生じるため、従来の軸ねじり振動抑制装置１１では、大きな進み補償関数を必要とした。しかも軸系のねじり振動には複数個の固有振動周波数（振動モード）が存在し、それらの固有振動周波数にはあまり大きな隔たりがないため、従来の軸ねじり振動抑制装置１１では存在する全ての振動モードに対して適切な進み補償関数が必要となる。従って、軸ねじりの高周波数振動補償のためには非常に大きな進み補償関数が必要となるが、ノイズ問題のため実現が困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、進み補償関数を用いる従来の軸ねじり振動抑制装置では非常に大きな進み補償が必要となり、製品としての実現は困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は大きな進み補償関数を用いることなく、容易に軸ねじり振動抑制が可能なタービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、タービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置において、前記タービン発電機を励磁する励磁装置と、前記タービン発電機軸端の角速度を検出する角速度検出器と、軸ねじり振動をモーダルモデルで構成した模擬装置とを備え、前記角速度検出器から検出した角速度信号を前記模擬装置に入力し、前記タービン発電機軸の固有振動に対応した成分の複数の角速度信号に分離してから前記励磁装置の入力に加算することで、位相進み補償で軸ねじり振動の抑制信号を得ることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置において、前記モーダルモデルで構成した模擬装置では、前記角速度検出器から検出した角速度信号に対して９０°位相がずれている位相角信号を、当該角速度信号と当該角速度信号を一定の比率で加減算することにより任意の位相を得ることで、位相補償なしで軸ねじり振動を抑制する抑制信号を得ること特徴とする。
【０００８】
【作用】
通常、タービン発電機は発電機回転子、高圧タービンおよび低圧タービン等の各慣性体の間をシャフトで連結した軸系構造を有しているので、各慣性体を質点とみなし、連結するシャフトを回転方向に復元力を持つバネとみなすと、軸ねじり振動モデルにて、その回転方向の機械的運動を表現することができる。
【０００９】
このような観点から本発明では軸ねじり振動の各モードの挙動を２次関数で模擬するモーダルモデルで表したタービン発電機の軸ねじり振動の模擬装置を備えている。そして、軸系から直接計測した角速度信号に対して模擬装置から得られた角速度信号の差を模擬装置に入力して、常に模擬装置が正しく応動するようにしている。このように本発明の軸ねじり振動抑制装置は、模擬装置から得られた角速度信号を用いることにより所望の軸ねじり振動モードのみを抑制するものである。
【００１０】
モーダルモデルで構成した模擬装置では各モードはそれぞれ干渉のない挙動を示すため、本発明の軸ねじり振動抑制装置は他のモードに影響を与えず所望の振動モードのみを抑制することが可能である。一般的に、軸ねじり振動は最も低周波数の振動モードが問題となるため、低周波数のみを抑制する場合比較的小さな進み補償で実現できることになる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例のブロック構成図である。同図において、破線Ａで囲んだ部分がタービン発電機の軸系であり、また破線Ｂで囲んだ部分が軸ねじり振動模擬装置である。１２は三相送電線８の電圧と電流を検出して発電機３の瞬時有効電力の変動ΔＰを検出する電力検出器であり、この出力信号ΔＰが軸ねじり振動模擬装置Ｂへ入力される。これは模擬装置の加振力に相当するが、軸ねじり振動抑制装置１１が定常状態の振動の抑制を目的としているため省略することもできる。
【００１２】
軸ねじり振動模擬装置である破線Ｂ内において、１３は加算器、１４は軸ねじり振動の各モードへの分離回路、１５は各モードからの合成回路である。この合成回路１５から発電機端の角速度信号が出力される。ここで分離回路と合成回路内の係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２は入力信号と出力信号に関する軸ねじり振動のモードシェイプで決まる定数であり、発電機の出力に基づいて発電機の角速度信号を出力する場合、全て１．０となる。また、係数Ｋｆ は模擬装置から得られた信号を実測の角速度信号に近づくように補正するゲインであり、この係数が大きいほど模擬装置から得られた信号は実測の角速度信号とよく合致することになる。比較器１６はここで得られた角速度信号を発電機端から直接得られた角速度信号と比較して偏差を検出し、軸ねじり振動模擬装置が正しく応動するように入力部である分離回路１４に補正信号として加えている。
【００１３】
分離回路１４と合成回路１５の間のブロック表現は軸ねじり振動の各モードの挙動を模擬するモーダルモデルを表している。例えば、上部の添字１を有するブロックは軸ねじり振動の第１モード成分を、また下部の添字２を有するブロックは軸ねじり振動の第２のモード成分の挙動を模擬するためのものである。Ｋ１ ，Ｋ２ はモーダルバネ定数、Ｍ１ ，Ｍ２ はモーダル慣性定数、Ｄ１ ，Ｄ２ はモーダル制動係数を表現している。これらはタービン発電機の軸系特性（軸の強度、軸上に設けられている各タービンそして発電機の特性）から容易に、また精度よく算出できる固有の定数である。更に、Δω１ 、Δω２ は各モードのモーダル角速度信号を、Δδ１ 、Δδ２ はモーダル位相角信号、Δｔ１ ，Δｔ２ はモーダルトルク信号を表す状態変数である。また、本装置では振動抑制対象であるモーダル角速度信号を取り出して適切な位相信号となるように進み補償回路１７を通してその信号を励磁装置５に加えている。
【００１４】
次に、本実施例の作用について説明する。
本実施例では、各軸ねじり振動モードを模擬したブロックは固有の周波数で振動するようになっているため、比較器１６の出力である偏差信号に含まれる固有の振動成分に対して、その振動成分が零になるように各モードの角速度信号が応動することになる。つまり、図１中のＢ内の軸ねじり振動模擬装置は破線Ａ内のタービン発電機軸系の挙動として軸ねじり振動の各モードに対応するモーダルモデルによって軸ねじり振動成分のみからなる角速度信号Δω１ 、Δω２ を出力することができる。モーダル角速度信号はモード固有の振動周波数のみを含む信号であるため、進み補償回路１７はその振動周波数のみ適切な位相信号となるような容易な補償ですむことになる。
【００１５】
一般的に軸ねじり振動が問題となるモードは最も低い周波数のものである。従って、最低周波数モードのみの振動を抑制する場合、発電機３の界磁巻線６による遅れは小さいので、進み補償回路１７の進み補償は小さくてすむため実現が容易となる。
【００１６】
上述した実施例では振動模擬装置のモーダル角速度信号のみを使用したが、モーダル位相角信号はモーダル角速度信号に対して位相が９０度ずれ（モーダル位相角信号の負の信号は９０度位相進みである）ていることを利用して、モーダル角速度信号に替わりモーダル位相角信号を使用することもできる。更に両方の信号（モーダル角速度信号およびモーダル位相角信号）の比例演算により任意の位相を作ることで、全く位相の進み補償をしない信号を使用することも可能である。
【００１７】
また、上記実施例では励磁装置に入力される信号として第１のモードの角速度信号であるが、その代わりに第２のモードの角速度信号を入力しても良い。
【００１８】
また、上記実施例ではモードが２つある場合で説明したがこれに限るものではなく、複数のモードがある場合にはそのモードに応じたモーダルモデルを設けることで本発明の効果を得ることができる。また同様にモーダルトルク信号がモーダル角速度信号に対して位相が９０度ずれていることを利用して、モーダル角速度信号に替わりモーダルトルク信号あるいは両方の信号の加算信号を使用することもできる。従って本発明による装置の実現は更に容易となる。
【００１９】
なお、上記実施例ではタービン発電機の角速度信号は発電機端で検出した信号を用いているが、高圧タービン端で検出しても分離回路１４の係数と合成回路１５の係数が変わるだけで基本的な構成が変わることはない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、タービン発電機の軸ねじり振動の模擬装置から得られる信号を用いることにより、大きな進み補償関数を必要としない実現容易な軸ねじり振動抑制装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロック構成図。
【図２】従来のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置のブロック構成図。
【符号の説明】
Ａ…タービン発電機の軸系、Ｂ…軸ねじり振動模擬装置、１…高圧タービン、２…低圧タービン、３…発電機、４…軸、５…励磁装置、６…界磁巻線、７…系統、８…三相送電線、９…歯車、１０…角速度検出器、１１…軸ねじり振動抑制装置、１２…電力検出器、１３…加算器、１４…分離回路、１５…合成回路、１６…比較器、１７…進み補償回路。
【産業上の利用分野】
本発明はタービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統の送電線事故やそれに伴う再閉路、系統への非同期投入および直列コンデンサ補償系統におけるタービン発電機軸ねじり共振現象（Ｓｕｂ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ）等によって、タービン発電機軸にねじり加振力が作用する。さらに、軸ねじり振動に伴い、軸ねじり疲労が問題となる。従って、軸ねじり振動を検出しその信号に適切な演算処理を施した後、発電機の励磁装置に加えて軸ねじり振動を抑制する装置が考えられている。
【０００３】
図２は上記した従来技術のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置のブロック構成図である。
同図において、破線Ａで囲んだ部分がタービン発電機の軸系であり、１は高圧タービン、２は低圧タービン、３は発電機、４はそれらを結合している軸である。５は励磁装置であり、発電機３の端子電圧を検出し、この端子電圧が基準電圧設定値（図示しない）になるよう発電機３の界磁巻線６に流れる電流を制御している。７は電力系統、８は三相送電線、９は歯車、１０は角速度検出器、１１は軸ねじり振動抑制装置である。
【０００４】
今、例えば系統７に送電線事故等が発生すると、その擾乱は三相の送電線８を通して発電機３の軸４を加振して軸ねじり振動を引き起こす。この軸ねじり振動を発電機３の回転子の端部に設けられた歯車９から非接触で角速度を検出する角速度検出器１０で検出し、その検出信号は軸ねじり振動抑制装置１１に入力されて適切な位相補償を施され、励磁装置５に印加して軸ねじり振動を抑制すればよい。しかし、軸ねじり振動を抑制するためには、ねじり振動により発電機３の回転子が加速するときに発電機３の界磁巻線に流れる電流を増加して発電機３の出力を増加することにより発電機３に減速トルクを与える必要がある。しかし発電機３の界磁巻線は大きな応答遅れが生じるため、従来の軸ねじり振動抑制装置１１では、大きな進み補償関数を必要とした。しかも軸系のねじり振動には複数個の固有振動周波数（振動モード）が存在し、それらの固有振動周波数にはあまり大きな隔たりがないため、従来の軸ねじり振動抑制装置１１では存在する全ての振動モードに対して適切な進み補償関数が必要となる。従って、軸ねじりの高周波数振動補償のためには非常に大きな進み補償関数が必要となるが、ノイズ問題のため実現が困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、進み補償関数を用いる従来の軸ねじり振動抑制装置では非常に大きな進み補償が必要となり、製品としての実現は困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は大きな進み補償関数を用いることなく、容易に軸ねじり振動抑制が可能なタービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、タービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置において、前記タービン発電機を励磁する励磁装置と、前記タービン発電機軸端の角速度を検出する角速度検出器と、軸ねじり振動をモーダルモデルで構成した模擬装置とを備え、前記角速度検出器から検出した角速度信号を前記模擬装置に入力し、前記タービン発電機軸の固有振動に対応した成分の複数の角速度信号に分離してから前記励磁装置の入力に加算することで、位相進み補償で軸ねじり振動の抑制信号を得ることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置において、前記モーダルモデルで構成した模擬装置では、前記角速度検出器から検出した角速度信号に対して９０°位相がずれている位相角信号を、当該角速度信号と当該角速度信号を一定の比率で加減算することにより任意の位相を得ることで、位相補償なしで軸ねじり振動を抑制する抑制信号を得ること特徴とする。
【０００８】
【作用】
通常、タービン発電機は発電機回転子、高圧タービンおよび低圧タービン等の各慣性体の間をシャフトで連結した軸系構造を有しているので、各慣性体を質点とみなし、連結するシャフトを回転方向に復元力を持つバネとみなすと、軸ねじり振動モデルにて、その回転方向の機械的運動を表現することができる。
【０００９】
このような観点から本発明では軸ねじり振動の各モードの挙動を２次関数で模擬するモーダルモデルで表したタービン発電機の軸ねじり振動の模擬装置を備えている。そして、軸系から直接計測した角速度信号に対して模擬装置から得られた角速度信号の差を模擬装置に入力して、常に模擬装置が正しく応動するようにしている。このように本発明の軸ねじり振動抑制装置は、模擬装置から得られた角速度信号を用いることにより所望の軸ねじり振動モードのみを抑制するものである。
【００１０】
モーダルモデルで構成した模擬装置では各モードはそれぞれ干渉のない挙動を示すため、本発明の軸ねじり振動抑制装置は他のモードに影響を与えず所望の振動モードのみを抑制することが可能である。一般的に、軸ねじり振動は最も低周波数の振動モードが問題となるため、低周波数のみを抑制する場合比較的小さな進み補償で実現できることになる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例のブロック構成図である。同図において、破線Ａで囲んだ部分がタービン発電機の軸系であり、また破線Ｂで囲んだ部分が軸ねじり振動模擬装置である。１２は三相送電線８の電圧と電流を検出して発電機３の瞬時有効電力の変動ΔＰを検出する電力検出器であり、この出力信号ΔＰが軸ねじり振動模擬装置Ｂへ入力される。これは模擬装置の加振力に相当するが、軸ねじり振動抑制装置１１が定常状態の振動の抑制を目的としているため省略することもできる。
【００１２】
軸ねじり振動模擬装置である破線Ｂ内において、１３は加算器、１４は軸ねじり振動の各モードへの分離回路、１５は各モードからの合成回路である。この合成回路１５から発電機端の角速度信号が出力される。ここで分離回路と合成回路内の係数Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２は入力信号と出力信号に関する軸ねじり振動のモードシェイプで決まる定数であり、発電機の出力に基づいて発電機の角速度信号を出力する場合、全て１．０となる。また、係数Ｋｆ は模擬装置から得られた信号を実測の角速度信号に近づくように補正するゲインであり、この係数が大きいほど模擬装置から得られた信号は実測の角速度信号とよく合致することになる。比較器１６はここで得られた角速度信号を発電機端から直接得られた角速度信号と比較して偏差を検出し、軸ねじり振動模擬装置が正しく応動するように入力部である分離回路１４に補正信号として加えている。
【００１３】
分離回路１４と合成回路１５の間のブロック表現は軸ねじり振動の各モードの挙動を模擬するモーダルモデルを表している。例えば、上部の添字１を有するブロックは軸ねじり振動の第１モード成分を、また下部の添字２を有するブロックは軸ねじり振動の第２のモード成分の挙動を模擬するためのものである。Ｋ１ ，Ｋ２ はモーダルバネ定数、Ｍ１ ，Ｍ２ はモーダル慣性定数、Ｄ１ ，Ｄ２ はモーダル制動係数を表現している。これらはタービン発電機の軸系特性（軸の強度、軸上に設けられている各タービンそして発電機の特性）から容易に、また精度よく算出できる固有の定数である。更に、Δω１ 、Δω２ は各モードのモーダル角速度信号を、Δδ１ 、Δδ２ はモーダル位相角信号、Δｔ１ ，Δｔ２ はモーダルトルク信号を表す状態変数である。また、本装置では振動抑制対象であるモーダル角速度信号を取り出して適切な位相信号となるように進み補償回路１７を通してその信号を励磁装置５に加えている。
【００１４】
次に、本実施例の作用について説明する。
本実施例では、各軸ねじり振動モードを模擬したブロックは固有の周波数で振動するようになっているため、比較器１６の出力である偏差信号に含まれる固有の振動成分に対して、その振動成分が零になるように各モードの角速度信号が応動することになる。つまり、図１中のＢ内の軸ねじり振動模擬装置は破線Ａ内のタービン発電機軸系の挙動として軸ねじり振動の各モードに対応するモーダルモデルによって軸ねじり振動成分のみからなる角速度信号Δω１ 、Δω２ を出力することができる。モーダル角速度信号はモード固有の振動周波数のみを含む信号であるため、進み補償回路１７はその振動周波数のみ適切な位相信号となるような容易な補償ですむことになる。
【００１５】
一般的に軸ねじり振動が問題となるモードは最も低い周波数のものである。従って、最低周波数モードのみの振動を抑制する場合、発電機３の界磁巻線６による遅れは小さいので、進み補償回路１７の進み補償は小さくてすむため実現が容易となる。
【００１６】
上述した実施例では振動模擬装置のモーダル角速度信号のみを使用したが、モーダル位相角信号はモーダル角速度信号に対して位相が９０度ずれ（モーダル位相角信号の負の信号は９０度位相進みである）ていることを利用して、モーダル角速度信号に替わりモーダル位相角信号を使用することもできる。更に両方の信号（モーダル角速度信号およびモーダル位相角信号）の比例演算により任意の位相を作ることで、全く位相の進み補償をしない信号を使用することも可能である。
【００１７】
また、上記実施例では励磁装置に入力される信号として第１のモードの角速度信号であるが、その代わりに第２のモードの角速度信号を入力しても良い。
【００１８】
また、上記実施例ではモードが２つある場合で説明したがこれに限るものではなく、複数のモードがある場合にはそのモードに応じたモーダルモデルを設けることで本発明の効果を得ることができる。また同様にモーダルトルク信号がモーダル角速度信号に対して位相が９０度ずれていることを利用して、モーダル角速度信号に替わりモーダルトルク信号あるいは両方の信号の加算信号を使用することもできる。従って本発明による装置の実現は更に容易となる。
【００１９】
なお、上記実施例ではタービン発電機の角速度信号は発電機端で検出した信号を用いているが、高圧タービン端で検出しても分離回路１４の係数と合成回路１５の係数が変わるだけで基本的な構成が変わることはない。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、タービン発電機の軸ねじり振動の模擬装置から得られる信号を用いることにより、大きな進み補償関数を必要としない実現容易な軸ねじり振動抑制装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のブロック構成図。
【図２】従来のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置のブロック構成図。
【符号の説明】
Ａ…タービン発電機の軸系、Ｂ…軸ねじり振動模擬装置、１…高圧タービン、２…低圧タービン、３…発電機、４…軸、５…励磁装置、６…界磁巻線、７…系統、８…三相送電線、９…歯車、１０…角速度検出器、１１…軸ねじり振動抑制装置、１２…電力検出器、１３…加算器、１４…分離回路、１５…合成回路、１６…比較器、１７…進み補償回路。
Claims (2)
- タービン発電機の励磁制御による軸ねじり振動抑制装置において、前記タービン発電機を励磁する励磁装置と、前記タービン発電機軸端の角速度を検出する角速度検出器と、軸ねじり振動をモーダルモデルで構成した模擬装置とを備え、前記角速度検出器から検出した角速度信号を前記模擬装置に入力し、前記タービン発電機軸の固有振動に対応した成分の複数の角速度信号に分離してから前記励磁装置の入力に加算することで、位相進み補償で軸ねじり振動の抑制信号を得ることを特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置。
- 請求項１記載のタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置において、前記モーダルモデルで構成した模擬装置は、前記角速度検出器から検出した角速度信号に対して９０°位相がずれている位相角信号を、当該角速度信号と当該角速度信号を一定の比率で加減算することにより任意の位相を得ることで、位相補償なしで軸ねじり振動を抑制する抑制信号を得ること特徴とするタービン発電機の軸ねじり振動抑制装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP15001193A JP3579067B2 (ja) | 1993-06-22 | 1993-06-22 | タービン発電機の軸ねじり振動抑制装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15001193A JP3579067B2 (ja) | 1993-06-22 | 1993-06-22 | タービン発電機の軸ねじり振動抑制装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0711911A JPH0711911A (ja) | 1995-01-13 |
| JP3579067B2 true JP3579067B2 (ja) | 2004-10-20 |
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ID=15487532
Family Applications (1)
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| JP15001193A Expired - Fee Related JP3579067B2 (ja) | 1993-06-22 | 1993-06-22 | タービン発電機の軸ねじり振動抑制装置 |
Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| ES2911418T3 (es) * | 2016-06-20 | 2022-05-19 | Nuovo Pignone Tecnologie Srl | Dispositivos de accionador eléctrico para la reducción de oscilaciones de perforación en sistemas de turbomaquinaria |
-
1993
- 1993-06-22 JP JP15001193A patent/JP3579067B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0711911A (ja) | 1995-01-13 |
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