JPS6342215B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、相互に弾性的に結合された質量から
なる振動系を模擬するために模擬すべき系のパラ
メータ（ばね定数、慣性モーメント）に関係する
積分定数を有し、振動体として構成された複数の
積分要素を備えた模擬装置に関する。

〔従来の技術〕

タービン発電機軸の寿命を監視するために、発
電機電圧および発電機電流に比例した電気量をア
ナログ演算回路の入力端に導き、このアナログ演
算回路の出力端に発電機の空隙における電気的回
転モーメントに比例した電気量を生じさせ、この
アナログ演算回路の出力側に接続した模擬回路に
よりタービン発電機の個々の部分における回転モ
ーメントを検出し、この検出された回転モーメン
トをアナログ・デイジタル変換器に入れてデイジ
タル量に変換し、このデイジタル量を寿命に比例
した信号に変換するデイジタル演算器に与え、ア
ナログ・デイジタル変換器に並列に接続した擾乱
検出装置により、回転軸部分におけるモーメント
が極大値にあるときのみアナログ・デイジタル変
換器がデイジタル検出量を後段のデイジタル演算
器に導くようにすることによりタービン発電機軸
の寿命を監視する装置は既に本出願人により提案
されている（特公昭56−51286号公報）。この監視
装置に使される模擬回路においては、タービン発
電機軸がねじり振動系として模擬され、個々の部
分タービン、発電機回転子、および励磁機が回転
質量として把握され、それらの間にある軸部分は
ねじりばねとして把握され、隣り合う回転部分の
回転角度差から積分要素を用いて回転軸の各部分
のモーメントが検出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、そのような装置を改良し、回
転角の測定および積分を行うことなく、かつ回転
質量の慣性モーメントおよび回転質量間に接続さ
れたばね要素のばね定数を完全に正確に模擬しな
い場合でも、特に個々の部分の振動周波数につい
て振動現象を高い精度で模擬し得るようにするこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によればこの目的は、相互に弾性的に結
合された質量から成る振動系を模擬するために、
模擬すべき系のパラメータ（ばね定数、慣性モー
メント）に関係する積分定数を有し、振動体とし
て構成された複数の積分要素を備えた模擬装置に
おいて、目標値−実際値比較のために、振動周波
数によつて影響を受けるモデルの出力値（回転
数、モーメント）が模擬すべき系の対応する測定
値とともに加算素子に与えられ、加算素子の出力
は振動体の振動周波数を制御するための可調整増
幅度を有する各比例増幅器を介して各積分要素の
入力端に与えられ、加算素子には模擬すべき系の
所要の固有振動周波数を通過させるフイルタがそ
れぞれ前後に接続されることによつて達成され
る。

〔実施例〕

以下図面について本発明の実施例を説明する。
ここでは、模擬すべき系は上記タービン設備にお
ける４つのタービン段を有する軸であり、その軸
上には更に発電機とその励磁機とが配置されてい
る。そのような系は、６つの質量と、各質量の間
に配置された５つのばねを持つ振動系として考え
ることができる。ここで質量は蒸気タービンの高
圧タービン、中圧タービン、２つの低圧タービン
の各段と、発電機および励磁機の回転子とにより
表わされ、ばねは個々の質量の間にある軸片であ
る。この系は、例えば電気系統の故障のために発
電機に使用するトルクが急変するようなときに振
動を生じる。本装置により、このような系の個々
の軸部分において振動時に現われるモーメントを
できるだけ正確に模擬しようとするものである。
本装置により得られる測定値は、特に個々の軸部
分の応力と連続負荷とを検出し、後置されたコン
ピユータにより疲労状態を確定し、個々の軸点の
連続負荷に関する情報を得ることを可能にする。
従つて本装置により、場合によつては軸の修理ま
たは交換がいつ必要となるかをかなり正確に確定
することができる。

第１図は４つのタービン段の慣性モーメントに
対する慣性モーメントＪ１ないしＪ４と、発電機
および励磁機の慣性モーメントに対する慣性モー
メントJGおよびJEとを有する質量からなる模擬
された系を示している。それぞれ２つの質量間に
配置されたばね要素のばね定数はＣ１，２；Ｃ
２，３；Ｃ３，４；Ｃ４，ＧおよびCG，Ｅで示
されている。それらのばね要素には、本装置によ
つて求められる軸モーメントＭ１，２；Ｍ２，
３；Ｍ３，４；Ｍ４，ＧおよびMG，Ｅが作用す
る。さらに発電機の固定子は回転子にトルクを与
えるが、このトルクはMGとして示されている。
タービン段には、供給される蒸気により生じる対
応するモーメントＭ１〜Ｍ４が作用する。これら
のねじりモーメントは生蒸気圧力と個々のタービ
ン段を通る蒸気流量とから求められる。さらに振
動する質量の１つには測定発信器１が結合され、
この測定発信器１は第１図の実施例においては回
転数ｎ１を測定する。例えばターボ発電機のねじ
り振動測定に対しては、測定発信器の信号はター
ボ発電機の回転子の溝高調波から得ることができ
る。回転子溝ピツチに相当する極ピツチを有する
発電機の空隙内に置かれた測定ループは、出力量
として実際上は溝高調波のみを含んでいる。この
出力量は、発電機が一つの溝ピツチだけを持つて
いるときには、重畳されたねじり振動を有する回
転数に対する感度のよい信号として直接使用する
ことができる。

この系を模擬するためのモデルは、質量の一部
分に対して第２図に示されている。この実施例に
おいて測定発信器１は、回転軸上に取付けられ軸
の回転運動によりパルス列を発生するパルス円板
から成り、この測定発信器１により、問題となつ
ている周波数領域を電圧に変換するための変換器
２が制御される。したがつて変換器２の出力電圧
は回転数ｎ１に比例する。変換器２の出力端には
高域フイルタ３が接続され、これは回転数を示す
曲線から低周波数（例えば０ないし２Hz）をより
分ける。高域フイルタ３の後にはフイルタ４が接
続されており、これは予想される振動周波数より
上にある擾乱周波数を測定値から除去し、その結
果フイルタ４の出力端には回転数nmが現われ、
この回転数は約３ないし35Hzの範囲の周波数のみ
を含んでいる。

この周波数は加算素子５に達し、この加算素子
５には対応する周波数が導線６を介してモデルか
ら負符号で供給される。従つて加算素子５の出力
導線７には、加算素子５に供給される２つの電圧
変化の差が現われ、この差は、モデルの振動状態
が模擬すべき系の振動状態に完全に一致するとき
は常に零である。出力導線７は比例増幅器８〜１
４を介して加算素子１６〜２２に接続され、これ
らの加算素子は積分要素２３〜２９の各入力端の
前に存在する。比例増幅器１５は別の積分要素３
０のすぐ前に置かれ、積分要素３０の出力端は整
合素子３１〜３３を介して加算素子１７，１９お
よび２１に接続されている。この場合比例増幅器
１５は他の比例増幅器８〜１４と同様に、模擬す
べき系に依存し算定可能な規定の増幅度に調節さ
れ、その結果出力端にはそれぞれ入力に比例する
値が現われる。整合素子３１〜３３は主として抵
抗回路であり、これらの抵抗回路は積分要素３０
の出力の規定の部分を加算素子１７，１９および
２１に達せしめる。これらの部分は積分要素３０
の積分定数と比例増幅器１５の増幅度とに関連し
て構成され、系に供給されるすべてのモーメント
の和（Ｍ１〜Ｍ４およびMGの和）が零値でない
ときには常に加算素子１７，１９および２１に整
合素子３１〜３３を介して補正信号が到達する。
比例増幅器１５は積分要素３０と整合素子３１〜
３３と共に、個々のモーメントを求める際に現わ
れる測定誤差を、これらの測定誤差によりすべて
のモーメントの和が零と異なるときに補償する役
目をしている。

積分要素２３，２５および２７は、所属の質量
の慣性モーメントＪ１，Ｊ２およびJGに依存す
る積分定数を持つている。本実施例において存在
している他の質量に対して設けられている他の積
分要素も同様に接続され、見易くするため第２図
には示されていない。積分要素２３，２５，２７
のそれぞれには、帰還増幅器３４，３５，３６が
並列に接続され、これらの帰還増幅器は積分要素
２３，２５，２７にそれぞれ前置された加算素子
１７，１９，２１に負符号で作用する。これらの
帰還増幅器は、個々の質量の振動の際における減
衰に相当する増幅度を持つている。この減衰は例
えばタービン段においてはタービン翼と蒸気との
摩擦により与えられる。

積分要素２３，２５，２７の出力端には、帰還
増幅器３４，３５および３６の入力端の他にそれ
ぞれ１つの加算素子１８，２０および２２が接続
されている。これらの加算素子の出力端には積分
要素２４，２６および２８が置かれ、これらの積
分要素の積分定数は、それぞれ２つの質量間のば
ね要素の各ばね定数に対応している。これらの積
分要素２４，２６および２８の各出力端は系の出
力導線３７，３８，３９となり、この出力導線に
はモーメントＭ１，２；Ｍ２，３；MG，Ｅに相
当する信号を生じる。積分要素２３，２４；２
５，２６；２７，２８はそれぞれ対となつて、模
擬すべき系の２つの隣接する質量の固有振動周波
数に一致する周波数で振動する振動体となる。こ
の周波数が模擬すべき振動系における対応する周
波数と異なると、導線６におけるモデルの出力回
転数とフイルタ４の出力端との間に偏差が生じ、
その結果補正信号は加算素子５の出力導線７と、
例えば比例増幅器９および１０を介して積分要素
２３および２４の入力端に与えられ、振動周波数
は再び模擬すべきモデルに合わされる。この結
果、正確には調節されていない、慣性モーメント
またはばね定数に対応する積分要素２３および２
４の積分定数において、模擬すべき系の対応する
部分におけると同じ振動周波数が常に調節され
る。

積分要素２４，２６および２８の出力はあると
きは負の符号で、あるときは正の符号で加算素子
４０，４１，４２に接続され、それらの加算素子
にはモーメントＭ１〜Ｍ４およびMGに相応する
測定値を有する入力導線がつながつている。これ
らの加算素子４０〜４２の出力端は加算素子１
７，１９および２１に接続され、積分要素２３，
２４；２５，２６；２７，２８からなる振動体に
対するそれぞれ１つの帰還部を形成する。これら
の帰還導線には帰還増幅器４３〜４５が接続さ
れ、その増幅度は模擬すべき系のそれぞれ隣接す
る質量の慣性モーメントの比に相当する。従つて
例えば帰還増幅器４３の増幅度は質量Ｊ２；Ｊ１
の慣性モーメントの比に比例する。

モデルの動作は次のように行われる。

加算素子４１においては、系の対応して隣接す
る部分Ｍ１，２およびＭ２，３のモーメントの差
が形成される。これには、質量２に作用するモー
メントＭ２が加えられる。モーメントＭ１，２が
模擬すべき系における相当する値より小さいよう
にすると、加算素子４１の出力端には負の出力量
が現われ、この出力量は帰還増幅器４３を介して
質量１および２の慣性モーメントの比に相当して
増幅され、帰還増幅器４３の出力端に負の信号を
発生する。この負の信号は加算素子１７の出力値
を増大する。何故ならば、帰還増幅器４３の出力
端は負符号で加算素子１７に接続されているから
である。これにより、積分要素２３の入力値が増
大し、その結果積分要素２４の出力の増大が続
く。このような帰還部を介しての制御は、積分要
素２４の出力がばね定数Ｃ１，２を有するばねに
作用するモーメントＭ１，２に相当するまで作用
する。このことは、慣性モーメントＪ１およびＪ
２を有する質量間の差回転数に常に相当する信号
が積分要素２３と２４との間に現われるように比
例増幅器９および１０が働くから、特に確実にさ
れる。

同様に、比例増幅器８は加算素子４０の出力端
と共に、加算素子１６に後置されている積分要素
２９の出力端に、模擬すべき系の測定発信器が接
続されている個所における模擬すべき系の回転数
に相当する測定値が現われるように考慮されてい
る。この回転数から、積分要素２９に後置されて
いる高域フイルタ４６とフイルタ４７とにより再
び問題となつている周波数がより分けられる。フ
イルタ４７は別の比例増幅器４８を介してさらに
制御回路を安定化するように制御され得る。

積分要素２９と後置された高域フイルタ４６と
の代わりに、帰還結合された積分要素を使用する
こともできる。このことは、特に、ねじり振動を
作る回転する系のシミユレーシヨンの際に有利で
ある。何故ならば積分要素２９と高域フイルタ４
６との間には定格回転数に相当する非常に高い電
圧が現われるからである。

第２図に記載された実施例においては、特に互
いに結合された多数の質量を有する振動系におい
て、比例増幅器８〜１５に対する増幅度を明らか
にすることができ、この増幅度は、２つの隣接し
た特に比較的小さな質量の個々の振動が測定発信
器１において測定された振動プロセスに与える影
響を僅かにするために非常に高い値を必要とす
る。そのような複雑な振動系を市販の構成素子
（増幅器、抵抗）により充分な精度で模擬できる
ようにするために、本発明によれば互いに結合解
除された振動体を有する変換モデルが提案され
る。第２図による実施例においては、それぞれ直
列に接続された２つの積分要素からなる隣接した
振動体に同じ帰還部が設けられているのに対し、
以下の実施例においては個々の振動体は互いの結
合が解かれ、その結果各振動体は規定の固有振動
数を持つている。

実際に存在するような、そして第１図に原理的
に示されているような、同じ質量とそれらの間に
配置されたばねを有する振動系は、数学的振動式
によつて表わすことができる。例えば直列に接続
された２つの抵抗は、抵抗値を適当に変えると、
２つの並列に接続された抵抗と同じ作用を持つの
と同様に、この第１図に示されている振動系は、
それぞれ１つのばねを介して固定した基台に結合
されている質量を有する振動系に数学的に変換す
ることができる。変換式は例えば高橋著
“Control and Dynamic Systems”から得るこ
とができる。そのような変換された系は、第１図
による実施例に使用すると、例えば第３図に示さ
れるものとなる。変換式によれば、慣性モーメン
トTM１〜TM６を有する６つの質量と、ばね定
数f₁〜f₅を有するばねとなる。慣性モーメント
TM６を有する質量はこの場合に基台４９に結合
されていない。

第４図には、第２図におけると同じ部分には同
じ符号で記されている装置が示されている。ここ
でも加算素子５が設けられ、この素子はモデルお
よび模擬すべき系の振動数ないし回転数を比較す
る。、このモデルの特別な利点は、変換された質
量に作用し、振動を生じるモーメントが６つの質
量の２つないし最大３つに対してのみ、モデル中
で考慮されねばならない大きさであることであ
る。従つてこの変換された系のシミユレーシヨン
の際、それぞれ２つの積分要素からなる２つ（な
いし３つ）の振動体で間に合わせることができ
る。その結果、加算素子５の出力導線７は４つの
比例増幅器５０〜５３のみに通じる。出力導線７
には第２図とは異なり付加的に帰還部８６を有す
る積分要素８５が接続されている。この積分要素
は、出力導線７における信号をさらに進める際
に、構成素子の寄生時定数よりもともと現われる
時間遅れより大きい時間遅れを生ずる。増幅器５
０〜５３および帰還部８６を設計する際に、積分
要素８５の時定数が考慮される。これにより、構
成素子の未知の寄生時定数は無視することがで
き、シミユレーシヨン回路の精度および安定度に
はごく僅かの影響を持つだけである。第４図で
は、比例増幅器５０に振動体５４が、また比例増
幅器５１に振動体５５が後置されている。各振動
体は測定された回転数から加算素子の入力端に存
在する規定の固有振動周波数で振動するが、すべ
てのモーメントにより異なつた様式で励起され
る。振動体５４および５５はこの励起を考慮する
ために２つの論理回路５６および５７と２つの分
配回路５８および５９との間に接続されている。

そのような論理回路は第５図に示されている。
この回路はモーメントＭ１〜Ｍ４およびMGに対
する５つの入力導線と、各入力導線に対してそれ
ぞれ２つの比例増幅器６０および６１とを持つて
いる。変換から計算可能な係数に相当して異なつ
た増幅度を持つすべての比例増幅器６０の出力は
加算素子６０において、また比例増幅器６１の出
力は加算素子６３において加算される。加算素子
６２の出力は例えば論理回路に後置された振動体
の前置された積分要素に、また加算素子６３の出
力は振動体の後置された積分要素に導かれる。論
理回路５６からは、例えば振動体５４への２つの
導線が通じている。

これに相応して、分配回路５８および５９は、
第６図に詳細に示されるように構成されている。
それらの回路は、それぞれ１つの入力導線６４，
６５およびそれぞれ６つの比例増幅器６６および
６７を持つている。比例増幅器６６および６７の
出力は個々のモーメントＭ１，２；Ｍ２，３；Ｍ
３，４；Ｍ４，ＧおよびMG，Ｅに対する出力値
並びに回転数ｎ１に対する出力値に相当してい
る。振動体５４および５５の両固有周波数はすべ
べての部分モーメントに寄与しているので、比例
増幅器６６および６７のそれぞれ２つの比例増幅
器の出力端は加算素子６８を介して相互に、かつ
それぞれの出力導線に接続されている。

第３図における自由質量を考慮するために、２
つの振動体５４および５５には単独の積分要素６
９が並列に接続され、この積分要素はまた論理回
路７０と分配回路７１との間に接続されている。
積分要素６９は帰還部を持つているので、同時に
第２図における高域フイルタ４６の作用を行い得
る。この帰還結合された積分要素に並列に別の積
分要素７２があり、これは積分要素３０と同様に
比例増幅器５３を介して加算素子５の出力導線７
に接続され、測定されたすべてのモーメントの和
が零にならないとき補正信号を発する。この補正
信号は分配回路７３を介して加算素子７４に達す
るが、この加算素子の出力は加算素子６８の出力
と、分配回路７１の出力と共に加算素子７５に導
かれ、この加算素子からは周波数の作用を受ける
モデル部分の出力導線７６が出ている。

第３図における慣性モーメントTM３，TM４
およびTM５を有する質量に対する僅かの励起振
幅のために、これらの質量に対しては振動体が設
けられていない。それにも拘らず、これらの質量
の間には静的ねじりモーメントが生じ、このねじ
りモーメントは第３図による変換されたモデルに
おいて、ばね定数f₃〜f₅を有するばねが多少とも
予め張力を受けるようにする。各ばねのこの予張
力はすべての入力モーメントに関係している。こ
の影響を考慮するために、振動体と積分要素とに
並列に増幅器マトリツクス７７が接続され、この
マトリツクスはまた論理回路７８の出力端に接続
され、またマトリツクスの出力端（出力導線７６
の数に相応する）は各出力導線に対する加算素子
７９に通じている。また出力導線７６も加算素子
７９に通じている。

加算素子７９の出力端からモデルの出力量を取
出すことができる。これらの出力導線８０の１つ
は加算素子８１に通じ、この加算素子の第２の入
力端はフイルタ８２に接続されている。フイルタ
８２は既に述べた振動体と積分要素とに並列に接
続され、また論理回路８３と分配回路８４との間
に配置されている。その作用は第２図におけるフ
イルタ４７に相当しているので、加算素子８１の
出力導線６に、慣性モーメントTM１〜TM６を
有する質量のすべての個別振動の和に相当する値
を生じる。この振動は第２図による第１の実施例
におけるように加算素子５において、模擬すべき
系の測定された振動と比較することができる。

〔発明の効果〕

本発明のよれば、回転軸の各部分の回転軸の測
定を行うことなく簡単かつ正確に振動系を模擬す
ることができるものであり、また回転している振
動系に限定されることなく、例えば結合部材にお
ける個々の質量間に主として曲げモーメント、引
張りモーメント或は圧縮モーメントが現われうる
ような装置に対しても利用することができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は模擬される系の概略説明図、第２図は
第１図に示す系を模擬するためのモデルの一実施
例の接続図、第３図は模擬される系の第１図とは
異なる形式の概略説明図、第４図は第３図に示す
系を模擬するためのモデルの一実施例の接続図、
第５図は第４図における論理回路の一例の接続
図、第６図は第４図における分配回路の一例の接
続図である。 １……測定発信器、２……変換器、３……高域
フイルタ、４……フイルタ、５……加算素子、８
〜１５，５０〜５３……比例増幅器、１６〜２２
……加算素子、２３〜３０……積分要素、３４〜
３６……帰還結合増幅器、４０〜４２……加算素
子、４３〜４５……帰還結合増幅器、５４，５５
……振動体、５６，５７……論理回路、５８，５
９……分配回路、Ｊ１〜Ｊ４，JG，JE……慣性
モーメント、Ｃ１，２；Ｃ２，３；Ｃ３，４；Ｃ
４，Ｇ；CG，Ｅ……ばね定数、Ｍ１〜Ｍ４，
MG，ME……トルク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 相互に弾性的に結合された質量から成る振動
   系を模擬するために、模擬すべき系のパラメータ
   （ばね定数、慣性モーメント）に関係する積分定
   数を有し、振動体として構成された複数の積分要
   素を備えた模擬装置において、目標値−実際値比
   較のために、振動周波数によつて影響を受けるモ
   デルの出力値（回転数、モーメント）が模擬すべ
   き系の対応する測定値とともに加算素子に与えら
   れ、加算素子の出力は振動体の振動周波数を制御
   するための可調整増幅度を有する各比例増幅器を
   介して各積分要素の入力端に与えられ、加算素子
   には模擬すべき系の所要の固有振動周波数を通過
   させるフイルタがそれぞれ前後に接続されること
   を特徴とする振動系の模擬装置。