EP2550732A2 - Vermeidung von torsionsanregungen in umrichtergeführten verdichtersträngen - Google Patents

Vermeidung von torsionsanregungen in umrichtergeführten verdichtersträngen

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EP2550732A2
EP2550732A2 EP11711805A EP11711805A EP2550732A2 EP 2550732 A2 EP2550732 A2 EP 2550732A2 EP 11711805 A EP11711805 A EP 11711805A EP 11711805 A EP11711805 A EP 11711805A EP 2550732 A2 EP2550732 A2 EP 2550732A2
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EP
European Patent Office
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machine
frequency
drive
vfd
rotor
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11711805A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Hütten
Norbert Wagner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/74—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Definitions

  • the invention relates to a machine having a converter ⁇ guided drive with variable rotational frequency
  • the machine comprising at least one rotor
  • inverter is designed such that in a Campbeil diagram relative to the machine (WM)
  • Such machines have at least one rotor and may also comprise a plurality of rotors, which may also be part of an intermediate gear. If there are multiple rotors, the invention is applicable to each individual. For a single rotor is the
  • Power range of at least 1MW recording power which is fundamentally different in terms of dimensions and material selection and the use of significantly smaller units.
  • frequency components which are not integer multiples of the frequency of the feed signal are determined by the Fourier analysis (fast Fourier transformation), these components are called
  • Vibration curve for example, a torsional vibration of a rotor shaft is transformed by means of Fourier transform from the time domain in the frequency domain, so they are in the Campbell diagram as rising and falling lines over the X-axis, which reflects the speed of the rotor. Orders (Ol, 02, 7) of the Fourier transform are then reflected in these lines appearing as center rays, whose
  • the natural frequencies are reproduced as a tolerance band whose respective width results from the inaccuracy of the model formation and possibly other variances. In the following refers to the
  • Torsional natural frequency - unless otherwise stated - always to the tolerance band described.
  • harmonic excitation frequencies are shown, which are a straight line parallel to the abscissa, if they are independent of the speed. If the Excitation frequency is variable with the speed, it represents an increasing or decreasing straight line through the origin. Is the engine speed in a range in which the excitation frequency curves the tolerance band of
  • ... Fn are grouped into concentration ranges Gl, Gi, ... Gz, where Fi, which are close to each other in Gi, are combined, which together form a common starting point.
  • Gi, ... Gz are defined by the intersection of the lowest torsional natural frequency of the rotor with the two straight lines of the pair of beams of the first-order interharmonic of the respective concentration range Gl, Gi, ... Gz.
  • Torsional natural frequency leads to a resonance state with high torsional vibration amplitudes and thus to high dynamic torsional stresses in the torque transmitting strand components. The result may be resulting consequences such as fatigue damage the
  • the spectrum of the frequency analysis shows that the output from the inverter in addition to the desired frequency still other frequencies that are to suggestions of
  • Torsionsschwingungen can lead.
  • Such unwanted secondary frequencies which can hardly be avoided so far, are also called harmonic or interharmonic
  • the invention has the object to improve the smoothness of machines with inverter-driven drives and thereby the possible consequences of high vibrations, such.
  • An operating speed range indicates the range of the rotational speed of a rotor on which the design of the machine is based, in which the rotational speed is at least 90% of the assumed operating time.
  • Inverter a motor feed frequency or a
  • the preferred field of application of the invention are machines which are designed as a turbo set, in particular machines which have at least one turbo-compressor.
  • the usual choice of the drive today causes the
  • devoted resonance-free operating speed ranges are used. For example, it is expedient if the transmission translates the speed of the converter-guided drive to a higher speed on the work machine.
  • a pole pair number of> 2 of the converter-driven drive in combination with a gearbox for the work machine translating to a higher speed can implement the inventions particularly advantageously if at least one concentration range lies in the range of the input frequency in the converter, which is relatively frequently the case. In this way, the engine gives way to the interharmonic
  • Exciter frequency of the inverter in the direction of a lower speed and the transmission translates this lower speed to the desired speed of the machine or in a corresponding operating speed range.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a
  • FIG. 2 shows a cam follower diagram, which is characteristic of the converter illustrated as an example in FIG.
  • FIG. 3 shows a section from the Campbeil diagram of FIG. 2 and the implementation possibilities with respect to the operating speed range of the machine.
  • FIG. 1 shows a machine M according to the invention schematically.
  • Essential components of the inventive machine M are the (frequency) converter VFG, a converter-driven drive VFD with a variable speed ni and a
  • the embodiment further comprises a transmission gear TR, which translates the speed generated by the drive VFD on a first shaft SH1 to a second speed n2 on a second shaft SH2, which drives the compressor CO.
  • the compressor CO promotes a
  • Torsion natural frequencies FT1, FT2, FTi so that high during operation near these frequencies
  • Vibration amplitudes can occur. Furthermore, by the torsional bending vibration coupling, in particular in intermediate gears, by torsional vibrations also
  • the inverter is a power source inverter (LCI).
  • the inverter may also be a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of this
  • Campbeil diagram that represents these so-called interharmonic excitation frequencies of the inverter output. These excitation frequencies are generated in the inverter and in the motor via the air gap between the stator and rotor on the
  • the Campbeil diagram is used in all areas of vibration technology, for example for the representation of
  • Vibrations of rotors and blades The diagram is suitable for the vibration tuning, e.g. all in one
  • Natural frequencies can also be represented as a frequency band whose width is determined by the variance of the
  • excitation frequencies also include spectral components that are considered interharmonic
  • FIG. 2 shows, by way of example, three straight lines which indicate interharmonic excitation frequencies as a function of the input rotational speed, which each have a starting point on the abscissa.
  • the region FA defined by the outer elements of the grouping does not belong to the desired resonance-free operating rotational speed range of the exemplary region OR of the machine M.
  • the illustrated operating rotational speed range OR is, for example, present between that which is spanned
  • the operating speed range OR is exemplary here
  • the output frequency FO of the converter in combination with the pole pair number PPZ of the drive VFD can be selected such that within the desired
  • Barrier area FA with a pole pair number of PPZ 3 to one third as 1000 RPM.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschine (M) mit einem Umrichtergeführten Antrieb (VFD), mit einer Arbeitsmaschine (WM), wobei die Maschine (M) mindestens einen Rotor (R) umfasst, mit einem Frequenzumrichter (VFG), der eine Eingangsfrequenz auf eine Ausgangsfrequenz umrichtet, wobei der Umrichter derart ausgebildet ist, dass sich in einem Campbell-Diagramm bezogen auf die Maschine (WM) Schnittpunkte der vom Antrieb (VFD) anregbaren Torsionseigenfrequenz des Rotors (R) mit V- förmigen symmetrischen Geraden der interharmonischen Erregerfrequenz für Ausgangsfrequenzen F1, F2, F3,..., Fi ergeben. Um die Laufkultur derartiger Maschinen zu verbessern, schlägt die Erfindung vor, dass F1,..., Fi gruppiert sind in auf die Maschinendrehzahl bezogene Konzentrationsbereiche G1,..., Gi,..., Gz, wobei in Gi zueinander derart naheliegende Fi zusammengefasst sind, die miteinander jeweils einen gemeinsamen Ausgangspunkt auf der Abszisse haben, wobei die obere und untere Grenze des Konzentrationsbereichs G1,..., Gi,...Gz definiert sind durch den Schnittpunkt der niedrigsten Torsionseigenfrequenz des Rotors mit den beiden Geraden des Strahlenpaars der Interharmonischen erster Ordnung des jeweiligen Konzentrationsbereichs G1,..., Gi,...Gz, wobei jeder Konzentrationsbereich G1,..., Gi,...Gz, einen Sperrbereich (FA) definiert, wobei die Maschine einen Betriebsdrehzahlbereich (OR) aufweist, welcher außerhalb der Sperrbereiche (FA) liegt.

Description

Vermeidung von Torsionsanregungen in umrichtergeführten
Verdichtersträngen
Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem Umrichter¬ geführten Antrieb mit variabler Drehfrequenz,
mit einer Arbeitsmaschine, wobei der Antrieb und die
Arbeitsmaschine derart miteinander verbunden sind, dass ein Drehmoment übertragbar ist,
wobei die Maschine mindestens einen Rotor umfasst,
mit einem Umrichter, der elektrisch an den Antrieb
angeschlossen ist und eine Eingangsfrequenz auf eine
Ausgangsfrequenz umrichtet,
wobei der Umrichter derart ausgebildet ist, dass sich in einem Campbeil-Diagramm bezogen auf die Maschine (WM)
Schnittpunkte der vom Antrieb anregbaren
Torsionseigenfrequenz des Rotors mit V-förmigen symmetrischen Geraden der interharmonischen Erregerfrequenz für
Ausgangsfrequenzen Fl, F2, F3, Fi ergeben.
Derartige Maschinen weisen mindestens einen Rotor auf und können auch mehrere Rotoren umfassen, welche auch Bestandteil eines zwischengeordneten Getriebes sein können. Wenn es sich um mehrere Rotoren handelt, so ist die Erfindung auf jeden einzelnen anwendbar. Bei einem einzelnen Rotor ist der
Antriebsrotor mit dem Arbeitsmaschinenrotor entlang einer gemeinsamen Drehachse zu einem Wellenstrang fest miteinander verbunden .
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der
Leistungsbereich von mindestens 1MW Aufnahmeleistung, welcher sich hinsichtlich der Abmessungen und der Materialauswahl und der Verwendung von bedeutend kleineren Aggregaten grundlegend unterscheidet .
Durch das Gleichrichten und im nächsten Schritt das
Wechselrichten innerhalb des Umrichters auf die gewünschte Arbeitsfrequenz werden neben der Arbeitsfrequenz auch harmonische und interharmonische Frequenzanteile im
elektrischen Speisesignal des Motors generiert.
Wenn durch die Fourieranalyse (schnelle Fourier- Transformation) unter anderen auch Frequenzanteile ermittelt werden, die nicht ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Speisesignals sind, nennt man diese Komponenten
Interharmonische . Diese harmonischen und interharmonischen Frequenzen im elektrischen Speisesignal des Motors werden im Luftspalt des Motors als erregende Torsionsmomente in das mechanische
System eingeleitet. Ein Campbell-Diagramm ermöglicht durch diese Synopse von Rotordrehzahl, Erregerfrequenzen und Eigenfrequenzen eine Beurteilung der Laufkultur einer Maschine in einem
Drehzahlbereich . Wenn ein drehzahlabhängiger
Schwingungsverlauf, beispielsweise einer Torsionsschwingung einer Rotorwelle, mittels Fourier-Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert wird, so stellen sich diese im Campbell-Diagramm als steigende und einer fallende Geraden über der X-Achse dar, wobei diese die Drehzahl des Rotors wiedergibt. Ordnungen (Ol, 02, ...) der Fourier-Transformation spiegeln sich dann in diesen als Mittelpunktstrahlen erscheinenden Geraden wieder, deren
Steigung proportional zur jeweiligen Ordnungszahl sind.
Auf der Ordinate wird die Frequenz f der Eigenfrequenz des Rotors bzw. des rotierenden Bauteils, welches der Betrachtung unterzogen wird, wiedergegeben. Die Eigenfrequenzen sind als Toleranzband wiedergegeben, dessen jeweilige Breite sich durch die Ungenauigkeit der Modelbildung und ggf. andere Varianzen ergibt. In der Folge bezieht sich die
Torsionseigenfrequenz - wenn nicht anders angegeben - stets auf das beschriebene Toleranzband.
Zusätzlich werden harmonische Erregerfrequenzen dargestellt, welche sich als Geraden parallel zur Abszisse darstellen, wenn sie unabhängig von der Drehzahl sind. Wenn die Erregerfrequenz mit der Drehzahl veränderlich ist stellt sie sich als ansteigende oder fallende Gerade durch den Ursprung dar. Befindet sich die Maschinendrehzahl in einem Bereich, in dem Erregerfrequenzverläufe das Toleranzband von
Eigenfrequenzen schneiden, ist mit erhöhten
Schwingungsamplituden zu rechnen.
Interharmonischen Erregerfrequenzen stellen sich im Campbell- Diagram als V-förmige symmetrische Strahlen für
Ausgangsfrequenzen Fl, F2, F3, Fn dar. Wobei Fl, Fi,
...Fn gruppiert sind in Konzentrationsbereiche Gl, Gi, ...Gz, wobei in Gi zueinander nahe liegende Fi zusammengefasst sind, die miteinander einen gemeinsamen Ausgangspunkt bilden. Die obere und untere Grenze des Konzentrationsbereichs Gl,
Gi, ...Gz sind definiert durch den Schnittpunkt der niedrigsten Torsionseigenfrequenz des Rotors mit den beiden Geraden des Strahlenpaars der Interharmonischen erster Ordnung des jeweiligen Konzentrationsbereichs Gl, Gi, ...Gz. Der
Schnittpunkt bezeichnet bei Interharmonischen stets die
Koordinaten mit der größten Frequenz hinsichtlich des
Bereichs des Toleranzbandes, der von der Interharmonischen geschnitten wird. Stellt man die harmonischen und interharmonischen
Erregerfrequenzen gemeinsam mit den Torsionseigenfrequenzen des mechanischen Systems in einem Campbeil-Diagramm (Erregerbzw. Eigenfrequenzen über der Motordrehzahl) dar, erkennt man, dass im Betriebsbereich herkömmlich ausgelegter Motoren Schnittpunkte der vom Motor anregbaren Torsionseigenfrequenz (üblicherweise die erste Torsionseigenfrequenz) mit den interharmonischen Erregerfrequenzen auftreten.
Ein stationärer Betrieb des mechanischen Systems in einem dieser Schnittpunkte von interharmonischer Anregung und
Torsionseigenfrequenz führt zu einem Resonanzzustand mit hohen Torsionsschwingungsamplituden und somit zu hohen dynamischen Torsionsspannungen in den Drehmomentübertragenden Strangkomponenten. Die hieraus möglicherweise resultierenden Folgen wie z.B. Ermüdungsschäden der
belasteten Strangkomponenten sind zu vermeiden
Antriebe mit Umrichter-geführten elektrischen Motoren weisen in der Regel einen Frequenzumrichter und einen elektrischen Synchron- oder Asynchronmotor auf. Während die
Eingangsfrequenz in den Umrichter aufgrund der nahezu perfekten Umlaufbewegung der Energieerzeugungsaggregate, die die Netzfrequenz speisen, als reine Sinusschwingung
ausgebildet ist, zeigt das Spektrum der Frequenzanalyse, das der Ausgang aus dem Umrichter zusätzlich zu der Sollfrequenz noch andere Frequenzen aufweist, die zu Anregungen von
Torsionsschwingungen führen können. Derartige unerwünschte Nebenfrequenzen, die sich bisher kaum vermeiden lassen, werden auch als harmonische bzw. interharmonische
Erregerfrequenzen bezeichnet. Üblicherweise führen die interharmonischen Erregerfrequenzen innerhalb des üblichen Betriebsdrehzahlbereiches des Motors zu einer Anregung von Torsionsschwingungen des gesamten Antriebsstranges
beispielsweise von angetriebenen Verdichtersträngen oder sonstigen Turbosätzen.
Sofern sich im mechanischen Strang kein Zwischengetriebe befindet, kann die zusätzliche Belastung, verursacht durch die angeregte Torsionsschwingung, weitestgehend unbemerkt verlaufen. Jedoch verursachen die ungewollten dynamischen Zusatzbelastungen in den mechanischen Strangkomponenten eine erheblich verkürzte Standzeit aufgrund von Bauteilermüdung.
Ist ein Getriebe Bestandteil der Maschine, kommt es innerhalb des Getriebes im Zahneingriff zu einer Kopplung zwischen Torsionsschwingungen und Radialschwingungen. Somit wirken sich die Torsionsschwingungen im Getriebe ebenfalls
Standzeit-verkürzend aus. Zusätzlich kommt es zu
unerwünschten hohen Radialschwingungen und zu unerwünschten erhöhten Geräuschemissionen (Getriebeklappern) .
Die Problematik der unerwünschten Torsionsschwingungen lässt sich häufig nur mittels einer dynamischen Torsionsmomentenmessung feststellen. Eine solche Messung wird üblicherweise nicht zur permanenten Überwachung
eines Turbostranges eingesetzt und würde jedoch auch nur vorhandene Torsionsresonanzen identifizieren aber deren
Entstehung nicht ursächlich vermeiden.
Ausgehend von den Problemen des Stand der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, die Laufruhe von Maschinen mit umrichtergeführten Antrieben zu verbessern und dadurch die möglichen Folgen hoher Schwingungen, wie z.B.
Ermüdungsschäden, zu vermeiden
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Maschine der
eingangs definierten Art gemäß der Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 auszubilden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Maschine gemäß dem
Verfahren nach Anspruch 12 zu betreiben.
Ein Betriebsdrehzahlbereich gibt hierbei den der Auslegung der Maschine zugrunde gelegten Bereich der Drehzahl eines Rotors an, in dem sich die Drehzahl während mindestens 90% der angenommenen Betriebsdauer befindet.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der umrichtergeführte Antrieb eine Anzahl an
Polpaaren aufweist, welche in Verbindung mit einen
vorbestimmten Motorspeisefrequenzbetriebsbereich des
Umrichters, eine Motorspeisefrequenz bzw. einen
Betriebsdrehzahlbereich definiert, die außerhalb der
Konzentrationsbereiche Gl bis Gz liegen.
Der bevorzugte Einsatzbereich der Erfindung sind Maschinen, die als Turbosatz ausgebildet sind, insbesondere Maschinen, die mindestens einen Turboverdichter aufweisen. Die heute übliche Wahl des Antriebes verursacht, dass die
Konzentrationsbereiche Gl, ... Gz Schnittpunkte mit der
Torsionseigenfrequenz im Fahrbereich und somit hohe
Torsionsbelastungen der Strangkomponenten verursachen. Soweit die Übertragung des Drehmoments von einem umrichtergeführten Antrieb auf die Arbeitsmaschine erfolgt, können bei Kenntnis der interharmonischen Torsionserregungen durch eine gezielte Wahl der Polpaarzahl (PPZ) des Antriebes
Torsionsresonanzzustände im Betriebsdrehzahlbereich des
Antriebes vermieden werden. Auf diese Weise weicht der Motor den interharmonischen Erregerfrequenz des Umrichters durch verschieben des Betriebsdrehzahlbereiches auf einen
niedrigeren oder höheren Drehzahlbereich aus.
Bei Verwendung eines Getriebes können über eine gezielte Abstimmung des Übersetzungsverhältnisses weitere sich
ergebene resonanzfreie Betriebsdrehzahlbereiche genutzt werden. Beispielsweise Zweckmäßig ist es hierbei, wenn das Getriebe die Drehzahl des Umrichter-geführten Antriebes auf eine höhere Drehzahl an der Arbeitsmaschine übersetzt.
Insbesondere kann eine Polpaarzahl von > 2 des Umrichtergeführten Antriebes in Kombination mit einem auf eine höhere Drehzahl übersetzenden Getriebes für die Arbeitsmaschine, die Erfindungen besonders vorteilhaft umsetzen, wenn mindestens ein Konzentrationsbereich im Bereich der Eingangsfrequenz in den Umrichter liegt, was verhältnismäßig häufig der Fall ist. Auf diese Weise weicht der Motor der interharmonischen
Erregerfrequenz des Umrichters in Richtung einer niedrigeren Drehzahl aus und das Getriebe übersetzt diese niedrigere Drehzahl auf die gewünschte Drehzahl der Arbeitsmaschine bzw. in einen entsprechenden Betriebsdrehzahlbereich.
In der Folge ist ein spezielles Ausführungsbeispiel
beschrieben, wobei dies lediglich der Illustration der
Erfindung dient und auch andere Möglichkeiten der Umsetzung der Erfindung für den Fachmann denkbar sind, insbesondere mittels beliebiger Kombination der in den Ansprüchen
definierten Merkmale. Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer
erfindungsgemäßen Maschine,
Figur 2 zeigt ein Campbeil-Diagramm, charakteristisch für den in Figur 1 exemplarisch dargestellten Umrichter, Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Campbeil-Diagramm der Figur 2 und die Umsetzungsmöglichkeiten in Bezug auf den Betriebsdrehzahlbereich der Maschine.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Maschine M schematisch. Wesentliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Maschine M sind der (Frequenz-) Umrichter VFG, ein Umrichter-geführter Antrieb VFD mit einer variabler Drehzahl ni und eine
Arbeitsmaschine WM, die hier als Verdichter CO ausgebildet ist. Das Ausführungsbeispiel umfasst darüber hinaus noch ein Übersetzungsgetriebe TR, welches die von dem Antrieb VFD erzeugte Drehzahl an einer ersten Welle SH1 auf eine zweite Drehzahl n2 an einer zweiten Welle SH2 übersetzt, die den Verdichter CO antreibt. Der Verdichter CO fördert einen
Massenstrom Ml von einem ersten Druck PI auf einen höheren zweiten Druck P2. Der Umrichter VFG erzeugt aus der
Netzfrequenz von z.B. 50Hz (Eingangsfrequenz fE) eine
Ausgangsfrequenz fO, mit der der Antrieb gespeist wird. Der Antrieb VFD dreht sich in Abhängigkeit von der
Ausgangsfrequenz fO aus dem Umrichter VFG und abhängig von der Anzahl an Polpaaren (PPZ = Polpaarzahl) mit der Drehzahl nl . Die Drehzahl Nl entspricht hierbei dem Quotienten aus der Ausgangsfrequenz fO aus dem Umrichter und der Polpaarzahl PPZ. Die Anordnung aus dem Antrieb VFD, der ersten Welle SH1, dem Getriebe TR, der zweiten Welle SH2 und der
Arbeitsmaschine WM weist, bezogen auf die Wellen,
Torsionseigenfrequenzen FT1, FT2, FTi auf, so dass während eines Betriebes in der Nähe dieser Frequenzen hohe
Schwingungsamplituden auftreten können. Weiterhin können durch die Torsions-Biegeschwingungskopplung insbesondere in Zwischengetrieben, durch Torsionsschwingungen auch
Radialschwingungen angeregt werden. Bei dem Umrichter handelt es sich um einen Stromzwischenkreisumrichter (LCI).
Alternativ kann es sich bei dem Umrichter auch um einen
Spannungsumrichter handeln. Wie bereits eingangs erläutert, ist die von dem Umrichter VFG erzeugte Ausgangsfrequenz fO darstellbar als eine reine
Sinusschwingung mit einer Sollfrequenz überlagert von
weiteren Anteilen harmonischer und interharmonischer
Schwingungen mit einer anderen Frequenz.
Figur 2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung des
Campbeil-Diagramms, die diese sogenannten interharmonischen Erregerfrequenzen des Umrichterausgangs darstellt. Diese Erregerfrequenzen werden im Umrichter generiert und im Motor über den Luftspalt zwischen Stator und Rotor auf das
mechanische System als Drehmomentschwankung übertragen.
Das Campbeil-Diagramm findet Anwendung in allen Bereichen der Schwingungstechnik, beispielweise zur Darstellung von
Schwingungen von Rotoren und Schaufeln. Das Diagramm eignet sich dazu, die Schwingungsabstimmung z.B. im gesamten
Betriebsdrehzahlbereich zu beurteilen und mögliche
Resonanzzustände zu identifizieren.
Eigenfrequenzen können auch als Frequenzband dargestellt werden, dessen Breite sich aus der Varianz der
Berechnungsmodelle ergibt. Neben den harmonischen
Erregerfrequenzen gibt es für diese Art von Anwendungsfällen auch Spektralkomponenten, die als interharmonische
Erregerfrequenzen bezeichnet werden. Im Campbell-Diagramm der Figuren 2 und 3 stellen sich die interharmonischen
Erregerfrequenzen FIH1, FIH2, FIH3 jeweils als Geraden dar, die jeweils einen symmetrischen Partner haben, welche
Partnergerade den gleichen Steigungsbetrag anderen
Vorzeichens aufweist. Auf der Abszisse des Campbell-Diagramms schneiden sich die Geraden, welche die Abhängigkeit der interharmonischen Erregerfrequenzen zur Antriebsdrehzahl anzeigen. Neben den harmonischen Erregerfrequenzen, die sich im Campbell-Diagramm der Figur 2 als eine Schar von Geraden durch den Nullpunkt des Diagramms darstellen, zeigt die Figur 2 beispielhaft drei Geraden-Scharen, welche interharmonische Erregerfrequenzen in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl anzeigen, welche jeweils einen Ausgangspunkt auf der Abszisse haben . In Figur 3 ist der Fall verschiedener Polpaarzahlen für den Antrieb (PPZ = 1, 2, 3) gezeigt. Als horizontale Linie ist dem oberen Diagramm mit einer gewissen Breite entsprechend der Varianz typischer Torsionseigenfrequenzen möglicher
Turboverdichterstränge eingezeichnet. Die harmonischen und interharmonischen Frequenzverläufe entsprechend der Geraden durch den Ursprung bzw. durch den ersten Konzentrationspunkt CP werden durch den Umrichter generiert. Die Schnittpunkte der Geraden (hier Exemplar nur als Schnittpunkt der oberen
Grenze des Torsionseigenfrequenzbereiches eingezeichnet) mit dem Torsionseigenfrequenzband RL des Verdichterstrangs ergeben Drehfrequenzen nl, ...,ni, welche sich um den
Konzentrationspunkt CP gruppieren. Der durch die äußeren Elemente der Gruppierung definierte Bereich FA zählt nicht zu dem angestrebten resonanzfreien Betriebsdrehzahlbereich des als Beispiel eingetragenen Bereichs OR der Maschine M. Der eingezeichnete Betriebsdrehzahlbereich OR ist beispielhaft vorliegend zwischen dem durch den aufgespannten
Sperrbereichen der harmonischen Erregerfrequenzen HEF bei niedriger Drehzahl und dem Sperrbereich FA aufgespannt durch die interharmonischen Erregerfrequenzen iHEF angeordnet. Der Betriebsdrehzahlbereich OR ist hier exemplarisch
eingezeichnet und kann selbstverständlich in allen möglichen resonanzfreien Drehzahlbereichen, somit auch oberhalb des hier eingezeichneten Konzentrationsbereiches, gelegt werden. Erfindungsgemäß kann die Ausgangsfrequenz FO des Umrichters in Kombination mit der Polpaarzahl PPZ des Antriebes VFD so gewählt werden, dass innerhalb des gewünschten
Betriebsdrehzahlbereiches keine signifikanten
Torsionsanregungen durch interharmonische Erregerfrequenzen auftreten. Die Lage der interharmonischen Erregerfrequenzen ist von der Charakteristik und der Eingangsfrequenz
(Netzfrequenz) FE in den Umrichter VFG abhängig. Mit der Polpaarzahl PPZ kann die Lage des Betriebsdrehzahlbereichs OR zu dem von den interharmonischen Erregerfrequenzen
aufgespannten Sperrbereich FA bestimmt werden. Wie in dem Beispieldiagramm c) dargestellt, kann eine Polpaarzahl PPZ = 2 den Sperrbereich um einen Konzentrationspunkt CP uml500 RPM statt um 3000 RPM bei einer Polpaarzahl PPZ = 1 verlagern.
Entsprechend reduziert sich der Konzentrationsbereich CP des
Sperrbereiches FA bei einer Polpaarzahl von PPZ = 3 auf ein Drittel als 1000 RPM.

Claims

Patentansprüche
1. Maschine (M) mit einem umrichtergeführten Antrieb (VFD) mit variabler Drehfrequenz,
mit einer Arbeitsmaschine (WM) , wobei der Antrieb (VFD) und die Arbeitsmaschine (WM) derart miteinander verbunden sind, dass ein Drehmoment übertragbar ist,
wobei die Maschine (M) mindestens einen Rotor (R) umfasst, mit einem Frequenzumrichter (VFG) , der elektrisch an den
Antrieb (VFD) angeschlossen ist und eine Eingangsfrequenz auf eine Ausgangsfrequenz umrichtet,
wobei der Umrichter derart ausgebildet ist, dass sich in einem Campbell-Diagramm bezogen auf die Maschine (WM)
Schnittpunkte der vom Antrieb (VFD) anregbaren
Torsionseigenfrequenz des Rotors (R) mit V-förmigen
symmetrischen Geraden der interharmonischen Erregerfrequenz für Ausgangsfrequenzen Fl, F2, F3, Fi ergeben,
dadurch gekennzeichnet,
dass Fl, Fi gruppiert sind in auf die Maschinendrehzahl bezogene Konzentrationsbereiche Gl, Gi, Gz,
wobei in Gi zueinander derart naheliegende Fi zusammengefasst sind, die miteinander jeweils einen gemeinsamen Ausgangspunkt auf der Abszisse haben,
wobei die obere und untere Grenze des Konzentrationsbereichs Gl, Gi, ...Gz definiert sind durch den Schnittpunkt der niedrigsten Torsionseigenfrequenz des Rotors mit den beiden Geraden des Strahlenpaars der Interharmonischen erster
Ordnung des jeweiligen Konzentrationsbereichs Gl, Gi, ...Gz, wobei jeder Konzentrationsbereich Gl, Gi, ...Gz, einen
Sperrbereich (FA) definiert,
wobei die Maschine einen Betriebsdrehzahlbereich (OR)
aufweist, welcher außerhalb der Sperrbereiche (FA) liegt.
2. Maschine (M) nach Anspruch 1,
wobei der Antrieb VFD eine Anzahl von Polpaaren (PPZ)
aufweist, welche gemeinsam mit einem
Motorspeisefrequenzbereich einen
Betriebsdrehzahlbereich (OR) definieren, welcher
außerhalb der Sperrbereiche (FA) liegt.
3. Maschine (M) nach Anspruch 1,
wobei zwischen dem Antrieb (VFD) und der Arbeitsmaschine (WM) ein Getriebe (TR) zur Übersetzung der Drehzahl (ni) des
Antriebs (VFD) auf eine andere Drehzahl (n2) der
Arbeitsmaschine (WM) bewirkt.
4. Maschine (M) nach Anspruch 3,
wobei die Drehzahl (n2) der Arbeitsmaschine (WM) höher ist als die Drehzahl (nl) des Antriebs (VFD) .
5. Maschine (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Umrichter (VFG) um einen
Stromzwischenkreisumrichter (LCI) handelt.
6. Maschine (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Umrichter (VFG) um einen
Spannungsumrichter handelt.
7. Maschine (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Antrieb (VFD) um einen Synchronmotor handelt .
8. Maschine (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Antrieb (VFD) um einen Asynchronmotor handelt .
9. Maschine (M) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Aufnahmeleistung des Antriebs (VFD) mindestens ein Megawatt beträgt.
10. Maschine (M) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Arbeitsmaschine (WM) eine Turbomaschine ist.
11. Maschine (M) nach Anspruch 10,
wobei die Arbeitsmaschine (WM) ein Turboverdichter (CO) ist.
12. Verfahren zum Betrieb einer Maschine (M) , insbesondere einer Maschine (M) gemäß mindestens einer der Ansprüche 1 bis
11,
wobei die Maschine (M) einen umrichtergeführten Antrieb (VFD) mit variabler Drehfrequenz aufweist,
eine Arbeitsmaschine (WM) aufweist, wobei der Antrieb (VFD) und die Arbeitsmaschine (WM) derart miteinander verbunden sind, dass ein Drehmoment übertragbar ist,
wobei die Maschine (M) mindestens einen Rotor (R) umfasst, wobei die Maschine (M) einen Frequenzumrichter (VFG) umfasst, der elektrisch an den Antrieb (VFD) angeschlossen ist und eine Eingangsfrequenz auf eine Ausgangsfrequenz umrichtet, wobei der Umrichter derart betrieben wird, dass sich in einem Campbell-Diagramm bezogen auf die Maschine (WM) Schnittpunkte der vom Antrieb (VFD) anregbaren Torsionseigenfrequenz des Rotors (R) mit V-förmigen symmetrischen Geraden der
interharmonischen Erregerfrequenz für Ausgangsfrequenzen Fl, F2, F3, Fi ergeben,
dadurch gekennzeichnet,
dass Fl, Fi gruppiert sind in auf die Maschinendrehzahl bezogene Konzentrationsbereiche Gl, Gi, Gz,
wobei in Gi zueinander derart naheliegende Fi zusammengefasst sind, die miteinander jeweils einen gemeinsamen Ausgangspunkt auf der Abszisse haben,
wobei die obere und untere Grenze des Konzentrationsbereichs Gl, Gi, ...Gz definiert sind durch den Schnittpunkt der niedrigsten Torsionseigenfrequenz des Rotors mit den beiden Geraden des Strahlenpaars der Interharmonischen erster
Ordnung des jeweiligen Konzentrationsbereichs Gl, Gi, ...Gz, wobei jeder Konzentrationsbereich Gl, Gi, ...Gz, einen Sperrbereich (FA) definiert,
wobei die Maschine einen Betriebsdrehzahlbereich (OR) aufweist, welcher außerhalb der Sperrbereiche (FA) liegt.
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