專利名稱：在由變換器控制的壓縮機支路中的扭轉激勵的避免的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械，其具有帶有可變的轉動頻率的、由變換器控制的驅動器；做功機械，其中驅動器和做功機械以能夠傳遞轉矩的方式彼此連接，其中所述機械包括至少一個轉子；變換器，所述變換器電連接到驅動器上并且將輸入頻率變換成輸出頻率，其中變換器構成為，使得在關于該機械的坎貝爾圖中，得出間諧激勵頻率的V形的對稱直線與轉子的能夠由驅動器激勵的扭轉固有頻率的交點，用于輸出頻率Fl、F2、F3、……、Fi。
背景技術：
這種機械具有至少一個轉子并且也能夠包括多個轉子，所述轉子也能夠是設置在中間的傳動機構的組成部分。如果為多個轉子，那么本發(fā)明能夠應用于每個單獨的轉子。在唯一的轉子的情況下，驅動轉子與做功機械轉子沿著共同的轉動軸線彼此固定地連接，以形成軸系。·
本發(fā)明的優(yōu)選的應用領域是至少IMW吸收功率的功率范圍，所述功率范圍在相當小的設備的尺寸和材料選擇以及應用方面在本質上有所區(qū)別。通過整流和在下一步驟中在變換器之內逆變到輸出頻率或者期望的工作頻率，除工作頻率之外也在馬達的電饋送信號中生成簡諧和間諧頻率分量。此外，如果通過傅立葉分析(快速傅立葉變換)也計算出饋送信號頻率的非整數(shù)倍的頻率分量，那么這些部件能夠稱作是間諧。在馬達的電饋送信號中的所述簡諧和間諧頻率在馬達的氣隙中作為激勵的扭矩導入到機械系統(tǒng)中?？藏悹枅D通過轉子轉速、激勵頻率和固有頻率的對照圖來實現(xiàn)對在轉速范圍內的機械的運行性能進行評估?？藏悹枅D的X軸或者說橫坐標表示所觀察的機械的轉子轉速。如果借助于傅立葉變換將例如轉子軸的扭轉振動的與轉速相關的振動變化曲線從時域變換到頻域中，那么所述振動變化曲線在坎貝爾圖中表現(xiàn)為在X軸上的上升和下降的直線，其中所述振動變化曲線表現(xiàn)出轉子的轉速。因此，傅立葉變換的階數(shù)(01、02、……)反映在這些顯示為中點射線的直線中，所述直線的斜率與相應的階數(shù)成比例。在縱坐標上表現(xiàn)出受關注的旋轉構件或者轉子的固有頻率的頻率f。固有頻率表現(xiàn)為公差帶，由于建模的不精確度和可能的其他差異產生所述公差帶的相應的寬度。因此，扭轉頻率——如果沒有另外說明——總是涉及所描述的公差帶。公差帶的帶寬已經從由于不可避免地存在的制造公差所引起的幾何尺寸的不規(guī)則性中得出。優(yōu)選地，在此假設公差帶寬至，使得計算直接地涉及機械的不同的構造，以至于所述變型方案同樣由尺寸度量涉及。相應地，公差帶優(yōu)選能夠為已知的不精確。附加地，當簡諧激勵頻率與轉速無關時，示出簡諧激勵頻率，其作為平行于橫坐標的直線示出。當激勵頻率隨著轉速變化時，所述激勵頻率為經過原點的上升或者下降的直線。如果機械轉速處于激勵頻率變化曲線和固有頻率的公差帶相交的范圍中，那么能夠預計到升聞的振幅。
間諧激勵頻率在坎貝爾圖中為輸出頻率F1、F2、F3、……；Fn的V形的對稱射線。其中F1、……、Fi、……Fn分組成集中范圍G1、……Gi、……Gz，其中彼此相鄰的Fi組合成Gi,所述Fi彼此形成共同的起點。集中范圍G1、……Gi、… …Gz的上邊界和下邊界通過轉子的最低的扭轉固有頻率與相應集中范圍G1、……Gi、……Gz的一階間諧的射線對的兩條直線的交點來限定。在間諧情況下，交點總是表示具有相對于由間諧相交的公差帶區(qū)域的最大頻率的坐標。只要能夠以機械的方式激勵第二和/或第三扭轉固有頻率，那么就能夠以與之前針對第一扭轉固有頻率所描述的方式相同的方式(比照適用)來考慮所述扭轉固有頻率。如果在坎貝爾圖中示出簡諧和間諧激勵頻率連同機械系統(tǒng)的扭轉固有頻率(關于馬達轉速的激勵頻率或者固有頻率)，那么可看出，在常規(guī)設計的馬達的運行范圍中出現(xiàn)可由馬達激勵的扭轉固有頻率(通常是第一扭轉固有頻率)與間諧激勵頻率的交點。在間諧激勵和扭轉固有頻率的所述交點的一個中靜態(tài)地運行機械系統(tǒng)導致具有高的扭轉振幅的共振狀態(tài)，進而導致在傳遞轉矩的支路部件中的高的動態(tài)的扭轉應力。能夠避免由此可能得出的結果，例如負載的支路部件的疲勞損傷。具有由變換器控制的電馬達的驅動器通常具有頻率變換器和同步或異步電馬達。當輸入頻率在變換器中由于饋送電網頻率的能量產生設備的將近完美的環(huán)繞運動而構成為純正弦振動時，頻率分析譜示出來自變換器的輸出除了給定頻率之外還具有其他的能夠導致激勵扭轉振動的頻率。迄今基本上不能夠避免的這種不期望的副頻率也稱作簡諧或者間諧激勵頻率。通常，在馬達的通常的運行轉速范圍之內的間諧激勵頻率導致整個驅動支路的扭轉振動的激勵，例如所驅動的壓縮機支路或者其他的渦輪機組的扭轉振動的激勵。只要在機械支路中不存在中間傳動機構，通過所激勵的扭轉振動引起的附加的負荷就能夠盡可能不顯著地變化。然而，在機械的支路部件中的不期望的動態(tài)附加負荷由于構件疲勞而引起使用壽命顯著縮短。如果傳動機構是機械的組成部分，那么在傳動機構之內，在齒輪嚙合時形成在扭轉振動和徑向振動之間的耦合。因此，在傳動機構中的扭轉振動同樣造成使用壽命縮短。附加地，形成不期望的高的徑向振動并且形成不期望的提高的噪聲發(fā)射(傳動機構咔嗒聲)。不期望的扭轉振動的問題通常僅能夠借助于動態(tài)的扭矩測量來確定。這種測量通常不用于永久地監(jiān)控渦輪機支路，并且然而還可能僅識別現(xiàn)存的扭轉共振，但是沒有從成因上避免所述扭轉共振的形成。

發(fā)明內容
基于現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明提出下述目的，改進具有由變換器控制的驅動器的機械的運轉平穩(wěn)性并且由此避免高振動的可能的結果，例如疲勞損傷。根據(jù)本發(fā)明提出，根據(jù)權利要求I的特征部分的特征構成開頭限定類型的機械。此外，本發(fā)明提出，根據(jù)權利要求12所述的方法運行該機械。在此，運行轉速范圍說明轉子轉速的基于機械所設計的范圍，在至少90%的假設的運行持續(xù)時間期間，轉速處于所述范圍內。本發(fā)明的尤其有利的改進形式提出，由變換器控制的驅動器具有多個極對，所述極對結合變換器的預設的馬達饋送頻率運行范圍來限定馬達饋送頻率或者運行轉速范圍，其處于集中范圍Gl至Gz之外。本發(fā)明的優(yōu)選的應用范圍是構成為渦輪機組的機械，尤其是具有至少一個渦輪壓縮機的機械。驅動器的如今常見的選擇造成集中區(qū)域G1、……Gz造成與在運行范圍中的扭轉固有頻率的交點，進而造成支路部件的高的扭轉負荷。只要轉矩從由變換器控制的驅動器傳遞到做功機械上，在了解間諧扭轉激勵的情況下就能夠通過有針對性地選擇驅動器的極對數(shù)(PPZ)避免在驅動器的運行轉速范圍內的轉矩共振狀態(tài)。以該方式，馬達通過將運行轉速范圍移動到更低或者更高的轉速范圍上而偏離變換器的間諧激勵頻率。在應用傳動機構的情況下，能夠經由有針對性地調諧傳遞比來利用所得出的其他無共振的運行轉速范圍。例如在此適當?shù)氖?，傳動機構將由變換器控制的驅動器的轉速轉換成做功機械的更高的轉速。特別地，相對經常的情況是當至少一個集中范圍處于變換器中的輸入頻率的范圍中時，由變換器控制的驅動器的大于2的極對數(shù)結合用于做功機械的轉換到更高轉速上的傳動機構能夠尤其有利地實施本發(fā)明。以這種方式，變換器的間諧激勵頻率的馬達朝著更低的轉速的方向偏移，并且所述傳動機構將所述更低的轉速轉換到做功機械的期望轉速上，或者轉換到相應的轉速范圍內。·只要能夠以機械的方式激勵第二和/或第三扭轉固有頻率，就能夠以與之前針對第一扭轉固有頻率所描述的方式相同的方式(比照適用)考慮所述扭轉固有頻率。因此描述一個特殊的實施例，其中這僅僅用于闡述本發(fā)明，并且對于本領域技術人員而言可考慮尤其借助于在權利要求中限定的特征的任意的組合來實施本發(fā)明的其他可能性。


圖I示出根據(jù)本發(fā)明的機械的簡化圖，圖2示出在圖I中示例地示出的變換器的特征的坎貝爾圖，圖3示出圖2的坎貝爾圖中的一部分和關于機械的運行轉速范圍的實施可能性。
具體實施例方式圖I示意地示出根據(jù)本發(fā)明的機械M。根據(jù)本發(fā)明的機械M的重要的組成部分是(頻率)變換器VFG、具有可變轉速nl的由變換器控制的驅動器VFD和做功機械WM，所述做功機械在此構成為壓縮機CO。此外,該實施例還包括變速傳動機構TR,所述變速傳動機構將在第一軸SHl上的由驅動器VFD產生的轉速轉換成在第二軸SH2上的第二轉速n2，所述第二軸驅動壓縮機CO。壓縮機CO將質量流Ml從第一壓力Pl推進到更高的第二壓力P2上。變換器VFG從例如50Hz (輸入頻率fE)的電網頻率中產生饋送給驅動器的輸出頻率f0。驅動器VFD根據(jù)來自變換器VFG的輸出頻率f0并且根據(jù)轉速為nl的極對數(shù)(PPZ=極對數(shù))轉動。在此，轉速nl相當于來自變換器VFG的輸出頻率f0和極對數(shù)PPZ的商。由驅動器VFD、第一軸SHl、傳動機構TR、第二軸SH2和做功機械WM組成的裝置關于所述軸具有扭轉固有頻率FTI、FT2、FTi，使得在運行期間在所述頻率的附近能夠出現(xiàn)高的振幅。此外，由于尤其在中間傳動機構中的扭轉-彎曲振動耦合，也能夠通過扭轉振動來激勵徑向振動。變換器VFG為電流型中間電路變換器(LCI)。替選地，變換器也能夠為電壓變換器。
如在開頭已經闡明，由變換器VFG產生的輸出頻率f0能夠為具有給定頻率的純正弦振動，所述給定頻率疊加有具有另一頻率的簡諧和間諧振動的其他分量。為此，圖2示出坎貝爾圖的示意圖，所述示意圖示出變換器輸出端的所謂的間諧激勵頻率。所述間諧激勵頻率在變換器中生成，并且在馬達中經由定子和轉子之間的氣隙作為轉矩波動傳遞到機械系統(tǒng)上?？藏悹枅D應用在振動技術的全部領域中，例如用于示出轉子和葉片的振動。該圖適合于評估例如在整個運行轉速范圍中的振動調節(jié)和識別可能的共振狀態(tài)。固有頻率也能夠作為頻率帶示出，所述頻率帶的寬度從計算模型的差異中得出。除了簡諧的激勵頻率之外，對于所述類型的應用情況也具有稱作間諧激勵頻率的頻譜分量。在圖2和3的坎貝爾圖中，間諧激勵頻率FIHl、FIH2、FIH3分別作為直線示出，所述直線分別具有對稱的配對線，這些配對直線具有不同符號的相同斜率值。在坎貝爾圖的橫坐標上，說明間諧激勵頻率與驅動器轉速的相互關系的直線相交。除了在圖2的坎貝爾圖中作為經過圖零點的一組直線示出的簡諧激勵頻率之外，圖2還示例地示出三個直線組，所述直線組表示與驅動器轉速相關的間諧激勵頻率，所述間諧激勵頻率分別在橫坐標上具有起點?！ぴ趫D3中示出驅動器的不同極對數(shù)(PPZ=1、2、3)的情況。在上面的圖中，可能的渦輪壓縮機支路的、相應于差異的一定寬度的典型的扭轉固有頻率的視為水平線。相應于經過原點或者經過第一集中點CP的直線的簡諧和間諧頻率變化曲線通過變換器生成。直線與壓縮機支路的扭轉固有頻率帶RL的交點(在此示例地僅視為扭轉固有頻率范圍的上
邊界的交點)表明轉動頻率nl、......、ni,所述轉動頻率圍繞集中點CP分組。通過分組的
外部元件限定的范圍FA不屬于機械M的作為實例記錄的范圍OR的所追求的無振動的運行轉速范圍。示出的運行轉速范圍OR當前例如設置在低轉速的情況下的、簡諧激勵頻率HEF所跨過的阻斷范圍(Sperrbereichen)和間諧激勵頻率iHEF所跨過的阻斷范圍FA之間。在此，示例地示出運行轉速范圍OR并且其顯然能夠處于全部可能的無共振的轉速范圍中，因此也處于在此示出的集中范圍之上。根據(jù)本發(fā)明，變換器的輸出頻率FO結合驅動器VFD的極對數(shù)PPZ能夠選擇成，使得在期望的運行轉速范圍之內沒有出現(xiàn)由于間諧激勵頻率引起的顯著的扭轉激勵。間諧激勵頻率的位置與在變換器VFG中的輸入頻率(電網頻率)FE和特性相關。借助極對數(shù)PPZ能夠確定運行轉速范圍OR相對于間諧激勵頻率所跨過的阻斷范圍FA的位置。如在實例圖c)中示出的，極對數(shù)PPZ=2能夠將在集中點CP附近的阻斷范圍轉到大約1500RPM來代替在極對數(shù)PPZ=I的情況下的大約3000RPM。相應地，在極對數(shù)PPZ=3的情況下，阻斷范圍FA的集中范圍CP的寬度降低到三分之一，即1000RPM。
權利要求
1.一種機械(M)，具有 帶有可變的轉動頻率的、由變換器控制的驅動器(VFD)； 做功機械(WM)，其中所述驅動器(VFD)和所述做功機械(WM)以能夠傳遞轉矩的方式彼此連接，其中所述機械(M)包括至少一個轉子(R)； 頻率變換器(VFG)，所述頻率變換器電連接到所述驅動器(VFD)上并且將輸入頻率變換成輸出頻率， 其中所述變換器構成為，使得在關于所述機械(麗)的坎貝爾圖中，得出所述轉子(R)的能夠由所述驅動器(VFD )激勵的扭轉固有頻率與間諧的激勵頻率的V形的對稱直線的交點，用于輸出頻率F1、F2、F3、……、Fi， 其特征在于， Fl........Fi被分組成關于機械轉速的集中范圍Gl........Gi........Gz, 其中彼此相鄰近的、在橫坐標上彼此分別具有共同的起點的Fi組合成Gi, 其中通過所述轉子的最低的和/或第二低的、和/或第三低的扭轉固有頻率與相應的所述集中范圍G1、……、Gi、……、Gz的一階間諧的射線對的兩條直線的交點來限定所述集中沮圍Gl、......、Gi、......、Gz的上邊界和下邊界，其中每個集中沮圍Gl、......、Gi、......、Gz限定阻斷范圍(FA)， 其中所述機械具有處于所述阻斷范圍(FA)之外的運行轉速范圍(OR)。
2.根據(jù)權利要求I所述的機械(M)，其中所述驅動器VFD具有極對數(shù)(PPZ)，所述極對數(shù)與馬達饋送頻率范圍一起限定處于所述阻斷范圍(FA)之外的運行轉速范圍(OR)。
3.根據(jù)權利要求I所述的機械(M)，其中在所述驅動器(VFD)和所述做功機械(WM)之間，傳動機構(TR)用于將所述驅動器(VFD)的轉速(ni)轉換成所述做功機械(WM)的另一轉速(n2)。
4.根據(jù)權利要求3所述的機械(M)，其中所述做功機械(WM)的所述轉速(n2)高于所述驅動器(VFD)的所述轉速(nl)。
5.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述變換器(VFG)為電流型中間電路變換器(LCI)。
6.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述變換器(VFG)為電壓變換器。
7.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述驅動器(VFD)為同步馬達。
8.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述驅動器(VFD)為異步馬達。
9.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述驅動器(VFD)的最大吸收功率為至少一兆瓦。
10.根據(jù)上述權利要求之一所述的機械(M)，其中所述做功機械(WM)是渦輪機。
11.根據(jù)權利要求10所述的機械(M)，其中所述做功機械(WM)是渦輪壓縮機(CO)。
12.用于運行機械(M)、尤其是根據(jù)權利要求I至11之一所述的機械(M)的方法， 其中所述機械具有 帶有可變的轉動頻率的、由變換器控制的驅動器(VFD)； 做功機械(WM)，其中所述驅動器(VFD)和所述做功機械(WM)以能夠傳遞轉矩的方式彼此連接， 其中所述機械(M)包括至少一個轉子(R)；其中所述機械(M)包括頻率變換器(VFG)，所述頻率變換器電連接到所述驅動器(VFD)上并且將輸入頻率變換成輸出頻率， 其中運行所述變換器，使得在關于所述機械(WM)的坎貝爾圖中，得出所述轉子(R)的能夠由所述驅動器(VFD)激勵的扭轉固有頻率與間諧激勵頻率的V形的對稱直線的交點，用于輸出頻率F1、F2、F3、……、Fi， 其特征在于， 將Fl........Fi分組成關于機械轉速的集中范圍Gl........Gi........Gz, 其中彼此相鄰近的、在橫坐標上彼此分別具有共同的起點的Fi組合成Gi, 其中通過所述轉子的最低的和/或第二低的、和/或第三低的扭轉固有頻率與相應的所述集中范圍G1、……、Gi、……Gz的一階間諧的射線對的兩條直線的交點來限定所述集中沮圍Gl、......、Gi、......Gz的上邊界和下邊界，其中每個集中徂圍Gl、......、Gi、...... Gz限定阻斷范圍(FA)， 其中所述機械具有處于所述阻斷范圍(FA)之外的運行轉速范圍(OR)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機械(M)，其具有由變換器控制的驅動器(VFD)；做功機械(WM)，其中機械(WM)包括至少一個轉子(R)；頻率變換器(VFG)，其將輸入頻率變換成輸出頻率，其中變換器構成為，使得在關于機械(WM)的坎貝爾圖中，得出轉子(R)的可由驅動器(VFD)激勵的扭轉固有頻率與間諧激勵頻率的V形的對稱直線的交點，用于輸出頻率F1、F2、F3、……、Fi。為了改進這種機械的運行特性，本發(fā)明提出將F1、……、Fi分組成關于機械轉速的集中范圍G1、……、Gi、……Gz，其中彼此相鄰近的Fi組合成Gi，所述Fi在橫坐標上彼此分別具有共同的起點，其中通過轉子的最低的和/或第二低的、和/或第三低的扭轉固有頻率與相應的集中范圍G1、……、Gi、……Gz的一階間諧的射線對的兩條直線的交點來限定集中范圍G1、……、Gi、……Gz的上邊界和下邊界，其中每個集中范圍G1、……、Gi、……Gz限定阻斷范圍(FA)，其中機械具有處于阻斷范圍(FA)之外的運行轉速范圍(OR)。
文檔編號H02P23/04GK102906992SQ201180025275
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權日2010年3月22日
發(fā)明者福爾克爾·胡滕, 諾貝特·瓦格納 申請人:西門子公司