ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ В УПРАВЛЯЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ВЕТВЯХ КОМПРЕССОРОВ
PREVENTED EXCITATION OF TORSIONAL OSCILLATION IN CONVERTER-CONTROLLED BRANCHES OF COMPRESSORS

1
2
3
i
Изобретение касается машины, снабженной управляемым преобразователем приводом с изменяющейся частотой вращения, снабженной рабочей машиной, при этом привод и рабочая машина соединены друг с другом таким образом, что возможна передача крутящего момента, при этом машина включает в себя по меньшей мере один ротор, снабженной преобразователем, который электрически подключен к приводу и преобразует входную частоту в выходную частоту, при этом преобразователь выполнен таким образом, что на диаграмме Кэмпбелла для машины (WM) получаются точки пересечения возбуждаемой приводом собственной крутильной частоты ротора c V-образными симметричными прямыми межгармонической частоты возбуждения для выходных частот F, F, F, … F.
Такого рода машины имеют по меньшей мере один ротор и могут также включать в себя несколько роторов, которые также могут быть составной частью промежуточной передачи. Если речь идет о нескольких роторах, то изобретение применимо к каждому отдельному. В случае одного отдельного ротора ротор привода с ротором рабочей машины по одной общей оси вращения жестко соединены друг с другом, образуя валопровод.
Предпочтительной областью применения изобретения является диапазон потребляемой мощности по меньшей мере от 1 МВт, который принципиально отличается в отношении размеров и выбора материала и применения значительно меньшего количества агрегатов.
При прямом преобразовании и в следующем шаге при обратном преобразовании внутри преобразователя с получением выходной частоты или, соответственно, желаемой рабочей частоты наряду с рабочей частотой генерируются также гармонические и межгармонические составляющие частоты в электрическом сигнале питания двигателя.
Если путем анализа Фурье (быстрое преобразование Фурье), в частности, определяются также составляющие частоты, которые не равны целому кратному частоты сигнала питания, их называют компонентами межгармоник.
Эти гармонические и межгармонические частоты в электрическом сигнале питания двигателя передаются в механическую систему в воздушном зазоре двигателя в качестве возбуждающих крутильных моментов.
Диаграмма Кэмпбелла позволяет по этому синопсису частоты вращения ротора, частот возбуждения и собственных частот оценивать культуру хода машины в некотором диапазоне частоты вращения. Ось X диаграммы Кэмпбелла или, соответственно, ось абсцисс отображает частоту вращения ротора рассматриваемой машины. Когда зависимый от частоты вращения режим колебаний, например крутильного колебания вала ротора, посредством преобразования Фурье преобразуется из диапазона времени в частотный диапазон, то на диаграмме Кэмпбелла они изображаются в виде восходящей и нисходящей по оси X прямой, причем она отображает частоту вращения ротора. Порядки (O1, O2, …) преобразования Фурье отображаются тогда в этих прямых, имеющих вид исходящих из центра лучей, восхождение которых пропорционально соответствующей величине порядка. На оси ординат откладывается частота f собственной частоты ротора или, соответственно, вращающегося конструктивного элемента, который подвергается рассмотрению. Собственные частоты отображаются в виде полосы допуска, соответствующая ширина которой получается за счет неточности моделирования и при известных условиях других рассеиваний. Вследствие этого собственная крутильная частота, если не указано иное, всегда относится к описанной полосе допуска. Ширина полосы допуска получается уже за счет погрешностей геометрии вследствие обязательных допусков изготовления. Предпочтительно ширина полосы допуска принимается здесь такой, чтобы расчет охватывал непосредственно разные исполнения машины, так чтобы эти варианты были также учтены при выборе размеров. Соответственно этому полоса допусков может предпочтительно представлять собой намеренную нечеткость.
Дополнительно изображаются гармонические частоты возбуждения, которые представляются в виде прямых, параллельных оси абсцисс, если они независимы от частоты вращения. Если частота возбуждения изменяется с частотой вращения, она отображается в виде восходящей или нисходящей прямой, проходящей через начало координат. Если частота вращения машины находится в диапазоне, в котором графики частот возбуждения пересекают полосу допуска собственных частот, следует ожидать повышенных амплитуд колебаний.
1
2
3
n
1
2
3
n
1
i
z
i
i
Межгармонические частоты возбуждения на диаграмме Кэмпбелла изображаются в виде V-образных симметричных лучей для выходных частот F, F, F, …; F. При этом F, F, F, … F сгруппированы в области G, …, G, … G концентрации, при этом в G объединены близко расположенные F, которые образуют друг с другом общую исходную точку.
1
i
z
1
i
z
Верхняя и нижняя граница области G, …, G, … G концентрации определены точкой пересечения наиболее низкой собственной крутильной частоты ротора с двумя прямыми пары лучей межгармоник первого порядка соответствующей области G, …, G, … G концентрации. Точка пересечения у межгармоники всегда обозначает координаты с наибольшей частотой в отношении диапазона полосы допусков, который пересекается межгармоникой. Поскольку возможно механическое возбуждение второй и/или третьей собственной крутильной частоты, она может учитываться таким же образом (с соответствующими изменениями), как описано ранее для первой собственной крутильной частоты.
Если гармонические и межгармонические частоты возбуждения вместе с собственными крутильными частотами механической системы на диаграмме Кэмпбелла (частоты возбуждения или, соответственно, собственные частоты от частоты вращения двигателя) различают, то в рабочем диапазоне двигателей традиционной конструкции появляются точки пересечения возбуждаемой двигателем собственной крутильной частоты (обычно первая собственная крутильная частота) с межгармоническими частотами возбуждения. Стационарная эксплуатация механической системы в одной из этих точек пересечения межгармонического возбуждения и собственной крутильной частоты приводит к резонансному состоянию с высокими амплитудами крутильных колебаний и вместе с тем к высоким динамическим крутильным напряжениям в передающих крутящий момент компонентах ветви. Необходимо предотвращать, возможно, возникающие в результате этого последствия, такие как, например, усталостные повреждения нагружаемых компонентов ветви.
Приводы, снабженные управляемыми преобразователями электрическими двигателями, имеют, как правило, частотный преобразователь и электрический синхронный или асинхронный двигатель. В то время как входная частота преобразователя вследствие практически безукоризненного вращательного движения агрегатов, генерирующих энергию, которые питаются с сетевой частотой, представляет собой чисто синусоидальное колебание, спектр частотного анализа показывает, что на выходе из преобразователя дополнительно к номинальной частоте имеются и другие частоты, которые могут приводить к возбуждению крутильных колебаний. Такого рода нежелательные побочные частоты, которых до сих пор вряд ли можно было избежать, называются также гармоническими или, соответственно, межгармоническими частотами возбуждения. Обычно межгармонические частоты возбуждения в пределах обычного рабочего диапазона частоты вращения двигателя приводят к возбуждению крутильных колебаний всей приводной ветви, например приводных ветвей компрессоров или прочих турбоагрегатов.
Если в механической ветви не находится промежуточная передача, дополнительная нагрузка, обусловленная возбуждаемым крутильным колебанием, может проходить почти совершенно незаметно. Однако нежелательные дополнительные динамические нагрузки в механических компонентах ветви приводят к значительному сокращению срока службы вследствие усталости конструктивных элементов.
Если передача является составной частью машины, внутри передачи в зубчатом зацеплении происходит совмещение крутильных колебаний и радиальных колебаний. Таким образом, крутильные колебания в передаче также сказываются на сокращении срока службы. Дополнительно происходят нежелательно высокие радиальные колебания и нежелательно высокие эмиссии шума (стук передачи).
Проблему нежелательных крутильных колебаний часто можно обнаружить только посредством динамического измерения крутящего момента. Такое измерение обычно не применяется для постоянного контроля ветви турбоагрегата и при этом также только идентифицировало бы имеющиеся резонансы кручения, но не предотвратило бы причину их возникновения.
Исходя из проблем уровня техники, изобретение поставило перед собой задачу, улучшить плавность хода машин, снабженных управляемыми преобразователем приводами, и за счет этого избежать возможных последствий высоких колебаний, таких как, например, усталостные повреждения.
В соответствии с изобретением предлагается выполнить машину вышеназванного рода в соответствии с признаками отличительной части п.1 формулы изобретения. Кроме того, предлагается эксплуатировать машину в соответствии со способом по п.12 формулы изобретения.
Рабочий диапазон частоты вращения показывает при этом положенный в основу расчета машины диапазон частоты вращения ротора, в котором частота вращения находится по меньшей мере в течение 90% принятой продолжительности эксплуатации.
1
z
Одно из особенно предпочтительных усовершенствований изобретения предусматривает, чтобы управляемый преобразователем привод имел количество пар полюсов, которое в сочетании с предварительно заданным рабочим диапазоном частоты питания двигателя преобразователя определяет частоту питания двигателя или, соответственно, рабочий диапазон частоты вращения, которые находятся вне областей G-G концентрации.
1
z
Предпочтительной областью применения изобретения являются машины, которые выполнены в виде турбоагрегата, в частности машины, которые имеют по меньшей мере один турбокомпрессор. Принятый сегодня выбор привода приводит к тому, что области G … G концентрации приводят к точкам пересечения с собственной крутильной частотой в рабочем диапазоне и вместе с тем высоким крутильным нагрузкам компонентов ветви. Если происходит передача крутящего момента от управляемого преобразователем привода к рабочей машине, при знании межгармонических крутильных возбуждений путем целенаправленного выбора количества (PPZ) пар полюсов привода могут предотвращаться состояния крутильного резонанса в рабочем диапазоне частоты вращения привода. Таким образом двигатель избегает межгармонической частоты возбуждения преобразователя благодаря смещению рабочего диапазона частоты вращения в более низкую или высокую область частоты вращения. При применении передачи путем целенаправленного подбора передаточного отношения могут использоваться другие возникающие безрезонансные рабочие диапазоны частоты вращения. Например, при этом целесообразно, если передача преобразует частоту вращения управляемого преобразователем привода в более высокую частоту вращения на рабочей машине. В частности, количество пар полюсов, равное > 2, управляемого преобразователем привода в комбинации с передачей, осуществляющей преобразование на более высокую частоту вращения для рабочей машины, может представлять собой особенно предпочтительное осуществление изобретения, если по меньшей мере одна область концентрации находится в области входной частоты преобразователя, что случается относительно часто. Таким образом двигатель избегает межгармонической частоты возбуждения преобразователя в направлении более низкой частоты вращения, а передача преобразует эту более низкую частоту вращения в желаемую частоту вращения рабочей машины или, соответственно, в соответствующий рабочий диапазон частоты вращения.
Если возможно механическое возбуждение второй и/или третьей собственной крутильной частоты, она может учитываться таким же образом (с соответствующими изменениями), как описано выше для первой собственной крутильной частоты.
Ниже описан один из особых примеров осуществления, причем это служит исключительно для иллюстрации изобретения, а для специалиста возможны также другие возможности осуществления изобретения, в частности, посредством произвольной комбинации признаков, определенных в пунктах формулы изобретения.
Фиг.1 - показано упрощенное изображение предлагаемой изобретением машины;
фиг.2 - показана диаграмма Кэмпбелла, характерная для преобразователя, изображенного в качестве примера на фиг.1;
фиг.3 - показан фрагмент диаграммы Кэмпбелла, показанной на фиг.2, и возможности осуществления рабочего диапазона частоты вращения машины.
1
1
2
2
1
2
E
0
0
1
1
0
1
2
1
2
i
На фиг.1 схематично показана предлагаемая изобретением машина M. Существенными составными частями предлагаемой изобретением машины M являются (частотный) преобразователь VFG, управляемый преобразователем привод VFD с изменяющейся частотой вращения n и рабочая машина WM, которая здесь выполнена в виде компрессора CO. Этот пример осуществления включает в себя, кроме того, также передаточный механизм TR, который преобразует создаваемую приводом VFD частоту вращения на первом валу SH во вторую частоту вращения n на втором валу SH, который осуществляет привод компрессора CO. Компрессор CO дожимает массовый поток M1 с первого давления P до более высокого давления P. Преобразователь VFG создает из сетевой частоты, равной, например, 50 Гц (входная частота f), выходную частоту f, с которой питается привод. Привод VFD вращается в зависимости от выходной частоты f преобразователя VFG и в зависимости от количества пар полюсов (PPZ = количество пар полюсов) с частотой вращения n. Частота вращения n соответствует при этом частному выходной частоты f преобразователя VFG и количества PPZ пар полюсов. Система из привода VFD, первого вала SH, передачи TR, второго вала SH и рабочей машины WM имеет, относительно валов, собственные крутильные частоты FT, FT, FT, так что во время эксплуатации вблизи этих частот могут возникать высокие амплитуды колебаний. Кроме того, из-за совмещения крутильных и изгибающих колебаний, в частности, в промежуточных передачах, посредством крутильных колебаний могут также возбуждаться радиальные колебания. Преобразователь VFG представляет собой преобразователь с промежуточным контуром тока (LCI, load commutated inverter, инвертер с естественной коммутацией). Альтернативно преобразователь может также представлять собой преобразователь напряжения.
0
Как уже пояснялось выше, создаваемая преобразователем VFG выходная частота f может изображаться в виде чисто синусоидального колебания с номинальной частотой, на которое наложены другие составляющие гармонических и межгармонических колебаний с другой частотой.
На фиг.2 показано в связи с этим схематичное изображение диаграммы Кэмпбелла, которая изображает эти так называемые межгармонические частоты возбуждения на выходе преобразователя. Эти частоты возбуждения генерируются в преобразователе, и в двигателе через воздушный зазор между статором и ротором передаются на механическую систему в виде колебания крутящего момента.
Диаграмма Кэмпбелла находит применение во всех областях техники колебаний, например, для изображения колебаний роторов и лопаток. Диаграмма предназначается для того, чтобы оценивать настройку колебаний, например, во всем рабочем диапазоне частоты вращения и идентифицировать возможные резонансные состояния. Собственные частоты могут также изображаться в виде полосы частот, ширина которой получается из рассеяния расчетных моделей. Наряду с гармоническими частотами возбуждения для таких случаев применения существуют также спектральные компоненты, которые называются межгармоническими частотами возбуждения.
На диаграмме Кэмпбелла на фиг.2 и 3 межгармонические частоты FIH1, FIH2, FIH3 возбуждения изображаются соответственно в виде прямых, каждая из которых имеет симметричного партнера, при этом прямая-партнер имеет ту же величину восхождения с другим знаком. На оси абсцисс диаграммы Кэмпбелла пересекаются прямые, которые отображают зависимость межгармонических частот возбуждения от частоты вращения привода. Наряду с межгармоническими частотами возбуждения, которые на диаграмме Кэмпбелла на фиг.2 изображены в виде семейства прямых, проходящих через нулевую точку диаграммы, на фиг.2 в качестве примера показаны три семейства прямых, которые отображают межгармонические частоты возбуждения в зависимости от частоты вращения привода, которые соответственно имеют одну исходную точку на оси абсцисс.
1
i
На фиг.3 показан случай разных количеств пар полюсов для привода (PPZ = 1, 2, 3). Горизонтальной линией на верхней диаграмме обозначено с определенной шириной соответственно рассеяние характерных собственных крутильных частот возможных ветвей турбокомпрессора. Графики гармонических и межгармонических частот соответственно прямой, проходящей через начало координат или, соответственно, через первую точку CP концентрации, генерируются преобразователем. Точки пересечения прямых (здесь для примера обозначенные только в виде точки пересечения верхней границы диапазона собственных крутильных частот) с полосой RL собственных крутильных частот ветви компрессора дают частоты n, …, n вращения, которые группируются вокруг точки CP концентрации. Определяемая наружными элементами группировки область FA не относится к намеченному безрезонансному рабочему диапазону частоты вращения нанесенного в качестве примера диапазона OR машины M. Обозначенный рабочий диапазон OR частоты вращения в качестве примера в настоящем случае расположен между заданными запрещенными диапазонами гармонических частот HEF возбуждения при низкой частоте вращения и запрещенными диапазонами FA, заданными межгармоническими частотами iHEF возбуждения. Рабочий диапазон OR частоты вращения здесь обозначен в качестве примера и может, разумеется, находиться во всех возможных безрезонансных областях частоты вращения, при этом также выше обозначенной здесь области концентрации. В соответствии с изобретением выходная частота FO преобразователя в комбинации с количеством PPZ пар полюсов привода VFD может выбираться так, чтобы в пределах желаемого рабочего диапазона частоты вращения не возникали никакие значительные крутильные возбуждения вследствие межгармонических частот возбуждения. Положение межгармонических частот возбуждения зависит от характеристики и входной частоты (сетевой частоты) FE преобразователя VFG. С помощью количества PPZ пар полюсов может определяться положение рабочего диапазона OR частоты вращения относительно заданного межгармоническими частотами возбуждения запрещенного диапазона FA. Как изображено на диаграмме c), количество PPZ = 2 пар полюсов может сместить запрещенный диапазон вокруг точки CP концентрации на 1500 об/мин вместо 3000 об/мин при количестве PPZ = 1 пар полюсов. Соответственно ширина области CP концентрации запрещенного диапазона FA при количестве PPZ = 3 пар полюсов уменьшается на одну треть при 1000 об/мин.