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Hochdynamischer Kompensator für Torsionsschwingungen

Die schwermaschinentechnischen Anlagen der Fertigungseinrichtungen der Walzwerke enthalten Maschinenbestandteile mit oft großen, schnellbewegten Massen. Verbunden mit den Eigenschaften der eingesetzen Hochleistungsantriebe einschließlich der kraftkoppelnden Einrichtungen entstehen schwingungsfähige Systeme, bei denen die Wirkungen von Schwingungen nach Anregung beim Walzvorgang nicht vernachlässigt werden können.

Unerwünschte Schwingungen stehen bei den Antriebssträngen moderner Produktionsanlagen aber auch bei Produkten der Konsumgüterindustrie immer weiter im Vordergrund. Einerseits verschlechtern Schwingungen durch eine erhöhte Geräuschbelastung die Arbeitsbedingungen, andererseits wird aber auch die Lebensdauer von Maschinenteilen und oftmals auch die Produktqualität der hergestellten Güter herabgesetzt. Ein spezielles Schwingungsproblem stellen sogenannte Ratter- und Brummerschwingungen in Stahlwalzwerken dar. Dabei handelt es sich um Torsionsschwingungen, die zwischen den Arbeitswalzen auftreten. Die auftretenden Schwingfrequenzen erreichen dabei Werte von bis zu 200Hz.

Da durch die verzweigte Struktur des Walzantriebes die auftretenden Schwingungen vom Hauptantrieb aus weder beobacht- noch steuerbar sind und die Schwingungen auch als Frequenzgemisch auftreten können, ist eine Bedämpfung dieser Störungen nur durch zusätzliche aktive Dämpfer möglich. Passive Dämpfer oder eine Anti-Schwingungsregelung, die den Hauptantrieb als Stellglied nutzt, helfen nur in einem sehr eingeschränkten Frequenzereich oder sind nicht überhaupt nicht realisierbar. Bislang kam an einem Walzenprüfstand als aktives Stellglied eine Asynchronmaschine mit handelsüblichem Spannungszwischenkreiswechselrichter zum Einsatz. In Experimenten zeigte sich jedoch, dass bei begrenzter Stellleistung (1% der Hauptantriebsleistung) das zur Dämpfung aufgebrachte Drehmoment nur bis etwa 50Hz phasenkorrekt eingeprägt werden kann. Bereits um diesen Frequenzbereich auszureizen, war es notwendig, adaptive Regler zu verwenden, die frequenzabhängig ihre Parameter verändert haben, einzusetzen. 

In einem Folgevorhaben wurde daher ein Aktor entwickelt, der durch seinen induktivitätsarmen Aufbau in der Lage sein sollte, auch unter Einsatz einfacher Regelungsalgorithmen höherfrequente Schwingungen zu bedämpfen. Zur Drehmomentabstützung wurde eine Inertialmasse verwendet, die eine Abstützung im Fundament überflüssig macht. Der Aktor kann somit auf vorhandene Wellen gesetzt werden, ohne dass Fundamentarbeiten notwendig sind. 

Messungen haben ergeben, dass das Prinzip funktioniert (siehe Bild), die Schwingungen können trotz weiterhin aktiver Anregung um fast 10dB verringert werden. In weiteren Vorhaben soll nun untersucht werden, inwiefern Standardmaschinen (z.B. BLDC) dazu geeignet sind, nach diesem Prinzip als aktive Schwingungsdämpfer eingesetzt zu werden. Ein weiterer Schwerpunkt wird aber auch auf der Entwicklung intelligenter Regelungsverfahren liegen, der eine Schwingungsdämpfung auch ohne Sensorik am Antriebsstrang ermöglichen sollen (sensorlose Regelung). 

Förderer:

Verein zur Förderung von Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Walzwerkstechnik in der Hüttenindustrie (VFWH)

Ansprechpartner:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Beck

Dr.-Ing. Dirk Turschner
05323 / 72-2592
turschner@iee.tu-clausthal.de

Dipl.-Ing. Markus Stubbe
05323 / 72-3728
markus.stubbe@tu-clausthal.de

 

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