KORAK, Johannes (Michael-Sieberer Straße 1, Steyr, A-4400, AT)
RITTENSCHOBER, Thomas (Ferihumerstraße 25/4/3, Linz, A-4040, AT)
WERNICK, Helmut (Katzbachweg 10, Linz, A-4040, AT)
HACKL, Alexander (Haydnstraße 22, Marchtrenk, A-4614, AT)
DANTELE, Andreas (Wieserfeldplatz 44/3, Steyr, A-4400, AT)
KORAK, Johannes (Michael-Sieberer Straße 1, Steyr, A-4400, AT)
RITTENSCHOBER, Thomas (Ferihumerstraße 25/4/3, Linz, A-4040, AT)
WERNICK, Helmut (Katzbachweg 10, Linz, A-4040, AT)
HACKL, Alexander (Haydnstraße 22, Marchtrenk, A-4614, AT)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Reduktion der Geräuschemission eines Transformators, dessen Transformatorkessel mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und die Kesselwand im Betriebsfall eine Vibration ausführt, gekennzeichnet durch die Reihenfolge folgender Verfahrensschritte: a.) Erfassen von Eigenschwingungsgrößen der Kesselwand bei zumindest einer Anregungsfrequenz; b.) Ermitteln von zumindest einer Eigenform, aus der sich die Vibration der Kesselwand bei einer Anregungsfrequenz zusammensetzt, aus den Eigenschwingungsgrößen, wobei auf der Kesselwand jeweils Bereiche großer Krümmung ermittelt werden; c.) Anordnen von zumindest einer Schwingungs- BeaufSchlagungseinrichtung in zumindest einem dieser Bereiche; d.) Ansteuern der zumindest einen Schwingungs- BeaufSchlagungseinrichtung mittels einer Steuereinrichtung, um der Vibration der Kesselwand entgegen zu wirken. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich großer Krümmung durch Überlagerung von zumindest zwei Eigenformen ermittelt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überlagerung eine Subtraktion der zumindest zwei Eigenformen durchgeführt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern so erfolgt, dass jeder Eigenform getrennt entgegen gewirkt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Bedampfen mehrerer Eigenformen bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen das Ansteuern mittels eines Steuersignals erfolgt, das aus einem Frequenzgemisch zusammengesetzt ist. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungs- BeaufSchlagungseinrichtung durch eine Piezoelement gebildet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messumformer verwendet wird, der die Schwingungen der Kesselwand in ein Messsignal umsetzt, das der Steuereinrichtung zugeführt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung aus dem zugeführten Messsignal Betrag und Phase einer Eigenform ermittelt und daraus eine Stellgröße für den Piezoaktuator berechnet, und diese Stellgröße in einem dem Messintervall folgenden Zeitintervall für die Ansteuerung des Piezoelements verwendet wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoelement auf der Kesselwand mittels Klebstoff befestigt wird. |
Verfahren zur Reduktion der Geräuschemission eines
Transformators
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der
Geräuschemission eines Transformators, dessen
Transformatorkessel mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und die Kesselwand im Betriebsfall Vibrationen ausführt.
Stand der Technik
Bei Betrieb eines Transformators führt die durch
Magnetostriktion bedingte Formänderung des weichmagnetischen Kern und/oder auf die Wicklungen wirkenden elektrodynamischen Kräfte zu Druckwellen in der Kühlflüssigkeit des
Transformators, welche die Wand des Transformatorkessels zu Schwingungen anregen. Diese Kesselvibrationen haben eine im Hörbereich liegende Schallabstrahlung zufolge, die
insbesondere dann als störend empfunden wird, wenn der
Transformator beispielsweise in der Nähe eines Wohngebietes installiert wird.
Um Betriebsgeräusche eines Transformators zu reduzieren sind verschiedene aktiv wirkende Einrichtungen bekannt. Aus der DE 699 Ol 596 T2 ist beispielsweise ein geräuscharmer
Transformator bekannt, bei dem im Transformatorkessel eine Schwingungszelle angeordnet ist, welche eine zu den
Druckwellen gegenphasige Schwingung erzeugt und dadurch die Vibrationen der Kesselwand abschwächt. Ein ähnliches Verfahren wird in der US 5,394,376 vorgeschlagen, wo
ebenfalls eine Flüssigkeits-Verdrängungseinrichtung
Druckwellen im Inneren Transformatorkessel entgegenwirkt. Diesen bekannten Einrichtungen ist aber gemeinsam, dass eine Verbindung zwischen einem Aktuator und der Flüssigkeit im Inneren des Kessels erforderlich ist. Außerdem nimmt der Aktuator eine beträchtliche Menge Energie auf.
Darstellungen der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das auf möglichst einfache und zuverlässige Weise die Geräuschemission eines Transformators wirkungsvoll verringert und dabei möglichst wenig Energie verbraucht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung, wird außen an der Wand des Transformatorkessels eine zur Vibration in
Gegenphase wirkende Schwingungs-BeaufSchlagungseinrichtung so angeordnet, dass sie möglichst nahe Bereichen maximaler
Krümmung bzw. maximaler transversaler Auslenkung einer
Eigenform der Kesselwand liegt. Dadurch ist eine effiziente Einwirkung auf die störende Vibration der Kesselwand möglich. Eine Eigenform, oder auch Mode genannt, beschreibt das
Aussehen einer Schwingungsform bei einer Eigenfrequenz. Bei jeder Eigenfrequenz gibt es eine bestimmte geometrische Form der Kesselwandschwingung, das heißt einen bestimmten Mode. In einer ersten Näherung lässt sich eine Kesselwand als Platte mit fixiertem Rand betrachten. Die dort auftretenden
Plattenmoden werden mit einer Ordnungszahl (m-n) benannt. Wenn die Schwingungs-BeaufSchlagungseinrichtung, im Folgenden auch kurz Aktuator genannt, in einem Bereich großer
Auslenkung der Eigenform platziert wird, ist vergleichsweise wenig Energie für die Schwingungstilgung erforderlich.
Eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungs- Beaufschlagungseinrichtung ein Piezoelement verwendet wird.
Ein besonderer Vorteil dieses Piezoelements liegt darin, dass es sowohl als Aktuator - als auch als Messumformer verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Piezoelement oder ein anderer Messumformer ein der
Schwingung der Kesselwand proportionales Messsignal liefert und dieses zurück an die Steuereinrichtung geleitet wird. Die Steuereinrichtung analysiert dieses Messsignal und ermittelt daraus Amplitude und Phase für ein Steuersignal, mit dem der Piezoaktuator zur Tilgung der Schwingung angesteuert wird. Auf diese Weise ist eine Adaption der Schwingungsdämpfung an sich ändernde Betriebszustände möglich. Dadurch bleibt die Wirkung der Geräuschminderung über einen langen
Betriebszeitraum erhalten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen in denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Es zeigt: Figur 1 Kesselschwingung bei einer Anregung von 100 Hz und deren Zerlegung in Eigenformen;
Figur 2 eine Darstellung von Simulationsbildern, welche die
Zerlegung einer Plattenschwingung in ihre
Eigenformen zeigen;
Figur 3 eine Darstellung von Simulationsbildern, welche
eine Überlagerung eines 2-3-Modes mit einem 1-5- Mode zeigen;
Figur 4 eine Darstellung von Simulationsbildern, welche
eine Überlagerung eines 2-3-Modes mit einem 2-6- Mode und eine Überlagerung eines 1-5-Modes mit einem 1-7-Mode zeigen.
Ausführung der Erfindung
Die Figur Ia zeigt in einer räumlichen Darstellung einen Transformatorkessel. Wie bereits eingangs dargestellt, wird die Kesselwand des Transformators bei Betrieb durch den
Trafokern und/oder die Trafowicklung zu Schwingungen
angeregt. Insbesondere bei einem Transformator großer
Leistung ist diese Geräuschabstrahlung störend. Bei einem Verteil- oder Leistungstransformator liegt die
Anregungsfrequenz üblicher Weise bei 50 Hz beziehungsweise 60 Hz.
In Figur Ib ist die sich auf der Wand des
Transformatorkessels ausbildende Schwingungsform dargestellt. Eine solche bildliche Darstellung einer Kesselschwingungsform kann durch eine Analyse der Schwingung bei Betrieb experimentell gewonnen werden. In Figur Ib, Figur Ic und Figur Id ist jeweils die Schnelle der Kesseloberfläche gezeichnet. D.h. die Wechselgeschwindigkeit der Wand um ihre Ruhelage. Aus der Darstellung lassen sich die Gebiete mit maximaler Auslenkung (Bauch) und die Gebiete mit der
minimalen Auslenkung (Konten) entnehmen.
In Figur Ie ist das Modenspektrum dargestellt. Dem Fachmann sind hierzu Einrichtungen und Verfahren bekannt, mit denen ein Modenspektrum erstellt werden kann. Beispielsweise kann mit einem Impulshammer eine Behälterwand zu Schwingungen angeregt werden und die Schwingungen der Kesselwand
beispielsweise mit auf der Kesselwandfläche verteilten
Beschleunigungssensoren oder piezoelektrischen
Kraftaufnehmern gemessen werden. Diese Messesignale können einer Rechenanlage zugeführt werden, die eine Modalanalyse durchführt und daraus das dynamische Verhalten der Kesselwand numerisch ermittelt. Wie bereits oben dargestellt, setzt sich eine Schwingungsform aus der Interferenz ihre Eigenschwingungsformen zusammen und kann somit in ihre Moden zerlegt werden. Dies kann
beispielsweise durch eine Simulation erfolgen. Die Figur 1 zeigt als Ergebnis einer Simulation auf einer Rechenanlage eine Analyse einer 100 Hz Kesselvibration. In den
Simulationsbildern Figur 1 c und Figur 1 d sind die
Eigenformen dargestellt. Wie aus Figur 1 c und 1 d zu sehen ist, ist die Kesselvibration im Wesentlichen aus zwei
Eigenschwingungsformen zusammen gesetzt: einem 2-3-Mode
(siehe Figur 2b) und einem 1-5-Mode (siehe Figur 2c) . Diese
Zusammensetzung der Kesselschwingung veranschaulicht auch das Diagramm der Figur 1 e; es zeigt den Anteil der Amplitude der Moden an der Kesselvibration in Abhängigkeit der Frequenz. Die vertikale punktierte Linie kennzeichnet die
Anregungsfrequenz 100 Hz. Der Peak links davon zeigt den stärker ausgeprägten Extremwert des 2-3-Modes bei seiner zugehörigen Eigenfrequenz von 99 Hz. Der Peak rechts davon zeigt den Extremwert des 1-5-Modes bei seiner
zugehörigenEigenfrequenz von 101 Hz.
Figur 2 zeigt im oberen Simulationsbild die Schwingungsform 30; die beiden darunter liegenden Simulationsbilder 40 und 50 den 2-3-Mode (Figur 2b) beziehungsweise den 1-5-Mode (Figur 2c) . Im Diagramm 60 in der Mitte der Figur 2 ist wieder die Amplitude in Abhängigkeit der Frequenz gezeichnet.
Bei der Geräuschreduktion ist man bestrebt, mit möglichst wenig Aktuatoren eine möglichst große Wirkung der
Geräuschminderung zu erzielen. Für die Verringerung der
Kesselvibration ist pro Mode die Anbringung zumindest eines Aktuators erforderlich. Um nun auf der Kesselfläche jene Bereiche herauszufinden, die für eine Tilgung der Schwingung besonders geeignet sind, werden Schwingungsbilder
übereinander gelegt. Dabei muss sicher gestellt werden, dass der eine Mode gedämpft, der andere aber nicht unbeabsichtigt angeregt wird. Um diese Bereiche auf der Kesselfläche
herauszufinden, wird erfindungsgemäß eine Subtraktion der Moden-Bilder durchgeführt, was im Folgenden näher erläutert ist :
Die Figur 3 zeigt im Schwingungsbild 40 einen 2-3-Mode.
Gebiete, in denen sich dieser 2-3 Mode besonders gut
anregenund somit dämpfen lässt, sind mit dem Bezugszeichen 401 gekennzeichnet und zeichnerisch grau schraffiert
dargestellt. Rechts daneben ist der 1-5-Mode 50 dargestellt, der sich in den Bereichen 501 besonders gut anregen lässt. Die weißen Bereiche in den beiden Bildern 40, 50 kennzeichnen Gebiete, in denen sich der jeweilige Mode nur schlecht anregen lässt. Um nun mit möglichst wenigen Aktuatoren eine effiziente Reduktion der Geräusche herbeizuführen, werden von den grau schraffiert dargestellten Flächen des 2-3-Mode
(Figur 3a) die grau schraffiert gezeichneten Flächen des 1-5- Mode (Figur 3b) subtrahiert. Das Ergebnis ist in Figur 3c (Bild 100) dargestellt. Die Differenzflächen 101 stellen Gebiete auf der Kesselwand dar, welche besonders günstig sind, um einen der beiden Moden wirkungsvoll zu dämpfen, ohne dass der andere Mode unbeabsichtigter Weise angeregt wird. Figur 3c zeigt sichel- und tropfenförmigen Restflächen, in denen ein Aktuator angeordnet werden kann, der durch
gegenphasige Schwingungseinleitung wirkungsvoll den 2-3-Mode dämpft, ohne den 1-5-Mode zu verstärken. Subtrahiert man hingegen die grauen Flächen 401 von den grauen Flächen 501, - siehe Figur 3d Bild 200 -, so erhält man jene Gebiete 201, in denen sich der Mode 1-5 gut anregen lässt, der Mode 2-3 hingegen schlecht. Auf diese Weise hat man auf der Kesselwand jene Bereiche ermittelt, in denen sich Vibrationen besonders effizient bedampfen lassen.
Grundsätzlich ist man bestrebt, mit möglichst wenig
Aktuatoren möglichst viele Frequenzen und Moden zu bedampfen. Störend sind jedoch nicht nur die Grundanregung, sondern auch die höheren Harmonischen der Grundanregung.
Figur 4 zeigt eine Darstellung von Simulationsbildern für den Fall einer Anregungsfrequenz von 100 Hz (fi) und der ersten Oberschwingung bei 200 Hz (f 2 ) . Die Kesselschwingung bei 200 Hz ist aus einem 1-7-Mode (Schwingungsbild 41) und einem 2-6- Mode (Schwingungsbild 51) zusammengesetzt. Im Überlagerungsbild 400 wurden die grauen Bereiche der
Eigenform 40 und 51 vereinigt und die grauen Bereiche der Eigenform 50 abgezogen. Die Flächen 401 kennzeichnen jene Bereiche in denen sich die Eigenform 40 und 51, im Idealfall mittels eines Aktuators, getrennt dämpfen lassen.
Im Überlagerungsbild 500 wurden die grauen Bereiche der
Eigenform 50 und 41 vereinigt und die grauen Bereiche der Eigenform 51 abgezogen. Die grau schraffierten Flächen 501 kennzeichnen jene Bereiche in denen die Eigenform 50 und 41, im Idealfall mittels eines Aktuators, getrennt dämpfen lassen . Indem ein Aktuator mit einem Frequenzgemisch aus 100 Hz und 200 Hz angesteuert wird, kann er sowohl zur Minderung des 100 Hz Anteils als auch zur Minderung des 200 Hz Anteils verwendet werden. Dadurch kann man mit zwei Aktuatoren zwei Frequenzen und vier Moden dämpfen. Mit anderen Worten, um die Anzahl der Aktuatoren zu reduzieren, betrachtet man nicht jede anregende Frequenz 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz usw. für sich alleine, sondern legt alle betrachteten Eigenformen aller Frequenzen übereinander und ermittelt durch
Überlagerung jene Gebiete, die der oben dargestellten
Optimierungsstrategie entsprechen. Dabei wird die Anzahl der Aktuatoren schrittweise erhöht, bis alle Eigenformen getrennt ausregelbar sind.
Obwohl der Kessel mit der Frequenz von 100 Hz angeregt wird, schwankt in Amplitude und Phase je nach Betriebszustand und Betriebszeit der Beitrag der Eigenschwingungsformen, aus denen sich die Kesselschwingung zusammen setzt. Um über die gesamte Betriebsdauer eine wirkungsvolle Unterdrückung der Schallabstrahlung zu erreichen, muss das
Geräuschunterdrückungssystem an den Ist-Zustand angepasst werden. Dies wird dadurch erreicht, indem die Piezoelemente zeitweise als Schwingungstilger, zeitweise als Messumformer zur Aufnahme einer Schwingung verwendet werden. In dieser Messephase wird das vom Piezoelement erzeugte Messsignal zurück in die Steuereinheit geführt. In der Steuereinheit wird aus dem Messsignal Betrag und Phase der gemessenen
Schwingung ermittelt. Die Kesselvibration wird in ihre
Eigenformen zerlegt. Wenn das Piezoelement wieder als
Schwingungstilger verwendet wird, wird diese Information für die Ansteuerung des Piezoelements, ggf. auch anderer
Aktuatoren verwendet. Dabei ist jedem Aktuator ein eigener Regelkreis zugeordnet. Auf diese Weise wird die Unterdrückung der Schallabstrahlung angepasst. Jeder Aktuator wird dadurch auf die in seinem Wirkungsbereich liegenden zeitlichen
Änderungen der Kesselschwingung angepasst. Damit bleibt die Wirkung der Geräuschereduzierung insgesamt über einen langen Betriebszeitraum erhalten.
Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Transformatorkessel
2 Schwingungsform
3 Mode 2-3
4 Mode 1-5
5 Modenspektrum 30 Simulationsbild, Schwingungsform
40 Simulationsbild Mode 2-3
41 Simulationsbild Mode 1-7
50 Simulationsbild Mode 1-5
51 Simulationsbild Mode 2-6
60 Diagramm
100 Differenzbild (40 ohne 50)
101 Bereiche günstiger Anregung des 2-3-Mode
200 Differenzbild (50 ohne 40)
201 Bereiche günstiger Anregung des 1-5-Mode 400 Differenzbild ( (40 vereinigt mit 51) ohne 50 ) 500 Differenzbild ( (50 vereinigt mit 41) ohne 51 )
401 Bereiche günstiger Anregung des 2-3-Mode bei fi und 2-6-Mode bei f.2
501 Bereiche günstiger Anregung des 1-5-Mode bei fi und 1-7-Mode bei t 2