Die vorliegende Erfindung betrifft ein System gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges System ist beispielsweise aus der US 2010/0135825 A1 bekannt und wird für die Verflüssigung von Gas, insbesondere Erdgas verwendet.

Das bekannte System weist zwei Elektromotoren auf, welche über eine gemeinsame Welle mechanisch miteinander verbunden sind. Auf der Welle ist als Last ein Kompressor beziehungsweise ein Kompressorsystem angeordnet. Die rotierenden Komponenten, das heisst die Welle, die Rotoren des Kompressors, Kupplungen zwischen Motorwellen und der Kompressorwelle wie auch die Rotoren der Motoren, werden als Strang bezeichnet.

Es ist allgemein bekannt, dass derartige Systeme Eigenschwingungen aufweisen. Zur Analyse und auch zur Dokumentation derartiger Eigenschwingungen werden sogenannte Campbeil-Diagramme verwendet.

Nachteilig an einem derartigen System erweist sich, dass die Elektromotoren Eigenschwingungen des Strangs anregen können. Diese Eigenschwingungen müssen folglich gedämpft beziehungsweise ihre Anregung verhindert werden, da die Eigenschwingungen ansonsten das System beschädigen oder sogar zerstören könnten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System anzugeben, bei welchem das Problem der Anregung bestimmter Eigenfrequenzen der Last gelöst ist.

Erfindungsgemäss wird dieses Problem durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemässe System weist einen ersten Elektromotor und einen zweiten Elektromotor auf, welche über einen gemeinsamen Strang des Systems miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei der Strang eine torsionale Eigenschwingung zu einer Eigenfrequenz hat, wobei durch den erste Elektromotor ein erstes Pendelmoment auf den Strang einwirkt und durch den zweiten Elektromotor ein zweites Pendelmoment auf den Strang einwirkt, und wobei der zweite Elektromotor derart bezüglich des ersten Elektromotors angeordnet ist, dass die Einwirkung des zweiten Pendelmoments auf den Strang zu einer Dämpfung der Anregung der Eigenschwingung durch das erste Pendelmoment führt. Dank der Anordnung der erfindungsgemässen Anordnung des zweiten Elektromotors zum ersten Elektromotor kann zumindest eine Eigenschwingung des Strangs gezielt gedämpft werden. Falls die Dämpfung optimal ist, kann die Eigenschwingung sogar ausgelöscht werden. Folglich braucht das System keine weiteren Komponenten oder Regelungen, welche die Anregung dieser Eigenschwingung verhindert oder kontrolliert. Folglich kann das System kostengünstiger gefertigt werden. Der Betrieb des Systems ist sicherer, da die Eigenschwingung konstruktionsbedingt nicht beziehungsweise nur gedämpft auftreten kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des System ist der erste Elektromotor von einem ersten Antrieb des Systems angetrieben und der zweite Elektromotor ist von einem zweiten Antrieb des Systems angetrieben, wobei der erste Antrieb wie auch der zweite Antrieb als Stromzwischenkreisumrichter ausgebildet sind.

Die Ausführung der Antriebe als Stromzwischenkreisumrichter erlaubt insbesondere einen kostengünstigen Betrieb des Systems.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System ist einer der beiden Elektromotoren als Synchronmaschine ausgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ist der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor als eine Synchronmaschine ausgeführt.

Die Ausführungsform zumindest eines Elektromotors als Synchronmaschine erlaubt einen kostengünstigen Betrieb des Systems in einem hohen Leistungsbereich, insbesondere von über 60 MW.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System in denen der erste Elektromotor durch den ersten Antrieb des Systems und der zweite Elektromotor durch einen zweiten Antrieb des Systems angetrieben ist, sind der erste Antrieb und der zweite Antrieb über Phasenleiter mit einem Versorgungsnetz verbunden. Der erste Antrieb weist einen ersten Umrichter und der zweite Antrieb einen zweiten Umrichter auf, wobei der erste Umrichter und der zweite Umrichter auf der Seite des Versorgungsnetzes und auf der Seite des ersten Motors beziehungsweise des zweiten Motors jeweils als fremdgeführter Stromrichter ausgeführt ist.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System, wird der zweite Umrichter um einen Phasenverschiebungswinkel Aph _N phasenverschoben gegenüber dem ersten Umrichter betrieben wird.

Dies erlaubt, die Netzrückwirkung des Systems zu optimieren, insbesondere kann die Einkopplung unerwünschter Frequenzen in das Versorgungsetz verhindert werden. Beispielweise kann der zweite Antrieb einen zweiten Transformator aufweisen, mittels welchem die Phasenverschiebung um den Phasenverschiebungswinkel Aph _N realisiert wird.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System sind der erste Umrichter und der zweite Umrichter jeweils auf der Seite des Versorgungsnetzes als auch auf der Seite des ersten Elektromotors beziehungsweise des zweiten Elektromotors als 12-Puls-Stromrichter ausgeführt ist. Die Gemäss einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist jeweils ein netzseitiger Stromrichter des ersten Umrichters und des zweiten Umrichters (49) als phasenanschnittgesteuerter, fremdkommutierter Thyristorstromrichter ausgeführt ist. Gemäss einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jeweils ein lastseitiger Stromrichter des ersten Umrichters und des zweiten Umrichters als phasenanschnittgesteuerter, fremdkommutierter Thyristorstromrichter ausgeführt.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System, ist der zweite Elektromotor um einen relativen Motorwinkel Aph _M radial verdreht gegenüber dem ersten Elektromotor angeordnet, wobei der relative Motorwinkel zumindest näherungsweise

ist, wobei f _N die Frequenz des Versorgungsnetzes und f _M die Frequenz der lastseitigen Stromrichter ist, N _N die Pulszahl der netzseitigen Stromrichter und N _M die Pulszahl der lastseitigen Stromrichter (62) ist.

Insbesondre falls Aph _N von Null verschieden ist, kann dank dieser Formel selbst beim Betrieb der beiden netzseitigen Stromrichter mit einer Phasenverschiebung von Aph _N eine Dämpfung einer Eigenschwingung des Strangs oder sogar die Auslöschung einer Eigenschwingung erzielt werden. Folglich kann das System ohne spezielle Schutzkonzepte oder Systeme gegen eine bestimmte Eigenschwingung des Strangs konzipiert werden wodurch das System insgesamt kostengünstiger gefertigt und sicherer betrieben werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des System ist der zweite Stator radial um einen Statorwinkel cp _S t gegenüber dem ersten Stator angeordnet und der zweite Rotor ist radial um einen Rotorwinkel cp _R verdreht gegenüber dem ersten Rotor angeordnet, wobei für den relativen Motorwinkel Aph _M = (PR - (Pst gilt.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System weist der Strang eine Last auf, welche bevorzugt ein Kompressorsystem ist. Ein derartiges System weist bevorzugt eine Leistung der beiden Elektromotoren von mindestens 60 MW auf.

In einer bevorzugen, mit den anderen bevorzugten Ausführungsformen kombinierbaren Ausführungsform des System weist der erste Elektromotor einen ersten Rotor und einen ersten Stator auf, und der zweite Elektromotor weist einen zweiten Rotor und einen zweiten Stator auf, wobei der zweite Rotor nicht auf den ersten Rotor radial ausgerichtet ist und/oder der zweite Stator nicht auf den ersten Stator radial ausgerichtet ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren abhängigen Patentansprüche angegeben und ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugten Ausführungsformen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Diese bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung stellen nicht einschränkende Beispiele der Erfindung dar.

Die Zeichnung zeigt rein schematisch

Fig. 1 in Seitenansicht ein mechanisches System mit einem ersten Motor und einem zweiten Motor, welche über eine gemeinsame Welle miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei über die Welle eine Last angetrieben wird;

Fig. 2 das mechanische System gemäss Fig. 1 in Richtung der Längsachse, wobei verschiedene Winkel der einzelnen Komponenten zueinander eingezeichnet sind und der übersichtlichkeitshalber die Last nicht dargestellt ist;

Fig. 3 eine beispielshafte Anordnung eins elektrischen Systems zum Antreiben des ersten und zweiten Motors;

Fig. 4 eine beispielshafte Ausführungsform eines Umrichters für das elektrische System;

Fig. 5 ein typisches Campell-Diagramm, in welchem Frequenzen der Pendelmomente eines Strangs des mechanischen Systems, gebildet aus den Rotoren der Motoren, der Welle und der Last, in Abhängigkeit einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Strangs sowie torsionale Eigenfrequenzen des Strangs aufgetragen sind;

Fig. 6 zweigt die Periodenlänge des Faltungsproduktes der 12-fachen Netzfrequenz f _N mit der zwölffachen Motorfrequenz f _M , wobei in FIG. 6 die Netzfrequenz mit fN, die Motorfrequenz mit fM und das Faltungsprodukt mit |12 fN - 12 fM| bezeichnet ist; und

Fig. 7 im Vergleich zu Fig. 6 die zwölffache Netzfrequenz um 30° phasenverschoben gegenüber der zwölffachen Netzfrequenz aus Fig. 6. FIG. 1 und 2 zeigt ein erfindungsgemässes mechanisches System 10 mit einem ersten Elektromotor 12, einem zweiten Elektromotor 14 und einer gemeinsamen Welle 16, über welche der erste Elektromotor 12 und der zweite Elektromotor 14 miteinander mechanisch gekoppelt sind. Der Einfachheit halber werden die Elektromotoren kurz als Motoren bezeichnet. Auf der Welle 16 ist eine Last 17' angebracht. Derartige mechanische Systeme 10 werden beispielsweise für eine Gasverflüssigungsanlage verwendet, wobei in diesem Fall die Last 17' ein Kompressor beziehungsweise ein Kompressorsystem bestehend aus mehreren Kompressoren zum Verflüssigen von Gas, insbesondere Erdgas ist. Die rotierenden Komponenten des mechanischen Systems 10 werden als Strang 17 bezeichnet. Dies sind insbesondere ein erster Rotor 20 des ersten Motors 12, ein zweiter Rotor 26 des zweiten Motors 22, die Welle 16 und die Last 17' sowie eventueller weiterer Komponenten wie zum Beispiel Kupplungen zwischen dem jeweiligen Rotor 20, 26 und der Welle 16. Zum Antreiben der Last 17' im Falle einer Erdgasverflüssigungsanlage werden heutzutage typischerweise Antriebsleistungen zwischen 60 MW (Megawatt) und 120 MW benötigt. Jedoch sind bereits Anlagen mit einer grösseren Antriebsleistung in Planung. Beispielsweise kann diese Antriebsleistung von je zur Hälfte von jedem der beiden Motoren 12, 14 aufgebracht werden, sodass jeder der beiden Motoren 12, 14 eine Leistung von 30MW bis 60 MW an die Welle 16 abgeben kann. Alternativ kann einer der beiden Motoren 12, 14 zum Abgeben einer grösseren Antriebsleistung als der andere Motor 12, 14 dimensioniert sein, beispielsweise könnte der erste Motor 12 zum Abgeben einer Antriebsleistung von zwischen 70 MW und 100 MW und der zweite Motor 14 für eine Antriebsleistung von bis zu 20 MW ausgelegt sein.

Der erste Motor 12 wie auch der zweite Motor 14 sind dazu bestimmt, die Welle 16 wie auch die Last 17' anzutreiben. Die Welle 16 zusammen mit der Last 17' bildet - wie vorstehend bereits erwähnt - den Strang 17. Hierzu ist der erste Rotor 20 des ersten Motors 12 mechanisch mit der Welle 16 gekoppelt. Ebenso ist der zweite Rotor 22 mit der Welle 16 gekoppelt. Bevorzug ist der erste Rotor 20 wie auch der zweite Rotor 22 direkt mit der Welle 16 verbunden beziehungsweise an dieser ausgebildet. Alternativ könnte einer oder auch beide Rotoren 20, 22 über ein in der Zeichnung nicht gezeigtes Getriebe mit der Welle 16 gekoppelt sein.

Um den ersten Rotor 20 ist ein erster Stator 24 des ersten Motors 12 und um den zweiten Rotor 22 ein zweiter Stator 26 des zweiten Motors 14 angeordnet. Wie in FIG. 1 gezeigt, ist es bevorzugt, dass der erste Motor 12 wie auch der zweite Motor 14 an jeweils gegenüberliegenden Endbereichen der Welle 16 angeordnet sind. Andere Anordnungen sind jedoch ebenfalls möglich. Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Motor 12 wie auch der zweite Motor 14 als Synchronmaschine (in FIG: 3 und 4 mit SM bezeichnet) ausgeführt. Jedoch kann die Erfindung prinzipiell auch mit einer Asynchronmaschine ausgeführt werden.

Der Strang 17 ist möglichst starr ausgebildet, kann jedoch durch verschiedene, bestimmte Eigenfrequenzen zu Eigenschwingungen angeregt werden, insbesondere zu Torsionsschwingungen. Bei der Torsionsschwingung erfolgt eine Schwingung um den rotatorischen Freiheitsgrad des Strangs 17, im vorliegenden Fall, um die Längsachse A des Strangs 17. Beim ersten Eigenmod der Eigenschwingung zur ersten Eigenfrequenz verdreht sich lediglich das eine Ende des Strangs 17 beziehungsweise der Welle 16 gegenüber dem anderen Ende des Strangs 16 beziehungsweise der Welle 16. Beim zweiten Eigenmod der Eigenschwingung zur zweiten Eigenfrequenz schwingen beide Enden des Strangs 17synchron zueinander, jedoch schwingt der mittlere Abschnitt des Strangs 17 in entgegengesetzter Umfangrichtung bezüglich der Schwingung der beiden Enden. Die Eigenschwingungen des Strangs 17 können insbesondere auch auftreten, während sich der Strang 17 dreht, das heisst, dass die Eigenschwingung einer konstanten Drehbewegung des Strangs 17 überlagert ist.

Der erste Stator 24 wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als ortsfestes Koordinatensystem für die folgenden Betrachtungen der beiden Statoren 24, 26 des ersten und zweiten Motors 12, 14 genommen. Der zweite Stator 26 kann auf der durch die Welle 16 definierten Längsachse A des mechanischen Systems 10 in Umfangrichtung prinzipiell beliebig angeordnet sein. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Winkel, um welchen der zweite Stator 26 gegenüber dem ersten Stator 24 verdreht angeordnet ist, als Statorwinkel cp _S t bezeichnet. Der Statorwinkel cp _S t kann folglich Null oder verschieden von Null sein. Bei einem Statorwinkel von cp _S t =0 sind die Pole des zweiten Stators 26 in Richtung der Längsachse A deckungsgleich mit den Polen des ersten Stators 24.

Das Koordinatensystem für die rotierenden Komponenten des mechanischen Systems 10, insbesondere für den Strang 17, den ersten Rotor 20 und den zweiten Rotor 22 wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit durch den ersten Rotor 20 definiert. Der zweite Rotor 22 kann auf der mechanisch unbelasteten Welle 16, d.h. beispielsweise solange das mechanische System 10 im Stillstand ist und durch den ersten Motor 12, den zweiten Motor 14 wie auch durch die Last 17' kein Drehmoment auf die Welle 16 ausgeübt wird, um einen Winkel verdreht angeordnet sein, welcher im Folgenden als Rotorwinkel cp _R bezeichnet wird. Der Rotorwinkel cp _R kann folglich Null oder verschieden von Null sein. Bei einem Rotorwinkel von cp _R =0 sind die Pole des zweiten Rotors 22 in Richtung der Längsachse A deckungsgleich mit den Polen des ersten Rotors 20. Weiter ist in FIG. 2 der Winkel relative Motorwinkel Aph _M zwischen dem Statorwinkel cp _S t und dem Rotorwinkel cp _R eingezeichnet. Unter mechanischer Belastung des Strangs 17 kann sich dieser verdrehe, insbesondre als Funktion der Zeit, da die Welle 16 wie auch die Last 17' nicht vollkommen starr sind. Mechanische Belastungen der Welle 16 werden insbesondere durch die beiden Motoren 12, 14 als auch durch die Last 17' verursacht. Insbesondre können die beiden Motoren 12, 14 torsionale Eigenschwingungen des Strangs 17 anregen.

In FIG. 3 ist ein Antriebssystem 30 zum Antreiben des ersten Motors 12 wie auch des zweiten Motors 14 des Systems 10 gezeigt. Der erste Motor 12 wird durch den ersten Antrieb 32 und der zweite Motor 14 durch den zweiten Antrieb 34 getrieben. Die Antriebe 32, 34 sind typische Antriebe, wie sie dem Fachmann für derartige Zwecke bestens bekannt sind.

Der erste Antrieb 32 weist einen ersten Transformator 40 auf, der auf Seite eines Versorgungsnetzes 42 über N _V N Phasenleiter 44 mit diesem verbunden ist. Das Versorgungsnetz 42 ist typischerweise 3-phasig ausgebildet, sodass der erste Transformator 40 über drei (N _V N=3) Phasenleiter 44 mit diesem verbunden ist. Auf der Seite des ersten Motors 12 ist der Transformator 40 über sechs (NUM=6) Phasenleiter 46 mit einem ersten Umrichter 48 verbunden. Typischerweise ist die Verbindung zwischen Transformator 40 und dem Umrichter 48 gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches von N _V N- Im vorliegenden Beispiel ist NUM=6, wobei die sechs Phasen phasenverschoben zueinander sind.

Der erste Umrichter 48 ist über N _AN Phasenleiter 50 mit dem ersten Motor 12 verbunden. Typischerweise werden 3, 6, 12, 18 oder 24 Phasenleiter 50 verwendet. Im vorliegenden Beispiel werden sechs (N _A N =6) Phasenleiter 50 verwendet.

Der zweite Antrieb 34 ist weitgehend analog zum ersten Antrieb 32 ausgebildet.

Der zweite Antrieb 34 weist einen zweiten Transformator 41 auf, der auf Seite des Versorgungsnetzes 42 über ebenfalls N _V N Phasenleiter 45 mit diesem verbunden ist. Auf der Seite des zweiten Motors 14 ist der zweite Transformator 41 über sechs (NUM=6) Phasenleiter 47 mit einem zweiten Umrichter 49 verbunden. Typischerweise ist die Verbindung zwischen dem zweiten Transformator 41 und dem zweiten Umrichter 49 gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches von N _V N- Im vorliegenden Beispiel ist NUM=6, wobei die sechs Phasen phasenverschoben zueinander sind.

Der zweite Umrichter 49 ist über N _AN Phasenleiter 51 mit dem zweiten Motor 14 verbunden. Typischerweise werden 3, 6, 12, 18 oder 24 Phasenleiter 51 verwendet. Im vorliegenden Beispiel werden sechs (N _A N =6) Phasenleiter 51 verwendet.

Die sechs Phasen am Ausgang des zweiten Transformators 41 können um einen Phasenverschiebungswinkel Aph _N phasenverschoben zu den sechs Phasen am Ausgang des ersten Transformators 40 sein. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um störende Rückwirkungen des Antriebssystems 30 auf das Versorgungsnetz 42 zu verringern. Beispielsweise kann ein Phasenverschiebungswinkel Aph _N von 15° bei dem in FIG. 3 und 4 gezeigten Antriebssystem vorteilhaft sein. Jedoch kann der Phasenverschiebungswinkel auch verschieden von 15° oder auch Aph _N =0° sein.

Der Phasenverschiebungswinkel Aph _N ist folglich ein netzseitiger elektrischer Phasenverschiebungswinkel zwischen dem ersten Umrichter 48 und dem zweiten Umrichter 49.

FIG. 4 zeigt eine Detailansicht der FIG. 3. FIG 4 zeigt drei Phasenleiter 44 (N _V N=3), über welche der erste Transformator 40 mit dem Versorgungsnetz 42 (siehe Fig. 3) verbunden ist. Wie gezeigt, ist der erste Transformator 40 derart ausgebildet, dass auf der Seite des ersten Umrichters 48 sechs Phasenleiter 46 (NUM=6) mit dem ersten Transformator 40 verbunden sind. Die sechs Phasen sind zueinander phasenverschoben, wobei die Phasenverschiebung bei sechs Phasenleitern bevorzugt 60° beträgt. Allgemein soll die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen 360° geteilt durch die Anzahl NUM Phasenleiter 46 betragen, in Formeln ausgedrückt: 3607NUM .Eine 60° Phasenverschiebung kann beispielsweise mittels des 3-phasigen Versorgungsnetzes 42 sowie über Transformatorwicklungen in Deltabzw. Y-Ausführung erzielt werden. Diese wie auch andere mögliche Ausbildungen sind dem Fachmann bekannt.

Weiter zeigt FIG. 4 einen netzseitigen Stromrichter 60 des ersten Umrichters 48. Der netzseitige Stromrichter 60 ist durch zwei in Serie zueinander geschaltete Sechspuls- Brückengleichrichterschaltungen ausgeführt. Zusammen bilden sie somit eine 12-Puls- Gleichrichterschaltung. Andere Schaltungen sind dem Fachmann bekannt, welche ebenfalls 12-Puls-Gleichrichterschaltungen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind phasenanschnittgestuererte Thyristoren als Schaltelemente gezeigt. Der netzseitige Stromrichter 60 ist folglich als fremdgeführter Stromrichter 60 ausgebildet. Die Frequenz des netzseitigen Stromrichters 60 ist folglich gleich der Frequenz des Versorgungsnetzes 42 und ist mit f _N bezeichnet. f _N ist folglich typischerweise 50 Hz oder 60 Hz, kann jedoch prinzipiell eine beliebige Frequenz sein. Anstelle der in FIG.3 gezeigten Schaltelemente könnten auch andere Schaltelemente als Thyristoren verwendet werden. Dem Fachmann sind geeignete Stromrichterschaltungen bekannt.

Allgemein gilt, dass die N _N- Puls-Gleichrichterschaltung durch Gleichrichtung von N _N /2 Phasen erzielt wird, wobei beide Halbwellen der Schwingungen gleichgerichtet werden. Falls nur die positive bzw. nur die negative Halbwellen gelichgerichtet werden, ist die Anzahl der Pulse gleich der Anzahl der zueinander phasenverschobenen Phasen. Im in FIG. 4 gezeigten Beispiel ist N _N = 12.

Motorseitig beziehungsweise lastseitig weist der erste Umrichter 48 einen lastseitigen Stromrichter 62 auf. Der lastseitige Stromrichter 62 ist im vorliegenden Beispiel über 6 Phasenleiter 50 (N _A M=6) mit dem ersten Motor 12 verbunden. Die Phasenleiter 50 können unabhängig voneinander eingeschaltet werden. Hierzu weist der lastseitige Stromrichter 62 wiederum phasenanschnittgestuererte Thyristoren auf und ist wiederum als fremdgeführter Stromrichter ausgeführt. Dem Fachmann sind weitere Möglichkeiten bestens bekannt. Da jede der Phasen entweder an +V _DC /2 oder -V _DC /2 beaufschlagt werden kann, wird die Wechselrichterschaltung als 12-Puls-Wechselrichter bezeichnet. Allgemein gilt, dass die Anzahl Pulse N _M des N _M -Puls-Wechselrichter wie folgt definiert sind: Anzahl der Phasenleiter N _A N *2 , wobei die N _A N Phasenleiter 50 zumindest zueinander phasenverschoben angesteuert werden können. Im allgemeinsten Fall können die N _A N Phasenleiter 50 unabhängig zueinander angesteuert werden. In dem in FIG.3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist N _M = 12.

Analog zum ersten Antrieb 32 weist der zweite Antrieb 34 einen netzseitigen Stromrichter und einen lastseitigen Stromrichter auf, selche jeweils analog zum netzseitigen Stromrichter und zum lastseitigen Stromrichter des ersten Antriebs 34 ausgebildet sind.

Im vorliegenden Beispiel ist der erste Motor 12 wie auch der zweite Motor 14 mit je 6 Statorwicklungen ausgebildet, die beispielsweise in Sternschaltung betrieben werden. Jede Statorwicklung ist mit einem der Phasenleiter 50 des jeweiligen Antriebs 32, 34 verbunden.

Die beiden lastseitigen Stromrichter 62 dienen dazu, den ersten Motor 12 beziehungsweise den zweiten Motor 14 mit einer variablen Frequenz anzutreiben, sodass der jeweilige Motor 12 bzw. 14 mit einer variablen Umdrehungsgeschwindigkeit dreht. Bei einem 12-Puls- Wechselrichter und einem Stator mit 6 Statorwicklungen dreht der Motor mit der Motorfrequenz f _Mo t = f M / N _PP wobei N _PP die Anzahl der Polpaare des Stators ist und f _M die Frequenz des lastseitigen Stromrichters ist. Falls N _PP = 1 dreht der Motor mit der Frequenz f _M des lastseitigen Stromrichters 62. Da jedoch auf jedem Phasenleiter 50, 51 neben der Wechselrichter-Frequenz f _M auch weiter Frequenzen vorhanden sind, führen diese Frequenzen zu Überlagerungen. Diese weiteren Frequenzen führen zu magnetischen Feldern im Luftspalt des ersten beziehungsweise zweiten Motors 12, 14, welche nicht mit der Umdrehungsgeschwindigkeit rotieren und somit zu pulsierenden Momenten führen, welche auf den Rotor einwirken.

FIG. 5 zeigt ein typisches Campbeil-Diagramm für den oben beschriebenen ersten Antrieb 32 wie auch für den zweiten Antrieb 34, welche je netzseitig wie auch lastseitig einen zwölfpulsigen Stromrichter 60, 62 aufweisen. Die Frequenz des Versorgungsnetzes wie auch des netzseitigen Stromrichters 60 ist in FIG. 5 bis 7 mit fN anstelle f _N bezeichnet. Diese beträgt im vorliegenden Beispiel 50 Hz. Die Frequenz des lastseitigen Umrichters ist mit der variablen Umdrehungsgeschwindigkeit des jeweiligen Motors 12, 14, wie oben angegeben, gekoppelt und ist in FIG. 5 bis 7 mit fM anstelle f _M bezeichnet. In FIG. 5 ist die Umdrehungsgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute angegeben, wobei Umdrehungen pro Minute als rpm abgekürzt ist. Die in FIG. 5 durchgezogen gezeichneten Linien geben den Frequenzverlauf der ganzzahlig harmonischen, pulsierenden Momente des oben beschriebenen 12-Puls-Systms an. Die durchbrochenen Linien geben den Frequenzverlauf der nicht-ganzzahligen, pulsierenden Momente an. Im vorliegenden Campbeil-Diagramm wurde für die Polpaarzahl der Motoren 1 angenommen. Folglich ist die Wechselrichter- Frequenz f _M gleich der Motorfrequenz.

Im Campbeil-Diagramm ist der Frequenzverlauf der pulsierenden Momente in Abhängigkeit der Umdrehungszahl rpm dargestellt. Diese können beispielsweise im Speicherzwischenkreis zwischen dem jeweiligen netzseitigen Stromrichter 60 und dem lastseitigen Stromrichter 62 gemessen werden und führen zu Momenten auf den jeweiligen Motor 12, 14, die nicht der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors entsprechen.

Weiter ist beispielhaft eine Frequenz 66 einer torsionalen Eigenschwingungen des Strangs 17 eingezeichnet. Die Frequenzen der ersten, zweiten und dritten Eigenschwingung können beispielsweise bei 6 Hz, 19 Hz und 56 Hz liegen, hängen jedoch von der Ausgestaltung des Strangs 17 ab. Die Frequenzen der torsionalen Eigenschwingungen sind unabhängig von der momentanen Umdrehungsgeschwindigkeit des Strangs 17.

Wie aus dem Campbeil-Diagramm hervor geht, überschneiden sich die Frequenz 66 beziehungsweise der Frequenzverlauf der Eigenschwingung des Strangs 17 mit den Frequenzverläufen der pulsierenden Momente. Da die Frequenz f _M des lastseitigen Umrichters 62 sich bei einer Drehzahländerung des Strangs 17 ändert, wird insbesondere beim Hochfahren des Strangs 17 aus dem Stillstand bis zur gewünschten Umdrehungsgeschwindigkeit ein gewisses Frequenzband durchlaufen, in welchem typischerweise Überschneidungen der Eigenfrequenz 66 des Strangs 17 mit den durch den Antrieb verursachten Pendelmomenten liegen. Da das Hochfahren relative schnell erfolgt wird der Strang 17 bei den Eigenfrequenzen des Strangs 17 typischerweise nicht stark angeregt. Jedoch führen typischerweise Überschneidungen des Frequenzverlaufs 66 der Eigenschwingung des Strangs 17 mit den Frequenzverläufen der pulsierenden Momente nahe der Umdrehungsgeschwindigkeit für den Dauerbetrieb zu unerwünschten Schwingungen des Strangs 17. Im vorliegenden, in FIG. 5 gezeigten Diagramm, ist dies nahe der Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 rpm der Fall. Wie beispielhaft in FIG. 1 gezeigt, weist das erfindungsgemasse System einen ersten Motor 12 und einem zweiten Motor 14 auf. Die Motoren 12, 14 sind über einen gemeinsamen Strang 17 miteinander mechanisch gekoppelt. Der erste Motor 12 sowie der zweite Motor 14 sind dazu gestimmt sind, den Strang 17 anzutreiben, wobei der Strang 17 eine torsionale Eigenfrequenz hat, wobei auf den Strang 17 durch den ersten Motor 12 ein von der Umdrehungsgeschwindigkeit abhängiges, erstes Pendelmoment und durch den zweiten Motor ein ebenfalls von der Umdrehungsgeschwindigkeit abhängiges, zweites Pendelmoment einwirkt. Erfindungsgemäss ist der zweite Motor 14 derart bezüglich des ersten Motors 12 angeordnet, dass bei einer gegebenen Umdrehungsgeschwindigkeit des Strangs 17 die Einwirkung des ersten Pendelmoments und des zweiten Pendelmoments zu einer Auslöschung der Eigenfrequenz auf dem Strang 17 führt.

Die Auslöschung der Anregung des Strangs 17 bei einer bestimmten Frequenz kann wie folgt erfolgen, wobei im Folgenden der zweite Antrieb 34 ohne elektrische Phasenverschiebung Aph _N zum ersten Antrieb 32 betrieben wird, das heisst, dass die Spannungen und/oder die Ströme in den Phasenleitern 46, 47 zwischen dem ersten Transformator 40 und dem netzseitigen Stromrichter 60 des ersten Umrichters 48 sowie zwischen dem zweiten Transformator 41 und dem netzseitigen Stromrichter 60 des zweiten Umrichters 49 in Phase zueinander sind. Der Phasenverschiebungswinkel Aph _N ist folglich Null. Weiter wird eine Fallunterscheidung von geradzahligen und ungeradzahligen Schwingung zur Eigenfrequenz gemacht.

Bei geradzahliger Schwingung des mechanischen Systems schwingen die beiden Endbereiche des Systems synchron zueinander. Die Schwingung kann folglich ausgelöscht werden, indem beide Enden des Systems gegengleich angeregt werden. Dies kann wie folgt erzielt werden:

Der zweite Rotor 22 wird um 180° gegenüber dem ersten Rotor 20 verdreht, wobei der erste Stator 24 und der zweite Stator 26 radial aufeinander ausgerichtet sind, wobei folglich cp _R =180°, cp _S t =0° und Aph _M = (p _R =180° gilt; oder

Der zweite Stator 26 wird um 180° gegenüber dem ersten Stator 24 verdreht, wobei der erste Roter 20 und der zweite Rotor 22 radial aufeinander ausgerichtet sind wobei folglich cp _R =0°, cp _S t =180° und und Aph _M = wobei -180° äquivalent zu +180° ist; oder

Der der zweite Stator 26 um einen Winkel cp _S t gegenüber dem ersten Stator 24 verdreht angeordnet ist und der zweite Rotor um einen Winkel cp _R gegenüber dem ersten Rotor angeordnet ist, wobei für die Winkel das folgende gilt: Aph _M = cp _R - cpst =180°. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die Position „180°" äquivalent zu „-180°" ist, da dies dieselbe Position ist. Ebenso sind ganzzahlige vielfache von 360° addiert zu 180° äquivalente Positionen.

Falls die Polpaarzahl N _PP verschieden von 1 ist, kommen weitere äquivalente Winkelpositionen hinzu. Für N _PP =2 sind dies 90° und 270°, für N _PP =3 zusätzlich 45°, 135°, 225° und 315°. Für höhere Polpaarzahlen entsprechend weitere Winkelpositionen

Bei ungeradzahligen harmonischen Schwingungen des mechanischen Systems schwingen die beiden Endbereiche des Systems entgegengesetzt zueinander. Die Schwingung kann folglich ausgelöscht werden, indem beide Enden des Systems synchron angeregt werden. Dies kann auf folgende wie folgt erzielt werden:

Der zweite Stator 26 ist radial auf den ersten Stator 24 ausgerichtet und der erste Roter 20 und der zweite Rotor sind ebenfalls radial aufeinander ausgerichtet, wobei folglich cp _R =0°, cp _S t =0° und Aph _M =0° ist; oder

Der der zweite Stator 26 ist um einen Winkel cp _S t gegenüber dem ersten Stator 24 verdreht angeordnet und der zweite Rotor ist um einen Winkel cp _R gegenüber dem ersten Rotor angeordnet, wobei für die Winkel das folgende gilt: Aph _M = ( R - cpst =0°

Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die Position„0°" äquivalent zu ganzzahligen Vielfachen von 360° ist.

Falls die Polpaarzahl N _PP verschieden von 1 ist, kommen weitere äquivalente Winkelpositionen hinzu. Für N _PP =2 sind dies 180°, für N _PP =3 zusätzlich 90°und 270°. Für höhere Polpaarzahlen entsprechend weitere Winkelpositionen..

Es kann jedoch auch wünschenswert sein, die beiden Antriebe 32, 34 auf Seite des Versorgungsnetzes 42 phasenverschoben zueinander zu betreiben, um die von den Antrieben 32, 34 verursachte Störung des Versorgungsnetzes 42 zu reduzieren. Im Fall eines 12-Puls-Systems wird typischerweise der netzseitige Stromrichter 60 des zweiten Umrichters 49 mit einer Phasenverschiebung von Aph _N =15° bezüglich des netzseitigen Stromrichters 60 des ersten Umrichters 48 betrieben. Diese Phasenverschiebung kann durch den zweiten Transformator 41 erzielt werden. Falls die Phasenverschiebung Aph _N von 0° verschieden ist, muss diese zum Auslöschen der anregenden Pendelmomente berücksichtigt werden.

FIG. 6 zeigt oben rein schematisch die Gleichspannungsseite des netzseitigen 12-Puls Stromrichter 60 des ersten Umrichters 48, welche mit dem 12-fachen der Netzfrequenz f _N schwingt. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde eine Sägezahnfunktion gewählt. Weiter zeigt FIG. 6 unten die Gleichspannungsseite des lastseitigen Stromrichters 62 des ersten Umrichters, welche mit der 12-fachen Frequenz des lastseitigen Stromrichters 62 gepulst ist. Wiederum wird die Spannung rein schematisch als Sägezahnfunktion dargestellt. Zwischen der geplusten Gleichspannung des netzseitigen Stromrichters 60 und der gepulsten Gelichspannung des lastseitigen Stromrichters 62 entsteht eine tief-frequente Schwebung, welche als tief-frequenter Energietransfer im ersten Umrichter 48sichtbar ist. Weiter führt diese Schwebung der Spannung im Speicherzwischenkreis 64 des ersten Umrichters 48 zu einem tief-frequenten, im Allgemeinen nicht-ganzzahligen Drehmoment im Luftspalt des ersten Motors 12, welches mit der Frequenz der tief-frequenten Schwebung schwingt. Analoges gilt prinzipiell für den zweiten Umrichter 49 wie auch den zweiten Motor 24. Dies ist im Campell-Diagramm in FIG. 5 gezeigt.

Im Vergleich mit FIG 6 zeigt FIG. 7 die Situation für den zweiten Umrichter 49. Wiederum ist die gepluste Gleichspannung des netzseitigen Stromrichters 60 und die gepulste Gleichspannung des lastseitigen Stromrichters 62 gezeigt, jedoch ist die Spannung auf der Seite des Versorgungsnetzes 42 phasenverschobenen zur Netzfrequenz f _N . Die Phasenverschiebung beträgt Aph _N .. Wie oben beschrieben, kann diese Phasenverschiebung durch einen Transformator erzielt werden. Analog zur obigen Beschreibung des ersten Umrichters resultiert wiederum eine tief-frequente Schwebung im Speicherzwischenkreis 64 des zweiten Umrichters 49 und ein tief-frequentes, im Allgemeinen nicht-ganzzahligen Drehmoment im Luftspalt des zweiten Motors 14.

Wie aus FIG. 6 und FIG. 7 hergeleitet werden kann, führt die Phasenverschiebung Aph _N der Frequenz des netzseitigen Stromrichters 60 des zweiten Umrichters 49 zu einer Phasenverschiebung der tief-frequenten Schwebung im Energiefluss durch den zweiten Umrichter 49 gegenüber der tief-frequenten Schwebung im ersten Umrichter 48 und damit auch des tief-frequenten, pulsierenden Luftspaltmoments des zweiten Motors 14 im Vergleich zum tief-frequenten, pulsierenden Luftspaltmoments des ersten Motors 12. Durch Vergleichen von FIG.6 mit FIG. 7 kann diese Verschiebung aus der Frequenz f _N des netzseitigen Stromrichters 60, der Phasenverschiebung um den Phasenverschiebungswinkel Aph _N und aus der Frequenz f _M des lastseitigen Stromrichters 62 hergeleitet werden und gehorcht allgemein dem folgenden Gesetz: wobei N _N die Anzahl Pulse des netzseitigen Stromrichters und N _M die Anszahl Pulse des lastseitigen Stromrichters ist. Falls die die Anzahl Pulse des netzseitigen und des lastseitigen Stromrichters gleich ist, gilt:

Die zwei obenstehenden Formeln für Aph _M gelten allgemein für Synchronmaschinen.

Für mindestens eine kritische Drehzahl, bei der die Schwebungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz der torsionalen Eigenschwingung des Strangs 17 zusammenfallen würde, kann nun mit Hilfe des erfindungsgemässen Systems eine Auslöschung der torsionalen Eigenschwingung auf der Last erfolgen.

Für eine korrekte Vorverdrehung des zweiten Rotors 22 gegenüber dem ersten Rotor 20 muss der relative Motorwinkel Aph _M = ( R - cpst gemäss der obigen Formel auf 180 ° für geradzahlige und auf 0° für ungeradzahlige harmonische Schwingungen der Last 17 gebracht werden. Wiederum sind ganzzahlige Vielfache von 360° addiert zu 0° bzw. 180° äquivalent zu 0° bzw. 180°. Für Maschinen mit höherer Polpaarzahl N _PP gilt analog der Wert 1807Npp, resp, 360 N _PP .

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Last 17' ein auf der Welle 16 angeordnetes Kompressorsystem. Diese Last 17' hat erste torsionale Eigenschwingung bei der Eigenfrequenz von 6.48 Hz. Die Last 17' ist angetrieben von zwei fremdgeführten Umrichtern 48, 49. Die Umrichter 48, 49 sind an ein Versorgungsnetz mit einer Netzfrequenz von 60 Hz über je einen Transformator 40, 41 angeschlossen. Die Nennfrequenz des ersten wie auch zweiten Motors 12, 14 ist ebenfalls 60 Hz.

Bei einer Umdrehungsgeschweindigkeit von 3567.6rpm, welche 99.1 % der Nenngeschwindigkeit beziehungsweise der Nennfrequenz der Motoren entspricht, regt das Faltungsprodukt der zwölffachen Netzfrequenz f _N mit der zwölffachen Motorfrequenz f _M die erste harmonische Schwingung an. Das genannte Faltungsprodukt wird in FIG. 5 durch | 12f M - 12fN | dargestellt (in FIG. 5 ist f _N als fN und f _M als fM bezeichnet).

Erfindungsgemäss wird die Anregung der Last 17 durch die Pendelmomente dadurch verhindert respektive gedämpft, dass sich die Anregungen durch den ersten Motor 12 und durch den zweiten Motor 14 sich gegenseitig auslöschen beziehungsweise sich zumindest dämpfen. Dies wird für die torsionale erste harmonische Schwingung dadurch erreicht, dass die beiden durch die Faltung verursachten Pendelmomente synchron bzw. in Phase auf die Last einwirken.

Falls wegen der Netzrückwirkung des Antriebssystems 30 der zweite Antrieb 34 auf der Seite des Versorgungsnetzes 42 mit einer Phasenverschiebung Aph _N von 15° bezüglich des ersten Antriebs 32 betrieben wird, folgt aus der obigen Formel, dass der relative Motorwinkel Aph _M zwischen dem zweiten Rotor 22 und dem zweiten Stator 26 1651 .67° beziehungsweise 21 1 .67° sein soll. Falls der zweite Stator 26 gegenüber dem ersten Stator 24 radial ausgerichtet ist und somit gilt, folgt, dass der zweite Rotor 22 gegenüber dem ersten Rotor 24 um 21 1 .67° radial verdreht anzuordnen ist. Mit dieser Anordnung des mechanischen Systems können die Pendelmomente, welche auf die Last einwirken optimal auszulöschen werden. Falls der Winkel Aph _M nicht genau realisiert werden kann, ist dennoch eine gute Auslöschung der Pendelmomente realisierbar.

Allgemein gilt, dass durch die obige Formel zum Berechnen von Aph _M die optimale Phasenverschiebung des relativen Motorwinkels berechnet werden kann. Abweichungen von diesem Winkel sind möglich und führen ebenfalls zumindest teilweise zu einer Auslöschung beziehungsweise Reduzierung der Anregung der Eigenschwingung durch die Pendelmomente. Insbesondere sind Abweichungen vom relativen Motorwinkel Aph _M von bis zu +/- 10° zulässig.

In weiteren Ausführungsformen kann der netzseitige Stromrichter 60 und / oder der lastseitige Stromrichter 62 des ersten Umrichters 48 und / oder des zweiten Umrichters 49 als selbstgeführter Umrichter ausgebildet sein.

Anstelle von nur einschaltbaren Thyristoren können beispielsweise abschaltbare Thyristoren wie zum Beispiel ein gate-turn-off (GTO) Thyristor oder ein IGC-Thyristor (IGCT) oder ein symmetrischer GCT (SGCT oder Symmetrie GCT) verwendet werden.

Prinzipiell kann auch eine Asynchronmaschine mit einem geeigneten Umrichter mit Stromzwischenkreis genutzt werden.

Bezugszeichenliste

10 mechanisches System

12 erster Motor; erster Elektromotor

14 zweiter Motor; zweiter Elektromotor

16 Welle

17 Strang

17' Last, Kompressorsystem

20 erster Rotor

22 zweiter Rotor

24 erster Stator

26 zweiter Stator

30 Antriebssystem

32 erster Antrieb

34 zweiter Antrieb

40 erster Transformator

41 zweiter Transformator

42 Versorgungsnetz

44 Phasenleiter

46 Phasenleiter

48 erster Umrichter

49 zweiter Umrichter

50 Phasenleiter

51 Phasenleiter

60 netzseitiger Stromrichter

62 lastseitiger Stromrichter 64 Speicherzwischenkreis

66 Eigenfrequenz der Welle

A Längsachse

N _V N Anzahl Phasenleiter des Versorgungsnetzes

NUM Anzahl Phasenleiter zwischen 40 und 48

N _A N Anzahl Phasenleiter zwischen 48 und 12

Np _P Anzahl Polpaare

cpst Statorwinkel

cp _R Rotorwinkel

Aph _M relativer Motorwinkelf _D c Grundfrequenz von V _DC

Aph _N Phasenverschiebungswinkel

f _Mo t Motorfrequenz

rpm Anzahl Umdrehungen pro Minute

fM Frequenz des lastseitigen Stromrichters

fN Frequenz des netzseitigen Stromrichters

N _N Anzahl Pulse des netzseitigen Stromrichters

N _M Anzahl Pulse des lastseitigen Stromrichters