Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system
Halminen, Oskari (2006)
Tiivistelmä
In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker.
First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission.
Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine.
After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases.
Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel. Diplomityössä kehitettiin Simulink-ympäristössä oleva mekaniikkamalli jota käytetään nopeussäädetyllä tahtikoneella. Kehitettymekaniikkamalli simuloi voimansiirron mekaniikkaa ja sen vääntövärähtelyjä. Mekaniikkamalli kehitettiin vastaamaan valssaimen ja tankkerin propulsion haarautunutta mekaniikkaa.
Työn alkuosassa on tehty kirjallisuuskatsaus mekaniikkamallin ympäristöön, jossa on tutkittu ja analysoitu nopeussäädettyjä käyttöjä, voimansiirron mekaniikkaa sekä voimansiirron mekaniikan värähtelyjä.
Lähtötilanteen 12 hitausmassainen suora mekaniikkamalli kehitettiin haarautuvaksi akselilinjaksi sekä kuorman että moottorin osalta. Tämän lisäksi mekaniikkamalli laajennettiin, koska mekaniikassa saattaa olla tarvetta jopa 30 hitausmassalle. Mekaniikkamallille kehitettiin myös tahtimoottorin oikosulkutilanne.
Mekaniikkamalli validoitiin vertailemalla kehitetyllä simulointityökalulla saatuja tuloksia toisilla simulointityökaluilla saatuihin tuloksiin. Vertailtuina tuloksina ovat vääntövärähtelyn ominaistaajuudet ja ominaismuodot, vaste kuormamomentin muutoksiin ja kolmivaihe-oikosulun aiheuttaman magneettikentän muutoksen tuoman momenttihuipun aiheuttama rasitus mekaniikassa. Vertailut onnistuivat hyvin ja mekaniikkamalli saatiin validoitua vertailutapauksille.
Jatkokehitettäviä asioita ovat mekaniikkamallin kuormamomentin kehittäminen aikariippuvaiseksi ja kahden taajuusmuuttajan sekä kahden FEM mallinnetun tahtikoneen kytkeminen samaan simulointiin.
First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission.
Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine.
After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases.
Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.
Työn alkuosassa on tehty kirjallisuuskatsaus mekaniikkamallin ympäristöön, jossa on tutkittu ja analysoitu nopeussäädettyjä käyttöjä, voimansiirron mekaniikkaa sekä voimansiirron mekaniikan värähtelyjä.
Lähtötilanteen 12 hitausmassainen suora mekaniikkamalli kehitettiin haarautuvaksi akselilinjaksi sekä kuorman että moottorin osalta. Tämän lisäksi mekaniikkamalli laajennettiin, koska mekaniikassa saattaa olla tarvetta jopa 30 hitausmassalle. Mekaniikkamallille kehitettiin myös tahtimoottorin oikosulkutilanne.
Mekaniikkamalli validoitiin vertailemalla kehitetyllä simulointityökalulla saatuja tuloksia toisilla simulointityökaluilla saatuihin tuloksiin. Vertailtuina tuloksina ovat vääntövärähtelyn ominaistaajuudet ja ominaismuodot, vaste kuormamomentin muutoksiin ja kolmivaihe-oikosulun aiheuttaman magneettikentän muutoksen tuoman momenttihuipun aiheuttama rasitus mekaniikassa. Vertailut onnistuivat hyvin ja mekaniikkamalli saatiin validoitua vertailutapauksille.
Jatkokehitettäviä asioita ovat mekaniikkamallin kuormamomentin kehittäminen aikariippuvaiseksi ja kahden taajuusmuuttajan sekä kahden FEM mallinnetun tahtikoneen kytkeminen samaan simulointiin.