Detection of torsional resonance frequency with variable frequency drive

Abstract

Vibrations generated in the drive train can be a serious problem for the reliability and safety of the system. Usually the problems are related to the lowest torsional mode. Typically, the measurements needed for the torsional analysis require external tools and skilled personnel, which tend to be expensive. The rising reliability and safety requirements in the industry lead to increased usage of variable frequency drives (VFD) for improved control of the machine. The usage of the VFD to identify the mechanical characteristics would provide reliability to the non-existing and also to the existing vibration analysis.

In this master's thesis the identifiability of the lowest torsional frequency resonance with VFD is studied by simulations and experimental measurements. The studied signals are stator current, rotational speed and electromagnetic torque. Pseudo random binary sequence (PRBS) is used as the excitation signal for the identification. Welch's modified peridograms are used for spectral analysis of the signals. The reference resonance frequency was identified with the encoder feedback. The closed-loop experiments, where the motor was controlled with speed feedback from either encoder or estimator, show positive results for the rotational speed signal. When using the estimator the errors of the identified resonance frequencies of the tested cases were < 5 %.

Voimansiirtolinjalla tapahtuva värähtely voi aiheuttaa vakavia ongelmia järjestelmän luotettavuudelle ja turvallisuudelle. Useimmiten ongelmat liittyvät vääntövärähtelyn alimpaan muotoon. Vääntöanalyysiin tarvittavat mittaukset vaativat yleensä ulkoisia mittalaitteita sekä ammattitaitoista henkilökuntaa, mistä johtuen tämä on kallista. Teollisuuden kasvavat luotettavuus- ja turvallisuusvaatimukset johtavat sähkökäyttöjen yleistymiseen, mikä mahdollistaa tarkemman säädön koneille. Sähkökäyttöjen hyödyntäminen mekaniikan identifiointiin toisi luotettavuutta värähtelyanalyysiin. Näin ollen kriittisiä nopeuksia pystyttäisiin varmemmin välttämään.

Tässä diplomityössä tutkitaan vääntövärähtelyn alimman resonanssin havaittavuutta taajuusmuuttajalla simulaatioiden ja käytännön mittauksien avulla. Tutkittavat signaalit ovat moottorin staattorivirta, pyörimisnopeus sekä vääntömomentti. Herätesignaalina identifioinnissa käytetään PRBS (pseudo random binary sequence) signaalia. Tutkittavia signaaleja analysoidaan taajuustasossa käyttäen Welchin menetelmää. Vertailuresonanssi identifioitiin takaisinkytketystä systeemistä käyttämällä mitattua nopeutta. Suljetun systeemin mittauksien perusteella, missä nopeuden takaisinkytkentä oli joko anturilta tai estimaattorilta, resonanssi oli selvästi havaittavissa pyörimisnopeudesta. Testatuissa tapauksissa, pyörimisnopeudesta identifioitujen resonanssien virhe oli alle 5 % anturittomassa tapauksessa.