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Dokumentenidentifikation DE102007021513A1 10.01.2008
Titel Resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem und -verfahren
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Sihler, Christof Martin, 85399 Hallbergmoos, DE
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Anmeldedatum 04.05.2007
DE-Aktenzeichen 102007021513
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse G05D 19/02(2006.01)A, F, I, 20070504, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16F 15/02(2006.01)A, L, I, 20070504, B, H, DE   
Zusammenfassung Drehmoment-Widerstands-Dämpfungssystem (10) für eine Achse (12) einer Maschine (14), umfassend: einen Sensor (16), der so konfiguriert ist, dass er ein Signal erfassen kann, welches das Drehmoment auf der Achse repräsentiert, ein Regelgerät (18), das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal verwenden kann, um das Vorhandensein einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung zu erkennen, die mit einer Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt, und um Kontrollsignale zur Dämpfung der Drehmomentschwingung zu generieren, und einen Dämpfer (20), der einen Dämpfungswandler (22) und einen Widerstand (24) umfasst, die an einen Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal (26) an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Dämpfung von Drehmomentschwingungen.

Wellenanordnungen in Reihungen von Antriebsmaschinen und Verbrauchern, zu denen beispielsweise Turbinengeneratoren, elektrische Motoren und Kompressoren gehören, weisen manchmal schwach gedämpfte mechanische Resonanzen (Drehmomentschwingungen) mit Frequenzen auf, die auch unter die Netzwerk-Synchronfrequenz fallen können. Solche Wellenanordnungen werden hier zur Vermeidung von Verwechslungen mit sonstigen Wellen als „Achsenbaugruppen" bezeichnet. Im Laufe der Zeit können mechanische Schäden auftreten, wenn ein elektrisches Netzwerk bei einer oder mehreren der Eigenfrequenzen des Achsensystems eine signifikante Energiemenge mit einem Generator austauscht. Unter die konventionell angewendeten Gegenmaßnahmen gegen Drehmomentresonanzphänomene fallen die Bemühungen, die Quelle der Resonanzerregung dadurch zu eliminieren, dass z. B. die Netzwerk-, Betriebs- oder Kontrollparameter verändert werden.

Wenn ein energetisches System eine Verbindung mit einem großen Utility-Netzwerk von mehreren Gigawatt generierter Energie aufweist, haben die elektrischen Belastungen auf das Energieversorgungssystem nur einen vernachlässigbaren Effekt. Im Gegensatz dazu haben Insel-Energieversorgungssysteme keine Verbindung zu einem großen Utility-Netzwerk, und inselähnliche Energieversorgungssysteme weisen nur eine schwache Verbindung zu einem Utility-Netzwerk auf (wie z. B. durch eine lange Übertragungslinie mit einer vergleichsweise hohen Impedanz). Insel- und inselähnliche Energieversorgungssysteme kommen üblicherweise in der Marine (z. B. bei an Bord befindlichen Energieversorgungssystemen großer Schiffe), isolierten an Land befindlichen Installationen (z. B. Windkraftanlagen) und der Öl- und Gasindustrie zum Einsatz. Bei solchen Energieversorgungssystemen tritt normalerweise eine in Relation zum Netzwerk hohe Belastung auf, so dass die Belastungen das Netzwerk potentiell beeinträchtigen können. Mit zunehmenden Betriebswerten der elektrischen Motoren und Treiber werden in diesen Systemen die mechanischen und elektrischen Dynamiken zunehmend gekoppelt, so dass es schwierig wird, Drehmomentschwankungen bei Motor- oder Generator-Antriebsreihen durch konventionelle Gegenmaßnahmetechniken zu vermeiden.

Ein Verfahren zur Unterdrückung von Drehmomentschwingungen bei Synchrongeneratoren wird bei C. Sihler „Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" [Unterdrückung von Drehmomentschwingungen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte Vorrichtung", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, S. 1424-1430 (2004). Das Verfahren beinhaltet die Anwendung eines Drehmoments in einer Gegenphase zu einer gemessenen Drehgeschwindigkeit durch den Einsatz eines zusätzlichen Thyristorwandler-Stromkreises, welcher einen Gleichstrom-Induktor umfasst. Dieses Verfahren ist am besten bei Ausführungsformen anwendbar, bei denen die Installation eines separaten gleichgerichteten Wandlersystems und eines separaten Energiespeichers (Induktor oder Kondensator) vom technischen sowie vom wirtschaftlichen Standpunkt realisierbar ist.

Ein weiteres Verfahren zur Unterdrückung von Drehmomentschwingungen wird in dem üblicherweise Sihler zugeschriebenen US-Patent mit der Antragsnummer 11/110547 beschrieben. Das Verfahren beinhaltet das Erfassen eines Signals, welches das Drehmoment einer Achse repräsentiert, die an den Wechselrichter oder Gleichrichter eines Wandlersystems gekoppelt sind, welches eine Gleichstrom-Verbindung aufweist, wobei das erfasste Signal zur Feststellung des Vorhandenseins einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung, die mit einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt, sowie zur Dämpfung der Drehmomentschwingung durch die Modulierung der Wirkleistung mit Hilfe des entsprechenden Wechselrichters oder Gleichrichters benutzt wird.

Es wäre wünschenswert, Optionen zu haben, die weniger komplex oder kostspielig sind, als diese vorherigen Verfahren, die aber noch immer dazu ausreichen, Achsenschäden infolge von Drehmomentschwingungen zu minimieren.

KURZBESCHREIBUNG

Kurz gesagt umfasst ein resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem für eine Achse einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal erfassen kann, welches das Drehmoment der Achse repräsentiert; einen Regelgerät, das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal nutzen kann, um das Vorhandensein einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung festzustellen, welche einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse entspricht, und dass es Kontrollsignale zur Dämpfung der Drehmomentschwingung generiert; einen Dämpfer, der einen Wandler und einen Widerstand umfasst, welche an einen Gleichstrom-Output eines Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich etwa fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem für die Achse einer Maschine: das Erfassen eines Signals, welches das Drehmoment auf der Achse repräsentiert; die Verwendung des erfassten Signals zur Feststellung des Vorhandenseins einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung, welche einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse entspricht, sowie zur Generierung von Kontrollsignalen zur Dämpfung der Drehmomentschwingung; und die Weiterleitung der Kontrollsignale an einen Dämpfer, welcher einen Dämpfungswandler und einen Widerstand umfasst, die an ein Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.

ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser nachvollzogen werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den dazugehörigen Zeichnungen gelesen wird, in denen die gleichen Zahlen durchgehend die gleichen Bauteile bezeichnen, wobei:

1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand in Reaktion auf Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren und die von einer Motorachse stammen.

2 ein Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand in Reaktion auf Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren und die von einer Generatorachse stammen.

3 ein simulierter Graph ist, welcher die Stromstärke im Ampere versus Zeit in Millisekunden für eine Widerstand-Stromstärke vor und nach der Filterung illustriert.

3 eine Blockdiagramm eines anderen Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand an einen Stromkanal gekoppelt sind und in Reaktion auf Signale reguliert werden, die ein Drehmoment repräsentieren und die von der Motorachse stammen.

5 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Subsystems zur Nutzung in der Ausführungsform von 4 ist.

6 ein Blockdiagramm von einem weiteren beispielhaften Subsystem zur Nutzung in der Ausführungsform von 4 ist.

7 ein simulierter Graph ist, welcher Gleichstromstärke und Wirkleistung über die Zeit sowie eine schnelle Fourier-Transformation illustriert, welche aus einer Simulation der Ausführungsform aus den 4-6 gewonnen wurden.

8 ein Blockdiagramm eines weiteren Systems zur Dämpfung von Drehschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Dämpfungswandler und ein Widerstand an einen Stromkanal gekoppelt sind und in Reaktion auf Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren und die von Generatorachsen stammen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

1 ist ein Blockdiagramm eines resistiven Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystems 10 für eine Achse 12 einer Maschine 14. Das Dämpfungssystem 10 umfasst einen Sensor 16, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal aufnehmen kann, welches das Drehmoment auf der Achse 12 repräsentiert, und ein Reglergerät 18, das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal zur Feststellung des Vorhandenseins einer auf der Achse 12 auftretenden Drehmomentschwingung, die einer Eigenfrequenz der Achsenbaugruppe entspricht, und zur Generierung von Kontrollsignalen zur Dämpfung der Drehmomentschwingung (welche in zwei getrennten Abschnitten von 1 gezeigt wird, so dass 1 auf einem Blatt untergebracht werden kann) verwenden kann. Das Dämpfungssystem 10 umfasst außerdem einen Dämpfer 20, welcher einen Dämpfungswandler 22 und einen Widerstand 24 aufweist, welche an einen Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers 22 gekoppelt sind. Der Dämpfungswandler ist durch einen Stromkanal 26 (der manchmal als Stromschiene oder Stromnetz bezeichnet wird) an die Maschine 14 gekoppelt. Der Dämpfungswandler hat typischerweise eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine 14. So wie die Bezeichnung „Wandler" hier verwendet wird, kann dieser beispielsweise einen Diodengleichrichter 22 wie er in 1 gezeigt wird, oder einen aktiven Gleichrichter 322 mit einschließen, wie er in 4 gezeigt wird.

Die illustrierten Dämpfungssysteme sind in vielen Zusammenhängen von Nutzen, wozu z. B. auch Windturbinen, von elektrischen Motoren angetriebene Kompressoren und Produktionslinien gehören. In der Ausführungsform von 1 umfasst die Maschine 14 einen Motor. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Motor-Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise wird in Bezug auf 2 und 8 eine Generator-Ausführungsform beschrieben. „Gekoppelt" kann im Zusammenhang mit der Achse eine elektrische Kopplung wie z. B. über einen Motor beziehungsweise Generator oder aber eine indirektere Kopplung bezeichnen, wie z. B. über einen Kompressor 15, der durch eine Niedriggeschwindigkeitsachse 112, ein Getriebe 13, und eine Hochgeschwindigkeitsachse 12 an einen Motor 14 gekoppelt ist. Die Begriffe „Regelgerät" oder „Regler", wie sie hier verwendet werden, sollen beliebige geeignete analoge, digitale oder Kombinationen von analogen und digitalen Schaltungs- oder Verarbeitungseinheiten bezeichnen, die benutzt werden, um die vorgesehene Reglerfunktion auszuführen. Wie die Wörter „ein" oder „eine", hier gebraucht werden, bedeuten sie „mindestens ein/eine" sofern dies nicht anders angegeben ist.

Typischerweise wird das Vorhandensein einer Drehmomentschwingung festgestellt, wenn das aufgenommene Signal auf eine Eigenfrequenzschwingung der Achse hinweist. In einer Ausführungsform wird das aufgenommene Signal, welches das Drehmoment repräsentiert, durch einen Drehmomentsensor 16 erfasst, während bei anderen Ausführungsformen indirekte Sensoren zum Einsatz kommen (wie z. B. Geschwindigkeitssensoren), die entweder das Drehmoment repräsentieren oder benutzt werden können, um das Drehmoment zu bestimmen. Bei der Ausführungsform mit dem Drehmomentsensor wird ein Drehmomentsensor 16 ausgewählt, der die Drehmomentschwingungen in der fraglichen Bauanordnung mit ausreichender Präzision messen kann. Zum Beispiel sind bei Ausführungsformen mit Antriebssträngen, die einen großen Durchmesser aufweisen, die Drehmomentwinkel entlang der Achse wegen der hohen Steifigkeit der starren Achsen oft sehr klein (Hundertstel bis Zehntel eines Grads), wobei aber die daraus resultierende Drehmomentbelastung groß ist. Der kleine Drehmomentwinkel und die hohe Rotationsgeschwindigkeit solcher Achsen machen es schwierig, die Drehmomentschwingungen präzise zu messen, wenn konventionelle Messvorrichtungen wie z. B. Geschwindigkeitssensoren angewendet werden. Ein kontaktloser Sensor, der induktive Messungen von Drehmomenten in verschiedenen Positionen liefert, ist beispielsweise beim Fraunhofer Institut ITWM erhältlich. Ein alternatives Beispiel für einen Typ von Kontaktsensor ist ein Dehnmessstreifensensor.

In der Ausführungsform von 1 ist ein Stromkanal 26 wiederum an einen Motorantrieb 28 gekoppelt, der in einer Ausführungsform einen verstellbaren Antrieb umfasst, und seinerseits an einen Stromkanal 126 gekoppelt ist (optional über den Transformator 30). Die Kopplung des Dämpfers 20 an den Stromkanal 26 (zwischen Motor 14 und Motorantrieb 28) und der Einsatz eines Diodengleichrichters 22 und eines Kondensators 33 zur Herstellung einer definierten (geglätteten) Gleichstromspannung ist für hochverzerrte Energieversorgungssysteme nützlich, wie z. B. Systeme, bei denen die direkte Anwendung eines netzgeführten Stromrichters zur aktiven Dämpfung unpraktisch ist. In dieser Ausführungsform wird der Kondensator nicht zur Energiespeicherung, sondern zur Glättung der Gleichstromspannung verwendet. In einer anderen Ausführungsform wird der Kondensator weggelassen. Die Eliminierung des Kondensators bewirkt zusätzliche Oberwellen bei der modulierten Wirkleistung, was für einige Dämpfungsanwendungen, bei denen eine Niedrigkostenlösung erwünscht ist, akzeptabel sein kann.

„Hochverzerrt" soll sich auf Systeme beziehen, die eine Gesamtoberwellenverzerrung (THD) von mehr als fünf Prozent gemäß der Definition des IEEE-Standards 519 aufweisen. THD-Werte über fünf Prozent sind typisch für Dreh-Energieversorgungssysteme mit variabler Frequenz von Hochleistungsmotoren, die von netzgeführten Stromrichtern und anderen auf Thyristoren beruhenden Gleichrichtertypen versorgt werden. Hohe THD-Werte können auch bei Insel- oder inselähnlichen Energieversorgungssystemen auftreten. Ein Beispiel umfasst Achsgeneratoren, die zur Stromgewinnung aus Antriebsmaschinen benutzt werden, wie z. B. Schiffsdieselmotoren oder turbinenbetriebenen Flugzeugtriebwerken. Je nach den damit verbundenen Belastungen und Betriebsbedingungen (wie z. B. das Ingangsetzen von elektrischen Hilfsantrieben) können manchmal THD-Werte auftreten, die über fünf Prozent liegen, wenn zeitverlässliche Drehmomentschwingungs-Dämpfung gewünscht wird. Ein weiteres Beispiel beinhaltet Windparks, die während Stromnetzstörungen in Betreib sind. Verlässliche Drehmomentschwingungs-Dämpfung bei Energieversorgungssystemen mit (vorübergehend) hohem THD kann die Anwendung einer Gleichrichter-Bauart beinhalten, wie es in den 1 oder 2 gezeigt wird, wobei die Generierung der Dämpfungs-Wirkleistung nicht auf den verzerrten Systemspannungen beruht.

Obwohl die Begriffe Generator, Gleichrichter, Wechselrichter und Motor zum Zwecke der Illustration verwendet werden, können diese Elemente so konfiguriert werden, dass sie in jedem beliebigen der verfügbaren Modi betrieben werden können, wie es in dem zuvor erwähnten Sihler, US-Patentantragsnummer 11/110547 beschrieben wurde. In der Ausführungsform von 1 umfasst der Dämpfungswandler 22 einen zusätzlichen (separaten) Wandler (im Gegensatz zu Wandlern, die eventuell schon in dem Energieversorgungssystem vorhanden sind). Obwohl ein zusätzlicher Wandler die Kosten erhöht, sind solche Optionen für Ausführungsformen nützlich, bei denen ein integrierter Wandler nicht einfach einzubauen ist. Die hier beschriebenen Prinzipien können in einer beliebigen Wandlerausführungsform mit einer Spannungs- oder Stromquelle angewendet werden.

Durch den Einsatz des Widerstands 24 zur Dissipation kann die Ausführungsform von 1 genutzt werden, um einige der Ziele des zuvor erwähnten C. Sihler „Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" [Unterdrückung von Drehmomentvibrationen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte Vorrichtung", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, S. 1424-1430 (2004) bei reduzierten Kosten und reduzierter Komplexität zu erreichen (während die Effektivität für das mechanische System aufrecht erhalten wird). Ein resistives Dämpfungssystem gewinnt Strom aus einem Maschinenachsensystem und speist die Maschine nicht mit Strom zurück, wie es der Fall wäre, wenn ein Energiespeicherungselement wie ein Kondensator oder ein Induktor zur Modulierung der Wirkleistung benutzt werden würde. Daher erfordert ein resistiver Dämpfer den Betrieb des Wandlers in nur einem Quadranten (Thyristor-Zündwinkel unter 90°), so dass das Risiko von Kommutierungsfehlern signifikant gesenkt wird, insbesondere, wenn ein thyristorgesteuerter Dämpfer in einem hochverzerrten Energieversorgungssystem benutzt wird, wie in 1 gezeigt wird.

Optional kann ein Transformator 31 verwendet werden, um den Dämpfer 20 an den Stromkanal 26 zu koppeln, wobei er für die Anpassung des Spannungsniveaus und auch für die Reduzierung des Effekts von verzerrten Spannungen auf einen beliebigen netzgeführten Stromrichter nützlich ist. Alternativ kann das Dämpfungssystem direkt in drehenden Energieversorgungssystemen mit hohem THD eingesetzt werden (um die Kosten für einen zusätzlichen Transformator einzusparen). Ein Stromkreisunterbrecher 68 kann miteingebaut werden, um die Trennung des Dämpfers 20 vom Stromkanal zu vereinfachen.

Beim Betrieb wird der Dämpfer 20 (über Steuersignale) reguliert, um selektiv Strom vom Stromkanal 26 zum Dämpfungswiderstand 24 zu übertragen (oder „abzuziehen"). Der Entzug von Strom hat einen entsprechenden Effekt auf die Achse, der darauf ausgerichtet ist, annäherungsweise jeder Vibration entgegenwirkt, die ihrer Eigenfrequenz entspricht.

In der Ausführungsform von 1 umfasst der Dämpfer 20 ferner ein Element 29 mit modulierter Impulsbreite (PWM), das parallel mit dem Widerstand 24 gekoppelt ist, wobei das Regelgerät 18 ist so konfiguriert ist, dass es das vom Sensor 16 kommende Signal benutzen kann, um das Vorhandensein einer Drehmomentschwingung festzustellen und PWM-Kontrollsignale an das PWM-Element 29 zur Dämpfung der Drehmomentschwingung zu senden. In einer Ausführungsform umfasst das PWM-Element 29 einen PWM-gesteuerten Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode oder einen IGCT-Thyristor, der in einer weiteren Ausführungsform an eine antiparallele Diode gekoppelt ist. Die Verwendung eines einzelnen aktiven Elements (PWM-Element 29) führt zu einer bequemen Dämpfungs-Ausführungsform.

Ein zusätzlicher Sensor 25 kommt in der Ausführungsform von 1 zum Einsatz, um einen Parameter zu erhalten, der die durch den Widerstand 24 laufende Spannung oder Stromstärke repräsentiert, die vom Regelgerät 18 zu nutzen ist. Das Regelgerät 18 umfasst typischerweise einen Bandpassfilter 44, um Sensorsignale bei einer Frequenz weiterzugeben, die der Eigenfrequenzschwingung entspricht, einen Phasenschieber 48 zur Anpassung der Phasenverschiebung jedes gefilterten Signals an den korrekten Wert und ein Verstärkerelement 52 zur Regulierung der Größe des angepassten Signals.

Typischerweise ist die Modulation eine Annäherung an eine Sinuskurve. Die Frequenz der Modulation entspricht der Eigenfrequenz, und der Winkel entspricht der Amplitude der Torsionsschwingung. Der Bandpassfilter 44 wird verwendet, um Signale von der Drehmomentmessung abzuleiten, die die Schwingungskomponenten des Drehmoments repräsentieren. Das Signal beim Ausgang des Bandpassfilters ist eine Annäherung an die Sinuskurve, wobei eine definierte Frequenz mit einer natürlichen Hauptfrequenz des Achsenbausatzes übereinstimmt.

Der Phasenschieber 48 wird angewendet, um die Phasenverschiebung des annähernden Sinuskurven-Signals an den korrekten Wert anzupassen. Bei Bedarf können anstatt der Phasenschieber verstellbare Zeitverzögerungsmodule verwendet werden. Zur optimalen Dämpfung werden die annähernden Sinuskurven-Signale mit einer Phasenverschiebung von 90° (Verzögerung) rückgekoppelt. Wenn ein Verzögerungsphasenwinkel von 90° nicht erreicht werden kann, kann der Phasenschieber so eingestellt werden, dass er eine Gesamtphasenverschiebung von 360° + 90° zwischen dem Drehmoment (das phasengleich mit dem Drehmomentwinkel ist, der die Drehmomentverschiebung repräsentiert) und der Wirkleistung (oder des Luftspaltdrehmoments), die von dem Regelgerät hervorgerufen wird, bewirkt. Die Gesamtphasenverschiebung inklusive aller Systemzeitkonstanten wird typischerweise experimentell durch die Durchführung von Test mit offener Schleife bei niedrigem Stromniveau bestimmt.

Die Gewährleistung einer einstellbaren Verstärkung (z. B. durch die Verstärkerelemente 52) ermöglicht die Einstellung der Wirkleistung, die bei der Dämpfung der verschiedenen betreffenden Drehmomentschwingungsmoden auftritt (hohe Verstärkung resultiert in einem hohen Grad der Modulation, die wiederum einen starken Dämpfungseffekt zur Folge hat). So hat diese Ausführungsform denselben Effekt wie eine erhöhte natürliche Dämpfung der Drehmomentschwingungsmoden, wobei der Grad der Dämpfung elektronisch einstellbar ist.

Regelgerät 18 kann ferner einen Begrenzer 45 zur Begrenzung des regulierten eingestellten Signals, ein Gleichstromkomponentenelement 57 (in Form eines analogen Signals) und ein Summierungselement 58 zur Errechnung der Summe des begrenzten Signals und der Gleichstromkomponente (k) umfassen. Begrenzer 45 ist zur Erschaffung eines einpoligen Signalflusses und zur Durchführung von Tests bei niedrigem Dämpfungsstromlevel nützlich. Das Gleichstromkomponentenelement 57 und das Summierungselement 58 sind optionale Elemente (was bedeutet, dass k 0 oder größer sein kann), was vorteilhaft sein kann, wenn wegen Oberschwingungen zweiten Grades Bedenken bestehen. Je höher der Wert für k ist, desto genauer ist die Annäherung an die Sinuskurve, aber desto höher sind auch die resultierenden Verluste in dem Energieversorgungssystem. Durch die Anwendung einer Anstiegsfunktion des k-Werts während der Dämpfung können Energieversorgungssystemverluste minimiert werden.

Das Regelgerät 18 kann auch ein Verstärkerelement 39 zur Anpassung der gemessenen Parameter von Sensor 25, einen Tiefpassfilter 35 zur Filterung der Parameter von Sensor 25 oder, sofern dies zutrifft, der verstärkungsangepassten Parameter; ein Differenzelement 37 zur Errechnung der Differenz zwischen dem begrenzten Signal (und der Gleichstromkomponente, sofern dies zutrifft) und dem gefilterten Parameter, und ein PWM-Reglerelement 41 zur Generierung zur von PWM-Kontrollsignalen umfassen. Der Tiefpassfilter 35 ist für die Annäherung an eine Sinuskurve nützlich, wie in 3 gezeigt.

In dem PWM-Reglerelement 41 werden Techniken zur Impulsbreitenmodulation angewendet, um ein PWM-Signal 43 zu generieren, das darauf ausgerichtet ist, das Differenzsignal von Differenzelement 37 gegen Null zu führen. In einer Ausführungsform, bei der ein Stromstärkesignal verwendet wird, ist die folgende Funktion zur Modulation der Stromstärke simuliert worden: i(t) = 50 A·(k + sin(&ohgr;·t)), wobei i die Stromstärke, t die Zeit, A der Amperewert, &ohgr; eine Winkelfrequenz, die einer Resonanzwinkelfrequenz des Achsenbausatzes entspricht, und k größer oder gleich Null ist (wie oben dargelegt). Wenn das Quadrat von i(t) der Wirkleistung entspricht, resultiert daraus die Gleichung i(t)2 = (50 A)2·(k2 + 2·k·sin(&ohgr;·t) + (sin(&ohgr;·t))2)

Der zweite Term dieser Funktion ist von größerer Bedeutung und hilft, die Dissipation der Wirkleistung einer Sinuskurve anzunähern. Wie oben dargelegt worden ist, kann in einigen Anwendungen ein höherer Wert für k verwendet werden, was zu höheren Verlusten führt, aber gleichzeitig eine bessere Annäherung an eine Sinuskurve bewirkt. In anderen Anwendungen, bei denen die zweite Oberschwingung von &ohgr; keine Reaktion im mechanischen System bewirkt, kann k auf niedrige Werte oder Null reduziert werden, z. B. wenn das mechanische System keinen Resonanzpunkt nahe 2&ohgr; hat.

Obwohl der Sensor 25 als ein Spannungssensor illustriert ist, kann Sensor 25 alternativ aus einem Stromstärkesensor bestehen. Optional ist eine Diode parallel über den Widerstand 24 gekoppelt, um sicherzustellen, dass der Strom in eine einzige Richtung fließt. und um Überspannungszustände zu vermeiden, wenn beim Widerstand eine Streuinduktanz auftritt, die nicht zu vernachlässigen ist. Das PWM-Element 29 reguliert die Stromstärke, die in den Widerstand 24 abgeführt wird, was in einer bequemen Ausführungsform resultiert, da nur das aktive Element verwendet wird. Die Kondensatoren 33 sind über die Kombination von Widerstand 24 und PWM-Element 29 gekoppelt und werden zur Regulierung (Glättung) der Spannung über den Gleichrichter benutzt, so dass eine definierte Gleichstromspannung erreicht werden kann. Das Element 32 umfasst einen Widerstand oder einen Induktor, der insbesondere dann, wenn kein Transformer 31 vorhanden ist, nützlich ist, um Stromspitzen von den im Einsflussbereich liegenden Kondensatoren 33 zu vermeiden.

Anders als der Induktor, der in dem zuvor erwähnten C. Sihler „Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device" [Unterdrückung von Drehmomentvibrationen bei Rotorachsensystemen durch eine thyristorgesteuerte Vorrichtung", 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference erwähnt wurde, liefert der Widerstand der vorliegenden Anwendung keine exakte Sinuskurvenmodulation. Wenn allerdings die erste harmonische Frequenz der Wirkleistung der Frequenz des natürlichen Antriebsstrangs entspricht, reicht die Drehmomentunterdrückung aus, um die Vibrationen im mechanischen System auf akzeptable Niveaus zu reduzieren, wodurch der Verschleiß der Achse und der an die Achse gekoppelten Elemente reduziert wird. Diese Ausführungsformen sind besonders auf Systeme anwendbar, bei denen die Eigenfrequenzen deutlich über den Netzwerkfrequenzen liegen (bei denen Dämpfung für höhere Drehmomentschwingungsmoden gewünscht ist), und auf Ausführungsformen, bei denen elektrische Maschinen mit einer hohen Geschwindigkeit rotieren (wie z. B. über 6000 U/min), so dass es nicht einfach ist, netzgeführte Stromrichter für die Dämpfung der Drehmomentschwingungsmode anzuwenden. Die meisten Probleme mit Drehmomentschwingungen werden durch Störsignale verursacht, beispielsweise Störungen im Netzwerk oder Oberschwingungen, die während des Ingangsetzens des drehzahlveränderlichen Motors entstehen. Zur Lösung solcher Probleme eignet sich ein Dämpfungssystem, das auf einem Widerstand basiert, weil die Dämpfungskraft, die aus dem Antriebsstrang gewonnen wird, nur für eine kurze Zeit in den Widertand abgeleitet werden muss (normalerweise weniger als einige Sekunden).

1 illustriert außerdem eine modulare Herangehensweise, die angewendet werden kann, um Probleme mit dem Drehmoment schneller zu lösen und eine höhere Verlässlichkeit des Dämpfungssystems zu erreichen. In 1 wird eine Mehrzahl von Dämpfern 20, 120 und 220 zusammen mit den dazugehörigen Wandlern 22, 122, 222, Widerständen 24, 124, 224 und Sensoren 25, 125, 225 benutzt, um Signale zu liefern, die von dem Dämpfungssystemregelgerät 18 verwendet werden können. Das Dämpfungssystemregelgerät 18 wiederum hat eine Mehrzahl von dazugehörigen Verstärkerelementen 39, 139, 239; Tiefpassfiltern 35, 135, 235; Summierungselementen 37, 137, 237; PWM-Regelgeräte 41, 141, 241 zur Lieferung von PWM-Kontrollsignalen 43, 143, 243 für die dazugehörigen Dämpfer 20, 120, 220. Ein Vorteil einer modularen Bauweise, insbesondere wenn identische Module verwendet werden, besteht in der Einfachheit und Flexibilität, mit denen die Bauweise an verschiedene Dämpfungsanforderungen angepasst werden kann, indem die Anzahl der benutzten Module verändert wird. Die Zeit, die für das Entwerfen eines Dämpfungssystems benötigt wird, kann deutlich reduziert werden, indem Tests mit Standarddämpfungsmodulen bei einem niedrigen Stromlevel durchgeführt werden, so dass die Anzahl der Module, die für die Erzielung einer ausreichenden Dämpfung notwendig ist, bestimmt werden kann. Ausführungsformen, die eine Energiespeichervorrichtung für die Dissipation aufweisen, wie z. B. einen Kompensator oder einen Induktor, sind nicht wirtschaftlich und für eine modulare Bauweise ungeeignet, weil die gespeicherte Energie proportional zum Quadrat der Stromstärke (Induktor) oder dem Quadrat der Spannung (Kondensator) ist.

2 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Dämpfungswandler 22 und ein Widerstand 24 in Reaktion auf Signale, die ein Drehmoment repräsentieren und die von einer Generatorachse 412 stammen, reguliert werden. Im Beispiel von 2 wird eine Rotoreinheit 59 an ein Getriebe 60 gekoppelt, welches wiederum durch die Achse 412, auf der ein Sensor 16 Messungen durchführt, an einen Synchrongenerator gekoppelt ist. Der Synchrongenerator 62 ist über einen Stromkanal 326 an einen Spannungswandler 64 gekoppelt, der seinerseits über einen Transformator 66 an einen Stromkanal (Stromnetz) 426 gekoppelt ist. Der Dämpfer 20 ist an einen Stromkanal 326 gekoppelt. Dies ist ein Beispiel, bei dem der Transformator, der in 1 gezeigt wird (Transformator 31), normalerweise nicht benötigt wird.

3 ist ein simulierter Graph, der Stromstärke in Amperes versus Zeit in Millisekunden für die Widerstandstromstärke vor und nach der Filterung durch den Tiefpassfilter 35 illustriert. Dieser Graph soll entweder die Ausführungsform von 2 oder die Ausführungsform von 1 mit einem Modul und einem K-Wert von 1 darstellen. In diesem Beispiel beträgt die IGBT-Schaltungsfrequenz 800 Hertz und die Fundamentalfrequenz der Widerstandsstromstärke 20 Hertz. Die Information zur Stromstärke ist relevant, weil zu erwarten ist, dass der Zeitverlauf der Spannung durch den Widerstand 24 dem Zeitverlauf der Stromstärke in Widerstand 24 entspricht. 3 zeigt, dass eine gute Annäherung an eine Sinuskurve erwartet werden kann.

4 ist ein Blockdiagramm eines anderen Systems 110 zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen. In der Ausführungsform von 4 umfasst ein Dämpfungssystem 110 einen anderen Typ von Dämpfungswandler 322 (einen aktiven Gleichrichter) und Regelgerätkonfiguration als in der Ausführungsform von 1. 4 illustriert zusätzlich die Verwendung von mehreren Sensoren 316 und 416. 5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Subsystems, welches Regelgerät 118 aus 4 enthält, und 6 ist ein Blockdiagramm eines anderen beispielhaften Subsystems, welches Regelgerät 218 aus 4 enthält.

5 ist eine Ausführungsform, bei der das Regelgerät 118 ein Bandpassfilter 144, 46 zur Weitergabe von Sensorsignalen bei einer Frequenz, die der Eigenfrequenz entspricht, einen Phasenschieber 148, 50 zur Anpassung der Phasenverschiebung jedes gefilterten Signals an den korrekten Wert und ein Verstärkerelement 152, 54 zur Regulierung der Stärke des angepassten Signals beinhaltet. 5 illustriert beispielhaft zwei Bandpassfilter, die so eingestellt sind, dass sie zwei Eigenfrequenzen erkennen, wie es im zuvor erwähnten C. Sihler US-Patentantragsnummer 11/110547 beschrieben wurde. Alternativ kann ein einzelnes Bandpassfilter oder zusätzliche Bandpassfilter verwendet werden. Regelgerät 18 kann ferner ein Gleichstromkomponentenelement 57 (in Form eines analogen Signals) und Summierungselement 58 zur Errechnung der Summe des begrenzten Signals und der Gleichstromkomponente (k) umfassen.

Ausführungsformen mit einer Vielzahl von Sensoren, wie sie in 4 und 8 gezeigt werden, könnten nützlich sein, wenn verschiedene Eigenfrequenzen entlang der Achsen in verschiedenen Positionen vorhanden sind und durch einen gewöhnlichen Sensor schwer festgestellt werden können. Alternativ oder in Kombination können mehrere Bandpassfilter 144 und 46 benutzt werden, um die gewünschte Feststellung durchzuführen. In der Ausführungsform von 5 können Bandpassfilter 144 beispielsweise dazu verwendet werden, eine Frequenz festzustellen, die der Eigenfrequenzschwingung entspricht, die in einem Abschnitt der Achsenbauanordnung 12 auftritt, und das Bandpassfilter 46 kann benutzt werden, um eine Frequenz festzustellen, die der Eigenfrequenzschwingung entspricht, die in einem anderen Abschnitt der Achsenbauanordnung auftritt. Der Drehmomentsensor 16 erfasst ein Signal an einem der illustrierten Abschnitte (obgleich das Signal schwächer ist als bei einer Ausführungsform mit direkter Messung, bei der eine Vielzahl von Drehmomentsensoren verwendet wird), das zu dem jeweils anderen Abschnitt gehört.

In der Ausführungsform von 6 wird der Dämpfungswandler 122 als ein drehstromgesteuerter aktiver Gleichrichter 322 gezeigt, welcher Wandlerschaltungen 55 umfasst. In einem Beispiel umfasst der Wandler 322 einen Thyristor-Gleichrichter, bei dem die Schaltungen Thyristoren aufweisen. In einem anderen Beispiel, bei dem ein Gleichrichter mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) eingesetzt wird, umfassen die Schaltungen IGTBs. Zur Lieferung von Widerstandstromstärkesignalen an das Regelgerät 218 ist ein Sensor 47 vorhanden. Das Regelgerät 218 ist so konfiguriert, dass es einen Dämpfungsbefehl vom Regelgerät 118 erhalten kann, wobei es das Stromstärkesignal von dem Dämpfungsbefehl abzieht (mit Hilfe des Differenzelements 49) und die Differenz für die Bestimmung der geeigneten Zündwinkel der Schaltungen 55 (mit Hilfe des Kontrollsystems 51) verwendet.

Obwohl in den 4-6 zwei Regelgeräte 118 und 218 als Beispiele illustriert werden, kann eine beliebige gewünschte Regelgerätkonfiguration verwendet werden. Beispielsweise kann ein Regelgerät zur Durchführung beider Funktionen eingesetzt werden. Bei einem anderen Beispiel umfassen einige Wandler integrierte Regelgeräte. In einem weiteren Beispiel kann eine Vielzahl von Sensorlevel-Regelgeräten verwendet werden, um Signale zu erhalten, die dann von einem Hauptregelgerät verwendet werden.

7 ist ein Graph eines Gleichstroms in Widerstand 24 und einer Wirkleistung über Zeit sowie einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), die aus der Simulation der Ausführungsform von 4-6 gewonnen wurde. In diesem Beispiel umfasst der Wandler eine 6-Puls-Thyristorbrücke, und die Fundamentalfrequenz der Widerstandstromstärke beträgt 20 Hertz. 7 illustriert, das, obwohl nicht zu erwarten ist, dass die Stromstärke und elektrische Energie perfekte Sinuskurven aufweisen, die resultierende FFT eine deutliche Hauptspitze zeigt und darauf hinweist, dass zu erwarten ist, dass die resultierende Stromstärke und elektrische Energie für die Erfüllung der Systemziele nützlich ist.

8 ist ein Blockdiagramm eines anderen Systems 210 zur Dämpfung von Drehmomentschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Dämpfungswandler 422 und ein Widerstand 24 an einen Stromkanal 226 gekoppelt sind und in Reaktion auf die Signale reguliert werden, die das Drehmoment repräsentieren und von einer Generator 114 – Achse 212 stammen. Ein Dämpfungswandler kann z. B. einen Gleichrichter von dem Typ umfassen, der oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, oder einen Gleichrichter des Typs, der oben im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Für Beispielzwecke werden zwei Generatoren 114 und 214, zwei Achsen 212 und 312 sowie zwei Sensoren 116 und 216 illustriert, aber die hier beschriebenen Ausführungsformen sind auf eine oder mehr Achsen und einen oder mehr Sensoren anwendbar.

Zusätzlich können, wie oben beschrieben worden ist, ein oder mehrere Regelgeräte 318 verwendet werden, um die Kontrollfunktionen zu implementieren. Eine oder mehrere Turbinen 53 und 153 können verwendet werden, um die Generatoren 114 und 214 anzutreiben, wobei zahlreiche Arten von Turbinen wie Windturbinen, Gasturbinen und Dampfturbinen in Frage kommen. Wie in Bezug auf 1 ausgeführt worden ist, umfasst der Dämpfungswandler 422 in der Ausführungsform von 8 einen zusätzlichen Wandler (gegenüber beliebigen Wandlern 34, 36, die bereits in dem Energieversorgungssystem vorhanden sind und die die Maschinen 38 über den Transformator 331 an den Stromkanal 226 koppeln).

Offenbart wurde ein resistives Drehmoment-Dämpfungssystem 10 für eine Achse 12 einer Maschine 14 umfassend: einen Sensor 16, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal erfassen kann, welches das Drehmoment auf der Achse repräsentiert, ein Regelgerät 18, das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal verwenden kann, um das Vorhandensein einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung zu erkennen, die mit einer Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt, und um Kontrollsignale zur Dämpfung der Drehmomentschwingung zu generieren; und einen Dämpfer 20, der einen Dämpfungswandler 22 und einen Widerstand 24 umfasst, die an einen Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal 26 an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.

Während hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung illustriert und beschrieben wurden, werden auf diesem Gebiet fachkundigen Personen viele Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es soll daher darauf hingewiesen werden, dass die angehängten Patentansprüche darauf ausgerichtet sind, alle solchen Modifikationen und Veränderungen, die der Wesensart der Erfindung entsprechen, abzudecken.

10, 100, 210
Dämpfungssystem
12, 112, 212, 312, 412
Achse
13
Getriebe
14, 114, 214
Maschine
15
Kompressor
16, 116, 216, 316, 416
Sensor
18, 118, 218, 318
Dämpfungssystemregelgerät
20
Dämpfer
22, 122, 222, 322, 422
Dämpfungswandler
24
Widerstand
25
Sensor
26, 126, 226, 326, 426
Stromkanal
27
Diode
28
Antrieb
29
PWM-Kontrollelement
30
Transformator
31, 331
Transformator
32
Widerstand oder Induktanz
33
Kondensator
34
Wechselrichter
35
Tiefpassfilter
36
Gleichrichter
37
Summierungselement
38
Maschine
39
Verstärkung
41
PWM-Reglerelement
43
Signal
44, 144
Bandpassfilter
45
Begrenzer
46
Bandpassfilter
47
Stromstärkesensor
48, 148
Phasenverschieber
49
Differenzelement
50
Phasenverschieber
51
Zündwinkel-Regelgerät
52, 152
Verstärkung
53, 153
Turbine
54
Verstärkung
55
Schaltungen
56
Summierungselement
57
Gleichstromkomponentenelement
58
Summierungselement
59
Rotoreinheit
60
Getriebe
62
Synchrongenerator
64
Wandler
66
Transformierer
68
Stromkreisunterbrecher


Anspruch[de]
Resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungssystem (10) für eine Achse (12) einer Maschine (14), wobei das System umfasst:

einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal erfassen kann, welches ein Drehmoment der Achse repräsentiert;

ein Regelgerät (18), das so konfiguriert ist, dass es das erfasste Signal verwenden kann, um das Vorhandensein einer Drehmomentschwingung auf der Achse festzustellen, welches mit einer Eigenfrequenz der Achse übereinstimmt, und um Steuersignale zur Dämpfung der Drehmomentschwingung zu generieren.

einen Dämpfer (20), der einen Dämpfungswandler (22) und einen Widerstand (24) umfasst, die an einen Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal (26) an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.
Dämpfungssystem gemäß Anspruch 1, ferner umfassend ein Element mit modulierter Impulsbreite (PWM) (29), das in Serie mit dem Widerstand gekoppelt und so konfiguriert ist, dass es die Kontrollsignale empfangen kann, wobei der Dämpfungswandler einen Dioden-Gleichrichter umfasst. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Element einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode oder einen IGC-Thyristor umfasst. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 2, ferner umfassend einen zusätzlichen Sensor (25) zur Gewinnung eines Parameters, der die Spannung oder die Stromstärke durch den Widerstand repräsentiert. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine einen Motor (14) umfasst. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungswandler einen Thyristor-Gleichrichter oder einen IGBT-Gleichrichter umfasst. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine einen Generator umfasst. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 1, ausgeführt innerhalb eines durch einen elektrischen Motor betriebenen Kompressors, einer Windturbine oder eine Produktionslinie. Dämpfungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer aus einer Vielzahl von Dämpfern (20, 120, 220) besteht, wobei jeder einen dazugehörigen Dämpfungswandler (22, 122, 222) und einen dazugehörigen Widerstand (24, 124, 224) aufweisen, die an den Gleichstrom-Output des entsprechenden Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei jeder dazugehörige Dämpfungswandler durch einen Stromkanal (26) an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist. Resistives Drehmomentschwingungs-Dämpfungsverfahren (10) für eine Achse (12) einer Maschine (14), wobei das Verfahren umfasst:

Erfassen eines Signals, das das Drehmoment der Achse repräsentiert;

Verwendung des erfassten Signals zur Feststellung des Vorhandenseins einer auf der Achse auftretenden Drehmomentschwingung, die einer natürlichen Frequenz oder Eigenfrequenz der Achse entspricht, und zur Generierung von Kontrollsignalen zur Dämpfung der Drehmomentschwingung;

Senden der Kontrollsignale an einen Dämpfer (20), der einen Dämpfungswandler (22) und einen Widerstand (24) umfasst, die an einen Gleichstrom-Output des Dämpfungswandlers gekoppelt sind, wobei der Dämpfungswandler durch einen Stromkanal (26) an die Maschine gekoppelt ist und eine aktuelle Nennleistung von weniger oder gleich ungefähr fünf Prozent der nominellen Leistung der Maschine aufweist.






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