Analysis and suppression of torsional vibrations in variable speed drive systems with Proportional Resonant (PR) controller

Torsional vibrations in rotating machinery is a well-known issue. Undamped torsional oscillations can lead to the breakage of the shaft and stability problems of the entire system in severe cases. The level of intensity of torsional vibrations depends on the existence of critical speeds – the intersection points between Torsional Natural Frequencies (TNFs) of the mechanical system and the operating speed of an electrical machine. Such interaction between TNF and frequency of an electrical machine causes resonance and may lead to very dangerous conditions. Variable Speed Drive systems have a wide speed range which makes it particularly vulnerable to torsional vibrations. In this thesis the Campbell diagram has been used as the tool to identify possible resonance conditions and two critical speeds of the analyzed system have been found. The two-mass system as the system that mathematically describes the induction machine which rotates on the same shaft with a load has been analytically analyzed. The control system of the induction machine in case of one mass and two-masses has been modeled in Simulink, thus, the existence of resonance conditions has also been proved in Simulink. The Proportional Resonant (PR) controller has been chosen as the method to eliminate the causes of torsional vibrations. Its design for the analyzed system and control performance are described in the Chapter 3. The results of the application of PR controllers as the selective compensator of unwanted harmonic components, which causes torsional vibrations, can be found in the Chapter 5.

Le vibrazioni torsionali presenti nelle macchine rotanti sono un problema ben noto. Le oscillazioni torsionali non smorzate, nei casi più gravi, possono portare alla rottura dell’albero o a problemi di stabilità dell’intero sistema. Il livello di intensità delle vibrazioni torsionali dipende dall’esistenza di velocità critiche: queste sono date dai punti di intersezione tra le Frequenze naturali torsionali (TNF) del sistema meccanico e la velocità operativa di una macchina elettrica. Tale interazione tra i TNF e la frequenza di una macchina elettrica è causa di risonanza e può portare a condizioni molto pericolose. I sistemi di azionamento a velocità variabile possono funzionare in un ampio range di velocità, il che il rende particolarmente vulnerabili alle vibrazioni torsionali. In questa tesi, il diagramma di Campbell è stato utilizzato come uno strumento atto ad identificare possibili condizioni di risonanza e si è trovato riscontro di due velocità critiche nel sistema analizzato. Il sistema a due masse è stato scelto come rappresentazione matematica della macchina ad induzione che ruota sullo stesso albero con un carico. Il sistema di controllo della macchina ad induzione, nel caso di una massa e due masse, è stato modellato in Simulink, così come l’esistenza di condizioni di risonanza è stata provata nello stesso software. Il controllore proporzionale risonante (PR) è stato scelto come il metodo per eliminare le cause di vibrazione torsionale. Nel capitolo 3 sono descritti il suo progetto per il sistema analizzato e le prestazioni. Il risultato dell’applicazione del controllore PR come compensatore selettivo di componenti armoniche indesiderate, che causano vibrazioni torsionali, è descritto nel capitolo 5.