Identifying and assessing the most relevant variables affecting vibration response at variable-frequency drives

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2020-06-15

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

97 + 26

Series

Abstract

Electrical motors can be found at various locations with varying environments as the world is becoming increasingly electrified. Electrical motors are often accompanied by variable-frequency drives (VFDs). Hence, VFDs can nowadays be located at environments differing greatly from clean electrical rooms where they could be typically found in the past. Even when the environments are changing, the typical basic structural design has been inherently unaltered. VFDs with similar structure can be used at various environments containing multiple different variables affecting to the expected operating lifetime. One significant environmental variable is vibration, which poses risk for especially fatigue damage. The work presented in this thesis addresses the capabilities of current basic structure of a typical cabinet-VFD. Important variables affecting vibration response at VFD-structure are searched for. A computer experiment model is created for these variables for assessing the response generated by variance within values of variables. Eigenfrequency analyses are concluded with Abaqus for typical structure of cabinet-VFD with the experimental values for acquiring raw data. Raw data acquired from eigenfrequency analyses is further analyzed concentrating for most important natural modes in various directions. Responses of mode number, mode frequency, effective mass and relative effective mass are assessed regarding the most important natural modes. Models for most important directions proved to be very accurate, hence being especially useful for assessing the current design. The results indicated that the mode shape of most important natural mode cannot be altered with current design in regard to most important directions. However, mode shape could be altered for less significant directions. More importantly, natural frequencies of most important natural modes could be effectively altered with varying variable values for all directions. Absolute and relative effective masses proved to be modifiable as well.

Sähkömoottoreita käytetään nykyisin monissa ja hyvinkin vaihtelevissa olosuhteissa. Sähkömoottoreiden yhteydessä hyödynnetään useissa tapauksissa taajuusmuuttajia ohjaamaan moottoreita. Siten taajuusmuuttajia käytetään nykyisin olosuhteissa, jotka eroavat hyvinkin paljon puhtaista sähkötiloista, joissa taajuusmuuttajat ovat tyypillisesti sijainneet. Vaikka olosuhteet ovatkin vaihtuneet, taajuusmuuttajien tyypillinen perusrakenne on pysynyt olennaisesti muuttumattomana. Saman rakenteen omaavia taajuusmuuttajia voidaan käyttää hyvinkin eriävissä olosuhteissa, joissa useat eriävät muuttujat vaikuttavat taajuusmuuttajan oletettuun elinikään. Yksi merkittävä muuttuja on värähtely, joka altistaa taajuusmuuttajan erityisesti rakenteellisille väsymisvaurioille. Tämä diplomityö käsittelee nykyisen taajuusmuuttajakaapin perusrakenteen ominaisuuksia ja rajoitteita. Tärkeät värähtelyvasteeseen vaikuttavat muuttujat esitellään työssä. Perusrakenteen tärkeimmistä muuttujista rakennetaan tietokonesimulaatio, jonka avulla tarkastellaan muuttujien vaihtelun vaikutuksia vasteeseen. Ominaistaajuusanalyysi suoritetaan Abaqus-ohjelmistopaketin avulla tarkastellen tyypillistä taajuusmuuttajakokoonpanoa aiemmin määritellyillä muuttujien arvoilla. Analyysistä saatu raakadata hyödynnetään keskittymällä tarkastelemaan tärkeimpiä ominaistaajuuksia eri suuntien suhteen. Ominaismuodon järjestysluvun, ominaistaajuuden, efektiivisen massan ja suhteellisen efektiivisen massan vasteita tarkastellaan tärkeimpien ominaistaajuuksien osalta. Tilastolliset mallit tärkeimpien suuntien osalta osoittautuivat erittäin tarkoiksi. Siten niitä voidaan tehokkaasti hyödyntää nykyistä perusrakennetta arvioitaessa. Tulosten valossa tärkeintä ominaismuotoa ei voitu muuttaa merkittävimmissä suunnissa. Nykyinen rakenne vaatisi siis suurempia muutoksia, jos tärkeintä ominaismuotoa haluttaisiin merkittävästi muuttaa. Vähemmän merkityksellisten suuntien ominaismuotoja voitiin kuitenkin muuttujien arvoja vaihtelemalla muokata. Erityisen tärkeää tulosten kannalta oli kuitenkin nähdä, että ominaistaajuuksia voitiin varioida merkittävästi jokaisessa suunnassa. Absoluuttista ja suhteellista efektiivistä massaa voitiin myös varioida tarkastelluilla muuttujilla.

Description

Supervisor

Otto, Kevin

Thesis advisor

Sääskilahti, Veli

Keywords

variable-frequency drive, VFD, vibration, vibration response, eigenfrequency

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006213899

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG