CN101627531B - 启动由电力转换器通过公共交流母线供电的多台交流电动机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提出了一种方法和一种系统，用于启动由电力转换器(8)通过公共交流母线(7)供电的至少两台交流电动机(SM，IM)。首先启动作为所述至少两台交流电动机之一的同步电动机(SM)。然后，确定电力转换器(8)的无功功率(Q)。第一控制单元确定同步电动机(SM)的励磁电流(if)或励磁电压(vf)的线性依赖于电力转换器中的无功功率(Q)的增大量。然后将增大的励磁电流(if)或励磁电压(vf)施加到同步电动机(SM)的励磁电路。

Description

启动由电力转换器通过公共交流母线供电的多台交流电动机的方法和系统
本发明涉及启动由电力转换器通过公共交流母线供电的至少两台交流电动机的方法和系统。
当启动诸如同步和感应电动机等交流电动机时，会抽取大电流。该启动电流通常是电动机的额定电流的五倍。如果公共交流母线给几台电动机供电，该公共交流母线转而由电力转换器供电，则该转换器的电流容量必须至少与所有已经运行的电动机的额定电流加上最后启动的电动机的启动电流的和一样大。该电流容量值假定电动机仅一台接另一台地启动，而不是同时启动多台。如果同时启动多于一台的交流电动机，则转换器的电流容量当然必须更高。
例如从生产石油或燃气的离岸平台已知有用于几台交流电动机的公共交流母线。这样的平台配备有需要几千伏供电电压的庞大的压缩机和泵。越来越多的离岸平台从岸上接收其电能供应，而不是使用燃气轮机或柴油发电机来在平台上直接产生电能供应。来自岸上的电能通常由高压直流(HVDC)传输系统提供，其中海岸电力转换器将交流电压转换为直流电压，该直流电压通过海底直流电缆传输到平台上，并被离岸电力转换器转换为交流电压。从离岸电力转换器输出的交流电压被提供给交流母线，即具有一个或多个相位的交流线路。平台上的压缩机和泵的驱动单元，即同步和感应电动机，直接连接到交流母线而没有中间的电力变化或转换。如果这些电动机被启动，则交流母线上的电流不应该超过离岸电力转换器的电流容量。
为了安全可靠，一种可能性是提供具有更高电流容量的电力转换器。然而，由于更高的成本和更庞大而沉重的装备，这种过高的配置是不合需要的。在设计离岸平台时，重量因素起尤其重要的作用。
一种减小更大的三相交流电动机的启动电流的已知方案是所谓的Y形启动-Δ形运行的方法，其中电动机线圈在启动期间是Y形连接的，之后是Δ形连接的。Y形连接与Δ形连接相比使用的电压较小。与线路电压相比，所述电压的电平总是减少了相同的倍数(1.732)。这意味着如果电压太小以致无法产生电动机所需的启动扭矩，就不可能进行校正。除此之外，还需要附加的切换装置，并且在从Y形连接改变到Δ形连接期间产生切换电流。
在感应电动机的情况下应用的另一种方案是安装诸如启动电容器等的额外设备。这同样会增加成本。
在GB 1174025中描述了又一方案，其中使用三相异步电动机作为铁路车辆中的空调设备的驱动电动机。通过改变倒相器的输出频率来操作所述异步电动机。当一些异步电动机已经运行并且另外的异步电动机被接入时，降低倒相器的输出频率以便减少已经运行的异步电动机的电流消耗，通过改变倒相器的输出频率来在接入的过渡现象期间使反相器的输出电流保持尽可能小。
根据CH 402165，已知一种用于至少一个交流负载的无功功率补偿的布置，其中交流负载的特征在于无功功率消耗改变得又大又快。为该交流负载分配了同步机。根据交流负载的瞬时无功功率消耗来由转换器生成同步机的励磁电流，使得同步机至少部分地补偿无功功率消耗。
本发明的目的是提供一种方法和系统，使用该方法和系统能够以较低的启动电流来启动由电力转换器通过公共交流母线供电的至少两台交流电动机。
该目的是通过一种启动由公共交流母线供电的至少两台交流电动机的方法和系统来实现的。在该方法中，公共交流母线转而由电力转换器供电，其中交流电动机中的至少一台是具有励磁电路的电励磁同步电动机，其特征在于，首先启动同步电动机；在启动至少两台交流电动机中的其余电动机期间：确定由电力转换器提供的无功功率，确定同步电动机的励磁电流或励磁电压的线性依赖于由电力转换器提供的无功功率的增大量，将增大的励磁电流或励磁电压施加到同步电动机的励磁电路。所述系统包括：至少两台交流电动机，其中交流电动机中的至少一台是具有励磁电路的电励磁同步电动机；公共交流母线，为至少两台交流电动机供电；电力转换器，为公共交流母线供电；以及第一控制单元，控制励磁电路，其特征在于，所述第一控制单元首先启动同步电动机；在启动至少两台交流电动机中的其余电动机期间：确定电力转换器的无功功率，确定同步电动机的励磁电流或励磁电压的线性依赖于由电力转换器提供的无功功率的增大量，将增大的励磁电流或励磁电压施加到同步电动机的励磁电路。
本发明基于对以下事实的认识，即在交流电动机启动期间产生的电流主要是无功电流。因此，本发明是基于在启动过程中补偿系统中的无功功率的基本思想。
所提出的方案要求交流电动机中的至少一台是电励磁的同步电动机，这是由于认识到该电动机的场励磁电路提供了影响该电动机的电压供应端子处的无功功率的产生或消耗的可能性。
在由同步发电机产生电压的情况下，现有技术中已知控制发电机的励磁线圈的电压以使发电机的端电压保持恒定。通过改变励磁，即励磁电流，迫使发电机产生或消耗适当量的无功功率以保持端电压。
根据本发明，现在将这种控制无功功率产生和消耗的能力应用于同步电动机，而不是发电机。因此，公共交流母线上的交流电动机中的至少一台必须是同步电动机。所述至少一台同步电动机首先启动。然后确定电力转换器的无功功率。根据该无功功率，确定同步电动机的励磁电流或励磁电压的增大量，其中线性依赖于该无功功率来计算该增大量。然后将增大的励磁电流或励磁电压施加到同步电动机的励磁电路。在根据本发明的系统中，由控制所述至少一台同步电动机的励磁电路的第一控制单元来执行该方法。根据电力转换器的无功功率来控制至少一台同步电动机的场励磁，保证了从转换器提供的无功功率的增大量直接被同步电动机的励磁的增大量所补偿，从而由电动机产生了更多的无功功率。因此，用于启动其他交流电动机的无功电流由同步电动机部分地提供，这允许减小转换器的额定电流。这转而节省了重量、安装空间和成本。
在多于一台的同步电动机连接到公共交流母线的情况下，仅其中一台或多台或全部被用于无功功率产生和消耗。在任一情况下，关键是所述一台或多台同步电动机的额定功率足以提供对于连接到公共交流母线的所有交流电动机而言足够的无功功率。
连接到公共母线的交流电动机可以是单相电动机或多相电动机。优选为三相电动机。
在本发明的一个优选实施例中，确定电力转换器的输出电流，并且当输出电流到达第一预定水平时，减小电力转换器的输出电压。优选地，由控制电力转换器的输出的第二控制单元执行这个额外的控制功能。不过当然也可以将第一和第二控制单元的功能集成到一个控制单元中。根据电力转换器的输出对电力转换器的输出电压进行的控制，为电力转换器带来了电流限制，从而保证了在不抽取过多电流的情况下启动交流电动机。这提供了不会超过电力转换器的电流限制的额外保护。
作为对减小输出电压的替代，或者作为对减小输出电压补充，当电力转换器的输出电流达到第二预定水平时，可以减小电力转换器的输出频率。根据电力转换器的电气特性，可以将第一和第二预定电流水平选择为具有相同的值。
在一个特定实施例中，仅在所述至少两台交流电动机中的其余电动机的启动过程期间，应用控制同步电动机的励磁的方法，即在交流电动机的正常工作模式期间，同步电动机不产生额外的无功功率。可以通过特定信号向第一控制单元传达启动过程的开始和/或结束。
现在参照附图举例描述本发明，在附图中：
图1示出了现有技术中已知的控制同步发电机的输出电压的示意图；
图2示出了具有由电力转换器供电的、在公共交流母线上的三台交流电动机的系统的示意图；
图3示出了在不进行无功功率控制的情况下顺序启动的两台同样大的同步电动机的模拟结果；
图4示出了在进行无功功率控制的情况下顺序启动的两台同样大的同步电动机的模拟结果。
图1示出了同步发电机SG，其励磁电路1连接到控制单元4。同步发电机SG向交流母线2提供交流电压v以便向负载3供电。控制单元4接收供电电压5，控制单元4调整该供电电压5，然后将其作为磁化或励磁电压6施加于励磁电路1。第一控制单元4确定励磁电压6的调整，使得交流母线电压v保持在恒定电平。
在图2中，示出了都连接到同一公共交流母线7的同步电动机SM和两台感应电动机IM的示意图。从电力转换器8向交流母线7提供电压，其中电力转换器8将直流电压9转换为交流电压10。同步电动机SM具有由第一控制单元13控制的励磁电路11。第一控制单元13也接收供电电压14。第一控制单元13调整供电电压14，然后将其作为励磁电压12施加于励磁电路11。
在该示例中，假设三台交流电动机中的每一台在启动期间抽取等量的电流以及在正常工作期间抽取等量的额定电流。假定启动电流是5每单位(pu)额定电流(即5倍于额定电流)。额定电流相应地是1pu。一旦启动了所有电动机，则抽取3pu电流。还假定这三台交流电动机是一台接另一台启动。在最后一台电动机的启动期间，抽取了来自已经运行的电动机的2pu电流加上启动中的电动机的5pu电流。因此，电力转换器8需要具有7pu电流的电流容量。
图2示出了如何应用本发明。根据对电压和/或电流的测量来确定电力转换器8的无功功率Q，并且将该无功功率Q传达给第一控制单元13。该传达可以由任何合适的通信装置(诸如无线技术或电缆或光纤等)来执行。根据该无功功率Q，第一控制单元13按照关系式vf＝vf0+k·Q来确定增大的励磁电压vf，其中k是正的常数。
或者，可以根据if＝if0+m·Q来确定励磁电流if，其中m是正的常数，然后根据励磁电流if以及场励磁电路11的已知电参数来确定最终得到的励磁电压vf。励磁电压的基值vf0和励磁电流的基值if0表示在同步电动机SM的正常控制条件下(在不需要产生额外的无功功率的情况下)所施加的场励磁。选择的常数k和m越大，同步电动机SM就越快地通过产生无功功率来对电力转换器8的无功功率增长作出反应。
现在，在启动所述三台交流电动机期间抽取了以下电流。当应该总是首先启动的同步电动机SM被启动时，抽取了5pu电流。然而，当下一台电动机IM被启动时，同步电动机SM提供所需的无功功率，从而理想情况下仅抽取2pu电流。但是即使同步电动机SM没有产生向第二电动机IM提供无功启动电流所需的全部无功功率，也会抽取显著少于通常的6pu(1pu加5pu)的电流。如果第三电动机IM被启动，则理想情况下电力转换器8仅需要提供3pu电流。在本示例中，假定同步电动机SM能够产生用于启动其他两台交流电动机IM所必须的无功功率总量。因此，电力转换器8的电流容量减少到5pu电流，即，由首先启动的同步电动机SM抽取的电流量。
为了保证电力转换器8的电流不超过预定限制，第二控制单元15控制输出电压(uc)和输出频率(fc)，使得当电力转换器8的输出电流(ic)，即交流母线7中的电流，超过了预定限制(ilim)时减小输出电压(uc)和输出频率(fc)。在本示例中，将该预定限制选择为5pu电流，从而电力转换器绝不会超过它的电流容量。
在图3中，示出了连接到同一交流母线的两台同样大的同步电动机的顺序启动的模拟结果，其中由电力转换器向交流母线供电。第一台电动机在零秒启动，而第二台电动机在3.2秒之后启动，这可以从电动机速度中看出来。启动之后，在正常工作条件下，电动机中的每一台抽取1pu电流。在启动期间电动机中的每一台抽取平均为5pu、最大约为7pu的电流。因此，当第二台电动机被启动时，由这两台电动机一起抽取的总电流接近8pu。
图4图示了同样的两台同步电动机的顺序启动，但是在根据电力转换器的无功功率来调整首先启动的同步电动机的励磁电压的情况下。假定电力转换器具有5pu电流的电流容量。根据图4可见，调整了首先启动的同步电动机的励磁电压，从而在第二电动机的启动期间，总电流仅为平均2pu，绝不会超过5pu的绝对限制。

Claims (9)

1.一种启动由公共交流母线(7)供电的至少两台交流电动机(SM，IM)的方法，所述公共交流母线(7)转而由电力转换器(8)供电，其中所述交流电动机中的至少一台是具有励磁电路(11)的电励磁同步电动机(SM)，其特征在于，
首先启动所述同步电动机(SM)，
在启动所述至少两台交流电动机中的其余电动机(IM)期间：
-确定由所述电力转换器(8)提供的无功功率(Q)，
-确定所述同步电动机(SM)的励磁电流(if)或励磁电压(vf)的线性依赖于由所述电力转换器(8)提供的所述无功功率(Q)的增大量，
-将增大的励磁电流(if)或励磁电压(vf)施加到所述同步电动机(SM)的所述励磁电路(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：确定所述电力转换器(8)的输出电流(ic)，当所述输出电流(ic)达到第一预定限制(ilim)时减小所述电力转换器(8)的输出电压(uc)。
3.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：当所述输出电流(ic)达到第二预定限制(ilim)时减小所述电力转换器(8)的输出频率(fc)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法仅在所述至少两台交流电动机(SM，IM)中的其余电动机(IM)的启动期间应用。
5.一种启动由公共交流母线(7)供电的至少两台交流电动机(SM，IM)的系统，包括：至少两台交流电动机(SM，IM)，其中所述交流电动机中的至少一台是具有励磁电路(11)的电励磁同步电动机(SM)；公共交流母线(7)，为所述至少两台交流电动机供电；电力转换器(8)，为所述公共交流母线(7)供电；以及第一控制单元(13)，控制所述励磁电路(11)，其特征在于，
所述第一控制单元(13)
-首先启动所述同步电动机(SM)，
-在启动所述至少两台交流电动机中的其余电动机(IM)期间：
-确定所述电力转换器(8)的无功功率(Q)，
-确定所述同步电动机(SM)的励磁电流(if)或励磁电压(vf)的线性依赖于由所述电力转换器(8)提供的无功功率(Q)的增大量，
-将增大的励磁电流(if)或励磁电压(vf)施加到所述同步电动机(SM)的所述励磁电路(11)。
6.根据权利要求5所述的系统，包括控制所述电力转换器(8)的输出(uc，ic，fc)的第二控制单元(15)，其中所述第二控制单元(15)确定所述电力转换器(8)的输出电流(ic)并且当所述输出电流(ic)达到第一预定限制(ilim)时减小所述电力转换器(8)的输出电压(uc)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，当所述输出电流(ic)达到第二预定限制(ilim)时，所述第二控制单元(15)减小所述电力转换器(8)的输出频率(fc)。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，其中，所述至少两台交流电动机(SM，IM)是三相交流电动机。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，所述由公共交流母线(7)供电的至少两台交流电动机(SM，IM)的系统是离岸设施的一部分。
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