CN102498643A - 电驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有液体冷却的电机(1)的驱动系统以及此类电机(1)的定子绕组的液体冷却的方法。为尽可能廉价地实现在很低的环境温度下的使用，驱动系统进一步包括：用于液体冷却电机(1)的定子绕组的冷却回路(2)、用于将冷却液体泵送通过冷却回路(2)的泵(3)、用于为定子绕组供电的换向器(4)和控制单元(5)，所述控制单元用于这样地控制换向器，使得换向器在泵(3)接通前向定子绕组内供入加热电流以用于加热冷却液体。

Description

电驱动系统
技术领域
本发明涉及一种带有液体冷却的电机的驱动系统以及一种用于对此类电机的定子绕组进行液体冷却的方法。
背景技术
电机中必须使用介质对定子绕组进行冷却，以避免不允许的高运行温度。在最简单的情况中，将空气用作冷却介质。但使用液体冷却在更简单的结构下实现了更高的功率。因此，特别地在中等和较高的功率下经常通过冷却液体来冷却电机的定子绕组，所述冷却液体借助于泵通过冷却回路泵送。通常使用油，特别是使用绝缘油作为冷却液体。泵使冷却液体在马达和包括换热器的封闭冷却回路内循环。
根据使用领域，电机以及用于其冷却的绝缘油可能处于很低的环境温度下。示例是用于驱动压缩机的电机，所述压缩机用于输送、运输和处理天然气。用于油气市场的压缩机经常使用在例如极地或海底(海下)的极限位置。也经常出现的情况是用于驱动所使用的压缩机的电机在此可能处于极低的温度下。
低环境温度导致绝缘油的很高的粘性，使得绝缘油可能不能从泵通过冷却回路被泵送。在此情况中，在泵接通前，必须将油事先借助于另外的加热器来预热，所述加热器与马达和冷却器分开地作为另外的设备提供在冷却回路内。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于尽可能节约成本地实现液体冷却的电动机在很低的环境温度下的使用。
此技术问题通过一种电驱动系统解决，所述电驱动系统带有：
-电机，
-用于对电机的定子绕组进行液体冷却的冷却回路，
-用于将冷却液体泵送通过冷却回路的泵，
-用于为定子绕组供电的换向器，和
-控制装置，该控制装置用于这样地控制换向器，使得换向器在泵接通前向定子绕组内供入加热电流以用于加热冷却液体。
此外，此技术问题通过一种用于以冷却回路来对电驱动系统的电机的定子绕组进行液体冷却的方法加以解决，其中，使用泵将冷却液体泵送通过冷却回路，且在泵接通前由换向器向定子绕组供入加热电流以加热冷却液体。
本发明的有利的实施形式在从属权利要求中得到。
通用的可变转速驱动器通常由换向器供电。换向器主要包括输入整流器和逆变器，所述整流器将电网侧的交流电压转化为中间电路直流电压或将电网侧交流电流转化为中间电路直流电流，所述逆变器将中间电路直流电压或中间电路直流电流施加在电机上或注入电机内。逆变器在此由控制装置这样地控制，使得由所述逆变器产生的电学量产生了预先给定的马达转速或预先给定的马达转矩。例如，控制装置在此包括调节器，所述调节器由转速额定值与转速实际值的差异计算出定子绕组内应注入的额定电流，且由此预先给出对于逆变器的功率半导体的相应的开关信号。
以上所述的运行对应于一般已知的可变转速电驱动器的常规运行。
本发明现在基于如下获知，即所述的部件-控制单元、换向器和定子绕组除其用于产生旋转场的任务外也可用于加热冷却液体。以此方式，可节约用于加热冷却液体的外部加热器。以此，可降低电驱动单元的成本且最小化其结构体积。为提供粘性足够低的冷却液体，仅将相应的加热电流从换向器供入到定子绕组内，所述加热电流将为冷却定子绕组所提供的冷却液体加热到要求的温度。仅当超过此阈值温度时冷却液体的粘性才低到足以通过泵在冷却回路中循环。
本发明尤其在冷却液体是油的实施形式中是有利的。因为油在很低的温度下非常粘稠，所以在此可通过借助于定子绕组以很简单的方式将油加热来实现此冷却介质的循环。
为避免电机在加热阶段期间产生仍不希望的转矩，在本发明的有利构造中加热电流是直流电流。通过在定子绕组内注入直流电流，在电机的气隙内产生了静止磁场，此静止磁场并不驱动电机的转子。直流电流的使用此外具有的优点是在电机的转子内不能产生涡电流和磁滞损失。
但在本发明的替代实施例中也可通过如下方式防止转矩的建立，即加热电流是以其在电机的气隙内产生交变场的交流电流。为防止产生转矩，决定性的仅是避免气隙内的旋转磁场。但在将交流电流用作加热电流时，不可完全避免具有涡电流和磁滞形式的转子损失。但不导致旋转场的交流电流能够以最小的结构成本通过已描述的换向器产生，因为所述换向器为了其常规的使用已设置在定子绕组内以供入电交流量。
在本发明的有利构造中，在低环境温度下电驱动系统的启动可通过如下方式而很大程度上被自动化，即使得电驱动系统具有用于检测表征冷却液体粘性的测量量的测量装置，其中形成用于在低于粘性阈值时产生泵接通指令的控制装置。在此，在电驱动系统接通时，连续监测冷却液体的粘性。这例如也可通过冷却液体的温度测量来实现，因为冷却液体的温度允许了对冷却液体粘性的推定。只要由控制装置确定粘性低到足以实现冷却液体通过泵的循环，则由控制装置向泵送出相应的接通信号。
在此类实施形式中，有利的方式是将控制装置形成为使其从低于粘性阈值时起自动控制换向器以供给驱动电机的交流电。在此，电驱动系统从冷却液体加热直至电动马达的高负荷运转的整个接通过程被自动化。
前述电驱动系统的实施形式可很好地与用于压缩天然气的压缩机组合为马达-压缩机单元，所述马达-压缩机单元特别地适合于使用在极低的外部温度下。此类马达-压缩机单元的有利的使用范围例如在设置为用于海下使用的实施形式中给出。在此，特别地可构思在极地区域的天然气输送和处理。
附图说明
在下文中根据在附图中图示的实施例进一步描述和解释本发明。各图为：
图1示出了根据本发明的电驱动系统的实施的示意图，和
图2示出了根据本发明的构造的马达-压缩机单元。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电驱动系统的构造的示意性图示。此电驱动系统的核心组成部分是具有液体冷却的定子绕组的电机1。此定子绕组由换向器4以交流电供电，所述交流电产生用于驱动电机1的转子所要求的旋转场。控制装置5产生用于换向器4的功率半导体的控制指令。此控制指令取决于马达的当前转矩与电机1的预先给定的转矩额定值的差异通过合适的调节算法生成。电机1的转矩为此可被测量或由对电机1的定子电流的测量通过计算确定，且然后作为实际值提供到控制装置5。从换向器4指向控制装置5的箭头意味着实际的定子电流的反馈，以此为基础控制装置5确定了电机1的转矩。
此外，检测电机1的冷却液体的温度，且如需要将其联接到控制装置5。这也通过从电机1指向控制装置5的箭头示出。
为冷却定子绕组所提供的冷却液体在此示例中是绝缘油，所述绝缘油被泵3泵送通过包括换热器8的冷却回路2，绝缘油可通过所述换热器8释放其热量。如果图示的驱动系统在很低的环境温度下使用，则可能存在的情况是绝缘油过于粘稠而使得不能由泵3通过冷却回路2循环。在此运行情况下，泵3首先关断。同样，电机1也停机且由电机1不再产生转矩。作为替代，首先由控制装置5产生用于换向器4的功率半导体的控制指令，所述控制指令导致向电机1的绕组内供入直流电流。在此可以的是为电机1的每个相施加以直流电流。但也可以为此仅使用一个相或两个相。借助于此直流电流将定子绕组加热，使得定子绕组的热量可释放到冷却液体。直流电流的大小在此当然选择为仅高至不导致定子绕组的过热。在此加热过程期间监测冷却液体的温度，冷却液体的温度可推定冷却液体的粘性。从一定的粘性阈值和与之相关联的冷却液体的温度阈值起，由控制装置5向泵3发送接通指令。此接通指令然后开始使得泵3将冷却液体在冷却回路2内循环。此外，换向器4也由直流运行切换为交流运行，使得为电机1的定子绕组以交流电供电，所述交流电产生电机1的驱动所需的旋转场。
在此所述的电驱动系统实现了液体冷却的电动马达在根据现有技术需要另外的加热设备以加热冷却液体的极限使用条件下的使用。所述的系统几乎无需另外的硬件部件，且可因此特别廉价且紧凑地实现。
图2示出了根据本发明的构造的马达-压缩机单元。在此图示的马达-压缩机单元6适合于提供为压缩天然气且用于海底(海下)使用。在气密性壳体内布置了多级压缩机7和适合于驱动所述压缩机的带有定子9和转子10的电机。定子9被液体冷却。使用绝缘油作为冷却液体，所述绝缘油在存在低环境温度的海下使用时倾向于具有很高的粘性。为使得绝缘油可被在此未图示的循环泵泵送通过冷却回路，首先如在图1中所述将绝缘油借助于注入到定子绕组内的直流电流或交流电流加热到具有充分低粘性的温度。在此不要求另外的加热系统。

Claims (14)

1.一种电驱动系统，该电驱动系统带有
-液体冷却的电机(1)
-用于对电机(1)的定子绕组进行液体冷却的冷却回路(2)，
-用于将冷却液体泵送通过冷却回路(2)的泵(3)，
-用于为定子绕组供电的换向器(4)，和
-控制单元(5)，该控制单元用于这样地控制换向器，使得换向器在泵(3)接通前向定子绕组内供入加热电流以用于加热冷却液体。
2.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中冷却液体是油。
3.根据权利要求1或2所述的电驱动系统，其中加热电流是直流电流。
4.根据权利要求1或2所述的电驱动系统，其中加热电流是交流电流，通过所述交流电流在电机(1)的气隙内产生交变场。
5.根据前述权利要求中一项所述的电驱动系统，所述电驱动系统带有用于检测表征冷却液体的粘性的测量量的测量装置，其中控制装置(5)设计为在低于粘性阈值时生成用于泵(3)的接通指令。
6.根据权利要求5所述的电驱动系统，其中控制装置(5)这样地设计，使得从低于粘性阈值起控制装置(5)自动控制换向器(4)以供入驱动电机(1)的交流电。
7.一种马达-压缩机单元(6)，该马达-压缩机单元包括用于压缩天然气的压缩机(7)和根据前述权利要求中任一项所述的电驱动系统。
8.根据权利要求7所述的马达-压缩机单元(6)，其中，马达-压缩机单元设计为海下使用。
9.一种用于通过冷却回路(2)对电驱动系统的电机(1)的定子绕组进行液体冷却的方法，其中，使用泵(3)将冷却液体泵送通过冷却回路(2)，且在接通泵(3)前由换向器(4)向定子绕组供入加热电流以加热冷却液体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中冷却液体是油。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中供入直流电流作为加热电流。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中供入交流电流作为加热电流，通过所述交流电流在电机(1)的气隙内产生交变场。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，检测表征冷却液体的粘性的测量量，且在低于粘性阈值时自动生成用于泵(3)的接通指令。
14.根据权利要求13所述的方法，其中从低于粘性阈值起自动地以换向器(4)向定子绕组内供入驱动电机(1)的交流电。
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