JP2015529443A

JP2015529443A - 可変速度駆動システム、可変速度駆動システムの運転方法、および炭化水素流の冷却方法

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Publication number: JP2015529443A
Application number: JP2015529021A
Authority: JP
Inventors: フェルフルスト，ミヒャエル・ペーター・アルフォンス
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: WO2014033201A3; CN104737438B; CN104737438A; WO2014033201A2; RU2642827C2; US9479103B2; EP2891243A2; US20150303855A1; RU2015111522A; JP6322195B2

Abstract

電動機と、ＡＣ電源と電動機との間に配置された周波数変換器とを採用する可変速度駆動システムを動作させる。周波数変換器は、ＡＣ電源から得られたソース周波数のＡＣ電力を、可変駆動周波数の変換電力に変換するように機能する。機械組立体を電動機に結合することができる。電気変調回路が設けられ、周波数変換器と相互作用する。これは、機械組立体およびＡＣ電源におけるいずれの歪み励起とも独立して、周波数変換器において生成された次数間高調波電流の次数間高調波周波数に変動を強制するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を含む可変速度駆動システムの運転方法に関する。他の態様では、本発明は、電動機を含む可変速度駆動システムに関する。更に他の態様では、本発明は、可変速度駆動システムを使用して炭化水素流を冷却する方法、またはその運転方法に関する。

産業界において冷却することが必要な炭化水素供給流（hydrocarbon feed stream）の一例に、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を生成するための天然ガスがある。天然ガスは、種々の炭化水素化合物の原料であるだけでなく、有用な燃料源でもある。天然ガス流の源泉またはその付近にあるＬＮＧプラントにおいて、天然ガスを液化することが望ましいことが多い。ＬＮＧは、一括形態で（in bulk form）適宜貯蔵および輸送することができる。

多数のＬＮＧプラントが、冷却サイクルにおいて１つ以上のコンプレッサを備えており、冷媒が冷却回路内で巡回されるにつれて圧縮される。これらのコンプレッサは、従前では蒸気タービンおよび／またはガス・タービンのような原動力によって直接駆動される負荷であるが、場合によっては、タービンを補助しサイクルを起動するための補助ドライブとしての電動機によって補助されることもある。しかしながら、コンプレッサが電動機のみの形態となっている原動力によって軸駆動される全電化（電気のみで駆動される）機械的冷却サイクルに増々関心が高まりつつある。このようなモータは、可変速度駆動システムの一部を形成することもできる。

原動力および負荷が一列になった軸集合体が、弱く減衰する力学的共振を呈することがあるという現象が知られている。これらの力学的共振は、「ねじれモード」または「ねじれ共振」と呼ばれることが多い。このようなねじれ共振の周波数は、ネットワーク同期周波数よりも低くなることがある。ひずみ共振振動に伴うトルクは、機械的損傷を生ずる程に大きい可能性がある。また、このようなひずみ共振振動は、電動機に給電するために使用される電力用電子回路（power electronics）において生成される次数間高調波電流成分の結果として励起される可能性があるという現象も知られている。

ひずみ共振振動の危険性に取り組むために、過去において種々の解決策が提案されている。とりわけ、米国特許第７，１７３，３９９号は、統合ひずみモード減衰システムを開示する。このシステムは、整流器と、ＤＣリンクと、負荷インバータとを含む負荷転流型インバータ・システムと、負荷側軸上においてトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、検知された信号を使用して、負荷側軸上においてひずみ振動の存在を検出し、負荷インバータによって有効電力を変調することによって、歪み振動を減衰させるためのインバータ制御信号を生成するように構成されたインバータ・コントローラとを含む。

この米国特許に開示されたシステムの欠点は、負荷側軸上でトルクを検知するためのセンサを必要とすることである。

本発明の第１の態様によれば、電動機と、ＡＣ電源とこの電動機との間に配置された周波数変換器とを含む、可変速度駆動システムの運転方法を提供する。この方法は、
−ＡＣ電源から得られるソース周波数のＡＣ電力を、当該ソース周波数とは等しくない可変駆動周波数の変換電力に変換するステップであって、前記変換電力が、ソース周波数の整数倍数に等しくない次数間高調波周波数の追加周波数成分を有する次数間高調波電流を含む、ステップと、
−電動機に変換電力を給電するステップと、
−少なくとも１つの駆動軸と機械負荷とを含む機械組立体を、電動機によって駆動するステップと、
−機械組立体およびＡＣ電源におけるいずれの歪み励起からも独立して、次数間高調波電流に変動を発生させるステップと、
を含む。

他の態様では、本発明は、可変速度駆動システムを提供する。このシステムは、
−電動機と、
−ＡＣ電源と電動機との間に配置され、ＡＣ電源から得られたソース周波数のＡＣ電力を、ソース周波数とは等しくない可変駆動周波数の変換電力に変換する周波数変換器と、
−少なくとも１つの駆動軸と機械負荷とを含む電動機に結合された機械組立体と、
−周波数変換器と相互作用し、機械組立体およびＡＣ電源におけるいずれの歪み励起とも独立して、周波数変換器において生成された次数間高調波電流の次数間高調波周波数に変動を発生させるように構成された、電気変調回路と、
を含む。

更に他の態様では、本発明は炭化水素流の冷却方法を提供する。この方法は、
−以上で定められた方法にしたがって、可変速度駆動システムを動作させるステップであって、前記機械負荷がコンプレッサを含む、ステップと、
−炭化水素流を冷媒流体に対して熱交換することによって、コンプレッサによる冷媒流体の圧縮と、炭化水素流の冷却との間で冷媒流体を循環させるステップと、
を含む。

以後、例を使用し図面を参照しながら、本発明について更に例示する。

図１は、ＡＣ電源および機械的負荷に結合された可変速度駆動システムの模式図である。図２は、図１において使用することができる周波数変換器の模式図である。図３は、図２の周波数変換器の一部を形成することができる負荷転流型変換器の模式図である。図４は、図２の周波数変換器の一部を形成することができる、変圧器を有する負荷転流型インバータの模式図である。図５は、図２の周波数変換器の一部を形成することができる、変圧器を有する負荷転流型インバータの模式図である。図６は、図２の周波数変換器の一部を形成することができる、変圧器を有する負荷転流型インバータの模式図である。図７は、時間独立周波数に対する時間の関数として、励起信号の周波数のプロットを示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、周波数は縦軸上に１０Ｈｚと２０Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされている。図８は、図７の励起信号によって６０秒間励起したときの、四質量モデルのエレメント２および３の間におけるトルク（単位量当たり）のプロットを時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に５５０ｐｕと−５５０ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされていることにより、各チック・マーク（tick mark）が１００ｐｕに対応する。図９は、変調時間を１０秒とした正弦波変調周波数に対する時間の関数として、励起信号の周波数のプロットを示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、周波数は縦軸上に１０Ｈｚと２０Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされている。図１０は、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）のプロットを時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に５０ｐｕと−５０ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図１１は、変調時間を１０秒とした鋸波変調周波数に対する時間の関数として、励起信号の周波数のプロットを示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、周波数は縦軸上に１０Ｈｚと２０Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされている。図１２は、図１１の励起信号によって６０秒間励起されたときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）を時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に１５０ｐｕと−１５０ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図１３は、変調時間を１０秒とした鋸波変調周波数に対する時間の関数として、励起信号の周波数のプロットを示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、周波数は縦軸上に１０Ｈｚと２０Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされている。図１４は、図１３の励起信号によって６０秒間励起されたときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）を時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に１５ｐｕと−１５ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図１５は、一定モータ速度および静止インバータ点弧角度（firing angle）の下において得られた、入力電流スペクトルのプロットを示し、周波数は横軸上に０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされ、電流は縦軸上に基本周波数における電流のパーセントの線形目盛り上に０％と３％との間でプロットされている。図１６は、図５のインバータを用い、図１５の入力電流スペクトルによって励起したときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）を時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは、縦軸上に３０ｐｕと−３０ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図１７は、期間が１０秒の正弦駆動周波数変動によって得られた他の入力電流スペクトルのプロットを示し、周波数は横軸上に０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされ、電流は縦軸上に基本周波数における電流のパーセントの線形目盛り上に０％と１％との間でプロットされている。図１８は、図５のインバータを用い、図１７の入力電流スペクトルによって６０秒間励起したときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）のプロットを時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に７ｐｕと−５ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされていることにより、各チック・マークが２ｐｕに対応する。図１９は、１０秒の期間を有する方形波駆動周波数変動を採用することによって得られた他の入力電流スペクトルのプロットを示し、周波数は横軸上に０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされ、電流は縦軸上に基本周波数における電流のパーセントの線形目盛り上に０％と１％との間でプロットされている。図２０は、図５のインバータを用い、図１９の入力電流スペクトルによって６０秒間励起したときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）を時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に２．５ｐｕと−０．５ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図２１は、反復インバータ点弧角度変調を採用することによって得られた他の入力電流スペクトルのプロットを示し、周波数は横軸上に０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で線形目盛り上にプロットされ、電流は縦軸上に基本周波数における電流のパーセントの線形目盛り上に０％と１％との間でプロットされている。図２２は、図５のインバータを用い、図１９の入力電流スペクトルによって６０秒間励起したときの、四質量モデルのエレメント２および３間におけるトルク（単位量当たり）を時の経過と共に示し、時間は横軸上に０秒と６０秒との間で線形目盛り上にプロットされ、トルクは縦軸上に１０ｐｕと−８ｐｕとの間で線形単位毎目盛り上にプロットされている。図２３は、図１の可変速度駆動システムを採用して、炭化水素流を冷却するための装置および方法の模式図を示す。

この説明においては、１つの参照番号がラインおよびそのラインにおいて搬送されるストリームに割り当てられることとする。同じ参照番号は同様の構成要素を指す。

機械的負荷を構成する機械組立体を駆動するために可変速度駆動システムがＡＣ電源に接続されると、可変速度駆動システム内部で生成される次数間高調波電流の結果として、機械組立体およびＡＣ電源内に歪み共振が励起される可能性がある。

これより、機械組立体およびＡＣ電源におけるあらゆる歪み励起から独立して、周波数変換器において生成される次数間高調波周波数に変動（fluctuations）を発生させることによって、どのように歪み共振の過剰励起を回避できるかについて説明する。

次数間高調波周波数に変動を強制する（impose）ことによって、次数間高調波周波数が変化し続けるので、歪み共振の長期励起（prolonged excitation）が回避される。歪み共振が励起されたか否かに関係なくこれが行われれば、１つの歪み共振が積み重なって過剰に大きなトルクになり得ないことが達成される。その結果、事実上あらゆる速度でモータを駆動することができ、実際のトルクを測定または検知する必要がなくなる。

変動はランダムである必要はなく、所定の変動パターンにしたがって変動が加えられればよい。変動は、完全に所定の波形にしたがって、次数間高調波周波数の反復的および周期的変化で構成することができる。しかしながら、所定の波形は、駆動周波数に特定的であり、所定の方法で駆動周波数の関数として可変であってもよい。

便利なこととして、駆動周波数（またはモータ速度）を変化させることによって、または点弧パルスによってアクティブ化されるスイッチング素子を含むインバータの点弧パルスの点弧角度を変化させることによって、次数間高調波周波数を変化させることができる。比較的小さな変動だけがあればよいので、負荷に対するその影響は重大ではない。

図１は、電力線１５によって、発電機１０によって表されるＡＣ電源に結合された可変速度駆動システムを模式的に示す。更に、この可変速度駆動システムは電動機３０も含む。電動機３０は、駆動軸３５および機械的負荷４０を含む機械組立体に結合されている。駆動軸３５は、電動機３０および機械的負荷４０に駆動可能に係合されているので、機械的負荷４０を電動機３０によって駆動することができる。電動機３０は、電線２５によって周波数変換器２０に電気的に接続されている。周波数変換器２０は、ＡＣ電源と電動機３０との間に配置されている。

ＡＣ電源は、通例、少なくとも発電機１０を含み、発電機１０は何らかの種類の駆動装置（例えば、油圧タービン、ガス・タービン、蒸気タービン、モータ）によって駆動される。このため、ＡＣ電源は、一般に、電動機３０によって駆動される機械組立体に加えて、第２機械組立体も内蔵する（contain）。

周波数変換器は、電力線１５を通じてＡＣ電源から得られる電源周波数のＡＣ電力を、電線２５における、電源周波数とは等しくない可変駆動周波数の変換電力に変換するように構成される。

図２は、使用することができる、適した周波数変換器２０の汎用的な例を模式的に示す。これは、ソース整流器（source rectifier）５０、負荷インバータ６０を含み、これらはＤＣリンク７０によって相互に結合されている。ＤＣリンク７０は、インバータが電圧源インバータである場合にはキャパシタンスを含み、またインバータが電流源インバータである場合にはインダクタンスを含むとよい。歪み共振の過剰励起を回避するために提案する方法は、いずれの場合にも適用することができるが、実際には、電流源インバータの場合に次数間高調波に取り組む必要性の方が突出している。このため、本明細書において提案する方法は、２５ＭＷ以上の電力定格を有する可変速度駆動システムに適用されることを意図している。これは、このような高電力では電圧源インバータは一般に入手できないからである。現在、負荷転流型インバータ（ＬＣＩ）の最大入手可能電力定格は、１２０ＭＷである。

負荷インバータ６０は、通例、ゲート型半導体デバイス（gated semiconductor device）の形態としたスイッチング素子を含んでもよい、スイッチ型デバイス（switched device）である。その例には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）のようなゲート型トランジスタ、およびサイリスタが含まれる。スイッチング素子は、インバータ制御回路６２によって制御され、インバータ制御回路６２は、通例、スイッチング素子を制御するための点弧パルス（firing pulse）を生成する。ソース整流器５０もスイッチング素子を内蔵してもよく、通例ゲート型半導体デバイスの形態であり、整流器制御回路５２によって制御される。

つまり、周波数コンバータ２０によるＡＣ電力の変換電力への変換は、通例、ソース整流器５０においてＡＣ電力を整流することによって、整流信号を形成することを伴い、整流信号の変換電力への変換は、通例、点弧パルスによってスイッチング素子をアクティブ化することを伴う。

ＤＣリンク７０にフィルタ・エレメントがあるにも拘わらず、ＤＣリンクにおける実際の整流電流は、完全に滑らかではなく、比較的小さいリップルを有する。出力周波数をサンプリングする負荷インバータ・スイッチング・パターンによって生成される駆動周波数の６（または、１２パルス負荷インバータの場合は１２）倍の整数倍の信号成分が、電流をソース整流器に逆流させ、整流器のスイッチング・パターンによってこの電流が再度サンプリングされる。このため、余分の周波数が生成され、これらは基本ソース周波数の整数倍でないこともある。これらを、次数間電流の次数間高調波周波数と呼ぶ。

図３は、サイリスタに基づく、いわゆる負荷転流型インバータ（ＬＣＩ）の一例を示す。明確さの理由のため、制御回路は図示されていない。ソース整流器５０は、通例、アクティブである。何故なら、このタイプのインバータでは、出力の電力を負荷インバータ６０によって制御することができないからである。図示する例は、三相ソース整流器（これらの相は電力線１５ａ、１５ｂ、１５ｃにおいて供給される）と、三相負荷インバータ（出力相は、３本の駆動線２５ａ、２５ｂ、２５ｃ上にある）とを有し、各相は、２つのサイリスタを採用する。これらは全体的に参照番号５５および６５で示されている。この場合、ソース整流器および負荷整流器は、したがって、６パルス・システムとなる。ＤＣリンク７０は、インダクタンス７２を使用する。約１２０ＭＷまでの電力に適したＬＣＩデバイスは、ＡＢＢおよびＳｉｅｍｅｎｓ社のような種々の会社から市販されている。周波数変換器２０がＬＣＩ変換器に基づく場合、電動機３０は同期モータにするのがしかるべきである。

電流スペクトルの次数間高調波成分は、周波数変換器のタイプに依存する。一例として、種々の１２パルス負荷転流型インバータを図４から図６に示す。

図４は、図３に示したような２つの別個の６パルス周波数変換器を本質的に有する負荷転流型インバータを模式的に示す。この負荷転流型インバータは、それらの間の位相角で動作させられ、多相入力変圧器２２を介して発電機１０から給電される。出力変換電力は、多相出力変圧器２７を介して電動機３０に供給される。別個の６パルス変換器の各々は、整流器（それぞれ５０ａ、５０ｂ）、負荷インバータ（それぞれ６０ａ、６０ｂ）、およびＤＣリンク（それぞれ７２ａ、７２ｂ）を有する。ＤＣリンク７２ａおよび７２ｂは、本質的に、互いに影響を及ぼさない。

図５のＬＣＩにおいては、２つの６パルス整流器（それぞれ、５０ａ、５０ｂ）、および２つの６パルス・インバータ（それぞれ、６０ａ、６０ｂ）があり、これらは全て１つのＤＣリンク６２によって直接接続されている。この場合、ある種のモータ高調波がＤＣリンク７２において相殺されるが、他の高調波は、図４の例と比較すると増大する。

図６は、２つの整流子−ＤＣリンク−インバータ回路を有するが、これらの回路の一方のインダクタ７２ａと他方の回路のインダクタ７３ｂとの間に、磁気結合Ｋ_１が形成される。同様に、第２磁気結合Ｋ_２も、２つの回路の内第１回路の１つのインダクタ７３ａと他方の回路のインダクタ７２ｂとの間に形成される。

図４から図６に示した例の各々において、高調波の一部は相殺するが、形成された次数間高調波は相殺されない。

再度図１を参照すると、電気変調回路２２が、周波数変換器２０と相互作用するように設けられている。これは、整流器制御回路５２および／またはインバータ制御回路６２の一部を形成することができ、またはこれらと相互作用することもできる。電気変調回路２３は、周波数変換器２０において生成される次数間高調波電流の次数間高調波周波数に、変動を強制するように構成される。この変動は、予めプログラミングされた変動パターンまたは所定の変動パターンにしたがって、次数間高調波周波数の反復的および周期的変化で構成することができる。これは、機械組立体およびＡＣ電源におけるいずれの歪み励起からも完全に独立して行うことができ、いずれの歪み共振であれ、どの程度励起されるかには関係ない。

運転中に可変速度駆動システムは、次のように使用される。ＡＣ電源からのＡＣ電力がソース周波数で得られ、周波数変換器２０において、可変駆動周波数の変換電力に変換される。駆動周波数は、ソース周波数と等しくなくてよい。電動機３０は、変換電力によって給電される。一方、電動機３０は機械組立体を駆動する。変換電力は、ソース周波数の整数倍に等しくない次数間高調波周波数の余分な周波数成分を有する次数間高調波電流を含む。これらの余分な周波数成分は、周波数変換器において生成される。しかしながら、本発明によれば、機械組立体およびＡＣ電源におけるあらゆる歪み励起とも無関係に、次数間高調波周波数に変動が強制される。

変動は、次数間高調波周波数と素早く比較する必要はない。例えば、所定の変化パターンにしたがって次数間高調波周波数を反復的および周期的に変化させることによって変動を加える場合、変化パターンの頻度（即ち、１／周期）は、変動が強制されなかった場合の最低次数間高調波周波数よりも少なくとも１０倍低くてもよい。

本発明を実証するために、ＭＡＴＬＡＢＳｉｍｕｌｉｎｋにおいて、発電機を駆動するガス・タービンを構成する発電組立体を含むＡＣ電源を表すモデルをプログラミングした。この発電組立体は、慣性を与える四質量モデルにしたがってモデリングされた。４つの質量は、軸によって互いに結合され、軸は歪みダンパおよび歪みスプリングの形態でモデリングされる。これによって、質量間における発振挙動をモデリングすることができる。

この四質量モデルに使用されるパラメータは、ＧＴ１３２ガス・タービン発電機のそれらに対応し、以下の表１に列挙する。この表において、Ｊ_ｎは、ｎ番目の質量エレメントの慣性モーメントを示し、Ｋ_ｎｍは、ｎ番目およびｍ番目の質量エレメント間における歪みスプリングの係数を示し、Ｄ_ｎｍは、ｎ番目およびｍ番目の質量エレメント間における歪み減衰の係数を示す。四質量モデルは、種々の励起信号によって励起された。

これより図７を参照すると、四質量モデルの第２および第３質量エレメント間において、歪み共振周波数またはそれに非常に近い１４．９７３Ｈｚの一定周波数を有する非変調励起信号が示されている。これは、駆動周波数がソース周波数近くに選択される場合に、次数間高調波電流の周波数となる可能性がある。通常、ソース周波数に近い駆動周波数は、システムを連続的に動作させることができない、いわゆる除外範囲内にある。

第２および第３エレメント間において時間の関数として計算され結果的に得られるトルクが、図８に示されている。これは、注意を怠った場合何が起こり得るか示すための参照事例である。歪み共振の励起に対して全く注意しないと、一般に、この周波数では電動機を長時間にわたって駆動することは全くできない。

図９および図１０は、１０秒の周期を有する正弦波パターンにしたがって、１．２Ｈｚずつ反復的および周期的に周波数を増減することによって次数間高調波周波数を変動させた場合に何が起こり得るかを示す。励起電流を図９に表示し、第２および第３質量エレメント間に結果的に生ずるトルクを図１０に示す。見てわかるように、最大トルクが約１／１０に減少した。

トルク共振励起に対する変動の有効性は、次数間高調波（励起）周波数におけるばらつき（variation）の周期および大きさに依存することが分かっている。したがって、事例研究は、具体的なラインナップ（line-up）毎に、駆動周波数毎に最も良い変調パラメータがどれであるか明らかにするために有益であろう。

これは、歪み共振を中心とした中央励起周波数（即ち、時間平均励起周波数）の範囲においてこの四質量モデルの正弦変更励起（sinusoidally modified excitation）について、経験的に（試行錯誤によって）行われた。その結果を表２に示す。この表の第１列は中心周波数を列挙し、第２列は、正弦偏倚（sinusoidal deviation）（即ち、変調の「振幅」）によって中心周波数から周波数が最大限増減した量を列挙する。変調の周期を第３列に列挙し、第２および第３エレメント間の結合において結果的に得られた最大トルクを第４列に列挙する。

この場合の変調周波数（即ち、変調周期の逆数）が、約０．０８Ｈｚおよび０．５Ｈｚの間であり、約１５Ｈｚの非変調次数間高調波周波数よりも約３０倍および２００倍の間で低いことが分かる。更に、変調振幅は２．０Ｈｚ未満である。これが意味するのは、６パルス・インバータでは、駆動速度は３６００ｒｐｍの正常（平均）駆動速度において、２０ｒｐｍ以上変動してはならないということである。

他の変調パターンを、正弦波パターンの代わりに採用してもよい。

図１１および図１２は、図９の正弦変調と同じ大きさおよび周期による、鋸歯変調を実証する。見て分かるように、最大トルクはなおも約１／５に減少するが、この減少は正弦変調パターンにおけるよりも少ない。

図１３および図１４において、ブロック波（block-wave）変調パターンを検査する。この場合も、同じ振幅で１．２Ｈｚずつ上下させ、周期は１０秒である。この場合、トルクの減少は、正弦波の場合よりもほぼ５倍良化する。しかしながら、次数間高調波周波数におけるこの変化パターンは、実際には、機械組立体および機械組立体を駆動する電動機の慣性のために、負荷転流型インバータでは達成できないことを注記しておく。

次数間高調波周波数において変動を遂行する１つの方法は、駆動周波数を変調することによる。例えば、平均周波数からの時間依存偏倚（deviation）にしたがって、平均駆動周波数を中心に駆動周波数を変化させることができる。電気変調回路２３は、可変速度駆動システムの速度コントローラに相応しく統合することもできる。電動機は、速度コントローラによって制御された速度で回転する。速度コントローラは、速度制御信号によって、周波数変換器と相互作用を行う。速度制御信号は、所望の繰り返しパターンにしたがって、周期的に変化させることができる。

好ましい実施形態では、所望の変動を次数間高調波周波数に生じさせるために、平均速度制御信号からの時間依存偏倚にしたがって、平均速度制御信号を中心に速度制御信号を周期的に変化させるようにプログラミングすることもできる。

冷却プロセス用冷媒コンプレッサを駆動するとき、モータ速度の小さな変動は、実際の冷却プロセスでは実際には気付かれないままであるが、過剰歪み励起を防止するためには非常に有利であり得る。更に、駆動周波数に要求される変動の大きさは、次数間高調波周波数に望まれる変動の大きさよりも遙かに小さくすることができる。例えば、Ｎ−パルス整流器を使用してソース整流器の点弧パルスによって駆動周波数を規制する（regulate）場合、駆動周波数における実際の変動は、次数間高調波周波数において望まれる変動よりも１／Ｎに小さくすることができる。実際には、電動機が回転する速度を、６パルス整流器の場合１００ｒｐｍ未満だけ、１２パルス整流器の場合５０ｒｐｍ未満だけ平均速度から変動させる必要がある。いずれにしても、これは、３０００または３６００ｒｐｍという公称駆動速度に比較すると、比較的小さい量である。

以上の図７から図１４までは、歪み共振に近い励起周波数を反復的および周期的に変化させる原理を検討するために使用されたが、図１５から図２０までは、速度コントローラに対して電気変調回路によって強制される種々の変調を実証する。このために、図５のＬＣＩがＭＡＴＬＡＢモデルに追加されている。

図１５および図１６は、電動機が一定速度で駆動される基準事例を引き合いに出す。図１５は、計算されたＬＣＩの入力電流スペクトルを示す。次数間高調波周波数が明らかに見ることができる。四質量モデルの第２および第３エレメント間の結合において結果的に得られるトルクを図１６に示す。

通例、提案される駆動周波数は、時間独立平均周波数と、平均周波数からの時間依存偏倚とを有する。時間依存偏倚は、時間独立平均周波数からの最大偏倚内である３％および１５％の間に留まるとよい。

図９および図１０において行われたように、次数間高調波周波数に対して１０秒の期間にわたり１．２Ｈｚの同じ正弦波周波数のばらつきを達成するために、速度コントローラに対する目標として、１０秒の期間にわたる０．１Ｈｚの駆動周波数のばらつきを供給した。結果的に得られた入力電流スペクトルを図１７に示し、結果的に第２および第３質量エレメント間の結合に得られたトルクを図１８に示す。トルクは６ｐｕ未満に留まり、これは約４倍の改善に対応する。

電動機はこの比較的遅い速度のばらつきには耐えることができるかもしれないが、１ステップとして速度を変化させることは不可能である。しかしながら、ブロック波速度ばらつきが速度コントローラに供給された場合に何が起こり得るかについては既に調査されている。勿論、実際の速度変化、したがって次数間高調波周波数は、図１３において仮定したようなブロック波パターンを有するのではないが、図１９および図２０において見られるように、結果はそれでもなお非常に良好である。小さな起動過渡を無視すると、トルクは、全体的に２ｐｕ未満に留まるように計算され、これによって約１２．５倍の改善が達成される。

次数間高調波周波数に変動を起こさせる他の方法は、インバータ点弧パルスの点弧角度に変動を強制することによる。速度とは対照的に、インバータの点弧角度は瞬時に（例えば、モータの位相角に対して相対的に）変化させることができ、したがって、次数間高調波周波数に更に方形波に近い変更パターンが得られる。

以上で説明したことと同様に、点弧角度は、平均点弧角度からの時間依存偏倚によって変化させられる時間独立平均点弧角度を有すると記述することができる。時間依存偏倚の方法は、好ましくは、時間独立平均点弧角度から最大偏倚以内である０．５°および１０°の間に留まる。点弧角度の変動が小さい程、歪み共振の励起を抑制し難くなり、一方点弧角度の変動が大きい程速度コントローラに安定性の問題を発生させる可能性が高くなる。

インバータ点弧角度の影響を検査するために、以上で説明したモデルを使用することによって、方形波形をインバータの点弧角度入力に印加する。方形波によって、Ｉ秒の期間にわたって標準的な点弧角度からの２°増加および２°減少から成るブロック波を適用して、良い結果が得られた。電動機の速度を４８．７５Ｈｚに設定した。これは、質量エレメント２および３の間の結合に歪み共振を励起すると予期される。入力電流スペクトルおよび結果的に得られたトルクを、それぞれ、図２１および図２２に示す。

ここで提案した方法は、他の歪み共振励起軽減方策と組み合わせて応用されてもよいことを、当業者は理解するであろう。例えば、選択された駆動軸に、例えば、エラストマ製ダンパの形態で、機械的減衰手段（mechanical damping）を設置することを考えることもできる。しかしながら、このようなダンパが設けられても、動作する本発明では、このようなダンパは劣化が遅れると予期されるので、本発明は有益であることができる。

可変速度駆動システムおよびその動作方法は、コンプレッサの形態とした負荷を駆動するために採用することもできる。つまり、本発明は、炭化水素流を冷却する方法においても有利に適用することができる。ここでは、炭化水素流を冷媒流体に対して熱交換することによって、コンプレッサによるこの冷媒流体の圧縮と炭化水素流の冷却との間で、冷媒流体が循環される。冷却は、炭化水素流の凝縮を行わせることができ、液化天然ガス流のように、液化炭化水素流をこのようにして生成することができる。

このような方法を、図２３を活用して例示する。図２３は、炭化水素流を冷却する装置が示されている。これは、図１の可変速度駆動システムを採用する。負荷４０がコンプレッサの形態で提示され、冷却回路１００の一部を形成する。冷却回路１００は、熱遮断機１１０、冷却流体の圧力を冷却圧力に低下させる減圧デバイス１２０、および冷却熱交換機８０を含む。

コンプレッサは冷却流体を圧縮する。熱遮断機は、圧縮された冷却流体からの熱を遮断し、最終的に周囲温度にするが、任意の中間流体を使用してもよい。減圧デバイス１２０は、ここではジュール−トムソン弁として図示されるが、エキスパンダ・タービンの形態、またはエキスパンダ・タービンおよびＪ−Ｔ弁の組み合わせの形態で設けられてもよい。

冷却熱交換機８０において、熱は、同様に冷却熱交換機８０を通過する炭化水素流９０から、炭化水素流が冷却するに連れて加熱する冷媒流体に移ることができる。冷却された炭化水素流９５および加熱された冷媒流体１３０は、冷却熱交換機８０から排出される。次いで、加熱された冷媒流体１３０は、再圧縮のためにコンプレッサに渡され、そのサイクルは完了する。

冷却熱交換機８０および冷媒回路１００は、非常に模式的に図示された。これらは、あらゆる適した冷却技法を表すことができ、炭化水素液化プロセス（liquefaction process）において、特に、液化天然ガスを生成するあらゆる天然ガス液化プロセスにおいて、使用されるものを含む。更に、本発明は、熱交換機の特定の選択肢によって限定されることはない。

適した冷却技法の例は、単一冷媒サイクル・プロセス（通常、Ｇａｓｔｅｃｈ１９９８（Ｄｕｂａｉ）において紹介された、K R JohnsenおよびP Christiansenによる論文"LNG Production on floating platforms"（浮桟橋上におけるＬＮＧの生産）に記載されたＰＲＩＣＯのような単一混合冷媒（ＳＭＲ）プロセスであるが、例えば、JohnsenおよびChristiansenによる前述の論文に記載されたＢＨＰ−ｃＬＮＧのような単一成分冷媒も可能である）、二重冷媒サイクル・プロセス（例えば、米国特許第４，４０４，００８号に記載されているような、例えば、広く応用されるプロパン混合冷媒（Propane-Mixed-Refrigerant）プロセス（多くの場合Ｃ３ＭＲと省略される）、または、例えば、一例が米国特許第６，６５８，８９１号に記載されている、二重混合冷媒−ＤＭＲ−プロセス、または、例えば、各冷媒サイクルが１つの成分冷媒を収容する二−サイクル・プロセス）、ならびに３つ以上の冷媒サイクルのための３つ以上のコンプレッサ列に基づくプロセス（一例が米国特許第７，１１４，３５１号に記載されている）から引き出すことができる（derivable）。適した冷却技法の他の例は、米国特許第５，８３２，７４５号（ＳｈｅｌｌＳＭＲ）、米国特許第６，２９５，８３３号、米国特許第５，６５７，６４３号（双方共ＢｌａｃｋおよびＶｅａｔｃｈＳＭＲの異形である）、米国特許第６，３７０，９１０号（ＳｈｅｌｌＤＭＲ）に記載されている。ＤＭＲの他の適した例には、例えば、日本、東京における第２２回ＷｏｒｌｄＧａｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（２００３）において紹介された、P-Y Martin et alによる"LIQUEFIN: AN INNOVATIVE PROCESS TO REDUCE LNG COSTS"（ＬＩＱＵＥＦＩＮ：ＬＮＧコストを削減するための革新的プロセス）と題する論文に記載されているような、いわゆるＡｘｅｎｓＬＩＱＵＥＦＩＮプロセスがある。他の適した三サイクル・プロセスには、例えば、米国特許第６，９６２，０６０号、ＷＯ２００８／０２００４４、米国特許第７，１２７，９１４号、ドイツ特許出願公開３５２１０６０Ａ１、米国特許第５，６６９，２３４号（商業上最適化カスケード・プロセスとして知られる）、米国特許第６，２５３，５７４号（商業上混合流体カスケード・プロセスとして知られる）、米国特許第６，３０８，５３１号、米国特許出願公開２００８／０１４１４７１１、Mark J. Roberts et al、"Large capacity single train AP-X(TM) Hybrid LNG Process"（大容量単一列ＡＰ−Ｘ（商標）混成ＬＮＧプロセス）、Ｇａｓｔｅｃｈ２００２、Ｄｏｈａ、Ｑａｔａｒ、（２００２年１０月１３−１６日）が含まれる。

これらの提示（suggestion）は、本発明の広い応用可能性を顕示するために行われたのであって、可能性の排他的および／または網羅的リストであることを意図するのではない。以上で列挙した例の全てが、電動機を冷媒コンプレッサ・ドライバとして採用するのではない。本発明のコンテキストにおける適用に適するように、電動機以外の任意のドライバを、電動機と置換できることは明らかである。更に、既知の冷却技法では、冷媒流体用コンプレッサは、多くの場合、補助モータとして機能する電動機で補足されたガス・タービンによって駆動される。これらの場合にも、本発明を応用することができる。

冷却される炭化水素流は、最初は蒸気であってもよい。これは、冷却し任意に液化するのに適したガス流であればいずれからでも得ることができる。しばしば使用される例に、天然ガスまたは石油たまり（reservoir）または炭層から得られる天然ガス流がある。代わりに、炭化水素流９０は、一例として、Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈプロセスのような合成ソース（synthetic source）を含む他のソースから得ることもできる。

本発明は、添付した請求項の範囲から逸脱することなく、多くの種々の方法で実行できることを、当業者は理解するであろう。

Claims

電動機と、ＡＣ電源と前記電動機との間に配置された周波数変換器とを含む可変速度駆動システムの動作方法であって、
前記ＡＣ電源から得られるソース周波数のＡＣ電力を、前記ソース周波数とは等しくない可変駆動周波数の変換電力に変換するステップであって、前記変換電力は、前記ソース周波数の整数倍数に等しくない次数間高調波周波数の追加周波数成分を有する次数間高調波電流を含む、ステップと、
前記電動機に前記変換電力を給電するステップと、
少なくとも１つの駆動軸と機械負荷とを含む機械組立体を、前記電動機によって駆動するステップと、
前記機械組立体および前記ＡＣ電源におけるいずれの歪み励起からも独立して、前記次数間高調波電流に変動を発生させるステップと、
を含む、方法。
請求項１記載の方法において、前記変動は、所定の変動パターンにしたがって強制されてもよい、方法。
請求項１または２記載の方法において、前記次数間高調波電流に変動を発生させる前記ステップは、前記次数間高調波電流を反復的および周期的に変化させるステップを含む、方法。
前出の請求項のいずれか１項記載の方法において、選択された次数間高調波周波数における前記変動は、前記次数間高調波周波数から選択された前記周波数が変動させられない場合における当該周波数から３％と１５％との間の最大偏倚以内に留まる、方法。
前出の請求項のいずれか１項記載の方法において、前記次数間高調波電流に変動を発生させる前記ステップは、平均駆動周波数を中心として、時間依存偏倚にしたがって前記駆動周波数を前記平均周波数から変化させるステップを含む、方法。
前出の請求項のいずれか１項記載の方法において、前記ＡＣ電力を前記変換電力に変換する前記ステップのために周波数変換器を採用し、前記電動機は、速度制御信号によって、前記周波数変換器と相互作用する速度コントローラによって制御される速度で回転し、前記次数間高調波周波数に変動を発生させる前記ステップは、時間依存偏倚にしたがって、平均制御信号を中心にして当該平均速度制御信号から前記速度制御信号を周期的に変化させるステップを含む、方法。
請求項６記載の方法において、前記速度制御信号は、方形波パターンにしたがって変化させられる、方法。
請求項６または７記載の方法において、前記電動機が回転する速度は、平均速度から１００ｒｍｐ未満、好ましくは、２０ｒｍｐ未満だけ変動させられる、方法。
請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、前記ＡＣ電力を変換電力に変換する前記ステップは、点弧パルスによってアクティブ化されるスイッチング素子を含むインバータを使用して、前記ＡＣ電力を整流し、前記整流した信号を前記変換電力に変換することによって、整流信号を形成するステップを含み、前記次数間高調波周波数に変動を発生させる前記ステップは、平均点弧角度を中心に、時間依存偏倚にしたがって、前記平均点弧角度から前記点弧パルスの点弧角度を周期的に変化させるステップを含む、方法。
請求項９記載の方法において、前記時間依存偏倚は、前記平均点弧角度から、０．５°と１０°との間の最大偏倚以内に留まる、方法。
前出の請求項のいずれか１項記載の方法において、前記次数間高調波周波数に変動を発生させる前記ステップは、所定の波形にしたがって前記次数間高調波周波数を変調するステップを含む、方法。
請求項１１記載の方法において、前記所定の波形は、駆動周波数の関数として所定の態様で変化する、方法。
可変速度駆動システムであって、
電動機と、
ＡＣ電源と前記電動機との間に配置され、前記ＡＣ電源から得られたソース周波数のＡＣ電力を、前記ソース周波数とは等しくない可変駆動周波数の変換電力に変換する周波数変換器と、
少なくとも１つの駆動軸と機械負荷とを含む前記電動機に結合された機械組立体と、
前記周波数変換器と相互作用し、前記機械組立体および前記ＡＣ電源におけるいずれの歪み励起とも独立して、前記周波数変換器において生成された次数間高調波電流の次数間高調波周波数に変動を発生させるように構成された、電気変調回路と、
を備える、可変速度駆動システム。
請求項１３記載の可変速度駆動システムにおいて、前記電気変調回路は、前記可変速度駆動システムの速度コントローラの一部を形成する、可変速度駆動システム。
炭化水素流の冷却方法であって、
請求項１から１２までのいずれか１項に定められた方法にしたがって、可変速度駆動システムを動作させるステップであって、前記機械負荷はコンプレッサを含む、ステップと、
炭化水素流を冷媒流体に対して熱交換することによって、前記コンプレッサによる前記冷媒流体の圧縮と、前記炭化水素流の冷却との間で前記冷媒流体を循環させるステップと、
を含む、方法。