NO20130874A1

NO20130874A1 - Fremgangsmåte og system for start av elektriske maskiner.

Info

Publication number: NO20130874A1
Application number: NO20130874A
Authority: NO
Inventors: Tore Skjellnes
Original assignee: Smartmotor As
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-12-15
Also published as: WO2014209127A1; NO335419B1

Description

Fremgangsmåte og system for start av elektriske maskiner

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for start av elektriske maskiner drevet av en energikilde via en eller flere transformatorer mellom den elektriske maskinen og energikilden, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder også et system for start av elektriske maskiner drevet av en energikilde via en eller flere transformatorer mellom den elektriske maskinen og energikilden, i samsvar med innledningen til patentkrav 13.

Bakgrunn

I mange applikasjoner, for eksempel i undersjøisk olje- og gassbehandling, drives elektriske maskiner fra energikilder lokalisert med en betydelig avstand fra det drevne utstyret og maskinene - slike systemer kalles ofte for "systemer med lange utlegg". I systemene med lange utlegg er høy spenning (for eksempel 20-30 kV) foretrukket for overføring av energien mellom kilden og den elektriske maskinen med lave tap. Samtidig omfatter ofte energikilden statiske frekvensomformere for å styre hastigheten til de drevne elektriske maskinene, og slike omformere har begrenset merkespenning (i de fleste tilfeller 0,4-11 kV). Også isolerende utforming av de elektriske maskinene er ofte begrenset til et nivå på 11 kV. Følgelig er merkespenningene til den statiske frekvensomformeren og den drevne elektriske maskinen betydelig lavere enn ønsket overføringsspenning. Den typiske løsningen er å bruke transformatorer for opptrapping av spenningen for overføring over den lange kabelen og så nedtrapping av den nær den elektriske maskinen for å tilpasses dens merkespenning. Lignende systemer er f.eks. beskrevet i W09318566A1 eller i WO2013039404A1. Dersom merkespenning for omformeren er lavere enn den for den elektriske maskinen kan det brukes bare opptransformator. I slike tilfeller er overføringspenningen den samme som maskinspenningen.

Systemene med lange utlegg med minst en transformator mellom omformeren og den elektriske maskinen har en hovedutfordring under oppstart, når lav frekvens og lav spenning er formet av frekvensomformeren for den elektriske maskinen, - utfordringen er konvertering av energi ved veldig lave frekvenser (=0...2 Hz) i transformatoren som kan føre til metning i transformatoren. For å forhindre dette har transformatoren i noen tilfeller blitt overdimensjonert. Desto lavere frekvensen er, desto større må transformatoren være.

Vanligvis kan induksjonsmotorer startes med frekvenser som er 1,5 Hz eller enda høyere. For slike frekvenser kan transformatoren ha dobbel størrelse sammenlignet med den utformet for merkefrekvens.

Kravet med å påføre veldig lav frekvens (=0...1 Hz) er spesielt viktig ved start av permanentmagnet-synkronmaskiner. Dersom man starter ved høyere frekvenser vil maskinen ikke fange opp det roterende magnetiske feltet. Transformatorer for slike systemer vil være spesielt store - flere ganger større enn de utformet for merkefrekvens. Noen laster krever høyt moment rett etter oppstart - ved lav frekvens. For eksempel er det i undervannspumper såkalt "statisk friksjonsmoment" (se Fig. 1) som må overvinnes ved oppstart. Det betyr at nok strøm må tilveiebringes for maskinen ved oppstart, som igjen betyr at det bør være nok spenning ved transformatorens andre vikling, i.e. transformatoren skal ikke mettes.

For å summere opp så krever oppstart av en elektrisk maskin via transformator ved veldig lav frekvens overdimensjonering av transformatoren. I tilfellet med start av en induksjonsmaskin kan transformatorstørrelsen være akseptabel, selv om den er større enn den utformet for merkefrekvensen. I tilfellet med start av permanentmagnetmaskiner kan transformatorstørrelsen bli uakseptabelt stor.

Formål

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å løse problemet med kjent teknikk for systemene med transformatorer mellom energikilde og elektrisk maskin og sikre pålitelig start og styring av elektriske maskiner uten å overdimensjonere transformatorene.

Et annet formål er å løse problemet til kjent teknikk for systemene med lange utlegg, dvs. lange kabler og minst en transformator mellom energikilde og elektrisk maskin.

Endelig er det et formål å muliggjøre pålitelig start og styring av permanentmagnetmaskiner i systemene med minst en transformator mellom energikilde og permanentmagnetmaskin.

Oppfinnelsen

En fremgangsmåte i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen for å sikre pålitelig start og styring av elektriske maskiner drevet gjennom transformatorer uten å overdimensjonere transformatoren er angitt i patentkrav 1. Foretrukne trekk ved fremgangsmåten er beskrevet i patentkravene 2-12.

Et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen for å sikre pålitelig start og styring av elektriske maskiner drevet gjennom transformatorer uten å overdimensjonere transformatoren er angitt i patentkrav 13. Fordelaktige trekk ved systemet er beskrevet i patentkravene 14-23.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder start av elektriske maskiner (motorer) drevet fra frekvensomformere via lange kabler og hvor transformatorer er anordnet mellom de elektriske maskinene og en energikilde.

I den foreliggende oppfinnelsen er det foreslått å forbikoble minst en av transformatorene under oppstart av den elektriske maskinen. Uten transformatoren mellom energikilden (f.eks. frekvensomformer) og den elektriske maskinen er det mulig å overføre energi ved veldig lave frekvenser eller til og med likestrøm. Start av en vekselstrømmaskin (motor) krever både lav frekvens (vanligvis 0-10 % av merkefrekvens) og lav spenning (vanligvis 0-20 % av merkespenning), således vil merkespenning til energikilden være tilstrekkelig og opptrapping av spenningen ved hjelp transformatoren er ikke nødvendig. I samsvar med den foreliggende, etter en vellykket oppstart, når den elektriske maskinen har startet å rotere (eller startet å bevege seg for tilfeller med lineære maskiner) og frekvensen er høy nok, dvs. statisk friksjonsmoment er overvunnet (dette kan sees ved betydelig lastreduksjon på energikilden), kan transformatoren igjen kobles til og tilveiebringe høyere spenning. Transformatoren kan formagnetiseres før tilkobling for å begrense innkoplingsstrømspisser.

I samsvar med en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er både opp- og nedtransformatorerforbikoblet under oppstart.

I samsvar med en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er bare opp- eller nedtransformatoren forbikoblet under oppstart. Dersom det f.eks. erønskelig å bruke undersjøisk bryterinnretning så bør undersjøisk transformator overdimensjoneres for å sikre oppstart uten forbikobling. I et slikt tilfelle kan bare opptransformator forbikobles ved oppstart.

Det kan også være en fordel å varme opp den elektriske maskinen før start av den ved å forsyne maskinen med strøm med veldig lav frekvens (f.eks. under 1 Hz), pulserende strøm eller likestrøm. Det er mulig når det ikke er noen transformator mellom energikilden og den elektriske maskinen, dvs. når transformatoren er forbikoblet.

Forbikoblingen oppnås ved hjelp av en forbikoblingsanordning omfattende en forbikoblingskrets og brytere, hvor f.eks. en bryter er anordnet i forbikoblingskretsen og en bryter er anordnet på hver side av transformatoren i en energilinje for et system. Ved hjelp av bryterne kan transformatoren kobles til eller forbikobles somønskelig.

Bryterne til forbikoblingsanordningen styres av en styringsenhet forsynt med midler og/eller programvare for dette. Styringsenheten kan være en integrert del av frekvensomformeren eller den kan være en separat enhet.

Ytterligere foretrukne trekk og fordelaktige detaljer ved den foreliggende oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Den foreliggende oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet mer detaljert med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor:

Figur 1 viser en momentkurve for en undervannspumpe-motorenhet,

Figur 2 viser et system av kjent teknikk med en opptransformator,

Figur 3 viser et system av kjent teknikk med to transformatorer; opp- og nedtransformatorer,

Figur 4 viser en første utførelsesform av et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, Figur 5 viser en andre utførelsesform av et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, og Figur 6 viser en tredje utførelsesform av et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Henvisning er nå gjort til Figur 1 som viser en momentkurve for en undervannspumpe-motorenhet. Som figuren viser er statisk friksjonsmoment ST relativt høyt ved oppstart, mens hovedmoment MT er "kvadratisk", dvs. momentet er proporsjonal med hastighet i kvadrat.

Henvisning er nå gjort til Figur 2 som viser et system av kjent teknikk med en opptransformator 14. System inneholder en hovedbryter 17, nettside-transformator 16 med tre viklinger, energikilde 15 i form av en statisk frekvensomformer, kabel 13, samt en elektrisk maskin (motor) 12 og en drevet mekanisme 11. Systemet med bare en transformator 14 (opptransformator) kan brukes når merkespenningen til frekvensomformeren 15 er lavere enn merkespenningen til den elektriske maskinen 12 og samtidig som overføringsavstanden ikke er lang, vanligvis under 5 km.

Henvisning er nå gjort til Fig. 3 som viser et system av kjent teknikk med to transformatorer; opptransformator 14 og nedtransformator 18. Systemet med to transformatorer brukes for eksempel når avstanden mellom energikilden og den drevne mekanismen er lang, vanligvis over 5-10 km. Energioverføring bør da gjøres med høy spenning for å minimere tapene.

Henvisning er nå gjort til Fig. 4 som viser et system i samsvar med en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen forsynt med en forbikoblingsanordning for forbikobling av opptransformatoren 14 i Fig. 2 i operasjonen med start av den elektriske motoren 12. Forbikoblingsanordningen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter tre brytere 19, 20 og 21, hvor bryter 20 og henholdsvis 21 er anordnet på hver sin side av opptransformatoren 14, og den tredje bryteren 19 er anordnet i en forbikoblingskrets 30. Bryterne 19-21 kan være "mekaniske", "halvleder"-type eller andre egnede typer. Et eksempel på start av den elektriske maskinen 12 er beskrevet i tabellen nedenfor.

Når man skifter til normal drift (tilkobling av transformatoren 14) er det viktig å ha den samme spenningsfasevinkelen på begge sider av transformatoren 14. En foretrukken måte å sikre dette på er gjennom bruk av en transformator uten faseskift (f.eks. YyO, DdO), dvs. bruke en transformator som har en vektorgruppe uten faseskift. En annen måte er å endre fasevinkel på spenningen ved tidspunktet for skifte ved hjelp av frekvensomformeren 15. Fasevinkelskiftet bør utføres ved tidspunktet for skifte av transformatoren 14 mellom energikilden 15 og den elektriske maskinen 12.

De transiente prosessene (oscillasjoner osv.) på grunn av skiftet kan påvirke stabilitet for operasjon av den elektriske maskinen 12. Dette er spesielt relevant for permanentmagnet-synkronmaskiner (PMSM), som kan falle ut av synkronisering. For å sikre stabil operasjon kan en dempevikling (ikke vist) anordnes ved en rotor for PMSM'en.

Henvisning er nå gjort til Fig. 5 som viser et system i samsvar med en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen forsynt med en forbikoblingsanordning for både opptransformator 14 og nedtransformator 18 for systemet i Fig. 3 i operasjonen av start av den elektriske motoren 12. Forbikoblingsanordningen i denne utførelsesformen består av seks brytere 19-24, dvs. to ganger forbikoblingsanordnigen 30 i Fig. 4, en assosiert med hver transformator 14 og henholdsvis 18. I tilfellet med undersjøisk applikasjon vil transformatoren 18 og likedan bryterne måtte ha undersjøisk utforming.

Det vil være en fordel å bruke transformatorer uten faseskift eller som har faseskift som kompenserer for hverandre (f.eks. opptransformator Yy6 og likedan nedtransformator Yy6). Et eksempel på start er beskrevet i tabellen nedenfor.

Henvisning er nå gjort til Fig. 6 som viser et system i samsvar med en tredje utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen forsynt med forbikoblingsanordning for både oppstransformator 14 og nedtransformator 18, brukt for start av en undersjøisk roterende frekvensomformer, omfattende flere elektriske maskiner (motorer) 12 koblet i parallell og driver undervannspumper eller -kompressorer 11.

Den elektriske maskinen 12 kan i andre utførelsesformer være en del av en kaskade, dvs. det kan være andre elektriske maskiner mellom den elektriske maskinen 12 og det drevne utstyret 11.

Andre lignende utførelsesformer av systemet vil være innlysende for en fagmann innenfor området.

Liste over henvisingstall:

11. Drevet mekanisme (pumpe, kompressor, osv.)

12. Elektrisk maskin (motor)

13. Kabel

14. Opptransformator

15. Frekvensomformer

16. Nettside-transformator

17. Hovedbryter

18. Nedtransformator

19. Bryter som forbikobler opptransformator

20. Bryter 1 for tilkobling av opptransformator 21. Bryter 2 for tilkobling av opptransformator

22. Bryter som forbikobler nedtransformator

23. Bryter 1 for tilkobling av nedtransformator 24. Bryter 2 for tilkobling av nedtransformator

30. Forbikoblingskrets

Claims

1. Fremgangsmåte for start av en elektrisk maskin (12) drevet av en energikilde (15) via minst en transformator (14,18) mellom energikilden (15) og den elektriske maskinen (12), hvilken elektriske maskin (12) er anordnet til en drevet mekanisme (11),karakterisert vedforbikobling av den minst ene transformatoren (14,18) ved start av den elektriske maskinen (12) ved hjelp av en forbikoblingsanordning.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedbruk av en forbikoblingsanordning omfattende en forbikoblingskrets (30) og brytere (19-24) for forbikobling av den minst ene transformatoren (14,18).

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedforbikobling av bare opptransformator(er) (14) eller nedtransformator(er) (18) under oppstart.

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedforbikobling av både opptransformatorer (14) og nedtransformatorer (18) under oppstart.

5. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-4,karakterisert vedå fjerne forbikoblingen til den minst ene transformatoren (14,18) når den elektriske maskinen (12) har startet å rotere eller beveges seg, og statisk friksjonsmoment er overvunnet.

6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 5,karakterisert vedformagnetisering av den minst ene transformatoren (14,18) før den tilkobles.

7. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-6,karakterisert vedbruk av en frekvensomformer som energikilden (15) og bruk av frekvensomformeren (15) til å endre fasevinkel på spenning ved tidspunktet for fjerning av forbikoblingen.

8. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedbruk av en vekselstrømmaskin som den elektriske maskinen (12).

9. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedbruk av en permanentmagnet-synkronmaskin som den elektriske maskinen (12).

10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedå forsyne permanentmagnet-synkronmaskinen (12) med en dempevikling på en rotor derav.

11. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-10,karakterisert vedå varme opp den elektriske maskinen (12) før oppstart ved å tilføre den elektriske maskinen (12) strøm med veldig lav frekvens eller likestrøm.

12. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedbruk av transformatorer (14,18) som har en vektorgruppe uten faseskift.

13. System for start av en elektrisk maskin (12) drevet av en energikilde (15) via minst en transformator (14,18) mellom energikilden (15) og den elektriske maskinen (12), hvilken elektriske maskin (12) er anordnet til en drevet mekanisme (11),karakterisert vedat en forbikoblingsanordning er anordnet i forbindelse med den minst ene transformatoren (14,18) for forbikobling av den minst ene transformatoren (14,18) ved start av den elektriske maskinen (12).

14. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat forbikoblingsanordningen omfatter en forbikoblingskrets (30) og brytere (19-24).

15. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat energikilden (15) er en frekvensomformer.

16. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat den elektriske motoren (12) er en vekselstrømmaskin.

17. System i samsvar med patentkrav 15,karakterisert vedat den elektriske maskinen (12) er en permanentmagnet-synkronmaskin.

18. System i samsvar med patentkrav 17,karakterisert vedat en rotor til permanentmagnet-synkronmaskinen (12) er forsynt med en dempevikling.

19. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat transformatoren (14,18) har en vektorgruppe uten faseskift.

20. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat den elektriske maskinen (12) er en del av en kaskade.

21. System i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat flere elektriske maskiner (12) er koblet i parallell til samme kabel (13).

22. System i samsvar med patentkravene 14-21,karakterisert vedat systemet omfatter en styringsenhet forsynt med midler og/eller programvare for styring av bryterne (19-24) til forbikoblingsanordningen ved start av den elektriske maskinen (12).

23. System i samsvar med patentkrav 22,karakterisert vedat styringsenheten er forsynt med midler og/eller programvare for styring av den elektriske maskinen (12) ved tilførsel av strøm med veldig lav frekvens eller likestrøm til den elektriske maskinen (12) for oppvarming av den elektriske maskinen (12).