NO318139B1 - Isolert elektrisk system, innbefattende asynkron maskin med drivmotor og vekselretter/likeretter - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Oppfinnelsen vedrører et elektrisk system for isolert anvendelse, hvor systemet omfatter en hovedmotor, slik som en gassturbin eller en dieselmotor, en generator som drives av hovedmotoren for å generere en første vekselspenning, en første likeretterenhet for å omdanne den første vekselspenning generert av generatoren til en likespenning på en likestrømsbuss, og minst en vekselretterenhet for å omdanne likespenningen på likestrømsbussen til en andre vekselspenning.

Ifølge det ovennevnte vedrører oppfinnelsen et elektrisk system for isolert anvendelse, dette betyr for eksempel, et elektrisk system i et skip eller i en annen type stasjon, for eksempel plassert i en ørken, isolert fra andre elektriske nett. Et elektrisk system for et skip av ovennevnte type er kjent for eksempel fra Europeisk Patent 97.185. Denne publikasjonen viser anvendelse av en synkrongenerator som en akselgenerator drevet av akselen til hovedmotoren, idet synkrongeneratoren leverer kraft til to elektriske nett. I et nett, bestemmes spenningen og frekvensen av spenningen og frekvensen i akselgeneratoren, det vil si at de er direkte avhengige av rotasjonshastigheten til skipets hovedmotor. I det andre elektriske nett, leveres kraften av en vekselstrøms-vekselretteranordning, som omfatter en likeretterkrets og en vekselretterkrets, ved hvilken det genereres en vekselspenning med konstant amplitude og frekvens. De to adskilte elektriske nett anvendes slik at skipets primære aktuatorer, slik som motorer, pumper, kompressorer, ventilasjons-og avkjølingssystemer, og så videre får kraftforsyningen direkte fra nettet som mates av synkrongeneratoren, mens den elektriske kraft som kreves av radio-utstyr, navigasjonssystemer og belysning fås ved vekselstrøms-vekselretteranordningen.

Det ovennevnte, kjente system har noen ulemper. For eksempel må en adskilt aktiveringskrets og en adskilt elektrisk motor anordnes for å kunne starte hovedmotoren. Et annet stort problem kan oppstå når elektrisiteten produsert av vekselrettersystemet ikke nødvendigvis er av høy kvalitet, det vil si at den omfatter harmoniske bølger, som er skadelige i mange anvendelser. Også i tilfelle feil i hovedmotoren, er systemet for sårbart, hvis ikke det finnes noen hjelpemotorer eller anordninger med hvilke skipets propell kan drives selv i tilfelle hovedmotorfeil.

US Patenter 4.883.973 og 4.330.743 respektivt viser et elektrisk system for et kjøretøy og et fly. I begge systemer anvendes den samme elektriske maskin både som motor når hovedmotoren, det vil si kjøretøyets eller flyets motor, startes, og som generator som genererer elektrisk kraft til det elektriske system etter at motoren har startet. I US 4.883.973 er motoren en asynkron maskin som er koplet til kjøretøyets motor gjennom et tomodus girsett. Girsettet opererer som reduksjonsdriv under startmodus og som direkte drivenhet i genereringsmodus. Når kjøretøyets motor startes, vil rotasjonshastigheten til asynkronmaskinen måtte registreres ved hjelp av et takometer slik at det utføres tilbakekoplingskontroll i vekselretter-anordningen som kontrolleres av en datamaskinbasert kontrollenhet som mater asynkronmaskinen, slik at anordningen kan opprettholde det ønskede spennings/sekvensforhold i utgangsspenningen. Motoren som anvendes i det elektriske flysystem angitt i US Patent 4.330.743 er en synkronmaskin koplet til en flymotor via en drivenhet som omfatter en hydraulisk momenttransformator. Når flymotoren starter, anvendes synkronmaskinen som motor, hvorved vekselretterenheten som mater synkronmaskinen trenger data om rotorens stilling. Når flyets motor startes, virker synkronmaskinen som en motor, og dens hastighet økes først til drivhastigheten. Etter dette anvendes den hydrauliske momenttransformator for å akselerere flymotoren gradvis til den ønskede hastighet for å starte motoren.

Selv om US Patentene 4.883.973 og 4.330.743 viser anvendelse av en og samme elektrisk maskin både som motor når hovedmotoren startes og som generator når hovedmotoren er igang, kreves det kostbare og klumpete elektrotekniske kontrollanordninger spesielt for anvendelse som motor i anordningen i begge publikasjoner, idet kontrollanordningene omfatter et takometer eller en overføringsanordning for rotorstilling, og momenttransformator og giranordninger. De anvendte momenttransformatorer og giranordninger er slike at de ikke kan anvendes på en fornuftig måte for overføring av stor kraft, slik som megawatt. Altså, driften av de elektriske systemer som er kjent fra disse to publikasjoner er basert på likespennings-forsyning som oppnås for eksempel fra et batteri. Dette tilveiebringer bestemte begrensninger ved anvendelse av disse systemene.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et elektrisk system som er utformet for isolert anvendelse og hvor ulempene og problemene ved de ovennevnte kjente systemer er overvunnet. Dette oppnås ved et elektrisk system ifølge oppfinnelsen, som er karakterisert ved at generatoren som drives av hovedmotoren for å generere den første vekselspenning er en asynkronmaskin koplet direkte til akselen på hoved-motoren, og at den første likeretterenhet også omfatter en vekselretterdel for å konvertere likespenningen i likestrømsbussen til en vekselspenning med en justerbar frekvens til nevnte asynkronmaskin for å anvende maskinen som en motor.

Avhengig av strukturen til resten av systemet, finnes det forskjellige delvis alternative grunner for anvendelse av en slik asynkronmaskin som motor. For eksempel, når maskinen anvendes som en motor vil gassturbinen som anvendes som hovedmotor kunne startes, eller skipets propellaksel kan drives som en «ta-meg-hjem» («take-me-home») motor i tilfelle feil i hovedmotoren, uavhengig av om hovedmotoren er en gassturbin eller en dieselmotor.

Når asynkronmaskinen anvendes som akselgenerator koplet til hovedmotorens aksel oppstår en situasjon hvor én og samme maskin anvendes både som motor som starter gassturbinen som anvendes som hovedmaskinmotor, og som generator som genererer elektrisk kraft fra akselen til hovedmotoren. Dette forenkler systemet, og antallet nødvendige komponenter reduseres. Ytterligere er asynkronmaskinen f.eks. en kortslutningsmotor, mye rimeligere enn en synkronmotor, og den krever vesentlig mindre vedlikehold.

Det elektriske system ifølge oppfinnelsen kan utformes for ytterligere å omfatte en dieselmotor/synkrongeneratorkombinasjon for å generere en tredje vekselspenning på en vekselstrømsbuss, og en andre likeretterenhet for å konvertere den tredje vekselspenning til en likespenning på nevnte likestrømsbuss slik at den kan konverteres videre i vekselretterdelen i den første likeretterenhet til en vekselspenning til nevnte asynkronmaskin når maskinen anvendes som en motor. I systemet ifølge oppfinnelsen kan et hvilket som helst krevd hjelpeelektrisitet, for eksempel for å starte hovedmotoren genereres ved hjelp av dieselmotor/synkron generator-kombinasjonen. Ytterligere, om nødvendig, for eksempel i tilfelle feil i hovedmotoren, tillater systemet generering av elektrisk kraft som kan forsyne både skipets andre elektriske nett og den elektriske motor som er koplet til akselen i hoved-motoren ved den ovennevnte anordning, og således kan skipets propeller også drives på denne måten, skjønt med lav rotasjonshastighet. Resultatet er imidlertid en «ta-meg-hjem» anordning.

Det elektriske system ifølge oppfinnelsen kan utformes for ytterligere å omfatte en elektrisk motor som er mekanisk anordnet for å drives med synkrongeneratorens aksel, idet den elektriske motor er anordnet for å motta den andre vekselspenningsgenerator ved vekselretterenheten og for å drive synkrongeneratoren slik at den genererer nevnte tredje vekselspenning på vekselstrømsbussen; og en bryter anordnet på akselen mellom delene til dieselmotor/synkrongeneratorkombinasjonen for å isolere synkrongeneratoren fra dieselmotoren etter at lasten på synkrongeneratoren er overført fra dieselmotoren til nevnte elektriske motor.

En liknende anordning hvor synkrongeneratoren opprinnelig drevet av dieselmotoren er anordnet for å drives av den elektriske motor tillater anvendelse av dieselmotorer bare som hjelpemotorer når hovedmotoren eventuelt ikke er i bruk. En annen konsekvens av denne typen anordning er at spenningen som leveres på vekselstrømsbussen genereres av en separat synkrongenerator og er derfor ikke elektrisitet som generereres av en vekselretteranordning, noe som betyr for eksempel at den er fri for harmoniske bølger.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

I det følgende vil det elektriske system ifølge oppfinnelsen og fordelene som tilveiebringes av dette beskrives i større detalj med henvisning til den vedlagte tegning, som viser et eksempel av et generelt koblingsskjema av en utførelse av det elektriske system ifølge oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

I det følgende vil det elektriske system ifølge oppfinnelsen, illustrert i figurene i den vedlagte tegning, beskrives i en anledning hvor det elektriske system ikke er i drift ennå, det vil si at hovedmotoren 14 ikke er startet ennå. I denne typen startsituasjon, startes i det minste en av dieselmotorene 1 til 8 først. Dieselmotorene driver synkrongeneratorene 2 og 7 respektivt, med hvilke vekselspenningselektrisitet genereres til et hovedpanel eller på en vekselstrømsbuss 17. Når det dreier seg om et skip kan elektrisiteten som genereres av dieselmotoren/synkrongeneratorkombinasjonene også erstattes med nettforsyning, som angitt med henvisningstall 4 i figuren. Dieselmotoren/synkrongeneratorkombinasjoner 8, 7 og 1, 2 koples til vekselstrømsbussen 17 via brytere 5 og 3, respektivt.

Når hovedmotoren 14 skal startes lukkes en bryter 6 og ved denne koples spenningen på vekselstrømsbussen 17 til likeretterenheten 11, og likeretterenheten omdanner vekselspenningen på vekselstrømsbussen til en likespenning på en likestrømsbuss 18. Figuren viser noen vekselretterenheter 10 og 15 koplet til likestrømsbussen 18, idet vekselretterenhetene anvendes for å generere vekselspenninger med en ønsket frekvens med andre formål. Dette vil diskuteres i større detalj nedenfor. Til likestrømsbussen 18 er det også koplet en vekselretterenhet 12 via en bryter 24 for å generere en vekselspenning 19 med en justerbar sekvens, idet vekselspenningen leveres til en asynkronmaskin 13, som her virker som elektrisk motor. Akselen til den elektriske motor 13 er mekanisk koplet for å rotere med akselen til hovedkraftmaskinen 14. Koplingen er direkte, det vil si den omfatter ikke noen type av gir eller bryter. Hovedmaskinen 14 kan for eksempel være en gassturbin eller en stor dieselmotor.

Siden akselen til gassturbinen som anvendes som hovedmotor 14 drives av den elektriske motor 13, vil gassturbinen startes. I forbindelse med oppdrift, vil frekvensen til vekselspenningen generert av vekselretterenheten 12 kontrolleres for å øke i samsvar med en egnet rampe, slik at den elektriske motor 13 kan anvendes uavhengig av frekvensen med en egnet slakk. Når hovedmotoren er en dieselmotor, startes den ved vanlige prosedyrer, for eksempel med trykkluft. Når hovedmotoren 14 er igang og rotasjons-frekvensen til motoren 13 øker over frekvensen til vekselspenningen generert av vekselretterenheten 12, vil asynkronmaskinen 13 overta generatorrollen og den vil starte å levere kraft tilbake til likestrømsbussen 18 via vekselretterenheten 12, som nå er kontrollert for å virke som en likeretter. Vekselspenningen generert ved generatoren 13 justeres av vekselretterenheten 12 ved å endre slakken. Rotasjonshastigheten til generatoren 13 kan deretter variere mye uten at dette vil ha en effekt på nivået til likespenningen som likerettes av vekselretterenheten 12 på likestrømsbussen 18. Likestrømsbussen 18 er da forsynt både fra vekselstrømsbussen 17 og fra generatoren 13.

Neste trinn er å starte en elektrisk motor 9 koplet til likestrømsbussen 18 via vekselretterenheten 10, idet den elektriske motor er mekanisk koplet for å rotere sammen med akselen til synkrongeneratoren 7 i dieselmotor/synkron-generatorkombinasjonen 8, 7. Lasten til generatoren 7 overføres da fra dieselmotoren 8 til den elektriske motor 9, hvorved en bryter 22 anordnet på akselen mellom dieselmotoren 8 og synkrongeneratoren 7 kan åpnes. Synkrongeneratoren 7 som drives av den elektriske motor 9, genererer da en vekselspenning 21 på vekselstrømsbussen 17. Når dieselmotoren 8 er koplet fra synkrongeneratoren 7 ved hjelp av bryteren 22, kan motoren stoppes. Dieselmotoren 1 og synkrongeneratoren 2 som drives av denne kan også stoppes og koples fra vekselstrømsbussen 17 ved hjelp av bryteren 3. Dieselmotor/synkrongeneratorkombinasjonen 1, 2 koples til systemet hovedsakelig for å tilveiebringe redundans: den er ikke absolutt nødvendig for å tilveiebringe de viktigste operasjoner for systemet ifølge oppfinnelsen. Naturligvis, i tilfelle feil ved hovedmotoren og til og med ved dieselmotoren 8, vil skipets elektriske system kunne beholdes i drift og den elektriske motor 13 kan forsynes av dieselmotor/synkrongeneratorkombinasjonen 1, 2 og på denne måten kan den ovennevnte «ta meg hjem» anordning også tilveiebringes.

Tilbake til den ovenfor beskrevne situasjon hvor bryteren 3 er åpen, kan bryteren 6, ved hjelp av hvilken den elektriske kraft var levert fra vekselstrømsbussen 17 til likestrømsbussen 18 under startemodusen, deretter også åpnes. I kontinuerlig, normal bruk, vil hele den elektriske kraft til systemet - enten systemet er et skip eller for eksempel en isolert stasjon - oppnås her fra generatoren 13 som drives av hovedmotoren 14, og ingen andre dieselaggregater behøver å anvendes. Hvis det imidlertid oppstår en feil ved vekselrettersystemet 12 eller generatoren 13, vil dieselmotorene 1 og 8 også være forberedt for å levere kraften som trenges av AC og likestrømsbussene etter en periode som er nødvendig for å starte dieselene. Andre forbrukere som er koplet til samme anlegg kan koples til vekselstrømsbussen, for eksempel via brytere 16, og til likestrømsbussen 18, for eksempel via vekselretter enhet er 15 koplet ved hjelp av brytere 23. De «store» maskiner kan startes med deres nominelle strøm av vekselretterenhetene 15.

Hovedfordelen tilveiebrakt ved det elektriske system ifølge oppfinnelsen er at generatoren som forsyner systemet og motoren som starter gassturbin-hovedmotoren er en og samme asynkronmaskin, typisk en vanlig kortslutningsmotor, som er kostnadseffektiv og som har en enkel struktur, liten størrelse og lang levetid. Asynkronmaskinen koples direkte til akselen i hovedmotoren, og ingen gir eller bryteranordninger er nødvendige. Grunnen til dette er at en hvilken som helst nødvendig justering, en frekvensjustering av forsyningsspenningen når synkronmaskinen virker som motor og en spenningsjustering av likeretterbussen når asynkronmaskinen virker som generator, kan utføres elektrisk ved hjelp av vekselretterenheten 12. Som nevnt ovenfor, kan asynkronmaskinen 13 også virke som en «ta meg hjem» motor eller en annen anvendelse når den overtar, i det minste delvis, funksjonen til hovedmotoren. Når det elektriske system anvendes normalt, trenger ikke hjelpediesel å drives i det hele tatt, og således vil virknings-graden til hele systemet forbedres og mindre vedlikehold være nødvendig. Driften av det elektriske system kan kontrolleres automatisk; staben trenger ikke å foreta seg noe. Ytterligere er spenningen på vekselstrømsbussen fri for harmoniske bølger i vanlig drift, siden den er levert av synkrongeneratoren 7 som drives av motoren 9.

Det elektriske system ifølge oppfinnelsen beskrives ovenfor bare i en eksempelutførelse og det skal forstås at systemet kan forstørres og varieres på flere måter uten å avvike fra rammen til de vedlagte patentkrav.

Claims (3)

1. Elektrisk system for isolert anvendelse, hvor det elektriske system omfatter en hovedmotor (14), slik som en gassturbin eller en dieselmotor, en generator (13) som drives av hovedmotoren (14) for å generere en første vekselspenning (19), en første likeretterenhet (12) for å konvertere den første vekselspenning (19) generert av generatoren (13) til en likespenning på en likestrømsbuss (18) og minst en vekselretterenhet (10, 15) for å konvertere likespenningen på likestrømsbussen (18) til en andre vekselspenning (20), karakterisert ved at generatoren (13) som drives av hoved-motoren (14) for å generere den første vekselspenning (13) er en asynkronmaskin koplet direkte til akselen på hovedmotoren (14), og at den første likeretterenhet (12) også omfatter en vekselretterdel for å konvertere likespenningen på likestrømsbussen (18) til en vekselspenning med justerbar frekvens til nevnte asynkronmaskin (13) for å anvende nevnte maskin som motor.

2. Elektrisk system ifølge krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter en dieselmotor/synkrongenerator-kombinasjon (8, 7) for å generere en tredje vekselspenning (21) på vekselstrømsbussen (17), og en andre likeretterenhet (11) for å konvertere den tredje vekselspenning (21) til en likespenning på nevnte likestrømsbuss (18), slik at den kan ytterligere konverteres i vekselretterdelen til likeretterenheten (12) til en vekselspenning til nevnte asynkronmaskin (13) når maskinen anvendes som motor.

3. Elektrisk system ifølge krav 2, karakterisert ved at det ytterligere omfatter en elektrisk motor (9) som er mekanisk anordnet til å rotere med akselen til synkrongeneratoren (7), idet motoren er anordnet for å motta den andre vekselspenning (20) generert av vekselretterenheten (10) og for å drive synkrongeneratoren (7) slik at den genererer nevnte tredje vekselspenning (21) på vekselstrøms-bussen (17), og en bryter (22) anordnet på akselen mellom delene til nevnte dieselmotor/synkrongenerator-kombinasjon (8, 7) for å isolere synkrongeneratoren (7) fra dieselmotoren (8) etter at lasten til synkrongeneratoren (7) er overført fra dieselmotoren (8) til nevnte elektriske motor (13).