NO326193B1 - Regulering av tyngre maskiner - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et system for å regulere turtall og effekt på en roterende prosessmaskin (P), som for eksempel en turbin eller en propell, der den roterende prosessmaskinen (P) er koblet til minst en motor (MI) og innrettet til å rotere med et turtall gitt av motoren (MI), motoren (MI) er koblet til et kontrollsystem (C) og motorens (MI) turtall er innrettet til å bli kontrollert av et kontrollsystem (C). Den roterende prosessmaskinen (P) innbefatter en lastkontroll (PC) som er innrettet til å kunne justeres, kontrollsystemet (C) er koblet til den roterende prosessmaskinen (P) og er innrettet til å kontrollere lastkontrollen (PC) i den roterende prosessmaskinen (P). Med oppfinnelsen oppnår man dermed myke overganger mellom flere valgbare turtall og lavere energiforbruk ved at størrelsen og turtallet på motoren (MI) trinnvis tilpasses varierende energibehov.

Description

Regulering av tyngre maskiner

Oppfinnelsen vedrører et system for regulering av turtall og effekt på tyngre maskiner, for eksempel på maskiner med effekter over 500 kW.

Miljø og klima er i dag viktige aspekter som det tas hensyn til i de fleste områder. Dette er særlig viktig innenfor bla. industri og transport, og da med tanke på redusering av forbruk av elektrisk energi, drivstoff og utslipp av miljøskadelige avgasser. Den foreliggende oppfinnelsen bidrar til effektiv utnyttelse av energi i store maskiner og drift av maskiner på en energiøkonomisk måte ved å bruke komponenter og sammensetting av disse slik at start, stopp og drift av maskinene skjer ved effektiv bruk av energi, noe som igjen minsker maskinenes utslipp av miljøfarlige avgasser.

Mange eksisterende turtalls- og effektreguleringssystemer for tyngre maskiner som er i bruk i f.eks. skip har enten null eller maksimum turtall (100 %), i tillegg til regulering av mekanisk lastkontroll. Dette gjør at motorene vil rotere med maksimum turtall selv om skipet står stille, noe som gir et mekanisk tap som er forårsaket av det mekaniske lastsystemet. I tillegg er støy et problem ved en slik form for regulering av maskiner.

I eksisterende elektromekaniske systemer er det ofte problemer med innkoblingsstrømmen. Når en elektromotor kobles inn med direkte start vil den få et innkoblingsforløp som trekker ti ganger den såkalte merkestrømmen, dvs. motoren krever svært mye strøm for å kunne utføre denne hurtige og store akselerasjonen. Avhengig av motorens last vil denne situasjonen vare i fra ca. et halvt til noen sekunder. Denne kraftige akselerasjonen på kort tid krever mye tilgjengelig effekt som kan bespares dersom akselerasjonen foregår mer kontrollert.

I patentpublikasjonen US 4,525,655 er det beskrevet et elektrisk motordrivsystem med to elektriske motorer, en liten og en stor, som er mekanisk koblet til en felles aksling via et komplekst episyklisk girsystem. Den lille motoren brukes til å akselerere den store motoren ved start av prosessen slik at stort effektforbruk unngås ved oppstart av motoren. Et tachometer sender et signal til en sammenlikningskrets som kontrollerer effekten som leveres til de to motorene. Når hastigheten til begge motorene er like vil en kontrollenhet balansere effekten som leveres til begge motorene. Den ene motoren har fortrinnsvis dobbelt så stor effekt som den andre.

I patentpublikasjonen GB 101,809 er det beskrevet et system for å starte en synkron maskin ved hjelp av en pony motor. En mekanisk bryter skrur av pony motoren når den har hjulpet den synkrone motoren med å komme opp i ønsket hastighet. Denne publikasjonen er datert 1916, og viser at prinsippet med en pony motor er et prinsipp som har vært kjent lenge.

Patentpublikasjonen GB 539,203 er relatert til en oppfinnelse som vedrører drivere til to elektriske motorer (AC eller DC), en liten og en stor, til bruk i trykkpresser eller andre maskiner. De to motorene er koblet sammen via en aksling og en elektromagnetisk clutch. En bremse anvendes for å bremse motorene. Reversible brytere anvendes for å reversere motorene. Den lille motoren starter opp trykkpressen ved hjelp av clutchen, og deretter tar den store motoren over driften av trykkpressen og kobler ut den lille motoren ved hjelp av clutchen.

Patentpublikasjonen US 6,297,610 Bl beskriver et system som kan benyttes til å kontrollere et flertall elektriske enheter.

Det er derfor behov for et elektrisk drivsystem som reduserer eller fjerner det mekaniske lasttapet når maskinen ikke skal utføre noe arbeid, samt styring av motorer som er enkle, kostnadseffektive og vedlikeholdsfrie. Problemet med høyt støynivå når en motor går på "tomgang" er også noe som er ønskelig å redusere. Likeså eliminering av elektriske forstyrrelser som er problem i mange alternative typer av elektriske drivsystemer. Det er også behov for et system der maskinene akselerer mykt mellom ulike turtall samtidig som maskinene tilføres kun den nødvendige mengden kraft som trengs for akselerasjonen.

Den foreliggende oppfinnelsen løser problemene nevnt ovenfor ved å tilveiebringe et system for trinnløs turtalls- og effektregulering av tyngre maskiner som har en kompakt og enkel utforming, få komplekse komponenter, genererer ingen elektriske forstyrrelser og er kostnadsbesparende sammenliknet med eksisterende systemer. Et slikt system innbefatter et datastyrt kontrollsystem, elektriske styringstavler og motorer koblet til en prosessmaskin som skal reguleres. Systemet som løser de ovenfor nevnte problemene kan anvendes for eksempel til regulering av vifter, pumper eller kompressorer i prosessanlegg, regulering av propeller med justerbare vinger på fly eller skip, vindturbiner og vannkraftgeneratorer. Hensiktene med oppfinnelsen uttrykt ovenfor er oppnådd ved å tilveiebringe et system som nevnt ovenfor og karakterisert som spesifisert i de vedlagte kravene.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer derfor et system for å regulere turtall og effekt på en roterende prosessmaskin, som for eksempel en turbin eller en propell, der den roterende prosessmaskinen er koblet til minst en motor og innrettet til å rotere med et turtall gitt av motoren. Motoren er koblet til et kontrollsystem og motorens turtall er innrettet til å bli kontrollert av et kontrollsystem. Den roterende prosessmaskinen innbefatter en lastkontroll som er innrettet til å kunne justeres. Kontrollsystemet er koblet til den roterende prosessmaskinen og er innrettet til å kontrollere lastkontrollen i den roterende prosessmaskinen. Med oppfinnelsen oppnår man dermed myke overganger mellom flere valgbare turtall og lavere energiforbruk ved at størrelsen og turtallet på motoren trinnvis tilpasses varierende energibehov.

I en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er kontrollsystemet koblet til og innrettet til å kontrollere en første styringstavle, og den første styringstavlen er koblet til og innrettet til å styre motoren.

I enda en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen innbefatter den første styringstavlen minst et sett med tyristorer og minst en sensor, eksempelvis en strømsensor, med tilhørende lokal styringselektronikk. Tyristorene gjør at motorens startstrøm og startmoment kan reguleres slik at systemet er velegnet til å brukes i anlegg der det er begrenset tilgjengelig effekt.

I en ytterligere foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen innbefatter styringstavlen også minst to kontaktorer slik at motoren får signal om hvilket turtall den skal gå med. Kontaktorene kan håndtere en relativt stor motor som krever mye kraft.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen innbefatter styringstavlen minst to sett med tyristorer og minst to sensorer. Tyristorene gjør at motorens startstrøm og startmoment kan reguleres slik at systemet er velegnet til å brukes i anlegg der det er begrenset tilgjengelig effekt.

I en ytterligere foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen innbefatter styringstavlen minst en frekvensomformer og minst en sensor slik at turtallet på motoren kan reguleres trinnløst.

I enda en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen innbefatter systemet minst en første motor og minst en andre motor sammenkoblet via en aksling. Den andre motoren er innrettet til å hjelpe den første motoren til å nå høye turtall, slik at startbelastningen på den første motoren ikke blir så stor og at akselereringen skjer mykt og kontrollert.

I en fortsatt ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er den første motoren og den andre motoren koblet til og innrettet til å bli styrt av henholdsvis første og andre styringstavle.

I enda en ytterligere foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen har den første motoren minst en første hastighet og den andre motoren har minst en andre hastighet.

I fortsatt enda en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har den første motoren en effekt som er mellom tre og ti ganger større enn effekten av den andre motoren.

I enda en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er tyristorene 3-fase anti-parallellkoblede tyristorer, eller tilsvarende krafthalvledere.

I fortsatt en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er systemet koblet til en ekstern kraftforsyning med frekvensen 50 Hz.

I enda en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har den roterende prosessmaskinen en effekt som er større enn 500 kW.

I fortsatt en ytterligere foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er kontrollsystemet koblet til og innrettet til å kontrollere minst en clutch for å koble en last til og fra motoren.

I enda en foretrukket utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er den roterende prosessmaskinen koblet til et gir, og giret er koblet til motoren. Giret gjør at turtallet mellom en prosessmaskin og motoren kan tilpasses.

I en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er den roterende prosessmaskinen koblet til et gir. Giret er koblet til den første motoren og den andre motoren slik at turtallet mellom en prosessmaskin og motorene kan tilpasses.

I fortsatt en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er et overordnet effektregulerende system koblet til systemet slik at systemet kan sende ut og ta imot informasjon.

I enda en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er minst den ene motoren koblet til en ikke-elektrisk motor via en aksling slik at systemet kan variere mellom ulike turtall, og denne ikke-elektriske motoren kan også kjøre hele systemet med redusert ytelse.

I en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er den ikke-elektriske motoren drevet av en ikke-elektrisk kraftforsyning, eksempelvis en trykksatt oljekilde.

I fortsatt en ytterligere utførelsesform av systemet i henhold til oppfinnelsen er den ikke-elektriske motoren koblet til en turtallsmåler slik at ytelse og drift av den ikke-elektriske motoren kan overvåkes og reguleres.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med referanse til de vedlagte figurene som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Fig. 1 er en prinsippskisse som viser en foretrukket første utførelsesform av

systemet i henhold den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 2 er en prinsippskisse som viser en andre utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 3 er en prinsippskisse som viser en tredje utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 4 er en prinsippskisse som viser en fjerde utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen

Fig. 5 er en prinsippskisse som viser en mulig alternativ plassering av motorene i

alle utførelsesformene.

Fig. 6 er en prinsippskisse som viser en femte utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 7 er en prinsippskisse som viser en sjette utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 8 er en prinsippskisse som viser en sjuende utførelsesform av systemet i

henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 1 viser en prinsippskisse for en foretrukket første utførelsesform av systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Systemet, som vist i fig. 1, er et 3-fase vekselstrømsystem som tilføres kraft fra en ekstern kraftkilde. Den eksterne kraftkilden vil typisk være på 50 Hz, men også andre frekvenser, som f.eks. 60 Hz, kan anvendes. Ren sinusformet strøm trekkes direkte fra nettet og leveres til systemet, og det er derfor ikke behov for f.eks. omformere eller filtrering, da systemet ikke genererer vesentlige elektriske forstyrrelser.

Systemet innbefatter to tre-fase (3~) to-hastighets elektromotorer Ml, M2, fortrinnsvis asynkrone motorer, som er mekanisk koblet til et gir G, og som skal drive en prosessmaskin P. Den første motoren Ml har to turtall H, L, og den andre motoren M2 har også to turtall H, M. Den første motoren Ml er en stor motor i forhold til den andre motoren M2, dvs. den første motoren Ml har større effekt enn den andre motoren M2. Eksempelvis, ved 4 polt drift vil den første store motoren Ml ha en maks effekt på 1500 kW og ved 8 polt drift vil den ha en maks effekt på 400 kW. Den andre lille motoren M2 vil, ved 4 polt operasjon, ha en maks effekt på 200 kW, og en maks effekt på 500 kW ved 6 polt operasjon. Alle de ovennevnte effekttallene har utgangspunkt i en kraftforsyning på 50 Hz, 3-fase strøm. Dersom en kraftforsyning med en annen frekvens anvendes vil talleksemplene for maksimum effekt over få andre verdier. Som tidligere nevnt er motorene fortrinnsvis asynkrone motorer, men det er også mulig å anvende andre typer motorer, som for eksempel synkronmotorer. Dersom anvendelsen av den foreliggende oppfinnelsen er kraftgeneratorer vil motorene være generatorer, og da vil systemet levere energi tilbake til nettet i stedet for å bare forbruke energi. Også en kombinasjon, såkalt motor/generatordrift av systemet er mulig, dvs. effektflyten kan gå vekselvis i begge retninger.

Giret G er koblet mellom de to motorene Ml, M2 og gir en permanent mekanisk sammenkobling av motorene Ml, M2. Denne mekaniske sammenkoblingen er i form av en stiv aksling. Giret G har som funksjon å tilpasse turtallet mellom prosessmaskinen P og motorene Ml, M2. Systemet vil også kunne fungere uten et gir G. Beslutningen om å anvende et gir G i systemet er avhengig av karakteristikken til prosessmaskinen P.

En clutch CL er koblet mellom giret G og prosessmaskinen P. Clutchen CL er elektrisk styrt og kan være koblet ut når prosessmaskinen P ikke er i operasjon, men kobles inn når prosessmaskinen skal kjøre. Systemet vil også kunne fungere uten clutchen CL (dvs. hele systemet roterer), eller med flere clutcher CL som f.eks. kan være koblet mellom de enkelte motorene Ml, M2 og gir G. Antallet clutcher CL er en vurderingssak der både pris, servicevennlighet, slitasje, tap (virkningsgrad), levetid og funksjonalitet spiller inn.

Prosessmaskinen P er en roterende maskin, og kan for eksempel være en propell på et skip eller fly, vifte, pumpe eller kompressorer i prosessanlegg, vindturbin eller vannkraftgenerator. Prosessmaskinen P har en elektromekanisk/hydraulisk lastkontroll/kraftkontroll PC som gjør det mulig å trinnløst justere effekten på prosessmaskinen P ved å justere f.eks. vinkelen på skovlene på f.eks. en propell.

Den elektromekaniske/hydrauliske lastkontrollen PC er en mekanisk innretning i den roterende maskinen, prosessmaskin P. Lastkontrollen PC blir brukt til å tilpasse effektpådraget i systemet, samt å bestemme hvilken retning effekten skal gå i. Lastkontrollen PC aktiveres ved hjelp av en lastkontrollhendel PP koblet til et datamaskinbasert kontrollsystem C, som vist i fig. 1. Lastkontrollhendelen PP er beskrevet i mer detalj nedenfor. Lastkontrollen PC kan være av ulike typer, som f.eks. pitchkontroll, struperegulering med ventil (som er typisk i pumper og vifter), ledeskinneregulering, resirkulering/omløpsregulering som styres med ventil, sleideregulering (trinnløs mekanisk lastregulering av skrukompressorer som er elektromekanisk styrt) eller sylinderkontroll som styrer alle sylindrer på stempelmaskinen og kompressor med digitale kontrollsignaler som bestemmer om den enkelte sylinder skal være aktiv eller passiv. Alle disse mulige formene for lastkontroll PC beskrevet over kan styres mer eller mindre trinnløst fra kontrollsystemet C med elektriske signaler. Lastkontrollen PC kan trinnløst justeres i området fra -100 % til +100 %. Alle verdiene i området fra -100 % til +100 % kan i prinsippet brukes fordi den trinnløse reguleringen av lastkontrollen PC skjer i små steg på for eksempel 0,5 %, med unntak av sylinderkontroll som gir større steg.

Systemet kan også brukes uten lastkontrollen PC, noe som gir et enklere og rimeligere system, men også et langt mindre fleksibelt system. Uten lastkontroll PC vil reguleringen av stegresponsen blir grovere og man får bare stegvis last/effektregulering av prosessmaskinen P. Dette kan anvendes dersom det kun er behov for sprangvise trinn i turtall- og effektreguleringen av prosessmaskinen P. Et system uten lastkontroll PC er ikke et særlig optimalt system, men kan i visse tilfeller være godt nok. Valget mellom å ha lastkontroll PC eller ikke er avhengig av selve prosessen, og hva som ønskes oppnådd. Ønske om å endre retning på effektflyten fra positiv kraftretning til negativ kraftretning på prosessmaskinen P kan også oppnås ved å anvende en elektroteknisk omkobling av elektromotorenes Ml, M2 viklinger slik at dreieretningen på denne derved snus (ikke vist).

Til den første motoren Ml er det koblet en første elektrisk styringstavle Ul som styrer den første motoren Ml. Den første elektriske styringstavla Ul innbefatter en sensor CS, eksempelvis en strømsensor, som måler elektrisk strøm og spenning, samt beregner effekt, og sørger for at strømmen holder seg innenfor gitte grenseverdier. Styringstavla Ul innbefatter også ett sett med 3-fase anti-parallellkoblet tyristorer Tl og to elektriske kontaktorer Sl, S2 som styrer turtallene H, L til den første motoren Ml. Enten vil den ene kontaktoren Sl være tilkoblet, eller så er den andre kontaktoren S2 tilkoblet, eller så er begge kontaktorene Sl, S2 frakoblet. Begge kontaktorene Sl, S2 må aldri være tilkoblet samtidig. Styringstavlen Ul inneholder også en, ikke vist, lokal styringsenhet som behandler signaler fra sensoren CS, regulerer tyristorene Tl og beregner hvor mye effekt som omsettes i enheten.

Til den andre motoren M2 er det koblet en andre elektrisk styringstavle U2 som styrer den andre motoren M2. Den andre styringstavla U2 innbefatter to sett med 3-fase anti-parallellkoblede tyristorer T2, T3 som styrer turtallene H, M til motoren M2. Hvert sett med tyristorer T2, T3 er tilkoblet hver sin sensor CS. Styringstavlen U2 innbefatter også en, ikke vist, lokal styringsenhet slik som i styringstavlen Ul. Sensorene CS og den lokale styringsenhetens har den samme funksjonen som beskrevet for den første styringstavla Ul.

De 3-fase anti-parallellkoblede tyristorene Tl, T2, T3 kan regulere startstrøm og startmoment til motorene Ml, M2, og er styrt fra kontrollsystemet C. Det er velkjent å bruke en tyristor for å oppnå myk start av motorer. En fagmann på området vil forstå at tyristorene Tl, T2, T3 vil føre til at store innkoblingsstrømmer unngås og at momentpådraget ved start minimaliseres slik at motorene Ml, M2 får en myk akselerasjon. Denne lave innkoblingsenergien gjør at systemet er velegnet for svake nett som har begrenset tilgjengelig effekt, f.eks. på skip eller i geografiske områder der strømnettet er svakt. Tyristorstyringen har to oppgaver; den ene er å sørge for myk akselerasjon ved innkobling og den andre er å beskytte motorene Ml, M2 under drift og sørge for momentan utkobling ved en gitt overbelastning av systemet. Dersom systemet anvendes i anlegg der det ikke er begrenset tilgjengelig effekt kan tyristorene Tl, T2, T3 byttes ut med enklere startsystemer, f.eks. kontaktor, Y/D start, resistansstart, trafostart eller liknende.

Et ikke vist alternativ er å anvende såkalt bypass av tyristorene Tl, T2, T3. Dette innbefatter bruk av en kontaktor i parallell med tyristorene Tl, T2, T3 som tar over når tyristorene Tl, T2, T3 har utført sitt arbeid ved innkobling og akselerasjon av motorene Ml, M2, dvs. all strøm går da gjennom kontaktoren i stedet for tyristorene Tl, T2, T3. En fordel med dette ikke viste alternativet er at det reduserer effekttap i den aktuelle enheten, men det endrer ikke funksjonaliteten.

Som vist i fig. 1, og som beskrevet over, har de to styringstavlene Ul, U2, forskjellig konfigurasjon. Den første styringstavlen Ul har bare ett sett med anti-parallellkoblede tyristorer Tl og to mekaniske kontaktorer Sl, S2, mens den andre styringstavlen U2 har to sett med anti-parallellkoblede tyristorer T2, T3. Den første motoren Ml er, som tidligere nevnt, en relativt stor motor som krever mye kraft, og derfor er det mest fordelaktig å bruke kontaktorer Sl, S2 for å regulere hastigheten, i tillegg til at det er en billig løsning. Den andre motoren M2 er en relativt liten motor, i forhold til den første motoren Ml, og krever ikke så mye kraft at det er nødvendig å bruke kontaktorer slik som i den første styringstavlen Ul. Derfor er det tilstrekkelig å kontrollere hastigheten til den andre motoren M2 ved hjelp av de to settene med anti-parallellkoblede tyristorer T2, T3. Den andre styringstavlen U2 er derfor en rent elektrisk styringstavle uten mekanisk bevegelige komponenter som gjør den enkel og velegnet for å styre den andre motoren M2. Styringstavlen U2 har også den fordelen framfor styringstavlen Ul at den kortvarig kan aktivere to hastigheter samtidig for å gi en glippfri myk overgang mellom de to hastighetene.

I alternative utførelsesformer (ikke vist) kan begge motorene Ml, M2 styres av styringstavler av samme type som den første styringstavlen Ul, begge motorene Ml, M2 kan styres av styringstavler av samme type som den andre styringstavlen U2, eller den første motoren Ml kan styres av en styringstavle av typen som den andre styringstavlen U2 og den andre motoren M2 kan styres av en styringstavle av typen som den første styringstavlen Ul. Disse alternative utførelsesformer er mulige utførelsesformer, men ingen av disse er særlig optimale kombinasjoner. Den foretrukne og optimale utførelsesformen er vist i fig. 1, og er som tidligere nevnt at den første motoren Ml styres av den første styringstavlen Ul og den andre motoren M2 styres av den andre styringstavlen U2.

I den foreliggende oppfinnelsen er det et kontrollsystem C som kontrollerer begge styringstavlene Ul, U2 og lastkontrollen PC til prosessmaskinen P. Kontrollsystemet C innbefatter både et datamaskinbasert kontrollsystem som kontrollerer styringstavlene Ul, U2 og lastkontrollen PC, samt et brukergrensesnitt for operatøren av systemet. Grensesnittet for operatøren vil typisk være en dataskjerm. Brukergrensesnittet innbefatter kommandoknapper for å velge modus (turtall) 0 (null), L (lav), M (medium), H (høy), en grafisk indikator for kraft og en lastkontrollhendel PP for å endre og kontrollere last til prosessmaskinen P. Ved aktivering av lastkontrollhendelen PP, gir kontrollsystemet C et kommandosignal til lastkontrollen PC om å regulere f.eks. vinkel på bladene på en propell. Last kan, som tidligere nevnt, trinnløst reguleres i området -100 % til +100 %. Lastkontrollhendelen PP har tre ulike hovedposisjoner: FOR (forover), N (nøytral) og REV (revers). Når lastkontrollhendelen PP står i posisjonen N gis det null kommando til lastkontrollen PC, og motorene Ml, M2 går da med det valgte turtallet, men prosessmaskinen P utfører ikke noe arbeid. Når lastkontrollhendelen PP står i posisjonen FOR gis det maksimal positiv kommando til lastkontrollen PC, og da vil motorene Ml, M2 gå med det valgte turtallet samt full effekt forover (full positiv effekt). Når lastkontrollhendelen PP dras mot posisjonen REV vil kraftretningen gradvis snus, og lastkontrollen PC sørger for en maksimal revers kraft fra prosessmaskinen P, relatert til det valgte turtallet. Den grafiske indikatoren Kraft gir en grafisk fremstilling av hvor mye kraft som tilføres prosessmaskinen P til enhver tid.

Kommandoknappene 0, L, M, H er knapper, på f.eks. en dataskjerm, som en operatør anvender for å velge hvilken modus prosessmaskinen P skal være i, dvs. hvilket turtall den skal ha. I fig. 1 er det eksempelvis vist fire ulike turtall, men det er også mulig å ha flere turtall å velge mellom. Turtallene kan imidlertid ikke være hvilke som helst turtall, da turtall er bestemt av den elektriske maskins Ml, M2 poltall, samt nettfrekvens. Dersom for eksempel en frekvensomformer FC eller en ikke-elektrisk motor HM brukes i stedet for tyristorer Tl, T2, T3 i styringstavlene Ul, U2, kan man i det lave turtallsområdet supplere de faste turtallene med et hvilket som helst turtall via den minste av drivmotorene M2. I tillegg kan nettfrekvensen endres mellom 50 og 60 Hz. Dette vil føre til flytende overganger mellom turtallene 0, L, M, H, og øke fleksibiliteten i systemet. Slike flytende frekvenser er mulig i lukkede anlegg, slik som f.eks. skip. Situasjonen med bruk av frekvensomformer FC er mer detaljert beskrevet for fig. 3 under.

Etter at en operatør har trykket på den aktuelle kommandoknappen 0, L, M, H vil et lys

i knappen på skjermen være en bekreftelse på at systemet har nådd den valgte modusen (turtall). Kommandoknappen 0 gir null turtall, kommandoknappen L gir lavt turtall, kommandoknappen M gir medium turtall og kommandoknappen H gir høyt turtall. Som vist i fig. 1 har den første motoren Ml turtallene H og L, mens den andre motoren M2 har turtallene H og M. I tillegg anvendes lastkontrollhendelen PP for å regulere effekten. Talleksempler på turtall og effekt ved de fire modusene for utførelsesformen i fig. 1 er vist i tabell 1 under. Som nevnt tidligere vil systemet typisk operere med en kraftforsyning på 50 Hz, men andre frekvenser er også mulig. Tabell 1 viser også effekt og turtall ved en kraftforsyning på 60 Hz, men i den etterfølgende beskrivelsen vil 50 Hz anvendes som utgangspunkt.

Som vist i tabell 1 over, ved modus 0 er systemet avslått, motorene Ml, M2 roterer ikke og gir ingen effekt. Ved modus L roterer den første motoren Ml med lavt turtall (750 rpm). Kraften til prosessmaskinen P er da mellom 0 og 400 kW, avhengig av pådrag til lastkontrollen PC valgt med lastkontrollhendelen PP. Ved modus M roterer den andre motoren M2 med medium turtall (1000 rpm). Kraften til prosessmaskinen P er da mellom 0 og 500 kW, avhengig av pådrag til lastkontroll PC. Dersom valgt modus er H roterer den første motoren Ml med høyt turtall H (1500 rpm). Kraften til prosessmaskinen P ved høyt turtall H er mellom 0 og 1500 kW, avhengig av pådrag til lastkontrollen PC.

Beskrivelsen ovenfor forklarer kun turtall og effekt ved de ulike valgte modus, men det er også viktig å beskrive transisjonene mellom de ulike modusene. Dersom en operatør har satt systemet i modus 0, vil en lampe lyse på kontrollsystemets C grensesnitt for å indikere at systemet er i valgt modus. Dersom operatøren deretter trykker på kommandoknappen L skal systemet da gå fra modus 0 til modus L. Denne transisjonen fra 0 til L kan for enkelhets skyld kalles TRI. Den første motoren Ml akselererer da fra turtall 0 til turtall L (750 rpm) ved at et kontrollsignal fra kontrollsystemet C kobler inn tyristoren Tl i den første styringstavlen Ul, samt kontaktoren S2. På grunn av tyristorens Tl egenskaper, som er kjent for en fagmann på området, vil den første motoren Ml da akselerere mykt med en begrenset startstrøm inntil den når det ønskede turtallet L. Siden de to motorene Ml, M2 er mekanisk sammenkoblet via en aksling vil den første motoren Ml også rotere med turtallet L sammen med den andre motoren M2.

I den ovenfor beskrevne transisjonen TRI har kontrollsystemet C mulighet til å redusere behovet for akselerasjonsenergi, ved å redusere lastkontrollen PC. Høy akselerasjonsenergi krever mye produsert og tilgjenglig energi. Dersom tilstrekkelig tilgjengelig energi ikke er tilstede er det behov for å redusere akselerasjonsenergien. Dette kan gjøres på to måter. Den første måten innebærer at kontrollsystemet C gir en kommando til lastkontrollen PC om å redusere lasten ved å justere lastkontrollen PC mot null. Dette gjøres ved at kontrollsystemet C automatisk og kortvarig overstyrer lastkontrollhendelen PP. Kontrollsystemet C henter informasjon om tilgjengelig energi fra et overordnet system RC. Den andre måten for å redusere behovet for akselerasjonsenergi innebærer bruk av clutchen CL. Kontrollsystemet C gir en kommando til clutchen CL om å åpne seg slik at all last blir tatt bort fra maskinene Ml, M2. Etter at turtallet L er oppnådd kan kontrollsystemet C gi en kommando til clutchen CL om å koble seg inn igjen, samt øke pådraget av lastkontrollen PC til ønsket nivå. Ved å innføre en såkalt soft clutch vil gjeninnkoblingen skje på en mykere måte, dvs. ingen momentan mekanisk innkobling. Begrepet soft clutch er velkjent for en fagmann på området. Etter at disse operasjonene er utført vil systemet være i modus L, motorene Ml, M2 har turtallet L = 750 rpm, og effekten kan trinnløst reguleres ved hjelp av lastkontrollen PC mellom 0 kW og 400 kW.

Dersom operatøren aktiverer kommandoknappen M når systemet allerede er i modus L, vil kontrollsystemet C koble ut tyristoren Tl og kontaktoren S2, og samtidig koble inn tyristoren T3 i den andre styringstavla U2 til den andre motoren M2. Begge motorene Ml, M2 har i begynnelsen av denne transisjonsmodusen, kalt TR2, et lavt turtall L, f.eks. 750 rpm, som beskrevet over. Ved innkobling av tyristoren T3 akselererer den andre motoren M2 opp til turtall M, 1000 rpm. Følgelig roterer også den første motoren Ml med turtallet M. Systemets effekt kan da trinnløst reguleres ved hjelp av lastkontrollen PC mellom 0 kW og 500 kW levert av motoren M2. På denne måten oppnås en myk transisjon mellom turtallene L og M.

Transisjonen mellom turtallene M og H foregår på en litt annen måte. Utgangspunktet for denne transisjonen, kalt TR3, vil da være at motorene Ml, M2 går med turtall M, og at tyristoren T3 er koblet inn, mens de andre tyristorene Tl, T2 og kontaktorene Sl, S2 er frakoblet. I transisjonen TR3 fungerer den andre motoren M2 som en såkalt pony motor, og er en hjelpemotor som hjelper den første motoren Ml med å nå det høye turtallet H. Når en operatør aktiverer kommandoknappen H i kontrollsystemet C kobles tyristoren T3 ut og tyristoren T2 kobles inn samtidig. Den andre motoren M2 akselereres opp til turtallet H. Kontrollsystemet C overvåker denne akselerasjonen, og når det vet at motorene Ml, M2 har nådd turtallet H, kobler det inn tyristoren Tl og kontaktoren Sl i den første styringstavla Ul koblet til den første motoren Ml. Tyristoren T2 skal da i utgangspunktet kobles ut, og motoren Ml har blitt synkronisert mykt inn på nettet uten noen vesentlig innkoblingsstrøm. Motorene Ml, M2 går da med det faste høye turtallet H, 1500 rpm, og systemeffekten kan variere mellom 0 kW og 1500 kW ved hjelp av lastkontrollen PC.

Transisjonene fra modus H til M, fra H til L, fra H til 0, fra M til L, fra M til 0, fra L til 0, fra 0 til M og fra 0 til H gjøres på tilsvarende måte som beskrevet ovenfor, og vil derfor ikke bli beskrevet videre i detalj.

Som vist i fig. 1 er et overordnet system RC tilkoblet systemet. Dette overordnede systemet RC utveksler informasjon til og fra resten av systemet, og gir informasjon om f.eks. nettet som forsyner energien til det resterende systemet og hvor stor kapasitet dette nettet har. Et slik overordnet system RC gjør at systemet ikke tar ut mer energi fra nettet enn det som er tilgjengelig, dvs. det foregår en last- eller effektregulering som forhindrer overbelastninger i systemet.

Komponenter og funksjoner, samt alternative konfigurasjoner som er detaljert beskrevet i fig. 1 er også gjeldende for utførelsesformene vist i fig. 2-8. Derfor vil bare de vesentligste forskjellene mellom utførelsesformen i fig. 1 og de respektive andre utførelsesformene bli beskrevet i det etterfølgende. Fig. 2 viser en andre utførelsesform av oppfinnelsen som er ganske lik den som er vist i fig. 1, bortsett fra styringstavlen U2 og turtallene til motorene Ml, M2. Utførelsesformen i fig. 2 er en forenklet løsning av den foretrukne utførelsesformen i fig. 1, både med tanke på antall komponenter og pris. Komponentene i systemet vist i fig. 2 er de samme som er detaljert beskrevet over for fig. 1, og vil følgelig ikke bli videre beskrevet for fig. 2. Styringstavlen U2 styrer, som i fig. 1, den andre motoren M2. Styringstavlen U2 innbefatte en sensor CS og ett sett med anti-parallellkoblede tyristorer T2 (i motsetning til to sett tyristorer i fig. 1). Valget av kun en tyristor T2 følger av at den andre motoren M2 kun har ett turtall. Kontrollpanelet C har kommandoknappene 0, L, M, H, og det er kommandoknappen M på kontrollpanelet C som tilsvarer turtallet H i motoren M2. En motor M2 med kun et turtall er en enkel og billig motor sammenlignet med den tilsvarende motoren M2 i fig. 1. Modus og transisjoner mellom modusene er omtrent som beskrevet i fig. 1. Fig. 3 viser en tredje utførelsesform der styringstavlen U2 og turtallene til motorene Ml, M2 er endret i forhold til fig. 1. Styringstavlen U2 i fig. 3 innbefatter en sensor CS som måler strøm og spenning, samt beregner effekt. I tillegg til sensoren CS har styringstavlen U2 en frekvensomformer FC. Den første motoren Ml kan gå med turtallene H og M, mens den andre motoren M2 er en én-hastighetsmotor med turtall L. Ved hjelp av frekvensomformeren FC reguleres turtallet på den andre motoren M2 trinnløst fra null til turtall H. Turtallet på den andre motoren M2 fjernstyres fra kontrollsystemet C. Bruk av en frekvensomformer FC fører til at man kan regulere turtallet helt fritt opp og ned, og parkere motoren M2 på det ønskede turtallet. Frekvensomformeren FC bidrar også til at den første motoren Ml akselereres til aktuelt turtall når den ikke er belastet og styrt av sitt eget kontrollpanel Ul.

Et kjent problem ved frekvensomformere er at de kan skape mye forstyrrelser på det elektriske nettet. Dette problemet er løst i den foreliggende oppfinnelsen ved å bruke den første styringstavlen Ul med tyristor Tl og kontaktorer Sl, S2 i tillegg til den andre styringstavlen U2 med frekvensomformeren FC. En frekvensomformer er en standard komponent, og valget av type og merke frekvensomformer vil være enkelt for en fagmann på området å gjøre.

I fig. 4 er det illustrert en fjerde mulig utførelsesform i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Denne utførelsesformen er svært lik den som er vist i fig. 1, med unntak av motorene Ml, M2. Den store motoren Ml har høyt turtall H, mens den lille motoren M2 har de to turtallene H og L. Også her fungerer den andre motoren M2 som en hjelpemotor for å hjelpe den første motoren Ml til å nå et høyt turtall H. Kontrollpanelet C har, som følger av motorenes Ml, M2 turtall, tre kommandoknapper 0, L, H for valg av modus. Overgangen mellom de ulike turtallene er som beskrevet for fig. 1.

I fig. 1-4 og 6 er den første motoren Ml vist å være mekanisk koblet, via en aksling, til et gir G, og den andre motoren M2 er også mekanisk koblet, via en aksling, til samme gir G. En alternativ forenklet konfigurasjon er å koble den andre motoren M2 til den første motoren Ml via en aksling, og ikke via giret G, slik at den første motoren Ml har to akslinger. En slik mulig konfigurasjon er vist i fig. 5. Motorene Ml, M2 i fig. 5 er én-hastighetsmotorer, dvs. motoren Ml har turtall H og motoren M2 har turtall L. Dette gjenspeiles også i kontrollsystemet C der det kun er tre valgbare modus, 0, L og H. Denne løsningen er kun en mekanisk endring i forhold til de andre utførelsesformene som gjør at det blir mekanisk enklere for giret G, men den gir ingen styringsmessig endring. Utførelsesformen som er vist i fig. 5 er også forenklet ved at systemet ikke inneholder noe gir G og clutch CL, slik som i de andre utførelsesformene. Denne forenklede konfigurasjonen vist i fig. 5 kan anvendes som alternativ og forenklet konfigurasjon i alle utførelsesformene vist i fig. 1 - 4 og 6.

Fig. 6 viser en femte utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Som vist i figuren innbefatter denne utførelsesformen fire motorer, Ml, M2, M3, M4 i stedet for to motorer som i de tidligere beskrevne utførelsesformene. De fire motorene, Ml, M2, M3, M4 er to-hastighetsmotorer med like karakteristikker. Motorene Ml, M2, M3, M4 er i fig. 6 vist med de to turtallene høy og lav, H, L, men også andre turtallsvalg er mulig. Til motorene Ml, M2, M3, M4 er det koblet styringstavler Ul, U2, U3, U4 som styrer motorene Ml, M2, M3, M4. Disse styringstavlene Ul, U2, U3, U4 har alle lik oppbygging og funksjon. De fire styringstavlene Ul, U2, U3, U4 har hver ett sett med anti-parallellkoblede tyristorer Tl, T2, T3, T4, en sensor CS og to kontaktorer Sl 1 og S12, S21 og S22, S31 og S32, S41 og S42. Styringstavlene Ul, U2, U3, U4 bør ha lik oppbygging og funksjon, men i stedet for den beskrevne oppbyggingen kan de eksempelvis (ikke vist) ha to sett med antiparallellkoblede tyristorer og to sensorer. Et kontrollsystem C kontrollerer styringstavlene Ul, U2, U3, U4. Den trinnløse regulering av effekt og turtall i utførelsesformen i fig. 6 foregår på sammen måte som beskrevet for de foregående utførelsesformene. I fig. 6 innbefatter systemet fire motorer, men alle antall mellom to og ti like parallelle motorer kan anvendes. I kontrollsystemet C i fig. 6 er det lagt til en bryter og indikator D, som ikke finnes i de andre utførelsesformene. Bryteren/indikatoren D har en dynamisk funksjon som, ved aktivering fra brukeren, legger inn fra en til fire av motorene Ml, M2, M3, M4, avhengig av hvor mye effekt man tar ut på prosessmaskinen P. Utførelsesformen vist i fig. 6 anvendes først og fremst dersom det er behov for store effekter til prosessmaskinen P fordelt på flere drivmotorer.

Et ikke vist alternativ til konfigurasjonen vist i fig. 6 er å legge til en femte motor i tillegg til de fire motorene Ml, M2, M3, M4. Denne femte tilleggsmotoren vil være en liten motor som er frekvensstyrt, som vist i fig.3.

Fig. 7 viser en sjette utførelsesform av oppfinnelsen der systemet innbefatter bare en enkel motor Ml. Motoren Ml er en to-hastighetsmotor med de to turtallene høy og lav, H, L. Tre- eller fire-hastighetsmotorer kan også brukes. Følgelig må også styringstavlen Ul utvides. Som i de tidligere beskrevne utførelsesformene er også motoren Ml styrt av en styringstavle Ul. Styringstavlen Ul innbefatter to sensorer CS og to sett med anti-parallellkoblede tyristorer T2, T3. En alternativ oppbygging (ikke vist) av styringstavlen Ul kan være at den inneholder en sensor CS, ett sett med anti-parallelkoblede tyristorer og to kontaktorer (dersom motoren Ml er en stor motor). Styringstavlen Ul er styrt av et kontrollsystem C som har samme oppbygging og funksjon som tidligere beskrevet. Siden motoren Ml har de to turtallene H, L er det bare tre kommandoknapper i kontrollsystemet C som gir valgene mellom modus 0, L og

H. I denne utførelsesformene er det tyristorene T2, T3 som alene skaper all akselerasjon av motoren Ml og står for driften av systemet, i motsetning til i de andre utførelsesformene der det brukes en pony motor. Dette systemet vist i fig. 7 fører til en større belastning på nettet og krever et sterkere nett enn de foregående alternativ.

Fig. 8 viser en sjuende utførelsesform av oppfinnelsen som kan ses som en variant av utførelsesformen vist i fig. 3. I stedet for frekvensomformeren FC i fig. 3 har systemet i den sjuende utførelsesformen en ikke-elektrisk motor/turbin HM. Den ikke-elektriske motoren/turbinen HM er typisk hydraulisk eller luftoperert, men også andre typer ikke-elektriske motorer/turbiner kan anvendes. Den ikke-elektriske motoren/turbinen HM drives av en egen kraftforsyning S. Den ikke-elektriske motoren/turbinen HM trenger, fordi den ikke er elektronisk, en turtallsmåler SP som måler hvordan den jobber. Turtallsmåleren SP gir en elektrisk overvåking av den ikke-elektriske motoren/turbinen HM. Den ikke-elektriske motoren/turbinen HM styres slik at det er mulig å gå fra turtall 0 til L og fra 0 til H, og den kan også brukes til å kjøre hele systemet med redusert ytelse. Retur R er en mengde driftsmedium som kommer tilbake fra den ikke-elektriske motoren/turbinen, og resirkuleres tilbake til kraftforsyningen S via f.eks. en pumpe.

Motoren Ml er en to-hastighetsmotor med turtallene H og L, og styres av en styringstavle Ul som inneholder to sett anti-parallellkoblede tyristorer T2, T3 som hver er tilkoblet en sensor CS. Kontrollsystemet C kontrollerer styringstavlen Ul, motoren Ml og motoren/turbinen HM på samme måte som beskrevet for de andre utførelsesformene over. Motoren Ml kan i prinsippet ha fra en til fire hastigheter.

Komponentene brukt i systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er tilgjengelige hyllevarekomponenter, og en fagmann på området vil kunne forstå hvilken type og merke av de ulike komponentene som vil være foretrukne. Et unntak er programvaren som er koblet til kontrollsystemet C, som ikke er standard programvare.

Claims (20)

1. System for å regulere turtall og effekt på en roterende prosessmaskin (P), som for eksempel en turbin eller en propell, der den roterende prosessmaskinen (P) er koblet til minst en motor (Ml) og innrettet til å rotere med et turtall gitt av motoren (Ml), motoren (Ml) er koblet til et kontrollsystem (C) og motorens (Ml) turtall er innrettet til å bli kontrollert av et kontrollsystem (C) karakterisert ved at den roterende prosessmaskinen (P) innbefatter en lastkontroll (PC) som er innrettet til å kunne justeres, kontrollsystemet (C) er koblet til den roterende prosessmaskinen (P) og er innrettet til å kontrollere lastkontrollen (PC) i den roterende prosessmaskinen (P), for å dermed oppnå myke overganger mellom flere valgbare turtall, og lavere energiforbruk ved at størrelsen og turtallet på motoren (Ml) trinnvis tilpasses varierende energibehov.

2. System i henhold til krav 1, der kontrollsystemet (C) er koblet til og innrettet til å kontrollere en første styringstavle (Ul), og den første styringstavlen (Ul) er koblet til og innrettet til å styre motoren (Ml).

3. System i henhold til krav 2, der den første styringstavlen (Ul) innbefatter minst ett sett med tyristorer (Tl) og minst en sensor (CS), eksempelvis en strømsensor.

4. System i henhold til krav 3, der den første styringstavlen (Ul) også innbefatter minst to kontaktorer (Sl, S2).

5. System i henhold til krav 2, der styringstavlen (Ul) innbefatter minst to sett med tyristorer (T2, T3) og minst to sensorer (CS).

6. System i henhold til krav 2, der styringstavlen (Ul) innbefatter minst en frekvensomformer (FC) og minst en sensor (CS).

7. System i henhold til krav 1, der systemet innbefatter minst en første motor (Ml) og minst en andre motor (M2) sammenkoblet via en aksling, den andre motoren (M2) er innrettet til å hjelpe den første motoren (Ml) til å nå høye turtall.

8. System i henhold til krav 7, der den første motoren (Ml) og den andre motoren (M2) er koblet til og innrettet til å bli styrt av henholdsvis en første og en andre styringstavle (U1,U2).

9. System i henhold til krav 7, der den første motoren (Ml) har minst en første hastighet (H) og den andre motoren (M2) har minst en andre hastighet (L).

10. System i henhold til krav 7, der første motor (Ml) har en effekt som er mellom tre og ti ganger større enn effekten av den andre motoren (M2).

11. System i henhold til krav 3 og 5, der tyristorene (Tl, T2, T3) er 3-fase anti-parallellkoblede tyristorer eller tilsvarende krafthalvledere.

12. System i henhold til krav 1, der systemet er koblet til en ekstern kraftforsyning med frekvensen 50 Hz.

13. System i henhold til krav 1, der den roterende prosessmaskinen (P) har en effekt som er større enn eksempelvis 500 kW.

14. System i henhold til krav 1, der kontrollsystemet (C) er koblet til og innrettet til å kontrollere minst en clutch (CL).

15. System i henhold til krav 1, der den roterende prosessmaskinen (P) er koblet til et gir (G), giret (G) er koblet til motoren (Ml).

16. System i henhold til krav 7, der den roterende prosessmaskinen (P) er koblet til et gir (G), giret (G) er koblet til den første motoren (Ml) og den andre motoren (M2).

17. System i henhold til krav 1, der et overordnet effektregulerende system (RC) er koblet til systemet.

18. System i henhold til krav 1, der minst den ene motoren (Ml) er koblet til en ikke-elektrisk motor (HM) via en aksling, den ikke-elektriske motoren (HM) er styrt av kontrollsystemet (C).

19. System i henhold til krav 18, hvori den ikke-elektriske motoren (HM) er drevet av en kraftforsyning (S).

20. System i henhold til krav 18, hvori den ikke-elektriske motoren (HM) er koblet til en turtallsmåler (SP).