NO329244B1

NO329244B1 - Framgangsmåte for drift av en permanentmagnetisert synkronmaskin samt anordning ved et elektrisk anlegg som omfatter en slik maskin

Info

Publication number: NO329244B1
Application number: NO20085321A
Authority: NO
Inventors: Sigurd Øvrebø; Alexey Matveev; Tore Skjellnes
Original assignee: Smart Motor As
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-09-20
Also published as: US20110309805A1; ES2687796T3; EP2374192A4; NO20085321L; WO2010077145A1; KR20110104063A; CN102318156A; EP2374192A1; EP2374192B1

Description

Framgangsmåte for drift av en permanentmagnetisert synkronmaskin samt anordning ved et elektrisk anlegg som omfatter en slik maskin

Oppfinnelsen omfatter en framgangsmåte for drift av en permanentmagnetisert synkronmaskin som angitt i innledningen til patentkrav 1, samt en anordning som angitt i innledningen til patentkrav 6 ved et elektrisk anlegg som omfatter en eller flere slike maskiner.

Bakgrunn

Dagens løsninger for mating og styring av elektriske maskiner er dominert av tre-fase matinger. Matingene er typisk direktekoblete eller matet via omformer. I noen tilfeller mates rotoren ved hjelp av sleperinger og omformer.

I klassiske anlegg der feltmatete synkronmaskiner ( Electric Machines. Theory, Operation, Applications, Adjustment, and control. Charles I. Hubert. ISBN: 0-675-21136-0, Side 305-308) benyttes, har man som oftest en fast nettfrekvens. I disse anleggene kan man regulere den aktive effekten og den reaktive effekten. I generatoranlegg reguleres effekten ved hjelp av å tilføre mer energi på pådraget (vind, vann, gass, damp etc). Den reaktive effekten endres ved å endre strømmen i feltviklingen. Ved overmagnetisering produserer man reaktiv effekt inn i kraftsystemet, dette fører som regel spenningen på stedet opp (forutsetter induktiv lastvinkel). Ved undermagnetisering forbruker man reaktiv effekt fra systemet, med induktiv lastvinkel fører dette til at spenningen på stedet synker. I klassiske synkronmaskiner benyttes ofte en magnetiseringsmaskin og en hjelpemotor [Samme kilde]. Magnetiseringsmaskinen sørger for børsteløs overføring av magnetiseringsstrømmen. Hjelpemotoren Kjører maskineriet opp i synkront turtall. Det er også mulig å kombinere magnetiseringsmaskinen og startmotoren, dette er foreslått i PCT patentsøknad WO 85/02886.

I dagens PMSM anlegg benyttes ofte omformere for å koble maskinen til nettet. Omformeren gir en dekobling mellom nett og maskin som muliggjør operasjon på variable turtall. Omformeren muliggjør styring mot nett. Denne konfigurasjonen kalles "active front end" der man benytter svitsjer i stedet for dioder mot nettet. Med denne type konfigurasjon kan man møte dagens krav til nettilkobling på en god måte.

Ulempen ved bruk av omformer er at omformeren øker systemkostnaden. I enkelte tilfeller kan omformerkostnaden være like stor som maskinkostnaden.

I de siste tiårene har man sett flere anleggstyper som bruker delvis omformermating for å tilføre mer funksjonalitet til anlegget. Ett eksempel er den dobbelmatete asynkronmaskinen som er vist i Electric Machines. Theory, Operation, Applications, Adjustment, and control. Charles I. Hubert. ISBN: 0-675-21136-0, Kapittel 8. Her mates stator direkte inn på nettet mens rotor mates via omformer og sleperinger. Med denne konfigurasjonen oppnår man økt funksjonalitet med bare 1/3 av installert omformerytelse. Det finnes publikasjoner på flerfase asynkron maskiner og reluktansmaskiner som er koblet til nettet via dobbeltmating i stator. Et annet eksempel på kjent teknikk er den feltmatete synkronmaskinen; denne har stator direkte koblet til nettet, mens feltkretsen kobles til via en omformer. Denne omformeren er betydelig mindre enn merkeeffekten til generatoren. For sakteroterende maskiner vil de klassiske synkronmaskinene kreve bruk av uhensiktsmessig stor diameter for å få plass til magnetiseringsviklingene. I slike tilfeller viser permanentmagnet synkronmaskiner seg å være et godt alternativ. Ulempen med PMSM er at de ikke kan regulere feltet via en feltvikling, regulering kan oppnås ved bruk av omformere.

I noen applikasjoner kobles PMSM maskiner direkte til nettet og opereres som motor eller generator. Denne type konfigurasjon kan benyttes der man har et system som opererer med fast turtall. På grunn av at PM maskinen har en konstant spenning/turtall kurve kan man ikke regulere reaktiv effektflyt med denne type anlegg. En alternativ regulering for denne type anlegg er å installere en parallell kilde til reaktiv effekt. Disse parallelle kildene kan etableres ved trinende statiske kondensatorer eller svitsjede kondensatoranlegg (STATCOM). Ulempen med slike anlegg er at de bringer store kostnader inn i systemet.

"SoftStarter" er ett begrep som benyttes for anlegg som har en utrustning for å gi en lettere start med hensyn på start strøm og transient moment. (DESIGN OF INTELLIGENT SOFT-START CONTROLLER FOR INDUCTIONMOTOR, WEN-XIONG LI', JIAN-GUO LV, MING-SHENG LW<*>, JIE zm03 , Proceedings of the Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, 26-29 August 2004) Typisk for slike typer anlegg er at det benyttes tyristorer i serie med statorviklingen. Tyristorene ramper opp spenningen til statoren slik at starten blir mykere enn ved direktestart. Denne type utrustning kan ikke gi samme funksjonalitet som en fullbro omformer med hensyn på moment/turtalls styring ved oppstart. Forskjellen ligger i at fullbro-løsningen kan styre maskinen med avansert vektorkontroll, mens tyristor-seriekoblingen gir en lavere styrbarhet. Anvendelse av vektorkontroll åpner for styring av alle typer maskiner på en optimal måte. Seriekobling av tyristorer er også foreslått for regulering av aktiv effekt og reaktiv effekt.

Formål

Hovedhensikten med oppfinnelsen er å skape et billigere og mer kompakt system, der maskinen tar mindre plass enn en tilsvarende kjent permanentmagnetisk synkronmaskin.

Det er også et formål å skape et system som får økt virkningsgrad sammenlignet med et kjent fullomformersystem.

Ytterligere formål med oppfinnelsen vil gå fram av den etterfølgende omtalen av oppfinnelsen og eksempelbeskrivelsen.

Oppfinnelsen

Framgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen er definert i patentkrav 1. Den er altså basert på dobbelmating av statoren i en permanentmagnetisert synkronmaskin. Dobbeltmatingen skjer ved at man kombinerer bruk av en direktekoblet og en omformermatet kobling til stator. Gjennom dette oppnår man en rekke fordeler over dagens tradisjonelle løsninger. Fordeler for forskjellige maskintyper er angitt mer spesifikt i de etterfølgende eksemplene. Oppfinnelsen kan kalles "dobbeltmatet permanentmagnet-synkronmaskin" (DFPMSM).

Oppfinnelsen om fatter også en anordning ved et elektrisk anlegg som omfatter en permanentmagnetisert maskin, som angitt i patentkrav 6. Den omfatter en anordning ved anlegg med en permanentmagnetisert synkronmaskin, så som en motor eller en generator, med en omformer for mating henholdsvis uttak av effekt, hvor det nye ligger i at omformeren er tilkoblet stator og er innrettet for å tilføre eller ta ut en effekt betydelig under maksimaleffekten, slik at direktekobling og omformerstyrt nettilkobling blir kombinert.

Dette anlegget har tilsvarende fordeler som beskrevet for framgangsmåten.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil gå fram av de øvrige patentkravene.

Omformeren kan være dimensjonert for under ca. 50% av totaleffekten (merkeeffekten).

Oppfinnelsen kan nyttes ved forskjellige permanentmagnetisert maskiner, både rotasjonsmaskiner og lineære, så vel motorer som generatorer.

Permanentmagnet-synkronmaskiner er altså i dag enten koblet direkte til nettet eller koblet til nettet via en fullomformer (maskinens merkeeffekt). Ved å kombinere begge typer tilkobling i stator kan man få til en løsning som opererer på konstant hastighet med regulering på reaktiv effektflyt. Forskjellen på de klassiske løsningene og den nye løsningen er at de i de kjente dobbelmatete anleggene mates i stator (direkte) og i rotor (via omformer) mens det i den nye oppfinnelsen mates med begge metoder (direkte og via omformer) i stator. Rotorkretsen i ett PMSM anlegg er magnetisert av permanentmagneter.

Det nye systemet er kraftig kostnadsredusert i forhold til fullomformerløsningen mens det gir mye av den samme funksjonaliteten. I tillegg til å kontrollere den reaktive effektflyten kan man bruke den omformerstyrte delen til aktiv styring av momentet. Den nye løsningen har ingen børster eller sleperinger og den krever derfor vesentlig mindre vedlikehold enn de vanlige kjente løsningene (Double Fed Induction Generator - DFIG).

Størrelsen av den omformermatete delen av maskinen kan varieres mht hvilke krav man setter til regulering i det aktuelle systemet. Krav til tilkobling er forskjellig fra land til land. Det er netteier som setter disse kravene i Norge. I veiledningen for nettilkobling står det at anlegg større enn 10 MW omfattes av spesielle krav for tilkobling. Disse krav medfører at nye anlegg må utformes slik at de bidrar til regulering av aktiv og reaktiv effekt under forskjellige driftsforhold i nettet. For slike anlegg kan kravet til den omformermatete delen av anlegget bli opp til 50 % avhengig av hvor sterkt kravene er satt. For mindre anlegg (< 10 MW) vil den nye oppfinnelsen gjøre anlegget mye mer robust mot utfall av anlegget. Ved spenningsdipp i nettet vil anlegget kunne levere reaktiv effekt inn på nettet. For mindre anlegg (<10 MW) vil det ikke være krav fra netteier gir føringer for systemutformingen. I slike anlegg er det forbrukernes krav til spenningskvalitet som er viktigst. Hvis ett generatoranlegg medfører spennings eller frekvensvariasjoner utenfor normene for leveringskvalitet vil kraftleverandøren bli økonomisk ansvarlig for eventuelle skader i det elektriske anlegget. For apparater hos forbrukere oppstår slike skader typisk hvis spenningen blir for høy eller for lav. Ved bruk av DFPMSG kan man regulere klemmespenningen på generatoranlegget, dermed kan man sikre seg at anlegget ikke medfører skade til forbruker.

Omformerne som benyttes i oppfinnelsen kan være standardomformere. Det er ingen begrensing på hvilke typer svitsjer eller topologier som kan brukes. Ett eksempel kan være en vanlig fullbro-omformer. Denne omformeren kan være basert på IGBT (InsulatedGateBipolarTransistor) -teknologi og være utformet med en del for nettsiden (ActiveFrontEnd) og en del for tilkobling av motoren. De to omformerne er typisk forbundet i med en likestrøms forbindelse.

Eksempel

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet med henvisning til tegningen.

Forklaring til figur 1

En integrert løsning er skissert i figur 1. RI, R2, Sl, S2, Tl og T2 representerer viklinger som er koblet i to separate nullpunkt. I dette eksempelet grupperer man viklingene slik at hver gruppe utgjør ett trefasesystem; Gruppe 1 består av RI, Sl, Tl. Gruppe 2 består av R2, S2, T2. Gruppe 1 er koblet til nettet via en omformer 3. Gruppe 2 er koblet direkte til nettet via en nettilkoblingsenhet 2. Når maskinen skal startes kjører man opp turtallet ved å benytte omformeren 3. Ved gitte tilfeller kan man benytte den omformerstyrte delen for kjøring med variabelt turtall. Dette kan være aktuelt eksempelvis for ett vindgenereringssystem der man tar ut redusert effekt ved lavere turtall. Eller et propellanlegg med pitchregulering. 1 representerer sammenkoblingen av den direktekoblede og den omformerstyrte delen. Denne kan inneholde nettfilter og eller transformatorer, 2 representerer en innretning for direktekobling. Dette kan være kontaktgivende arrangement basert på fysisk (kontaktor) eller elektronisk (kraftelektronikk),

3 representerer en omformer koblet mot nettet,

4 representerer en omformer koblet mot den elektriske maskinen,

5 representerer den elektriske maskinen

Forklaring til figur 2

En systemløsning er skissert i figur 2 der to maskiner er koblet på samme aksling. Man kan også benytte systemet der man ikke har felles aksel i tilfeller der man kan starte maskinen med ett alternativt pådrag (eksempelvis vann eller damp).

Forklaring til figur 3

1 representerer sammenkoblingen av den direktekoblede og den omformerstyrte delen. Denne kan inneholde nettfilter og eller transformatorer. 2 representerer en innretning for direktekobling. Dette kan være kontaktgivende arrangement basert på fysisk (kontaktor) eller elektronisk (Kraft elektronikk).

3 representerer en omformer koblet mot nettet

4 representerer en omformer koblet mot den elektriske maskinen

5 representerer den elektriske maskinen

6 representerer ett filter eller en transformator (kan også kjøres uten denne)

7 representerer ett filter eller en transformator (kan også kjøres uten denne)

I Figur 3 kan omformeren være en vanlig fullbro-omformer eller en annen omformer konsepter som for eksempel flernivåomformere. Omformere med svitsjer som kan slås av uavhengig av svitsjer er fordelaktig som for eksempel bruk av IGBT svitsjer.

I Figur 3 er omformeren koblet over direktekoblingen via filter og eller nettransformatorer. Filter kombinasjonene for denne type anlegg er ofte L eller LCL filter. Dimensjoneringen av filteret vil sammen med omformeren avgjøre hvor stor del av effekten som kan reguleres med løsningen.

Ved å bruke omformeren kan man endre reaktiv effektflyt og aktiv effektflyt. Anlegget kan også regulere ut forstyrrelser i nettet. Hvis man bare benytter direktekoblingen kan man for enkelte driftstilfeller oppnå maksimal virkningsgrad.

Sistnevnte løsning er optimal med hensyn på virkningsgrad da anlegget kan levere full effekt uten å benytte omformeren. Omformerfunksjonen kan endres mellom passiv, synkronisering, oppstart, stopp, reaktiv kompensator med fler.

Kjøring med optimal virkningsgrad er spesielt viktig for kraftgenerering men også vikig i anlegg der man har store utfordringer med hensyn på kjøling. Dette er tilfellet i nedihulls anlegg der man har stor overflatetemperatur. Med konfigurasjonen i figur 3 kan man lage ett anlegg som benytter kraftelektronikken under oppstart og drift på en måte som gir sterkt redusert tap i systemet.

Forklaring til figur 4:

Figur 4 viser en alternativ fremstilling av det elektriske anlegget som er vist i figur 1.

1 statoren til den elektriske maskinen (6 fase)

2 elektrisk anlegg for tilkobling av nett

3 direktekobling

4 omformer tilkobling

5 nett

I figur 4 ser man en prinsipiell fremstilling av en dobbeltmatet stator. Statoren (1) består av 6 faser. Tre av fasene er koblet til direktekoblingen (3) mens tre av fasene er koblet til omformeren (4).

Begge matingene er samlet mot nettet (5) slik at man oppnår en dobbel mating av statoren. I tillegg til de viste komponentene kommer eventuelle filter og transformatorer. Anlegget kan også utstyres med kontaktorer som muliggjør full forbikobling og/eller parallellkobling av omformeren (by pass).

Forklaring til Figur 5 og Figur 6

I figur 5 vises en alternativ kobling av det dobbelt matede systemet. I denne figuren er omformeren koblet mellom de to separate viklingssettene. Figur 6 viser ett mulig koblingsarrangement for anlegget i Figur 5. Med konfigurasjonen i Figur 5 og 6 kan man oppnå alle fordeler som en dobbelmating kan gi (start, bremsing, reaktiv effektkontroll, demping av transienter osv.).

Konfigurering

Systemet kan konfigureres på flere måter:

Integrert løsning

I den integrerte løsningen kan man benytte splitting av en maskin i spolegrupper. Hver gruppering representerer en trefase tilkobling. En eller flere grupperinger kan benyttes for direktekobling mens en eller flere grupperinger kan benyttes med omformer tilkobling. En elektrisk maskin kan utformes som ett multiplum av trefase system, i.e. man kan lage foreksempel ett 9 fase system, der man benytter 3 faser via omformer og 6 faser via direktekobling.

Systemløsning

I en systemløsning kan man benytte fysisk dekoblete anlegg der man kobler noen av anleggene direkte til nettet mens ett eller flere anlegg kobles til nettet via en omformer. Reguleringen av anlegget kan koordineres slik at man styrer effektflyten ved hjelp av omformeren og det fysiske pådraget.

Eksempel på bruksområder

Oppfinnelsen kan brukes ved et genereringssystem drevet avvann eller andre energiformer. For ett genereringsanlegg kan det være flere muligheter for å dele opp anlegget i en direktekoblet del og en omformerstyrt del.

I elektriske motorer kan man benytte den omformerstyrte delen av systemet til å bringe maskinen opp til synkront turtall. Når maskinen har kommet opp i synkront turtall kobler man inn den delen av anlegget som er direktekoblet. Systemet virker på samme måte som klassiske synkronmaskiner der man benyttet hjelpemaskin for å komme opp i synkront turtall. Forskjellen ligger i at man benytter dobbelmating av statorviklingen i en PM maskin. Et eksempel på denne type anlegg kan være ett fremdriftssystem på skip. I noen propelleranlegg benyttes ett konstant turtall om en justering av propellbladenes utslag. Denne type anlegg kan kjøres opp uten utslag på propellene ved hjelp av omformeren og deler av viklingene. Når maskinen har kommet opp i synkront turtall kobles den direkte koblede delen inn. På denne måten kan man få billigere og mer energieffektivt fremdrift.

En annen avart av denne oppfinnelsen er bruk av dobbelmatet stator for lineære PMSM maskiner. Generelt vil man kunne få samme fordeler som man har beskrevet for roterende PMSM maskiner. For å presisere utdypes et eksempel for en lineærmaskin.

Hvis man betrakter lineærmaskiner blir disse benyttet i mange markeder og applikasjoner. Som ett eksempel kan man betrakte lineærsystemer med fjærer i hver ende der resonans fenomener benyttes. Resonanssystemer benyttes i dag i mange applikasjoner. Felles for mange av disse applikasjonene er at man trenger å akselerere systemet opp til resonanshastigheten. Når man har kommet opp i resonanshastigheten utføres arbeidet/operasjonen i denne hastigheten. Den foreslåtte oppfinnelsen (dobbeltmatet stator) kan for eksempel benyttes ved lineærmaskiner der man benytter frekvensomformeren til oppstart av maskinen. Når man kommer opp i resonansfrekvensen kan man koble inn de direktekoblede spolene. De omformermatete spolene vil kunne tilføre maskinen mer styrbarhet i maskinen samtidig som man kan regulere reaktiv effekt på mot nett tilkoblingen.

Dobbelmating med full direktekobling

En annen variant av dobbeltmatet PMSM er å konfigurere anlegget som i figur 3. Denne anordningen er en alternativ dobbelmating av stator. Statoren er også i dette tilfellet matet fra en omformer og en direktekobling.

Oppsummering av fordelene ved oppfinnelsen

-Ved utfall av linjer kan det nye systemet operere i øymodus

-Man kan innføre regulering av aktiv effekt til en sterkt redusert pris

-Man kan innføre regulering av reaktiv effekt til en sterkt redusert pris

-Man kan variere mellom direktekoblet og omformerkoblet anlegg (fig 3)

-Man kan benytte DFPMSM konseptet det man har flere separate statorer på samme aksling

-Man kan benytte DFPMSG konseptet i anlegg med flere maskiner der en maskin er omformermatet og de øvrige er direktekoblet

-Man kan benytte dobbelmating for å minimere tap i systemet

Oppfinnelsen muliggjør at man kan erstatte en vanlig synkronmaskin med en dobbeltmatet permanentmagnetisert synkronmaskin.

Claims

1. Framgangsmåte for drift av en permanentmagnetisert synkronmaskin, hvor det nyttes en omformer for tilkobling til nettet, karakterisert ved at matingen skjer både direkte og over en omformer med en effekt som er betydelig lavere enn totaleffekten.

2. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at omformereffekten er under ca.

50% av totaleffekten.

3. Framgangsmåte i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den omformerstyrte delen benyttes alene eller som startmaskin for anlegget.

4. Framgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1 til 3, karakterisert ved at den omformerstyrte delen benyttes til å styre den aktive og reaktiv effektflyt og til frekvens styring.

5. Framgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 1 til 3, karakterisert ved at den omformerstyrte delen benyttes for å dempe ned transiente forløp på samme måte som dempeviklinger benyttes i klassiske synkronmaskiner.

6. Anordning ved anlegg med en permanentmagnetisert synkronmaskin (5), så som en motor eller en generator, med en omformer (4) for mating henholdsvis uttak av effekt, karakterisert ved at omformeren (4) er tilkoblet stator og er innrettet for å tilføre eller ta ut en effekt betydelig under maksimaleffekten, slik at direktekobling og omformerstyrt nettilkobling blir kombinert.

7. Anordning i samsvar med patentkrav 6, karakterisert ved at den permanentmagnetiserte maskinens (5) viklinger er delt i grupper, segmenter eller disker der en del av maskinen er tilkoblet omformeren (3) en annen del av maskinen kobles direkte til nettet med en nettilkoblingsdel (2).

8. Anordning i samsvar med patentkrav 6, hvor det finnes flere maskiner, karakterisert ved at en eller flere er omformerstyrte.

9. Anordning i samsvar med patentkrav 6, karakterisert ved at omformeren (3) er dimensjonert for under ca. 50% av totaleffekten.

10. Anordning i samsvar med patentkrav 7, karakterisert ved at den er innrettet for bruk av alle viklingene mot dobbeltmatingen (Figur 3).