NO347394B1 - System for å drive elektriske motorer - Google Patents

Description

SYSTEM FOR Å DRIVE ELEKTRISKE MOTORER

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for å drive elektriske motorer, særlig for kontroll av rotasjonshastighet og kraft i tunge maskiner, for eksempel på propeller på skip.

Miljø og klima er viktige aspekter som må vurderes på de fleste områder i dag. Dette er særlig viktig innen industri og transport ved å vurdere reduksjon i forbruk av elektrisk energi og drivstoff, og utslipp som kan skade miljøet. Det er et formål ved den foreliggende oppfinnelsen å presentere en løsning som bidrar til effektiv utnyttelse av energi i store maskiner og ved drift av maskiner på en energieffektiv måte ved bruk av komponenter og sammensetningen av disse slik at start, stop og drift av maskinene foregår ved effektiv bruk av energi som igjen reduserer miljøskadelige utslipp.

Eksisterende løsning for håndtering av dette er diskutert US8648553 og US9614464, som beskriver et system for effektiv kraftregulering av en propell, turbin eller andre roterende maskiner, i tillegg til US9923431 og US8519662, der myk start og kontroll av systemene med et antall elektriske maskiner blir diskutert. US2015/333686 beskriver bruk av et strømkontrollsystem som måler strømfaser for å kontrollere en roterende maskin, og EP2963806 beskriver styring av en konverter som bruker et 6-trinns kontrollsystem.

Et problem i forhold styring av flere maskiner er relatert til avbrytelser og ikkekontinuerlige endringer i kraftforsyningene. Dette blir løst i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som er angitt som spesifisert i de vedlagte kravene.

Som det fremgår av kravene er det tilveiebrakt et system som er egnet til sømløse skifter mellom operasjonsmodi for eksempel i motorer, viklinger og gir i et drivsystem / prosessmaskin

Dette er oppnådd ved måling av spenning, frekvens og faserekkefølge i AC-kraftforsyningen og justering av driverstrømmen som er forsynt til motorene før kobling og frakobling av de forskjellige bryterne som styrer kraft til motorene.

Den foreliggende oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Fig. 1 illustrerer en første utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 2-7 illustrerer ytterligere utførelser av oppfinnelsen.

Som illustrert i figur 1 er den foreliggende oppfinnelsen relater til et trefase AC nettverk brukt for å kontrollere en elektrisk motor M1 tilkoblet nettverket med en kobling F1, for eksempel for å drive en propell P. Propellen vil fortrinnsvis være en propell med kontrollerbar pitch (controllable pitch propeller – CPP) vinkelen på propellens stigning, og dermed lasten på motoren, kan justeres trinnløst via en aktuator OD .

En frekvensomformer FC for til- og frakobling til AC-nettverket er innrettet til å kunne forsyne en trinnløs rotasjonshastighet ved hjelp av sin variable utgangsfrekvens til motoren M1 og er koblet i parallelt med en første bryter S4 mellom AC-nettverket og motoren. Frekvensomformeren FC kan kobles til AC-nettverket via en andre bryter S0, som vil være tilkoblet når frekvensomformeren er i bruk og som eventuelt kan erstattes av en bryter i frekvensomformeren. Via første og andre bryter S4,S0 er det dermed mulig å koble AC-nettverket direkte, via den første bryteren S4, og/eller via frekvensomformeren FC til motoren M1 (forutsatt at enten S1 eler S2 er aktivert).

De parallellkoblede enhetene, dvs frekvensomformer og den første bryteren er koblet til forskjellige viklinger , (LM), H i motoren M1 med en første og en andre motorstrømbrytere S1,S2 for derved å gi forskjellige kontrollerte hastigheter. Systemet inkluderer også en kontrollenhet CU koblet til et styrepanel OPER, f.eks skipsbroen, for å kunne styre systemet via kontrollenheten CU, deriblant frekvensomformeren, den første bryteren S4 og motorstrømbryterne S1,S2, samt eventuelt den parallellkoblede thyristorkretsen T. På den måten vil kontrollenheten kunne velge hvilke av de parallellkoblede enhetene, frekvensomformeren, den første bryteren, hvilke viklinger i motoren som skal brukes osv, for å styre motoren M1.

Figur 1 inkluderer også i henhold til oppfinnelsen en synkroniseringsenhet SU som er forsynt med sensorer som måler volt (A), frekvens (B) og faserekkefølge (C) på kraften forsynt fra trefasenettet ved koblingen F1, og er koblet til frekvensomformeren FC for å gi signaler tilsvarende disse målingene til frekvensomformeren, og der frekvensomformeren er innrettet til å styre AC-signalet levert til motoren M basert på dette.

Dersom kontrollenheten CU ber systemet skifte mellom frekvensomformeren FC, den første bryteren S4 og eventuelt thyristoren T kan frekvenskontrolleren på sin utgang justere spenning, frekvens og fase tilpasset til nettverkets spenning, frekvens og fase (A,B,C) slik at denne overgangen går sømløst når bryterne slås over. Med andre ord vil frekvensomformeren sørge for at utgangen fra frekvensomformeren FC i det vesentlige tilsvarer de målte parameterne fra AC-nettverket slik at motoren ikke merker en overgang fra frekvensomformeren til den direkte koblingen via den første bryteren S4.

Ifølge oppfinnelsen slik den er illustrert i figur 1 vil dermed frekvensomformeren FC kunne styres av kontrollenheten CU til å operere på en av følgende måter:

A : FC koblet direkte til motoren vil frekvensomformeren trinnløst kunne styre turtall på elmotor M fra null og til sitt maksimale turtall. Gitt et fast eller variabelt pådrag i kontrollerbar pitch propell (CPP), eller tilsvarende mekanisk arrangement i maskinen som skal reguleres, vil effekten som maskinen yter eller leverer være bestemt av Produktet av Turtall og CPP pådrag. Er turtall null blir også effekt null, og er CPP nullstilt – blir også effekten null.

B: Overføre last uten større transiente strømtrekk i fra FC til bryter S4 eller alternativt til T, og motsatt vei tilbake etter behov. Basert på nøyaktig måling av parameter A, B og C, som omformer FC styrer seg inn etter. Overføring av last skjer bare når FC via synkroniseringsenheten SU ser at A, B, og C er samsvarande med pådraget (spenning, frekvens og faserekkefølge) som den sjølv gir ut til motor M1 slik at motoren ved overføring til bryteren S4 ikke opplever forskjell i de gitte parameterne under skiftet.

C: FC kan også fase seg inn på motoren som er i drift via S4 og enten S1 (M) eller S2 (H) for så å endre driftsmodus frå fast gitt turtall (H eller M), til styrt turtall via frekvensen styrt ut frå FC.

I figur 1 er det videre vist en tilleggsopsjon med tilkoblingen av en thyristor parallelt med første og andre bryter (med frekvenskontroller FC) som gir følgende tilleggsfunksjonaliteter:

D: Thyristoren T overta om brytar S4 feiler. Thyristoren vil da kunne operere som statisk bryter av last.

E : Om frekvensomformeren FC skulle feile vil thyristoren T kunne akselerere motoren M1 forsiktig til sitt nominelle turtall og få prosessmaskineriet opp i normal drift. Effekt blir da regulert ved hjelp av aktuatoren OD mellom 0 og /-100 % last.

Turtallet i motoren M1 kan være regulert i trinn igjennom valg av vikling-poltall i motorene og/eller valg av hvilken elmotor som blir koblet inn dersom flere motorer er tilkoblet.

Oppfinnelsen kan dessuten være forsynt med gir G med minst ett valgbart utvekslingsforhold, også dette i trinn. Ved å velge en av de tilgjengelige girutvekslingene, kan turtall på propell reguleres i trinn, samt at utgående moment også blir optimalisert.

Kraftkildene som forsyner systemet kan også kontrolleres til å levere variabel Frekvens, for eksempel som angitt i tegningene i området 40 til 70 Hz med AC-spenning i området 380-440 V (eller andre egnede spenningsnivåer. Denne variasjonen kan, som nevnt over, dermed fanges opp av synkroniseringsenheten SU som styrer frekvenskontrolleren.

Variabel forsyningsfrekvens vil dermed påvirke turtallet på prosessmaskinene P når for eksempel bryterne S2 eller S4 er aktiverte, dvs at elmotor M1 er matet direkte uten frekvensomformerens FC omforming fra matenettet.

Forsyningsfrekvensen vil i dette tilfellet dermed fungere delvis på samme måte om motor M1 er styrt via frekvenskontrolleren FC.

Som nevnt kan i tillegg bruk av variabel stigning CPP på prosessmaskinen/propellen P regulere generert og forbrukt effekt trinnløst.

Avhengig av propellens eller prosessmaskinen sin utforming, kan energiopptak og avgitt ytelse også reguleres internt i maskinen gjennom å kontrollere eksempelvis bladvinkel/stigning på skovler/ propellblad. (Pitch regulering) . Enkelte maskiner vil kun regulere innenfor en positiv effektkurve, gjerne fra 0-100 % , mens andre maskintyper kan reguleres fra -100 % via Null, og til 100 % ytelse på denne måten, gitt at maskina då går med nominelt turtall.

Operasjonspanelet OPER kan gi kommando om alternative moder systemet kan opererer i, for eksempel en eller flere av de ovennevnte, avhengig av hvor mange viklingssystem som måtte være i valgte elmotor M1, M2 , M3 etc, med tilhørende brytere og lignende som illustrert i figurene 2-7.

Ved en vikling i M1, vil det være to moder L-M der systemet opererer via bare FC og bryter S1,

Ved to viklinger i M1, slik som angitt i figur 1, vil der være minst to moder som kan drives av FC og/eller den andre bryteren S4, via bryterne S1 og S2.

Ved tre viklinger, som i fig 3 der vinklingene er plassert i to motorer M1,M2 koblet til samme CPP, vil der være minst 4 moder som systemet kan operere i.

Fordelene med systemet er å oppnå effektiv drift, med minimale elektriske tap, minimalt med elektriske forstyrrelser og kompakte byggemål. En vil dermed oppnå et robust system med lang økonomisk levetid.

Redundans er også en viktig fordel med systemet. En eller flere feil vil ikke gjøre maskineriet kraftløst, men kan for eksempel, dersom frekvensomformeren svikter, kjøres via den første bryteren S4, og med støtte fra pitchkontrollen i CPP.

Fig 1 viser systemet med en fysisk elektromaskin (Motor eller generator CPP) primært av asynkron type. I denne konfigureringa vil systemet kunne ha disse operasjons/effektmodusene:

LAV: Turtall er regulert av FC aleine, ved at S0+S1 er aktiviserte, og S4 og T passive.

Effekt blir et produkt av variabelt turtall og CPP pådrag i prosent.

Maks effekt er gitt av kapasiteten til FC, S1, S0 og vikling M.

Alternativt kan FC+S0+S2 benyttes. Det kan gi rom for et høyere effektuttak gjennom vikling H, som er dimensjonert for inntil 100 % effekt.

MEDIUM: Turtall er gitt av bruken av motorvikling M – Medium turtall.

Effekt er regulert av CPP alene. Konstant redusert turtall gitt av poltall i M. Maks effekt er gitt av kapasiteten til S1, S4 og vikling M.

HØY: Turtall er gitt av bruken av motorvikling H – Høyeste turtall.

Effekt er regulert av CPP alene. Konstant fullt turtall gitt av poltall i H .

Maks effekt er gitt av kapasiteten til S2, S4 og vikling H.

Viklingene H og M kan i dette systemet for eksempel være H: 4 polet 1800 RPM og M : 6 polet 1200 RPM .

Som nevnt ovenfor er thyristoren T en opsjon. Ved å ta i bruk Thyristorenheten T fell den inn under ei vurdering om ekstra redundans, siden denne kan erstatte FC og S4 i en nødssituasjon.

Fig 2 viser systemet med to fysiske elektromaskiner (Motor eller generator) primært av asynkron type der den første maskinen M1 har to viklinger M,H og den andre maskinen M2 har en vinkling L som gir lavt turtall. Maskinene M1, M2 er koblet til en aksling og via et gir G til propellen P.

I figur 2 er frekvenskontrolleren, den andre bryteren og eventuelt thyristoren, koblet via motorkraftbryterne S1 og S2 til den første motoren. I tillegg er den andre motoren koblet til disse via en tredje motorkraftbryter S5, og det er tilveiebrakt en bryter S6 som kan skille frekvenskontrolleren og den andre motoren fra den andre bryteren, thyristoren og den første motoren.

Frekvenskontrolleren koblet via en første motorkraftbryteren S1 til den andre bryteren S4. I tillegg kan det, som i figur 1, være koblet en thyristor T.

I konfigureringen i figur 2 vil systemet kunne ha disse operasjons/ effektmodene

LAV: Turtall er regulert av FC aleine, ved at FC S5 er aktiviserte, og S1, S2, S4, S6 og T passive.

Effekt vert eit produkt av variabelt turtall og CPP pådrags %

Maks effekt er gitt av kapasiteten til FC, S5, og vikling i M2.

Tre forskjellige alternativer for L (lav) modus vil da kunne brukes der: L: S5, L(M), som kobler FC til en L vinkling på M2, S6+S1 som også kobler M viklingen på M1 til FC, og L(H), og S6+S2 som kobler FC til H viklingen på M1.

MEDIUM: I dette tilfellet er turtall gitt av bruken av motorvikling M – Medium turtall i M1.

Effekt er regulert av CPP alene den første bryteren S4 er direkte koblet F2 til AC-nettverket og FC dermed ikke er koblet inn til vikling M.

Konstant redusert turtall gitt av poltall i M i M1.

Maks effekt er gitt av kapasiteten til S1 og vikling M , samt CPP % pådrag

Boost funksjon M : For å auke effekt kan M1 nyttast slik at den via momentregulering i FC trykker på med effekt via M2 medan M1 køyrer sitt faste turtall. Maks effekt er gitt av summen av M2 og M1(M vikling)

HØG: Turtall er gitt av bruken av motorvikling H – Høgaste turtall i M1.

Effekt er regulert av CPP aleine siden FC ikke er tilkoblet. Konstant fullt turtall gitt av poltall i H .

Maks effekt er gitt av kapasiteten til S2 og vikling H, samt CPP % pådrag.

Boost funksjon H : For å auke effekt kan M1 nyttast slik at den vha momentregulering i FC trykker på med effekt via M2 medan M1 køyrer sitt faste turtal. Maks effekt er gi gitt av M2 M1(H vikling) , samt CPP % pådrag.

I figur 3 vises en alternativ konstellasjon tilsvarende figur 2, der motorene M1 og M2 har en annen kobling til propellen. Dette gir en bedre redundans siden motorene M1, M2 er uavhengig av hverandres akslinger.

Figur 4 viser et tilsvarende system som i figur 2, der en gassturbin GT er koblet direkte til propellen CPP via gearet G. Turbinenog dens bidrag styres sammen med det øvrige systemet av kontrollenheten CU.

Figur 5 er medium viklingen i motoren M1, og tilhørende bryter S1, erstattet med et girsystem med minst to styrbare clutcher , CL1, CL2,CL3.

Figur 6 viser et system tilsvarende systemet i figur 3, men forsynt med en ytterligere motor M3, koblet via tilhørende brytere S1B og S2B, S4B via koblingen F3 til AC-nettverket.

Figur 7 tilsvarer figur 1, men omfatter i tillegg en egen L-vikling som er rekonfigurerbar fra vikling H. L utgjør halve turtallet av H når den er rekonfigurert via bryterne S3 og S3B. Utførelsen i Fig 7 får da totalt tre valgbare turtall fra en elektrisk maskin M1.

For å oppsummere angår dermed den foreliggende oppfinnelse et kraftforsyningssystem for styring av roterende maskiner, særlig tunge maskiner som motorer på skip. Systemet inkluderer minst en motor (M) drevet av et trefase AC kraftforsyningssystem eller AC nettverk, der systemet omfatter en frekvenskontroller (FC) konfigurert til å levere kraft med en trinnløs frekvens til motoren for å gi trinnløs kontroll over rotasjonshastigheten til motoren.

Systemet omfatter også en første bryter (S4) koblet i parallell med frekvenskontrolleren til AC nettverket og til motoren, og en hovedkontroller koblet til frekvenskontrolleren og den første bryteren.

Systemet omfatter dessuten en synkroniseringsenhet (SU) koblet til AC nettverket konfigurert til å måle valgte parametere ved dette, inklusive spenning (A), frekvens (B) og fasesekvens (C) for AC-nettverket, der synkroniseringsenheten er koblet til frekvenskontrolleren. Frekvenskontrolleren er innrettet å synkronisere kraften forsynt til motoren til parameterne A,B,C før til eller frakobling av de parallelt koblede enhetene FC,S4.

Systemet omfatter også en hovedkontroll som også er tilkoblet minst ett girsystem koblet til motoren. Systemet kan også omfatte en tyristor T som er koblet parallelt med nevnte frekvenskontroller og første bryter og er koblet til hovedkontrollen.

Driften av systemet ifølge oppfinnelsen kan dermed omfatte trinnene:

- avføling av spenning, frekvens og fasesekvens i AC-nettverket,

- justere utgangssignalet fra frekvensomformeren slik at det samsvarer med de målte parametrene,

- omkobling av bryterne til de parallelt koblede enhetene.

SYMBOLFORKLARINGER :

OPER Styrepanel for kraft og turtall

A Sensor for måling av spenning i Volt

B Sensor for måling av frekvens på nett ( i Hz )

C Sensor for måling av faserekkefølge i trefase nettet

SU Synkroniseringsunit

D Signal som formidler måleverdien av A,B,C fra SU til enhet FC FC Frekvensomformer av generell type – kjent teknikk

CU Kontrollenhet, med tilhørende software

F1 – F5 Strømbryter med overlastvern

S1 – S12 Strømbryter, styrt

T, T1 – T4 Thyristorbro trefase styrt, fasesnitt, kjent teknikk

M, M1 – M4 Elektromotor (eller generator) med minst en vikling

L , M, H Viklinger i motor, Lav , Medium og Høyt , med sine ulike poltall OD Aktuator som styrer pitch vinkel på propell

CL, CL1,CL2, CL3 Clutch – fjernstyrt eller automatisk

G Girutveksling , girkasse

GT Turbin, gassturbin eksempelvis

CPP justerbar bladvinkel eller lastkarakteristikk

P Prosessmaskin, propell

Claims (4)

Patentkrav

1. Kraftforsynings-system for styring av roterende maskiner, særlig tunge maskiner som skip, der systemet inkluderer minst en motor (M) drevet av et trefase AC kraftforsyningsnettverk, der systemet omfatter en frekvenskontroller (FC) konfigurert til å levere kraft med en trinnløs frekvens til motoren for å gi trinnløs kontroll over rotasjonshastigheten til motoren, der systemet også omfatter en første bryter (S4) koblet i parallell med frekvenskontrolleren til AC nettverket og til motoren, og en hovedkontroller koblet til frekvenskontrolleren og den første bryteren,

der systemet også omfatter en synkroniseringsenhet (SU) koblet til AC nettverket konfigurert til å måle valgte parametrer ved dette, inklusive spenning (A), frekvens (B) og fasesekvens (C) for AC-nettverket, der synkroniseringsenheten er koblet til frekvenskontrolleren, som er innrettet å synkronisere kraften forsynt til motoren til parametrene A,B,C før til eller frakobling av de parallelt koblede enhetene FC,S4.

2. Kraftforsyningssystem ifølge krav 1, der hovedkontrollen også er tilkoblet minst ett girsystem koblet til motoren.

3. Kraftforsyningssystem ifølge krav 1, der en tyristor T også er koblet parallelt med nevnte frekvenskontroller og første bryter og er koblet til hovedkontrollen.

4. Fremgangsmåte for styring av et kraftforsyningssystem ifølge krav 1, hvori fremgangsmåten inkluderer trinnene:

- avføling av spenning, frekvens og fasesekvens i AC-nettverket,

- justere utgangssignalet fra frekvensomformeren slik at det samsvarer med de målte parametrene,

- omkobling av bryterne til de parallelt koblede enhetene.