專利名稱：啟動由電力轉(zhuǎn)換器通過公共交流母線供電的多臺交流電動機的方法和系統(tǒng)的制作方法
啟動由電力轉(zhuǎn)換器通過公共交流母線供電 的多臺交流電動機的方法和系統(tǒng)
本發(fā)明涉及啟動由電力轉(zhuǎn)換器通過公共交流母線供電的至少兩臺交 流電動機的方法和系統(tǒng)。
當(dāng)啟動諸如同步和感應(yīng)電動機等交流電動機時，^^抽取大電流。該啟 動電流通常是電動機的額定電流的五倍。如果公共交流母線給幾臺電動機 供電，該公共交流母線轉(zhuǎn)而由電力轉(zhuǎn)換器供電，則該轉(zhuǎn)換器的電流容量 必須至少與所有已經(jīng)運行的電動機的額定電流加上最后啟動的電動機的 啟動電流的和一樣大。該電流容量值假定電動機僅一臺接另一臺地啟動， 而不是同時啟動多臺。如果同時啟動多于一臺的交流電動機，則轉(zhuǎn)換器的 電流容量當(dāng)然必須更高。
例如從生產(chǎn)石油或燃?xì)獾碾x岸平臺已知有用于幾臺交流電動機的/> 共交流母線。這樣的平臺配備有需要幾千伏供電電壓的龐大的壓縮機和 泵。越來越多的離岸平臺從岸上接收其電能供應(yīng)，而不是使用燃?xì)廨啓C或 柴油發(fā)電機來在平臺上直接產(chǎn)生電能供應(yīng)。來自岸上的電能通常由高壓直
流(HVDC)傳輸系統(tǒng)提供，其中海岸電力轉(zhuǎn)換器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流 電壓，該直流電壓通過海底直流電纜傳輸?shù)狡脚_上，并被離岸電力轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為交流電壓。從離岸電力轉(zhuǎn)換器輸出的交流電壓被提供給交流母線， 即具有一個或多個相位的交流線路。平臺上的壓縮機和泵的驅(qū)動單元，即 同步和感應(yīng)電動機，直接連接到交流母線而沒有中間的電力變化或轉(zhuǎn)換。 如果這些電動M啟動，則交流母線上的電流不應(yīng)該超過離岸電力轉(zhuǎn)換器 的電流容量。
為了安全可靠， 一種可能性是提供具有更高電流容量的電力轉(zhuǎn)換器。 然而，由于更高的成本和更龐大而沉重的裝備，這種過高的配置是不合需 要的。在設(shè)計離岸平臺時，重量因素起尤其重要的作用。
一種減小更大的三相交流電動機的啟動電流的已知方案是所謂的Y 形啟動-A形運行的方法，其中電動機線圉在啟動期間是Y形連接的，之 后是A形連接的。Y形連接與厶形連接相比使用的電壓較小。與線路電壓 相比，所述電壓的電平總是減少了相同的倍數(shù)(1.732)。這意味著如果電壓太小以致無法產(chǎn)生電動機所需的啟動扭矩，就不可能進(jìn)行校正。除此之
外，還需要附加的切換裝置，并且在從Y形連接改變到厶形連接期間產(chǎn) 生切換電流。
在感應(yīng)電動機的情況下應(yīng)用的另一種方案是安裝諸如啟動電容器等 的額外設(shè)備。這同樣會增加成本。
本發(fā)明的目的是提供一種方法和系統(tǒng)，使用該方法和系統(tǒng)能夠以較低 的啟動電流來啟動由電力轉(zhuǎn)換器通過公共交流母線供電的至少兩臺交流 電動機。
該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求l的方法和根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)來實現(xiàn)的。
本發(fā)明基于對以下事實的認(rèn)識，即在交流電動機啟動期間產(chǎn)生的電流 主要是無功電流。因此，本發(fā)明是基于在啟動過程中##系統(tǒng)中的無功功 率的基本思想。
所提出的方案要求交流電動機中的至少一臺是電勵磁的同步電動機，
在由同步發(fā)電機產(chǎn)生電壓的情況下，現(xiàn)有技術(shù)中已知控制發(fā)電機的勵 磁線閨的電壓以使發(fā)電機的端電壓保持恒定。通過改變勵磁，即勵磁電流， 迫使良電機產(chǎn)生或消^it當(dāng)量的無功功率以保持端電壓。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在將這種控制無功功率產(chǎn)生和消耗的能力應(yīng)用于同步 電動機，而不U電機。因此，公共交流母線上的交流電動機中的至少一 臺必須是同步電動機。所述至少一臺同步電動機首先啟動。然后確定電力 轉(zhuǎn)換器的無功功率。# 據(jù)該無功功率，確定同步電動機的勵磁電流或勵磁 電壓的增大量，其中線性依賴于該無功功率來計算該增大量。然后將增大 的勵磁電流或勵磁電壓施加到同步電動機的勵磁電路。在根據(jù)本發(fā)明的系 統(tǒng)中，由控制所述至少一臺同步電動機的勵磁電路的第一控制單元來執(zhí)行 該方法。根據(jù)電力轉(zhuǎn)換器的無功功率來控制至少一臺同步電動機的場勵 磁，保證了從轉(zhuǎn)換器提供的無功功率的增大量直接被同步電動機的勵磁的 增大量所補償，從而由電動機產(chǎn)生了更多的無功功率。因此，用于啟動其 他交流電動機的無功電流由同步電動機部分地提供，這允許減小轉(zhuǎn)換器的 額定電流。這轉(zhuǎn)而節(jié)省了重量、安裝空間和成本。
在多于一臺的同步電動機連接到公共交流母線的情況下，僅其中一臺或多臺或全部被用于無功功率產(chǎn)生和消耗。在任一情況下，關(guān)鍵是所述一 臺或多臺同步電動機的額定功率足以提供對于連接到公共交流母線的所 有交流電動機而言足夠的無功功率。
連接到公共母線的交流電動機可以是單相電動機或多相電動機。優(yōu)選 為三相電動機。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，確定電力轉(zhuǎn)換器的輸出電流，并且當(dāng) 輸出電流到達(dá)第一預(yù)定水平時，減小電力轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。優(yōu)選地，由 控制電力轉(zhuǎn)換器的輸出的第二控制單元執(zhí)行這個額外的控制功能。不過當(dāng) 然也可以將第一和第二控制單元的功能集成到一個控制單元中。根據(jù)電力 轉(zhuǎn)換器的輸出對電力轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行的控制，為電力轉(zhuǎn)換器帶來了 電流限制，從而保證了在不抽取過多電流的情況下啟動交流電動機。這提 供了不會超過電力轉(zhuǎn)換器的電流限制的額外保護(hù)。
作為對減小輸出電壓的替代，或者作為對減小輸出電壓補充，當(dāng)電力 轉(zhuǎn)換器的輸出電流達(dá)到第二預(yù)定水平時，可以減小電力轉(zhuǎn)換器的輸出頻 率。^il據(jù)電力轉(zhuǎn)換器的電氣特性，可以將第一和第二預(yù)定電流水平選擇為 具有相同的值。
在一個特定實施例中，僅在所述至少兩臺交流電動機中的其余電動機 的啟動過程期間，應(yīng)用控制同步電動機的勵磁的方法，即在交流電動機的 正常工作模式期間，同步電動機不產(chǎn)生額外的無功功率?？梢酝ㄟ^特定信 號向第一控制單元傳達(dá)啟動過程的開始和/或結(jié)束。
現(xiàn)在參照附圖舉例描i^^發(fā)明，在附圖中
圖l示出了現(xiàn)有技術(shù)中已知的控制同步發(fā)電機的輸出電壓的示意圖2示出了具有由電力轉(zhuǎn)換器供電的、在公共交流母線上的三臺交流 電動機的系統(tǒng)的示意圖3示出了在不進(jìn)行無功功率控制的情況下順序啟動的兩臺同樣大 的同步電動機的模擬結(jié)果；
圖4示出了在進(jìn)行無功功率控制的情況下順序啟動的兩臺同樣大的 同步電動機的模擬結(jié)果。


圖1示出了同步發(fā)電機SG，其勵磁電路1連接到控制單元4。同步 發(fā)電機SG向交流母線2提供交流電壓v以便向負(fù)栽3供電?？刂茊卧? 接收供電電壓5，控制單元4調(diào)整該供電電壓5，然后將其作為磁化或勵磁電壓6施加于勵磁電路1。第一控制單元4確定勵磁電壓6的調(diào)整，使 得交流母線電壓v保持在恒定電平。
在圖2中，示出了都連接到同一公共交流母線7的同步電動機SM和 兩臺感應(yīng)電動機IM的示意圖。從電力轉(zhuǎn)換器8向交流母線7提供電壓， 其中電力轉(zhuǎn)換器8將直流電壓9轉(zhuǎn)換為交流電壓10。同步電動機SM具 有由第一控制單元13控制的勵磁電路11。第一控制單元13也接收供電 電壓14。第一控制單元13調(diào)整供電電壓14,然后將其作為厲力磁電壓12 施加于勵磁電路ll。
在該示例中，假設(shè)三臺交流電動機中的每一臺在啟動期間抽取等量的 電流以及在正常工作期間抽取等量的額定電流。假定啟動電流是5每單位 (pu)額定電流(即5倍于額定電流)。額定電^^目應(yīng)地是lpu。 一旦啟 動了所有電動機，則抽取3pu電流。還假定這三臺交流電動機是一臺接另 一臺啟動。在最后一臺電動機的啟動期間，抽取了來自已經(jīng)運行的電動機 的2pu電流加上啟動中的電動機的5pu電流。因此，電力轉(zhuǎn)換器8需要 具有7pu電流的電流容量。
圖2示出了如何應(yīng)用本發(fā)明。根據(jù)對電壓和/或電流的測量來確定電 力轉(zhuǎn)換器8的無功功率Q，并且將該無功功率Q傳ii^第一控制單元13。 該傳達(dá)可以由任何合適的通信裝置(諸如無線技術(shù)或電纜或光纖等)來執(zhí) 行。根據(jù)該無功功率Q，第一控制單元13按照關(guān)系式v產(chǎn)Vfo+k'Q來確 定增大的勵磁電壓Vf，其中k是正的常數(shù)。
或者，可以根據(jù)i產(chǎn)ifo+m . Q來確定勵磁電流if，其中m是正的常 數(shù)，然后根據(jù)勵磁電流if以及場勵磁電路ll的已知電M來確定最終得
到的勵磁電壓Vf。勵磁電壓的基值Vfo和勵磁電流的基值ifo表示在同步電
施加的場勵磁。選擇的常數(shù)k和m越大，同步電動機SM就越快地通過 產(chǎn)生無功功率來對電力轉(zhuǎn)換器8的無功功率增長作出^JL。
現(xiàn)在，在啟動所述三臺交流電動機期間抽取了以下電流。當(dāng)應(yīng)該總是 首先啟動的同步電動機SM被啟動時，抽取了5pu電流。然而，當(dāng)下一臺 電動機IM被啟動時，同步電動機SM提供所需的無功功率，從而理想情 況下僅抽取2pu電流。但是即使同步電動機SM沒有產(chǎn)生向第二電動機 IM提供無功啟動電流所需的全部無功功率，也會抽取顯著少于通常的 6pu (lpu加5pu)的電流。如果第三電動機IM被啟動，則理想情況下 電力轉(zhuǎn)換器8僅需要提供3pu電流。在本示例中，假定同步電動機SM能夠產(chǎn)生用于啟動其他兩臺交流電動機IM所必須的無功功率總量。因此， 電力轉(zhuǎn)換器8的電流容量減少到5pu電流，即，由首先啟動的同步電動機 SM抽取的電流量。
為了保證電力轉(zhuǎn)換器8的電流不超過預(yù)定限制，第二控制單元15控 制輸出電壓(Uc)和輸出頻率(fc )，使得當(dāng)電力轉(zhuǎn)換器8的輸出電流(ic )， 即交流母線7中的電流，超過了預(yù)定限制(ilim)時減小輸出電壓(Uc)和 輸出頻率(fe)。在本示例中，將該預(yù)定限制選擇為5pu電流，從而電力 轉(zhuǎn)換器絕不會超過它的電流容量。
在圖3中，示出了連接到同一交流母線的兩臺同樣大的同步電動機的 順序啟動的模擬結(jié)果，其中由電力轉(zhuǎn)換器向交流母線供電。第一臺電動機 在零秒啟動，而第二臺電動機在3.2秒之^后啟動，這可以從電動fcUL中 看出來。啟動之后，在正常工作M下，電動機中的每一臺抽取lpu電流。 在啟動期間電動機中的每一臺抽取平均為5pu、最大約為7pu的電流。因 此，當(dāng)?shù)诙_電動機被啟動時，由這兩臺電動機一起抽取的總電流接近 8pu。
圖4圖示了同樣的兩臺同步電動機的順序啟動，但是在根據(jù)電力轉(zhuǎn)換 器的無功功率來調(diào)整首先啟動的同步電動機的勵磁電壓的情況下。假定電 力轉(zhuǎn)換器具有5pu電流的電流容量。才艮據(jù)圖4可見，調(diào)整了首先啟動的同 步電動機的勵磁電壓，從而在第二電動機的啟動期間，總電流僅為平均 2pu，絕不會超過5pu的絕對限制。
權(quán)利要求
1.一種啟動由電力轉(zhuǎn)換器(8)通過公共交流母線(7)供電的至少兩臺交流電動機(SM，IM)的方法，其特征在于，-啟動作為所述至少兩臺交流電動機(SM，IM)之一的同步電動機(SM)，-確定所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的無功功率(Q)，-確定所述同步電動機(SM)的勵磁電流(if)或勵磁電壓(vf)的線性依賴于所述電力轉(zhuǎn)換器(8)中的所述無功功率(Qc)的增大量，-將增大的勵磁電流(if)或勵磁電壓(vf)施加到所述同步電動機(SM)的勵磁電路(11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括以下步驟確定所述電力轉(zhuǎn)換 器(8)的輸出電流(U，當(dāng)所述輸出電流(ic)達(dá)到第一預(yù)定限制(iIim) 時減小所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的輸出電壓(Uc)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括以下步驟當(dāng)所述輸出電流(U 達(dá)到第二預(yù)定限制(iUm)時減小所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的輸出頻率(fc)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法僅在所 述至少兩臺交流電動機(SM, IM)中的其余電動機(IM)的啟動期間 應(yīng)用。
5. —種系統(tǒng)，包括至少兩臺交流電動機(SM， IM)、公共交流母線 (7)、電力轉(zhuǎn)換器(8)以及第一控制單元(13)，其中所述至少兩臺交流電動機(SM， IM)由所述電力轉(zhuǎn)換器(8)通過所述公共交流母線(7) 供電，其特征在于，所述交流電動機(SM， IM )中的至少一臺是電勵磁同步電動機(SM),所述第一控制單元(13 )控制所述同步電動機(SM )的勵磁電路(11),所述第一控制單元-啟動所述同步電動機(SM)，-確定所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的無功功率(Q)，-確定所述同步電動機(SM)的勵磁電流(if)或勵磁電壓(Vf) 的線性依賴于所述電力轉(zhuǎn)換器(8)中的無功功率(Q )的增大量，-將增大的勵磁電流(if)或勵磁電壓(Vf)施加到所述同步電動機(SM)的所輛磁電路(11)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，包括控制所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的 輸出(Uc， ic， fc)的第二控制單元(15)，其中所述第二控制單元(15) 確定所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的輸出電流(ic)并且當(dāng)所述輸出電流(ic)達(dá) 到第一預(yù)定限制(ilim)時減小所述電力轉(zhuǎn)換器(8)的輸出電壓(iic)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述輸出電流(ic)達(dá)到第 二預(yù)定限制(iIim)時，所述第二控制單元(15)減小所述電力轉(zhuǎn)換器(8) 的輸出頻率(fc)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩臺交 流電動機(SM， IM)是三相交流電動機。
9. 根據(jù)前a利要求中任一項所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)是離岸設(shè)施的 一部分。
全文摘要
提出了一種方法和一種系統(tǒng)，用于啟動由電力轉(zhuǎn)換器(8)通過公共交流母線(7)供電的至少兩臺交流電動機(SM，IM)。首先啟動作為所述至少兩臺交流電動機之一的同步電動機(SM)。然后，確定電力轉(zhuǎn)換器(8)的無功功率(Q)。第一控制單元確定同步電動機(SM)的勵磁電流(i_f)或勵磁電壓(v_f)的線性依賴于電力轉(zhuǎn)換器中的無功功率(Q)的增大量。然后將增大的勵磁電流(i_f)或勵磁電壓(v_f)施加到同步電動機(SM)的勵磁電路。
文檔編號H02P1/58GK101627531SQ200780052110
公開日2010年1月13日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者倫納特·哈內(nèi)福什 申請人:Abb技術(shù)有限公司