Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Изобретение относится к устройству электропитания согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

Посредством подобного устройства электропитания, изменяемые по числу оборотов приводы, состоящие из электродвигателя и насоса или компрессора, на морском дне снабжаются энергией из электрической сети энергоснабжения на суше. Расстояние между вводом энергии и на суше и приводом на морском дне может составлять несколько сотен километров при морских глубинах в несколько километров.

Изменяемые по числу оборотов приводы для подводных применений используются, например, при добыче нефти и газа на морском дне. Эти изменяемые по числу оборотов приводы известным способом снабжаются энергией посредством двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока из электрической сети энергоснабжения.

Для реализации вентильных преобразователей переменного тока среднего напряжения, из публикации, озаглавленной “Stromrichterschaltungen für Mittelspannung und deren Leistungshalbleiter für Einsatz in Industriestromrichtern”, авторов Max Beuermann, Marc Hiller, Dr.Rainer Sommer, опубликованной в трудах ETG-конференции “Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendung” Bad Nauheim, 2006, известно несколько топологий вентильного преобразователя переменного тока. К этим топологиям вентильного преобразователя переменного тока (инвертора) относятся следующие вентильные преобразователи переменного тока: 3-уровневый с фиксированной нейтральной точкой (3L-NPC) c 12-импульсной диодной питающей схемой, 4-уровневый плавающий конденсатор (4L-FC) c 12-импульсной диодной питающей схемой, ячеистый инвертор с последовательно соединенными Н-мостами с 2-уровневыми Н-мостами на ячейку (SC-HB(2L)) и ячеистый инвертор с последовательно соединенными Н-мостами с 3-уровневым Н-мостом на ячейку (SC-HB(3L)).

Из публикации, озаглавленной “Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen” авторов Rainer Marquardt, Anton Lesnicar и Jürgen Hildinger, опубликованной в трудах ETG-конференции 2002, известен инвертор с выпрямителем переменного тока на стороне сети и на стороне нагрузки, которые электрически соединены между собой на стороне постоянного напряжения, причем в качестве выпрямителей переменного тока применяется соответствующий модульный многопозиционный выпрямитель переменного тока, также называемый модульным многоуровневым конвертором (М2С). Подобный двухзвенный вентильный преобразователь переменного тока с выпрямителем переменного тока на стороне сети и на стороне нагрузки по топологии М2С, по сравнению с уже описанными двухзвенными вентильными преобразователями переменного тока, больше не имеет промежуточного контура напряжения, построенного из конденсаторов промежуточного контура. Каждая ветвь вентилей каждого фазного модуля вентильного преобразователя переменного тока в М2С-топологии имеет по меньшей мере одну двухполюсную подсистему. Посредством количества применяемых подсистем в каждой ветви вентилей определяется ступенчатость фазного выходного напряжения.

Задачей устройства электропитания для подводных применений является снабжать энергией находящийся на морском дне двигатель изменяемого по числу оборотов привода от системы трехфазного напряжения, изменяемой по напряжению и частоте. При этом имеются различные основные формы выполнения.

На фиг.1 схематично представлен первый известный вариант устройства электропитания для подводных применений. На фиг.1 показаны двухзвенный вентильный преобразователь 2 переменного тока, электрический двигатель 4 привода, трансформатор 6 преобразователя переменного тока и питающая сеть 8 энергоснабжения. Двухзвенный вентильный преобразователь 2 переменного тока имеет выпрямители 10 и 12 переменного тока на стороне сети и на стороне нагрузки, которые электрически соединены между собой на стороне постоянного напряжения посредством промежуточного контура постоянного напряжения, который по причинам наглядности не изображен в явном виде. Выпрямитель переменного тока на стороне нагрузки, который предпочтительно является автономным импульсным выпрямителем переменного тока, посредством трехфазного кабеля 14 переменного тока соединен с двигателем 4. Кроме того, этот вентильный преобразователь 2 переменного тока содержит сигнальную электронику 16, которая на стороне входа посредством линии 18 передачи данных может быть соединена с выводами электродвигателя 4, поэтому этот кабель 18 передачи данных показан пунктиром, а на стороне выхода соединена с управляющими выводами автономного импульсного выпрямителя 12 переменного тока. В качестве трансформатора 6 выпрямителя переменного тока предусмотрен трансформатор с двумя вторичными обмотками 20 и 22, из которых вторичная обмотка 20 включена по схеме треугольника, а вторичная обмотка 22 - по схеме звезды. Так как первичная обмотка 24 также включена по схеме звезды, то только вторичная обмотка 20 имеет по отношению к первичной обмотке 24 угол сдвига 30^о. Первичная обмотка 24 соединена электрически с питающей сетью 8, в частности, с точкой 26 питания. В качестве выпрямителя 10 переменного тока со стороны сети предусмотрена диодная питающая схема, выполненная 12-импульсной. Это означает, что диодная питающая схема 10 имеет два трехфазных диодных моста, которые со стороны постоянного напряжения включены электрически последовательно. За счет 12-импульсной формы выполнения диодной питающей схемы 10 выбросы тока в питающей сети 8 незначительны. Это устройство электропитания для подводных применений размещается на суше или на платформе на море. Переход от суши или платформы к морю показан волнистой линией 30. Таким образом, на морском дне находится только привод, состоящий из двигателя 4 и насоса или компрессора. В части привода показан только двигатель 4.

Так как емкостная зарядная мощность кабеля 14 переменного тока устанавливает потребность в высокой реактивной мощности на двухзвенном вентильном преобразователе 2 переменного тока, то между вентильным преобразователем 2 переменного тока и двигателем 4 может предусматриваться лишь ограниченное расстояние. Кроме того, с этим вентильным преобразователем переменного тока невозможен привод множества двигателей. Каждый двигатель 4 должен быть связан посредством собственного кабеля 14 переменного тока с двухзвенным вентильным преобразователем 2 переменного тока.

На фиг.2 показано другое известное устройство электропитания расположенного на морском дне привода с изменяемым числом оборотов. Эта форма выполнения отличается от формы выполнения по фиг.1 тем, что кабель 14 переменного тока посредством трансформатора 32 связан с выходами автономного импульсного выпрямителя 12 двухзвенного вентильного преобразователя 2 переменного тока. Кроме того, этот кабель 14 переменного тока посредством второго трансформатора 34 соединен с выводами расположенного на морском дне электродвигателя 14. С помощью трансформатора 32 генерированное напряжение вентильного преобразователя переменного тока трансформируется в потенциал более высокий, чем потенциал номинального напряжения электродвигателя 4. После передачи этот потенциал вновь трансформируется в номинальный потенциал двигателя. За счет повышенного напряжения передачи возникают меньшие омические потери мощности. Кроме того, кабель 14 переменного тока может иметь меньшее поперечное сечение кабеля, за счет чего обеспечивается возможность более благоприятного расчета кабеля 14. За счет этого может перекрываться большее расстояние между вентильным преобразователем 2 переменного тока и двигателем 4, по сравнению с формой выполнения по фиг.1. Эти преимущества обеспечиваются за счет того, что требуются два трансформатора 32 и 34, причем трансформатор 34 на морском дне должен быть выполнен герметизированным. При энергоснабжении нескольких имеющихся на морском дне двигателей 4 для каждого дополнительного двигателя 4, наряду с дополнительным кабелем 14, должны также предусматриваться два дополнительных трансформатора 32, 34.

В другом варианте устройства электропитания расположенного на морском дне привода с изменяемым числом оборотов на морском дне размещается двухзвенный вентильный преобразователь 2 переменного тока с трансформатором 6 вентильного преобразователя переменного тока стороны сети согласно фиг.3, в непосредственной близости от электродвигателя 4 привода с изменяемым числом оборотов. На суше предусмотрен сетевой трансформатор 36, который на первичной стороне электрически соединен с сетью 8 энергоснабжения, в частности, с точкой 26 ввода энергии, а на вторичной стороне - с кабелем 14 переменного тока. За счет применения сетевого трансформатора 36 передаваемое переменное напряжение может трансформироваться на значение, которое лежит выше потенциала номинального напряжения электродвигателя 4. Это напряжение передачи вновь трансформируется с понижением посредством трансформатора 6 выпрямителя переменного тока.

В случае этого устройства электропитания лишь один трансформатор 36 размещается на суше или на находящейся в море платформе. Двухзвенный вентильный преобразователь 2 переменного тока находится теперь у двигателя 4 на морском дне, причем он может непосредственно связываться с двигателем 4. За счет этого рабочие характеристики привода улучшаются, причем теперь также вентильный преобразователь 2 переменного тока должен быть выполнен герметизированным. По сравнению с вариантом устройства электропитания согласно фиг.2, расстояние между точкой 26 ввода энергии и двигателем 4 не изменилось.

На фиг.4 схематично представлен вариант с множеством двигателей 4 устройства электропитания по фиг.3. Каждый двигатель 4 привода с изменяемым числом оборотов связан двухзвенным вентильным преобразователем 2 переменного тока с трансформатором 6 вентильного преобразователя переменного тока стороны сети. На морском дне кабель 14 переменного тока связан со сборной шиной 38 переменного тока, к которой подключены несколько приводов, питаемых вентильным преобразователем переменного тока. Кабель 14 переменного тока может на стороне нагрузки на морском дне быть снабжен другим трансформатором 40, который с вторичной стороны связан со сборной шиной 38 переменного тока. Так как этот дополнительный трансформатор 40 не является обязательно необходимым, он изображен пунктиром. С этим дополнительным трансформатором 40 сборная шина 38 переменного тока имеет потенциал ниже потенциала напряжения передачи, но выше потенциала номинального напряжения электродвигателя 4 привода с изменяемым числом оборотов. И в этом варианте расстояние между точкой 26 ввода энергии на суше и приводом на морском дне, как и в других вариантах по фиг.1-3, все еще является ограниченным. Кроме того, число частей установки на морском дне многократно увеличилось. Все части установки, которые размещены на морском дне, должны быть герметизированы, в особенности, должны размещаться в резервуаре высокого давления.

Из публикации ”Valhall Re-Development Project, Power from Shore” авторов Sverre Gilje, Lars Carlsson, опубликованной в “ENERGEX 2006”, известно устройство электропитания, которое платформу на море соединяет с точкой ввода энергии на суше. В качестве устройства электропитания предусмотрена известная установка передачи высоковольтного постоянного тока в версии “Light”. Эта установка HVDC-Light имеет два автономных импульсных преобразователя переменного тока, которые со стороны постоянного напряжения соединены между собой кабелем постоянного тока. Каждый из этих обоих автономных импульсных преобразователей переменного тока имеет на стороне переменного напряжения фильтр переменного тока, а на стороне постоянного напряжения - конденсатор и фильтр постоянного тока. Один автономный импульсный преобразователь переменного тока посредством сетевого трансформатора расположен в точке ввода энергии питающей сети на суше, в то время как второй автономный импульсный преобразователь переменного тока размещен на платформе на море. В качестве кабеля постоянного напряжения предусмотрен морской кабель, который имеет длину примерно 300 км. Между этими обоими выпрямителями переменного тока не требуется никакая коммуникация. На обоих концах кабеля постоянного напряжения требуется только значение постоянного напряжения. Выпрямительная станция на суше регулирует напряжение передачи, а выпрямительная станция на платформе регулирует эффективную мощность. Также в этом устройстве электропитания расстояние между точкой ввода энергии и платформой ограничено.

В основе изобретения лежит задача известное устройство электропитания усовершенствовать таким образом, чтобы расстояние между точкой ввода энергии на суше и приводом на морском дне стало существенно больше.

Эта задача решается в соответствии с изобретением и отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения.

За счет того что в качестве автономного выпрямителя переменного тока со стороны нагрузки устройства электропитания предусмотрен выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии, у которого верхняя и нижняя ветвь вентилей каждого фазного модуля имеет по меньшей мере две электрически последовательно включенные двухполюсные подсистемы, устройство электропитания согласно изобретению больше не имеет накопителя энергии в промежуточном контуре постоянного напряжения, так что теперь кабель постоянного тока, электрически соединяющий выпрямитель переменного тока со стороны сети и выпрямитель переменного тока со стороны нагрузки устройства электропитания, соответствующего изобретению, может перекрывать существенно большие расстояния. Тем самым выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии устройства электропитания, соответствующего изобретению, может размещаться на морском дне у питаемого двигателя, а его выпрямитель переменного тока со стороны сети - на суше.

За счет не требующейся обязательным образом низкоиндуктивной структуры промежуточного контура, и за счет отсутствия конденсатора промежуточного контура, короткое замыкание промежуточного контура, по сравнению с двухзвенным вентильным преобразователем переменного тока с конденсатором промежуточного контура, является весьма маловероятным. Выпрямительные вентили выпрямителя переменного тока на стороне сети соответствующего изобретению устройства электропитания больше не требуется выполнять в расчете на ток короткого замыкания, вызванный низкоомным коротким замыканием промежуточного контура. Кроме того, требование по i²t этих выпрямительных вентилей может быть заметно снижено.

За счет применения выпрямителя переменного тока с большим количеством двухполюсных подсистем в качестве выпрямителя переменного тока со стороны нагрузки устройства электропитания, двухзвенный вентильный преобразователь переменного тока может быть разделен между сушей и морским дном. Таким образом, только выпрямитель переменного тока со стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии этого устройства электропитания находится на морском дне. Так как в зависимости от числа двухполюсных подсистем на каждую ветвь вентилей фазного модуля выпрямителя переменного тока со стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии определяется значение выходного напряжения вентильного преобразователя переменного тока и тем самым напряжение двигателя на морском дне больше не требуется трансформатор.

Кроме того, за счет точной ступенчатой формы выходного напряжения выпрямителя переменного тока со стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии соответствующего изобретению устройства электропитания могут применяться пригодные для использования под водой двигатели с пониженными требованиями к изоляции обмоток. Так как независимо от применения трансформатора, все же может устанавливаться высокое напряжение двигателя, соединительные провода и проходные изоляторы могут рассчитываться на меньшие токи. Кроме того, за счет этого при повышенных мощностях можно избегать двигателей с несколькими системами обмоток.

Так как выпрямитель переменного тока со стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии устройства электропитания на каждую ветвь вентилей состоит только из некоторого количества электрически соединенных последовательно двухполюсных подсистем, за счет дополнения избыточных двухполюсных подсистем можно существенно повысить работоспособность устройства электропитания.

Наряду с выпрямителем переменного тока со стороны сети соответствующего изобретению устройства электропитания, также сигнальная электроника размещенного на морском дне выпрямителя переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии располагается на суше. Эта сигнальная электроника посредством кабеля передачи данных сигнально-технически соединена с управляющими входами выпрямителя переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии на морском дне. Тем самым существенные компоненты соответствующего изобретению устройства электропитания размещаются на суше или на платформе, так что затраты на герметизацию компонентов соответствующего изобретению устройства электропитания существенно снижаются.

В предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению устройства электропитания неуправляемый выпрямитель переменного тока стороны сети посредством кабеля постоянного тока электрически соединен с расположенной на морском дне сборной шиной постоянного тока. К этой сборной шине постоянного тока может подключаться множество выпрямителей переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии, соответственно с подключенным на выходе двигателем изменяемого по числу оборотов привода. Тем самым соответствующее изобретению устройство электропитания для привода с множеством двигателей может устанавливаться экономичным образом.

Другие предпочтительные формы выполнения соответствующего изобретению устройства электропитания приведены в зависимых пунктах 3-11 формулы изобретения.

Для дополнительного объяснения изобретения далее даются ссылки на чертежи, на которых схематично представлено несколько форм выполнения соответствующего изобретению устройства электропитания.

Фиг.1-4 показывают известные варианты устройства электропитания для изменяемых по числу оборотов приводов для подводных применений,

Фиг.5 показывает первый вариант соответствующего изобретению устройства электропитания,

Фиг.6 показывает блок-схему предпочтительной формы выполнения соответствующего изобретению устройства электропитания,

Фиг.7, 8 - формы выполнения соответствующей двухполюсной подсистемы выпрямителя переменного тока стороны нагрузки устройства электропитания по фиг.6 и

Фиг.9 - схематичное представление второго варианта соответствующего изобретению устройства электропитания.

На фиг.5 схематично показан первый вариант соответствующего изобретению устройства электропитания. На чертеже показаны выпрямитель 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии, кабель 44 постоянного тока и блок 46 управления. Выпрямитель 10 переменного тока стороны сети и выпрямитель 42 переменного тока стороны нагрузки посредством кабеля 44 постоянного тока связаны между собой на стороне постоянного напряжения. Блок 46 управления этого выпрямителя 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии посредством кабеля 18 передачи данных соединен с сигнальной электроникой 16 устройства электропитания, которое соотнесено с выпрямителем 10 переменного тока стороны сети. Выпрямитель 10 переменного тока стороны сети, который выполнен как неуправляемый выпрямитель переменного тока, со стороны переменного напряжения посредством сетевого трансформатора 36 связан с точкой 26 ввода энергии питающей сети 8 энергоснабжения. В этом соответствующем изобретению устройстве электропитания только выпрямитель 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии размещен на морском дне. Все другие части установки этого устройства электропитания размещены на суше. Переход от суши к морю показан на чертеже волнистой линией 30. В качестве выпрямителя 10 переменного тока стороны сети предусмотрена диодная питающая схема, которая в простейшем случае выполнена как 6-импульсная. Если высшие гармоники тока не должны иметься в сети, а если имеются, то лишь с малыми амплитудами, то диодная питающая схема 10 должна быть выполнена как 12-, 18- или 24-импульсная.

На фиг.6 показана блок-схема предпочтительной формы выполнения соответствующего изобретению устройства электропитания. Согласно этой блок-схеме, диодная питающая схема 10 содержит два 6-импульсных диодных моста 48 и 50, которые со стороны переменного напряжения электрически последовательно соединены с соответствующей вторичной обмоткой 22 и 20 трансформатора 6 выпрямителя переменного тока, а на стороне постоянного напряжения соединены электрически последовательно. Выпрямитель 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии имеет несколько фазных модулей 52, которые на стороне постоянного напряжения соединены электрически параллельно. Для параллельного соединения этих фазных модулей 52 предусмотрены положительная и отрицательная сборные шины P_0W и N_0W постоянного напряжения. Между этими обеими сборными шинами P_0W и N_0W постоянного напряжения имеет место специально не обозначенное падение постоянного напряжения. Каждый фазный модуль 52 имеет верхнюю и нижнюю ветвь вентилей: Т1, Т2, или Т3, Т4, или Т5, Т6. Каждая ветвь Т1…Т6 вентилей содержит по меньшей мере две двухполюсные подсистемы.

В представленной форме выполнения каждая ветвь вентилей имеет четыре двухполюсные подсистемы 54. Двухполюсные подсистемы 54 соединены электрически последовательно. Примеры выполнения этих двухполюсных подсистем 54 представлены на фиг.7 и 8. Каждая точка соединения двух ветвей Т1, Т2, или Т3, Т4, или Т5, Т6 вентилей образует вывод L1, или L2, или L3 стороны переменного напряжения. К этим выводам L1, L2 и L3 стороны переменного напряжения подключен показанный на фиг.5 электродвигатель 4. Сборные шины P_0W и N_0W постоянного напряжения выпрямителя 42 переменного тока стороны нагрузки электрически связаны между собой посредством кабеля 44 постоянного тока.

На фиг.7 показана первая форма выполнения двухполюсной подсистемы 54. Эта двухполюсная подсистема 54 имеет два отключаемых полупроводниковых переключателя 56 и 58, два диода 60 и 62 и униполярный накопительный конденсатор 64. Оба отключаемых полупроводниковых переключателя 56 и 58 соединены электрически последовательно, причем это последовательное соединение включено электрически параллельно накопительному конденсатору 64. Каждому отключаемому полупроводниковому переключателю 56 и 58 электрически параллельно включен один из диодов 60 и 62 таким образом, что они по отношению к соответствующим отключаемым полупроводниковым переключателям 56 и 58 включены анти-параллельно. Униполярный накопительный конденсатор 64 двухполюсной подсистемы 54 состоит либо из одного конденсатора, либо из конденсаторной батареи из нескольких таких конденсаторов с результирующей емкостью С₀. Точка соединения эмиттера отключаемого полупроводникового переключателя 56 и анода диода 60 образуют первую соединительную клемму Х1 подсистемы 54. Точка соединения обоих отключаемых полупроводниковых переключателей 56 и 58 и обоих диодов 60 и 62 образует вторую соединительную клемму Х2 двухполюсной подсистемы 54.

В форме выполнения подсистемы 54 по фиг.8 эта точка соединения образует первую соединительную клемму Х1. Точка соединения стока отключаемого полупроводникового переключателя 58 и катода диода 62 образует вторую соединительную клемму Х2 двухполюсной подсистемы 54.

Согласно вышеупомянутой публикации, озаглавленной «Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen», двухполюсная подсистема 54 может принимать три состояния переключения. В состоянии переключения I отключаемый полупроводниковый переключатель 56 включен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 58 выключен. В этом состоянии переключения I клеммное напряжение U_X21 двухполюсной подсистемы 54 равно нулю. В состоянии переключения II отключаемый полупроводниковый переключатель 56 выключен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 58 включен. В этом состоянии переключения II клеммное напряжение U_X21 двухполюсной подсистемы 54 равно напряжению U_C на накопительном конденсаторе 64. В нормальном режиме работы без помех используются только эти оба состояния переключения I и II. В состоянии переключения III оба отключаемых полупроводниковых переключателя 56 и 58 отключены.

На фиг.9 схематично показан второй вариант устройства электропитания, соответствующего изобретению. По отношению к варианту согласно фиг.5, этот второй вариант отличается тем, что предусмотрена сборная шина 66 постоянного напряжения. К этой сборной шине 66 постоянного напряжения подключены три выпрямителя 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии с соответствующим двигателем 4 стороны нагрузки изменяемого по числу оборотов привода. Эта сборная шина 66 постоянного напряжения посредством кабеля 44 постоянного тока связана с выводами постоянного напряжения выпрямителя 10 переменного тока стороны сети. Кроме того, предусмотрена сборная шина данных, к которой, с одной стороны, подключены блоки 46 управления выпрямителя 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии, а с другой стороны - кабель 18 передачи данных. Тем самым размещенная на суше сигнальная электроника 16 устройства электропитания, соответствующего изобретению, соединена, соответственно, с блоком 46 управления соответствующего размещенного на морском дне выпрямителя 42 переменного тока стороны нагрузки с распределенными накопителями энергии. За счет применения сборной шины 66 постоянного напряжения снижаются затраты на кабели для привода с множеством двигателей и затраты на монтаж.

С помощью этого соответствующего изобретению устройства электропитания, изменяемые по числу оборотов приводы для подводных применений, например, установок для добычи нефти и газа снабжаются энергией из питающей сети энергоснабжения, причем расстояние между вводом энергии на суше и приводом на морском дне может составлять несколько сотен километров при морских глубинах в несколько километров.