(57)【要約】【課題】  一体型電動コンプレッサシステムを提供する。【解決手段】  前記システムには、多極モータ（１２）に給電するための高周波電力変換器（２２）が用いられる。多極モータ（１２）およびコンプレッサ（１０）は、共通の圧力筺体（１６）内に格納される。回転率および速度を向上させるため、電力モータ（１２）には永久磁石が付加される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型電動コンプレッサシステムであって、
少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するための高周波電力変換器（２２）と、
前記高周波電力変換器（２２）によって給電される前記少なくとも１つの多極モータ（１２）と、
前記少なくとも１つの多極モータ（１２）によって駆動される少なくとも１つの単一段または多段の遠心コンプレッサ（１０）と、を備えるシステム。
【請求項２】
前記高周波電力変換器（２２）が、前記少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するための二段のハイブリッドブリッジ（２）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記高周波電力変換器（２２）が、前記少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するための三段のブリッジ（３）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記高周波電力変換器（２２）が、２つの異なる動作モードで動作する機能を有するデュアル電圧変換器（（４０）、（５０））を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記高周波電力変換器（２２）、前記モータ（１２）、および前記コンプレッサ（１０）が共通の筺体（１６）内に一体化される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
一体型電動コンプレッサシステム（１）に給電する方法であって、
高周波電力変換器（２２）の出力で少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するステップと、前記少なくとも１つの多極モータ（１２）の出力で少なくとも１つの単一段または多段の遠心コンプレッサ（１０）を駆動するステップと、を含む方法。
【請求項７】
前記高周波電力変換器（２２）が、前記少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するための二段のハイブリッドブリッジ（２）を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記高周波電力変換器（２２）が、前記少なくとも１つの多極モータ（１２）に給電するための三段のブリッジ（３）を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記高周波電力変換器（２２）が、２つの異なる動作モードで動作する機能を有するデュアル電圧変換器（（４０）、（５０））を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記高周波電力変換器（２２）、前記モータ（１２）、および前記コンプレッサ（１０）を共通の筺体（１６）内に一体化するステップをさらに含む、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油およびガス産業における上流、中流および下流側のコンプレッサの用途で使用できるコンプレッサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油およびガスパイプライン・コンプレッサは従来、ガスタービン、ギヤボックス付きの低速同期モータ、および高速の直結誘導モータまたは同期モータによって駆動される。上記の種類のタービン用駆動装置のあるものは他のものと比較して有利である。
【０００３】
一般に、コンプレッサに動力を供給するためにモータを使用する電動装置は、同じ目的でガスタービンを使用する機械駆動装置と比較して利点を有している。電動装置の速度は可変であるので、柔軟な操作が可能となり、保全性と信頼性がもたらされる。
【０００４】
電動システムのなかでも高速駆動装置は、ギヤボックスを有する低速電動装置と比較して底面積が小さく、簡便で（例えばギヤボックスがない）、コンプレッサによる一体式冷却が容易であり、潜在的な信頼性が高いことを特徴とする。
【０００５】
巻線形同期機械などの従来の機械は、誘導モータよりも低速でより高い定格のスペースをカバーする。しかし、誘導モータの最高速度は回転子の動力学的問題により、約１４，０００ｒｐｍに制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，０５８，０３１号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｒｅｕｌａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社  「永久磁石同期ＡＣモータ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ａ．Ｃ．  Ｍｏｔｏｒｓ）」  １９９７年４月  ７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在、石油およびガス産業で利用される電動コンプレッサは高周波駆動モータを使用していない。メタンなどの加圧ガス環境で動作するための大型の高速電動モータの必要性が認識されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書では、石油およびガス産業における上流、中流および下流側のコンプレッサの用途で使用できる一体型電動コンプレッサシステムが記載される。一体型システムは、天然ガスまたは酸性ガスなどの過酷な環境で、また究極的には水圧が極度に高く、アクセスが厳しく限定される大陸棚上、または大陸棚を越える海中の用途で動作することができる。
【００１０】
本発明の一実施形態において、高周波変換器を用いて、少なくとも１つの多極モータに給電する。少なくとも単一段または多段の遠心コンプレッサが、モータによって駆動される。多極型機械は、モータ回転子に永久磁石を備えることによって、回転率および速度が向上し、その結果、従来のものよりも幅広い用途が期待できる。かかる一体型システムは、信頼性と効率に優れ、石油・ガス用途のコンプレッサへの一体化が容易である。このような特徴は、モータ損失によって変換器損失が増加する（その逆も同様）ので、様々な要因から独立して考えられない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の例示的実施形態による共通の圧力筺体内の一体型モータおよびコンプレッサの断面図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による電動コンプレッサシステムの様々な部品を一体化して示す概略図である。
【図３】図１に示す一体型電動コンプレッサシステムで使用される、二段のハイブリッドブリッジを有する電力変換器を示す図である。
【図４】図１に示す一体型電動コンプレッサシステムで使用される単相三段のブリッジ電力変換器を示す図である。
【図５】図１に示す一体型電動コンプレッサシステムで使用される別の電力変換器の配列を示す図である。
【図６ａ】バイパス機能を有する変換器配列の電気回路図である。
【図６ｂ】バイパス機能を有する変換器配列の電気回路図である。
【図７】図１に示す一体型電動コンプレッサシステムで使用されるバイパス機能を有する電力変換器配列の実施形態を示す図である。
【図８】図１に示す一体型電動コンプレッサシステムで使用されるバイパス機能を有する電力変換器配列の代替実施形態を示す図である。
【図９】図３のＨ−ブリッジ変換器のインバータ段のスイッチ用に使用される入力パルスパターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は一体型電動コンプレッサシステム１の例示的実施形態の断面図を示す。回転子１４を有するモータ１２は、モータに可変電圧と可変周波数とを供給する電力変換器・ユニット２２（図２を参照）に電気的に接続されている。周波数は１２０Ｈｚから７００Ｈｚの範囲でよい。モータ１２はコンプレッサ１０を駆動するために使用される。（電力変換器を含む）モータとコンプレッサとは双方とも、圧力封止を最小限にするため共通の筺体１６に一体化されている。筺体内の貫入の総数は、高電圧でのシステムの利用を容易にするために最小限に保たれる。
【００１３】
モータ−コンプレッサのハウジングは固定子の鉄心／巻線アセンブリ、軸受サポートのブラケットおよび固定コンプレッサ部品を支持する。このハウジングは例えば海水などの外部環境と、例えば処理ガス、石油などの内部給油との圧力障壁を形成する。２枚の端板がモータの上部とコンプレッサ部分の底部の双方へのアクセスを提供する。コンプレッサは単一の筺体内にカートリッジとして組み立てられる。回転子部品の連結はハース・セレーションを介して、またはモータおよびコンプレッサのシャフトを貫く継手ボルトを介して行われる。
【００１４】
モータの回転子シャフトにトルクを与えるために永久磁石が使用される。動作中、モータの回転子と固定子部品とは接触しない。モータとコンプレッサとは磁気軸受によって支持され、システムはオイルフリー式になる。この技術により、ガス封止および軸受およびギヤのための補助的な給油システムがないことによって、従来のギヤ付き電動モータと比較して重量と底面積が飛躍的に低減し、保守が軽減され、信頼性が高まる。それによって、例えば４，０００ｒｐｍ以上の高速での、かつ損失が最小限のモータの動作が可能になる。
【００１５】
提案されている構成で異なる段の一体化が可能である。図１にコンプレッサシステムの様々な部品を単一の筺体内に物理的に一体化することができ、図２に示すようにそれらの部品の制御特性をも一体化することができる。ボックス２２において、可変周波数駆動用の制御ユニット、すなわちモータに接続された電力変換器と遠心コンプレッサ用の制御ユニットが一体化して示す。ボックス２０内に示すように、モータおよびコンプレッサ用の能動磁気軸受の制御ユニットも一体化可能である。ボックス２４および２７に、システムの全ての部品の制御ユニット、およびシステムの物理的部品の一体化をそれぞれ示す。
【００１６】
全ての制御ユニットは中央制御ステーションと相互接続されている。遠隔監視機能によってトラブルシューティングが可能であり、システムの保守が容易になる。さらに、電力変換器の設計によって、回路の一部に故障があると、その部分を遮断し、デバイスの動作を継続することが可能である。
【００１７】
モータおよび電力変換器の電気特性は、高速圧縮用に必要な高周波数での損失が最小限になるように選択されている。効率を維持し、要になる構成部品の過熱を防止するために新規のパワーエレクトロニクスが必要である。
【００１８】
一体型電動コンプレッサシステムの例示的実施形態で使用される高周波電力変換器向けの駆動技術には、二段のハイブリッドブリッジ、単相三段のブリッジ、およびデュアル電圧変換器が含まれる。
【００１９】
図３および図４は、高速電動モータを駆動するために使用される二段および三段のブリッジ電力変換器構成の実施例をそれぞれ示している。（図３に示す）二段のハイブリッドブリッジを有する電力変換器２の入力側で、電力変換器は通常は例えば３３Ｋｖの中電圧レベルで三相変圧器２１０を介して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力供給網に接続される。三相可変電圧、可変周波数出力がモータの端子に接続されている。入力での固定電圧および固定周波数から出力での可変電圧、可変周波数への電力変換は、２つのステップで行われる。先ずａｃからｄｃへの整流が行われ、その後にｄｃからａｃへの反転が行われる。整流にはダイオード整流器２２０が使用されるのに対して、反転段階用には絶縁ゲート双極トランジスタ（ＩＧＢＴ）、集積ゲート転流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、および金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む完全に制御可能な大電力半導体スイッチが使用される。反転段階には、三相ブリッジ２４０と３つの単相ブリッジ２６０とが含まれる。電力変換器のコントローラはコンプレッサのコントローラからトルク／速度コマンドを受ける。モータの電流および電圧は、モータの実際のトルクおよび速度が設定コマンドを動的にトラッキングすることを確実にするため、閉ループで制御される。
【００２０】
スイッチング周波数を含むインバータ段でのスイッチ動作が変換器の性能を決定する。最適なパルスパターンは出力電圧に最小限の電圧調波歪みしか生じないので、その結果、モータの動作が改善される。Ｈ−ブリッジ技術用に使用される入力パルスパターンの例を図９に示す。
【００２１】
図４の三段のブリッジ電力変換器３は、モータに入力電圧を供給する出力に３つの単相三段のブリッジ２８０があること以外は、図３のものと同様である。
【００２２】
図５に示す電力変換器配列は図３および４の配列と極めて類似している。主要な相違点は入力整流器段にある。図４の各々のｄｃリンクは１２−パルス整流器によって給電される（すなわち２つの整流器を備えている）のに対して、図５では各々のｄｃリンクは１８−パルス整流器によって給電される（すなわち３つの整流器を備えている）。変換器は絶縁されたＤＣ母線１２０を有する五段インバータ回路１１０を含み、さらに、必要な出力電圧を発生するために変換器の中立接続点２００（モータの中立点ではない）を介してＹ字形に接続された３つの同一の中立点クランプ形（ＮＰＣ）位相ブリッジ区分１００を含んでいる。各区分は、位相ブリッジにＤＣ母線電圧を供給する絶縁された１８パルス整流器１４８によって給電される。各々のＤＣ母線電圧はフィルタがかけられ、コンデンサバンク１３０によって半分に分割される。３本のＤＣ母線は互いに、かつアースから絶縁される必要がある。位相ブリッジのこのような接続によって、２つの変換器出力端子間で達成可能なピーク電圧は、標準的な変換器配列のＶｄｃではなく２Ｖｄｃに等しい。
【００２３】
各ブリッジ区分１００は２つのＮＰＣ三段位相レグ１１８を共通母線１２０（正のレールおよび負のレール）と結合してＮＰＣ  Ｈ−ブリッジを形成する。ＮＰＣ三段位相レグは、ＩＧＢＴとして示す電気スイッチ１１４を含んでいる。スイッチは、誘導負荷電流を調整するための逆平行の還流ダイオード１１６、およびクランピングダイオード１２２と対になっている。ＤＣ母線コンデンサバンクの両端間の抵抗器網１１９は固定安全ブリーダ抵抗器、および初期コンデンサ充電用の平衡回路網としての役割を果たす。
【００２４】
図５に示すコンデンサバンク１３０は、従来の共通ＤＣ母線変換器技術とは異なり単相負荷状態におかれる。基本出力／負荷周波数の２倍のかなり多くの電流が存在し、この周波数の２倍のかなり多くののＤＣ母線電圧リプルが生ずることになる。その結果、変換器はこの電圧リプルを最小にするためにより多くの単位当たりの（ｐｕ）ＤＣ母線キャパシタンスを必要とする。３本のＤＣ母線は各々が１２０°の負荷位相変位に従って位相変位されたリプル電圧を有している。
【００２５】
３セットの同一の９相二次巻線１５２を有する単一の変圧器２０４によって変換器全体に給電可能である。変圧器２０４は交流電力網１５６から電力を受ける。変圧器は各セットの二次巻線間の、ひいては個々の位相ブリッジ間の必要な絶縁を行う。この多巻線の整流器変圧器２０５内で１８のパルス調波歪み抑制が行われる必要がある。この実施形態は変圧器の二次巻線内で電流の連続性が達成される限り有効である。変圧器の二次インピーダンスはこの状態を強制的に生ずるために使用される。電流は変圧器のインピーダンスおよび正味のＤＣ母線キャパシタンスのレベルに応じて軽負荷で不連続になることがある。任意選択で、全ての位相ブリッジ区分が動的制動回路１５９を含むことができる。この選択肢では絶縁された３つの動的制動抵抗器が使用される。
【００２６】
任意選択で、接地基準回路網１７２がＤＣ中立点２６と接地フレーム７３との間に結合される。接地基準回路網のインピーダンスは、モータのケーブルの特性インピーダンスにほぼ適合するように選択される。回路網は接地されたモータの位相で連続動作可能である必要がある。接地基準回路網の両端間の電圧は地絡事故の検知のためにコントローラによって監視される。
【００２７】
ディジタル信号処理（ＤＳＰ）を使用した駆動コントローラは、（３つのＤＣリンクの上半部と下半部との間で）分割された直列コンデンサバンクで等しい電圧平衡を保つために、ゲートタイミング操作によって能動的な中立制御を達成可能である。さらに、必要なキャパシタンス値を低減するために中立の充電電流を厳密に制御することが望ましい。
【００２８】
変換器システムのコントローラは、ソフトウエア、電圧および電流フィードバック・データ収集用のインターフェース回路、およびＤＳＰにより計算されたタイミングに基づくスイッチ起動用のディジタルタイマを含んでいてもよい。
【００２９】
ＤＳＰは機械トルクと磁束の双方のベクトル制御を含んでいる。ＤＳＰはさらに、ハイブリッドＮＰＣ変換器ブリッジ用の変調制御も含んでいる。加えて、ＤＳＰは、分割された直列コンデンサバンクで等しい電圧平衡を保つために、ゲートタイミング操作によって能動的なＤＣ母線電圧制御を含んでいる。
【００３０】
図５に示す五段インバータ回路１１０は電動モータ、およびこれに連結された図１に示すコンプレッサに結合されている。
【００３１】
別の例示的実施形態では、電力変換器配列は、２つの異なる動作モード、すなわち定常動作（Ｎ）と１つが故障したブリッジ（Ｎ−１）での動作用に出力電力を最適化するために異なる２つのＤＣ電圧レベルを使用する。これらのブリッジの電源は整流された変圧器巻線である。変圧器の二次巻線の２つの電圧レベルを利用できるようにすることによって、ブリッジは異なる２つのＤＣ母線電圧レベルで動作可能になる。定常動作（Ｎ）では、ＤＣ母線電圧は低レベルで動作され、それによって電力用半導体のスイッチング損失が低減され、さらに、このＤＣ母線電圧で動作する全ての電力デバイスの信頼性も高まる。ブリッジが故障すると、そのブリッジはバイパスされ（Ｎ−１）、ＤＣ電圧は高レベルで動作される。バイパス接触器を使用してＮとＮ−１の構成を容易に切り換える方法の電気回路図を図６ａおよび６ｂに示す。この変換器配列の２つの異なる実施形態を図７および図８に示す。
【００３２】
全てのバイパス接触器が開になっている定常動作（Ｎ）用の構成を、図６ａに示す。いずれかのＨ−ブリッジが故障した場合、このＨ−ブリッジは各Ｈ−ブリッジの両端間のバイパス接触器によってバイパス可能である（Ｎ−１）。このようにして、図６ｂに示すように、低減した電力レベルで負荷を動作させることが可能である。回路にはＩＳＢＴスイッチが示されているが、ＩＧＣＴまたはＭＯＳＦＥＴなどを含む他の電力用半導体スイッチを使用してもよい。
【００３３】
図６ａおよび６ｂのＨ−ブリッジを組み込んだ図７に示す電力変換器４０の実施形態では、変圧器の二次巻線の異なる２つの電圧レベルを選択するために２つの異なる接触器が使用される。
【００３４】
図６ａおよび６ｂのＨ−ブリッジを組み込んだ図８に示す電力変換器５０の別の実施形態では、変圧器の二次巻線の高い電圧レベルを選択するために単一の接触器が閉になっている。この接触器が開になると、第２の整流器回路が変圧器の二次巻線の低電圧巻線からＤＣ母線に給電する。
【００３５】
図７および図８のデュアル電圧電力変換器配列を効果的に適合する入力パルスパターンと組み合わせると、出力電力能力がさらに増強され、ＩＧＣＴでの電力損失が低減し、しかも同時にモータ電流の全調波歪み（ＴＨＤ）が低減する。
【００３６】
一体型電動コンプレッサシステムの例示的実施形態は、先行技術よりも１つまたは複数の有利な特徴を含んでいる。例えば、このシステムは機械的ギヤなしの直接駆動装置を使用している。高周波駆動装置はコンプレッサの用途に必要な広範囲の動作速度に適合する。多重並列変換器モジュールによって、１つ、２つまたはそれ以上のモジュールが機能停止しても動作が可能になる。個々の電力モジュールが基本周波数または基本周波数の数倍で切り換わるようにする高性能のスイッチング戦略によって動作効率を高めることができる。
【００３７】
加えて、特定のモジュールが機能しなくなった後、遠隔構成が性能を最適化することができる。高性能の多段電圧信号を生成するために電力モジュールの出力を適切にインターリーブすることができ、それによって効率を犠牲にせずに高い電気周波数で極めて低いトルク・リプルしか生じない。４つ以上の磁極を有する回転子を使用すると所望のモータ動特性が得られ、より小さいコイル・ピッチで巻線を製造することが可能になる。
【００３８】
本明細書では、最良の形態を含めて本発明を開示した。それによって当業者には、任意のデバイスまたはシステムを創造および利用すること、それに付随する任意の方法を含め、本発明を実施することが可能となる。本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるとともに、当業者に想起可能なその他の実施例を包含する。かかるその他の実施例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に同等な構成要素を有する場合、本発明の定義に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３９】
１  電動コンプレッサシステム
２  二段のハイブリッドブリッジを有する電力変換器
３  三段のハイブリッドブリッジを有する電力変換器
１０  コンプレッサ
１２  モータ
１４  永久磁石回転子
１６  筺体
２０  一体型能動磁気軸受制御
２２  一体型電力変換器およびコンプレッサ制御
２４  システムの一体型制御
２６  ＤＣ中立点
２７  システムの一体化された物理的コンポーネント
４０  デュアル電圧変換器
５０  デュアル電圧変換器
７３  接地フレーム
１００  ＮＰＣ位相ブリッジ
１１０  インバータ
１１４  スイッチ
１１６  ダイオード
１１８  三段位相レグ
１１９  抵抗器
１２０  共通母線
１２２  共通母線
１３０  コンデンサバンク
１４８  整流器
１５２  二次巻線
１５６  電力網
１７２  接地基準回路網
２００  変換器中立接続点
２０４  変換器
２０５  整流器
２１０  三相変圧器
２２０  整流器
２４０  三相ブリッジ
２６０  ブリッジ
２８０  三段のブリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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