ЗАЩИТА БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ, ПОДКЛЮЧЕННОГО К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЕ ПО ДЛИННОМУ КАБЕЛЮ
PROTECTION OF OPERATION CONTROL UNIT CONNECTED TO ELECTRICAL MACHINE VIA LONG CABLE

Область техники
В общем, настоящее изобретение относится к работе электрических машин. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе для обеспечения работы электрической машины и к способу защиты блока управления работой в такой системе.
Предшествующий уровень техники
При подаче электрической энергии переменного тока по длинным кабелям в системах передачи, питающих электрическую нагрузку (машины или другие нагрузки), напряжение на стороне потребителя сильно зависит от электрической нагрузки, требуемой потребителем.
Примером такого длинного кабеля является кабель длиной несколько километров, соединяющий источник питания на суше, содержащий преобразователь частоты, с трансформатором или с электродвигателем насоса, установленного на удалении в море. В области разведки и добычи нефти и газа такие нагрузки или машины, применяемые на отдаленных скважинах, могут устанавливаться, например, на морском дне на расстоянии нескольких сотен километров от суши, или на расстоянии от палубной платформы или наземной установки, содержащей преобразователь частоты. Используемое при добыче нефти и газа электрическое оборудование, такое как подводный многофазный насос или нагнетательный насос для повышения давления, или подводный компрессор, или установка перекачивания, может работать под водой, например на морском дне, на глубинах 1000 м или больших.
В случае таких потребителей электрической энергии, как асинхронные двигатели, в результате применения длинных силовых кабелей могут создаваться перенапряжения, вызываемые самовозбуждением. Самовозбуждение асинхронных двигателей может возникать, если источник электрической энергии неожиданно отключается во время работы или поток электрической энергии от источника питания блокируется, например, аналогично прекращению модуляции преобразователя частоты. Это явление возникает в ситуациях, когда реактивная мощность в кабеле достигает более высокого уровня по сравнению с реактивной мощностью, потребляемой электрической машиной. Поэтому емкостный вклад кабеля может быть причиной вхождения асинхронного двигателя в самовозбуждение, а такая ситуация может приводить к опасным перенапряжениям.
Поэтому при применениях на больших удалениях в случае кабелей большой протяженности существует потенциальная опасность образования перенапряжения вследствие самовозбуждения.
В таком случае для исключения вреда подключенному электрическому оборудованию важно защищать его от этих перенапряжений.
Одна известная схема защиты содержит диодный мост.
Например, в патенте США №7227325 описана схема защиты с диодным мостом и тиристором в качестве ключа, используемого для защиты преобразователя частоты. Диодный мост расположен вблизи электродвигателя и в данном случае закорачивает соединение между преобразователем частоты и электродвигателем в ответ на обнаружение неисправности в преобразователе частоты.
В патенте США №7164562 описана схема защиты, предназначенная для закорачивания преобразователя в случае неисправности в энергосистеме. В этом случае схема защиты подключена к ротору генератора.
Другие различные схемы защиты описаны в патентах США №№5734256, 4766360, 6226162 и 7479756.
Однако ни в одном из документов не описана задача защиты от перенапряжений, обусловленных самовозбуждением, возникающим при сочетании длинных кабелей и электрических машин.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к защите от перенапряжений, вызываемых самовозбуждением, блока управления работой в системе для обеспечения работы электрической машины.
Одна задача настоящего изобретения заключается в создании системы для обеспечения работы электрической машины, которая обладает способностью осуществлять защиту от перенапряжений.
Согласно первому объекту настоящего изобретения эта задача решается системой для обеспечения работы электрической машины, содержащей:
блок управления работой,
кабель переменного тока, соединяющий машину с блоком управления работой, и
электрическое короткозамыкающее устройство, подключенное к выводам блока управления работой на стороне кабеля, при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью замыкания накоротко упомянутых выводов на основании обнаруженного перенапряжения.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании способа защиты блока управления работой в такой системе.
Согласно второму объекту настоящего изобретения эта задача решается способом защиты блока управления работой в системе для обеспечения работы электрической машины, содержащим:
обнаружение перенапряжения на выводах блока управления работой на стороне кабеля переменного тока, ведущего к электрической машине, и
закорачивание выводов на основании обнаруживаемого перенапряжения.
Настоящее изобретение имеет несколько преимуществ. Короткозамыкающее устройство является очень быстродействующим, и это является преимуществом применительно к удаленным на большое расстояние системам. Конструкция также является очень надежной, поскольку устройство представляет собой автономное устройство. Кроме того, при наличии устройства, подключенного к выходу блока управления работой, напряжение и ток, подаваемые обратно к блоку управления работой, ограничиваются, вследствие чего ограничивается напряжение на компонентах внутри него.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 - схематическое представление блока управления работой электрической машины, подключенного к электрической машине с помощью длинного кабеля переменного тока, а также подключенного к сети переменного тока;
фиг.2 - схематическое представление наземной установки, подключенной к подводной установке;
фиг.3 - схематическое представление электрического короткозамыкающего устройства, расположенного в наземной установке; и
фиг.4 - блок-схема последовательности действий, включающая в себя несколько этапов способа обеспечения работы электрического короткозамыкающего устройства.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Ниже будет приведено подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения.
На фиг. 1 показано схематическое представление основных электрических компонентов, включенных в применяемое на практике изобретение. Слева направо показаны энергосистема или сеть 10 переменного тока, работающая как источник питания, первый трансформатор 18, действующий как входной трансформатор, силовой преобразователь/инвертор переменной частоты или преобразователь 20 и второй трансформатор 24, и этот второй трансформатор представляет собой повышающий трансформатор. В данном случае преобразователь 20 соединен со вторым трансформатором 24 через посредство локальной шины 22 переменного тока, и к этой шине подключено электрическое короткозамыкающее устройство 26. Шина 22 переменного тока в этом случае представляет собой обычную трехфазную шину и поэтому содержит по меньшей мере три проводника. При этом первый трансформатор 18, преобразователь 20, шина 22 переменного тока, второй трансформатор 24 и электрическое короткозамыкающее устройство 26 размещены в наземной установке 12. Это означает, что они все расположены преимущественно на одном месте.
Второй трансформатор 24 подключен к длинной линии электропитания или кабелю 16 переменного тока, и этот кабель 16 работает, например, при высоком напряжении 40 кВ или выше. Длинный кабель 16 переменного тока также подключен к третьему трансформатору 28, в этом случае - к понижающему трансформатору, а третий трансформатор 28 после него подключен к электрической машине (М) 30 или потребляющей электрическую энергию нагрузке, работающей в этом примере в диапазоне напряжений 4-6 кВ. Кроме того, в этом примере машина представляет собой электродвигатель. В данном случае третий трансформатор 28 и электрическая машина 30 размещены в подводной установке 14. Поэтому они, вместе взятые, также расположены на одном месте. На чертежах установки обозначены блоками, очерченными пунктирными линиями.
Преобразователь 20, трансформаторы 18, 24, 28, кабель 16 и электрическое короткозамыкающее устройство 26 совместно образуют систему, обеспечивающую работу электрической машины. Иногда машина 30 также считается частью этой системы.
Система из фиг.1 работает следующим образом. Электрическая энергия подается из сети 10 на силовой преобразователь/инвертор 20 через первый трансформатор 18. В свою очередь, напряжение переменного тока, создаваемое преобразователем/инвертором 20, повышается вторым трансформатором 24 на выходных выводах преобразователя, высокое напряжение подается по длинной линии 16, понижается третьим трансформатором 28 на входных выводах машины и подводится к машине 30. Преобразователь/инвертор 20 можно также рассматривать как привод с регулируемой частотой вращения. Кроме того, он фактически является блоком управления работой, поскольку он используется для управления работой электрической машины.
На фиг. 2 показано простое схематическое представление наземной установки 12, расположенной на суше 32, подключенной к первому концу кабеля 16 переменного тока, при этом второй конец кабеля 16 подключен к машине, удаленной на много километров, находящейся в море. В этом примере морская установка 14, в которой расположена электрическая машина или нагрузка, размещена на морском дне, но в равной мере морская установка также или вместо этого может быть размещена под водой некоторым другим способом или размещена на неподвижной или плавучей платформе, или судне некоторого вида.
На фиг.3 схематически показано электрическое короткозамыкающее устройство 26 согласно первому осуществлению изобретения. В этом варианте изобретения образован диодный мост BR, имеющий некоторое количество параллельных плеч моста. В этом случае имеются три плеча моста, по одному для каждой фазы шины 22 переменного тока. В данной схеме имеются первое плечо, содержащее первый и второй диоды D1 и D2, второе плечо, содержащее третий и четвертый диоды D3 и D4, и третье плечо, содержащее пятый и шестой диоды D5 и D6, при этом все диоды фазных плеч имеют одну и ту же ориентацию. Средняя точка каждого плеча моста подключена к соответствующему фазному проводнику шины 22 переменного тока. Кроме того, два конца каждого плеча взаимосвязаны через ключ SW, который размыкается или замыкается по управляющему сигналу CTRL. В этом примере ключ представляет собой тиристор с управляющим электродом, предназначенным для управления. Из него можно видеть, что этот ключ SW замыкается при наличии напряжения на управляющем электроде. Также можно видеть, что ключ SW присоединен для замыкания накоротко диодного моста. В первом варианте воплощения изобретения управляющий сигнал CTRL формируется блоком 36 управления коротким замыканием. Поэтому электрическое короткозамыкающее устройство 26 включает в себя блок 36 управления коротким замыканием, предназначенный для приведения в действие ключа. Кроме того, в этом первом варианте воплощения управляющий сигнал CTRL формируется на основании напряжения шины 22 переменного тока, и это напряжение, в свою очередь, влияет на напряжение постоянного тока диодного моста. Диодный мост создает это напряжение постоянного тока на плечах. Вследствие этого блок 36 управления коротким замыканием имеет два входных вывода, соединенных с двумя выводами плеч моста, при этом один соединен с одной стороной плеч моста и другой соединен с противоположной стороной. Кроме того, блок 36 управления коротким замыканием имеет выход управляющего сигнала, на котором представлен управляющий сигнал CTRL, которым приводится в действие ключ SW, и поэтому этот выход управляющего сигнала подключен к управляющему электроду тиристора. Управляющий сигнал CTRL формируется на основании обнаруживаемого напряжения постоянного тока на плечах диодного моста. В таком случае плечи диодного моста могут быть короткозамкнуты путем замыкания электронного ключа SW, который накоротко замыкает фазные проводники шины 22 переменного тока. Подвижные механические детали отсутствуют.
Кроме того, на фигуре можно видеть, что проводники шины 22 переменного тока подключены к соответствующим соединительным выводам 38, 40 и 42 преобразователя 20. Видно, что эти выводы преобразователя представляют собой выводы переменного тока на стороне кабеля 16 переменного тока.
В случае применений на больших удалениях при кабелях большой протяженности имеется потенциальная опасность возникновения перенапряжения вследствие самовозбуждения. Это явление наблюдается в ситуациях, когда реактивная мощность в кабеле достигает более высокого уровня по сравнению с реактивной мощностью, потребляемой машиной. Это означает, что, если емкостный ток, проходящий между преобразователем и электрической машиной, больше, чем индуктивный ток через электрическую машину, будет возникать самовозбуждение. Индуктивность электрической машины обычно коррелирована с размером электрической машины, и это означает, что, чем меньше машина, тем выше опасность самовозбуждения. Точно так же емкость на стороне привода имеет сильную зависимость от емкости кабеля. В свою очередь, эта емкость зависит от длины кабеля. Это также означает, что, чем длиннее кабель, тем выше опасность самовозбуждения.
Поэтому в случае потребителей электрической энергии, аналогичных асинхронным двигателям, эффект длинных силовых кабелей может приводить к перенапряжениям, вызываемым самовозбуждением. Описанная выше зависимость между емкостным током кабеля и индуктивным током машины может возникать, если источник электрической энергии неожиданно отключается во время работы или поток электрической энергии от источника блокируется, например, прекращается модуляция преобразователя частоты.
В предположении, что емкостные вклады других элементов, а не кабеля, в емкостный ток являются незначительными, можно записать следующее выражение
2
<mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
C=k×l×n,
(1)
где С - емкость кабеля, n - коэффициент трансформации трансформатора, k - постоянная кабеля и l - длина.
Кроме того, поскольку емкостный ток кабеля должен быть равен индуктивному току машины или превышать его, используя закон Ома, можно записать следующее выражение для условия возникновения самовозбуждения:
<mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
ωC≥1/(ω×L),
(2)
где L - индуктивность электрической машины со стороны кабеля (то есть с учетом преобразования, осуществляемого третьим трансформатором).
При подстановке уравнения (1) в уравнении (2) получается следующий результат
2
2
<mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow>
l≥1/(ω×n×L×k).
(3)
Как можно видеть из уравнения (3), самовозбуждение может возникать, если длина l кабеля больше, чем длина, определенная выше.
Например, кабель может иметь длину больше десяти километров.
При реагировании на самовозбуждение необходимо отключать преобразователь от электрической машины. Кроме того, это отключение необходимо делать быстро, чтобы защитить электронные компоненты в оборудовании, аналогичном преобразователю.
Обычный способ выполнения такого отключения заключается в использовании автоматического выключателя с реле. Однако в этих ситуациях он обычно является слишком медленным. Типичный автоматический выключатель прерывает соединение в течение 70 мс или дольше, что может быть слишком долго.
Однако электрическое короткозамыкающее устройство согласно изобретению, которое в этом первом варианте воплощения основано на диодном мосте, часто называемое шунтирующим вентилем, обеспечивает быстрое отключение.
Теперь со ссылкой на фиг.4, на которой показана блок-схема последовательности действий способа закорачивания шины 22 переменного тока, будет описано, каким образом в соответствии со способом изобретения можно справиться с перенапряжением, возникающим при самовозбуждении.
Блок 36 управления коротким замыканием электрического короткозамыкающего устройства 26 производит непрерывный мониторинг напряжения постоянного тока на плечах диодного моста или шунтирующем вентиле. Это напряжение постоянного тока соответствует пиковому напряжению переменного тока и, следовательно, напряжению на кабеле. Если блок 36 управления коротким замыканием обнаруживает на этапе 44, что имеется перенапряжение на шине 22 переменного тока и, следовательно, перенапряжение на соединительных выводах 38, 40, 42 преобразователя 20, при этом перенапряжение вызвано самовозбуждением, то на этапе 46 блок 36 управления коротким замыканием на основании обнаруженного перенапряжения осуществляет управлением шунтирующим вентилем для закорачивания шины переменного тока и, следовательно, закорачивания соединительных выводов 38, 40 и 42.
В этом случае обнаружение может выполняться путем сравнения напряжения постоянного тока на плечах моста с надлежащим образом заданным порогом, и если порог превышается, то блок 36 управления коротким замыканием определяет, что в системе имеется самовозбуждение и преобразователь 20 должен быть защищен. В данном случае закорачивание производится путем замыкания ключа SW, и это замыкание выполняется путем включения тиристора, который эффективно закорачивает индивидуальные проводники шины 22 переменного тока. Поскольку проводники подключены к выводам 38, 40 и 42 переменного тока преобразователя 20, то поэтому также можно видеть, что электрическое короткозамыкающее устройство закорачивает эти выводы на основании обнаруженного перенапряжения. В частности, можно видеть, что блок 36 управления коротким замыканием выполнен с возможностью замыкания ключа SW на основании напряжения на этих выводах, поскольку измеряемым напряжением постоянного тока является выпрямленное напряжение переменного тока.
Когда шунтирующий вентиль приводится в действие, перенапряжения ограничиваются в течение нескольких микросекунд и поэтому эта схема больше подходит для защиты от перенапряжения, чем обычные медленные автоматические выключатели.
Шунтирующий вентиль представляет собой идеальное средство для предотвращения перенапряжения, возникающего в силовой системе. Как показано согласно первому варианту воплощения электрического короткозамыкающего устройства, шунтирующий вентиль можно проектировать как полностью автономный блок, который закорачивает фазы напряжения переменного тока, если достигается пороговое напряжение. При этом можно создавать блок управления коротким замыканием с использованием одного или нескольких включающих диодов, подключенных между анодом и управляющим электродом тиристора. В таком случае включающий диод будет начинать проводить, когда напряжение постоянного тока, которое также является напряжением на тиристоре, превысит пороговое значение, и вследствие этой проводимости откроется тиристор. В этом случае шунтирующий вентиль будет запускаться автоматически за счет проводимости включающих диодов. Поэтому для него не только не требуется системы управления, но он также является автономным. Благодаря использованию шунтирующего вентиля перенапряжение будет ограничиваться до минимума при небольшом времени срабатывания. Вследствие этого шунтирующий вентиль будет предотвращать повреждение электрических компонентов, подключенных к асинхронному двигателю, таких как компоненты в преобразователе.
Как вариант блок 36 управления коротким замыканием может содержать устройство деления напряжения, подобное резистивному устройству деления напряжения, подключенное к компаратору, при этом устройство деления напряжения осуществляет деление напряжения постоянного тока до уровня, подходящего для сравнения с пороговым уровнем в компараторе, и при этом компаратор формирует управляющий сигнал CTRL, так что шунтирующий вентиль запускается автоматически, если напряжение постоянного тока достигает определенного уровня.
Кроме того, возможен внешний запуск шунтирующего вентиля. Его можно использовать в качестве резервной функции защиты преобразователя. Преобразователь может быть наделен функцией собственной защиты, в соответствии с которой могут выполняться защитные меры. Шунтирующий вентиль согласно этому варианту может выполнять закорачивание напряжения переменного тока в случае, когда обычная защитная функция не действует. В этом случае преобразователь может формировать сигналы активации защиты для электрического короткозамыкающего устройства в момент, когда преобразователь подготовлен к работе. В таком случае блок управления коротким замыканием электрического короткозамыкающего устройства может осуществлять короткое замыкание, если он обнаруживает, что преобразователь на самом деле не способен работать. Чтобы сделать это возможным, блок управления коротким замыканием включает в себя дополнительный вывод, принимающий сигнал активации защиты. В свою очередь, он может быть подан на схему «И» через блок задержки. В таком случае схема «И» будет также получать масштабно уменьшенный вариант напряжения постоянного тока. Далее схема «И» будет формировать управляющий сигнал для замыкания ключа, если напряжение постоянного тока имеется на плечах моста и в то же самое время имеется задержанный сигнал активации защиты, в результате чего приводится в действие шунтирующий вентиль. Поэтому в этой последней ситуации шунтирующий вентиль выполняет функцию резервной защиты или дополнительной защиты от перенапряжения преобразователя частоты.
Изобретение имеет несколько преимуществ. Короткозамыкающее устройство является очень быстродействующим, и это является преимуществом применительно к удаленным системам. Кроме того, конструкция является очень надежной вследствие автономности устройства. Кроме того, при наличии устройства, подключенного к выходу преобразователя, напряжение и ток, подводимые к преобразователю, ограничиваются, при этом ограничивается напряжение на компонентах линии постоянного тока внутри преобразователя.
Следует отметить, что описанный выше пример осуществления изобретения можно изменять некоторым количеством способов. Например, использование повышающих и понижающих трансформаторов связано с передачей на очень большие расстояния. Если в этом нет необходимости и в то же время электрическая машина небольшая, можно обойтись без повышающих и понижающих трансформаторов. Кроме того, даже возможна работа преобразователя при уровне напряжения переменного тока сети переменного тока, и это означает, что в некоторых случаях также можно обойтись без первого трансформатора. Блок управления работой или приводной блок для электрической машины был описан выше как преобразователь частоты. Однако должно быть понятно, что вместо него могут использоваться блоки других видов, такие как инвертор, подключенный к системе постоянного тока вместо сети переменного тока. Кроме того, вместо электродвигателя электрической машиной может быть генератор.
В электрическом короткозамыкающем устройстве ключом был тиристор. Должно быть понятно, что ключом может быть полупроводниковый прибор другого вида, такой как биполярный транзистор с изолированным затвором, тиристор с интегрированным управлением или симистор. Выпрямительный мост также может быть выполнен на других элементах, а не на диодах. Кроме того, можно непосредственно измерять напряжение переменного тока на шине переменного тока и сравнивать с порогом вместо измерения напряжения постоянного тока на плечах диодного моста.
Из приведенного выше рассмотрения очевидно, что настоящее изобретение можно изменять большим количеством способов. Следовательно, должно быть понятно, что настоящее изобретение ограничено только нижеследующей формулой изобретения.