專利名稱：電源系統(tǒng)的制作方法
電源系統(tǒng)本發(fā)明涉及包括向包括至少兩個(gè)電力用戶的系統(tǒng)提供電流的整流橋和逆變器的低損耗高冗余電源系統(tǒng)，尤其是在具有多個(gè)電動(dòng)機(jī)和多個(gè)發(fā)電機(jī)或電源的裝置上的電源系統(tǒng)。在向例如在海上裝置中的電推進(jìn)系統(tǒng)或泵應(yīng)用中的電動(dòng)機(jī)提供電力時(shí)，通常的做法是利用通過變壓器耦合到三相電源的整流橋耦合，所述變壓器將兩個(gè)AC電源提供到整流橋的輸入。已知有許多這樣的系統(tǒng)，例如在第W02005/119892號(hào)國(guó)際專利申請(qǐng)中所描述的，該申請(qǐng)描述了用于在網(wǎng)絡(luò)中抑制諧波電壓和用于減少在系統(tǒng)中的整流器上的應(yīng)變的系統(tǒng)。在大型裝置(如海上裝置或船舶)上使用的電源系統(tǒng)被定位在每個(gè)電動(dòng)機(jī)或電力用戶處，使他們易受電源中的失誤和例如在一個(gè)電動(dòng)機(jī)中失去推力的風(fēng)險(xiǎn)的影響，因此安全系統(tǒng)和額外的可用功率必須是可用的。此外眾所周知，當(dāng)功率要求達(dá)到某個(gè)水平時(shí)，需要功率系統(tǒng)的電壓的增加，以便避免高短路水平，再次增加了系統(tǒng)的成本。因此，本發(fā)明的目的是提供在電源系統(tǒng)中的冗余，從而減少在裝置的一部分中完全失去功率的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少必要的系統(tǒng)電壓。這是利用根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的系統(tǒng)得到的。本發(fā)明基于所謂的LLC變壓器單元的使用，如在上面提到的W02005/119892中所討論的，其中變壓器用于通過提供在變壓器上的相移來(lái)移除電源系統(tǒng)中的諧波。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，變壓器單元被布置成提供移除5次和7次諧波的30°相移，并包括移除或抑制11次和13次諧波的附加繞組。當(dāng)變壓器單元將附加阻抗添加到系統(tǒng)時(shí)，它也減少了系統(tǒng)中的短路電流，這作為結(jié)果允許在低電壓時(shí)給系統(tǒng)提供的較高的功率。這樣，標(biāo)準(zhǔn)690V設(shè)備可以用于比采用已知的解決方案更高的功率。下面參考作為例子示出本發(fā)明的附圖
來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。圖la、b顯示采用LLC變壓器的局部電源系統(tǒng)。圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的局部電源系統(tǒng)。圖3a、b顯示具有對(duì)稱和不對(duì)稱發(fā)電的系統(tǒng)。圖4顯示采用四個(gè)功率系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。圖5顯示圖4中的系統(tǒng)的可選方案。圖Ia和Ib顯示兩個(gè)不同的LLC變壓器，其具有在圖中被連接到驅(qū)動(dòng)單元的第一和第二連接點(diǎn)1、2并具有在變壓器單元的每側(cè)上的發(fā)電機(jī)G。LLC變壓器適合于在工作頻率處提供在連接點(diǎn)之間的30°的相移，因此抑制5次和7次諧波。這些解決方案在通過引用被包含于此的W02005/119892和第20085145號(hào)挪威專利申請(qǐng)中被詳細(xì)討論，并且也提供對(duì)11次和13次諧波的抑制。傳統(tǒng)地，用于推進(jìn)系統(tǒng)的電源被組織成如圖加中所示，其中每臺(tái)發(fā)電機(jī)G耦合到具有通過變壓器和整流橋連接的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元3’。該系統(tǒng)也可以通過開關(guān)相互耦合， 以防發(fā)電機(jī)中的一臺(tái)出故障。這個(gè)解決方案的缺陷是在系統(tǒng)中有短路電流限制，如果所提供的功率被增加到某個(gè)限制之上，系統(tǒng)將要求供電電壓上升。根據(jù)如圖2b中所示的本發(fā)明，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)G和兩個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)3利用它們之間的 LLC變壓器耦合在一起(該LLC變壓器具有例如在W02005/119892中或在第2008 5145號(hào)挪威專利申請(qǐng)中所描述的類型)，而沒有在驅(qū)動(dòng)單元處的變壓器。當(dāng)LLC變壓器將附加的阻抗提供到該系統(tǒng)時(shí)，所提供的電流可以上升而不超過短路限制。因此，可以在低電壓時(shí)向系統(tǒng)提供更大的功率。這具有允許系統(tǒng)即使在具有較大的所提供的功率時(shí)也利用較不昂貴的部件的有利效果。另一個(gè)有利效果是短路電流被減少到傳統(tǒng)系統(tǒng)的短路電流的80% -85%, 從而如果短路出現(xiàn)則放電的能量是傳統(tǒng)系統(tǒng)中的放電能量的64% -72%，顯著地減少了來(lái)自放電的壓力波。在正常運(yùn)行期間，圖2b中的系統(tǒng)將功率提供到推進(jìn)系統(tǒng)，而變壓器將提供濾波， 避免如在上面提到的專利申請(qǐng)中所描述的諧波頻率。如果發(fā)電機(jī)G之一出故障，狀態(tài)改變，但推進(jìn)系統(tǒng)將通過兩個(gè)輸入得到功率，因?yàn)?LLC變壓器將使用不對(duì)稱負(fù)載起作用。這個(gè)原理顯示在圖3a，3b中，其中圖3a顯示對(duì)稱狀態(tài)，其中顯示在圖2b中的系統(tǒng)的兩個(gè)被耦合在一起，使得LLC變壓器具有相同的相移，即，相對(duì)30°相移，因?yàn)榈谝贿B接點(diǎn)1和第二連接點(diǎn)2相連接。LLC變壓器單元于是被并聯(lián)地連接到驅(qū)動(dòng)單元3。在圖北中，在系統(tǒng)的右側(cè)上的發(fā)電機(jī)中只有一臺(tái)在使用中，且功率通過LLC變壓器被提供。左側(cè)狀態(tài)可以是對(duì)稱的，但這在圖中被省略了。因此，LLC變壓器轉(zhuǎn)移一半的推進(jìn)器功率，而驅(qū)動(dòng)單元3仍然可以在一定程度上運(yùn)行。如果發(fā)電機(jī)中的一臺(tái)停止運(yùn)行，這個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)仍然具有一半的功率，這對(duì)于例如在適當(dāng)位置上的船舶或鉆探設(shè)備(rig)可能是足夠的。同樣，假如左側(cè)系統(tǒng)被連接到右側(cè)系統(tǒng)，供應(yīng)到每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的功率的總量增加， 相應(yīng)地對(duì)系統(tǒng)增加冗余。當(dāng)系統(tǒng)的左右兩側(cè)連接時(shí)，一臺(tái)發(fā)電機(jī)G停止運(yùn)轉(zhuǎn)的影響甚至更低，并且也應(yīng)注意，驅(qū)動(dòng)單元可以設(shè)置有與所示系統(tǒng)的左側(cè)和右側(cè)的連接，如使用以在中間的驅(qū)動(dòng)單元示出的。在圖4a、b中這個(gè)原理被應(yīng)用在例如具有四個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的鉆機(jī)中，其中大體上圖 3a、b所示的系統(tǒng)被擴(kuò)展到包括帶有相應(yīng)發(fā)電機(jī)的四個(gè)LLC變壓器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如同圖3中所示的系統(tǒng)一樣，變壓器單元(LLC變壓器)的連接點(diǎn)1、2與相應(yīng)的相移連接，使得第一連接點(diǎn)和第一連接點(diǎn)以及第二連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)相互連接。因此，如果沿著在變壓器單元之間的連接例如按照連接點(diǎn)[1，2]_[2，1]_[1，2]_[2，1]等的順序(其中[]表示包括LLC 變壓器和1，2連接點(diǎn)的子系統(tǒng))移動(dòng)，則提供了+30° s和-30° s的相對(duì)相移，以便避免在系統(tǒng)周圍傳播的振蕩。圖如和4b中所示的解決方案分別是基本上對(duì)稱的12脈沖和6脈沖系統(tǒng)，其中兩側(cè)可以是分開的。這是由于用于船舶和海上裝置的電源中的限制，而對(duì)于其他應(yīng)用可以考慮其他解決方案。在圖如中右側(cè)代表在兩個(gè)可斷開的子系統(tǒng)PS、SB中分離的高冗余系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包括由LLC變壓器單元分離開的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)G，且其中在每個(gè)子系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)單元3被連接到LLC變壓器的兩側(cè)1、2。如果發(fā)電機(jī)G中的一臺(tái)出故障，電流可以流過LLC變壓器，而驅(qū)動(dòng)單元3將仍然以減少的容量運(yùn)行。
圖如的左側(cè)PS示出當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元3被連接到兩個(gè)子系統(tǒng)時(shí)提供甚至更高的冗余的系統(tǒng)，這兩個(gè)子系統(tǒng)被連接到一個(gè)LLC變壓器單元的第一 1連接點(diǎn)和第二個(gè)LLC變壓器單元的第二連接點(diǎn)。因此，即使發(fā)電機(jī)和LLC變壓器單元例如由于火災(zāi)或其他損壞而出故障， 驅(qū)動(dòng)單元仍能以減少的容量運(yùn)行，因?yàn)樗鼈兛梢詮泥徑淖酉到y(tǒng)提取部分功率。圖4b顯示與圖如類似的系統(tǒng)，但是其中驅(qū)動(dòng)單元基于6脈沖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在環(huán)中的子系統(tǒng)的數(shù)目可以被選擇，但是必須采用偶數(shù)個(gè)子系統(tǒng)，尤其是在基于具有30°相移的LLC變壓器單元的系統(tǒng)中。即使采用上面提到的變壓器單元的交替連接，一些諧波仍可在系統(tǒng)中循環(huán)。為了減少相到地3次諧波電流的循環(huán)，可能需要關(guān)于選定中性接地概念的特別預(yù)防措施。通過引進(jìn)包括低通濾波器的特別設(shè)計(jì)的阻抗接地系統(tǒng)，3次諧波將被充分抑制以允許標(biāo)準(zhǔn)接地故障保護(hù)解決方案的使用。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以被應(yīng)用在許多不同的應(yīng)用中，其中電源中的冗余是有利的，例如在計(jì)算機(jī)房或醫(yī)院中。在這些應(yīng)用中，子系統(tǒng)之間的集成可能甚至更好，因?yàn)槿哂嗫梢栽趫D4a、4b所示的系統(tǒng)的左右兩側(cè)之間被提供。對(duì)于海上裝置，系統(tǒng)被分類成LV (低電壓)、MV (中電壓)和HV (高電壓)，其中根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的限制是LV < 1000V、1000V < MV < 17500V以及HV > 17500V，而典型LV系統(tǒng)可以在690V處被使用。在圖如中的最高冗余解決方案中，在子系統(tǒng)之一中的歸因于火災(zāi)的故障將不會(huì)完全停止在該子系統(tǒng)中的運(yùn)行，因?yàn)楣β蕪膶?0%的功率施加到驅(qū)動(dòng)單元的鄰近系統(tǒng)中被提供。當(dāng)短路電流減少時(shí)，系統(tǒng)可以在較高的所產(chǎn)生的功率處被使用而不增加電壓。這減少了對(duì)高壓電源的需要，并且安裝的變壓器容量與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比減少介于3 1和4 1 之間的倍數(shù)。這也通過限制對(duì)電纜架和電纜終端設(shè)備以及其他輔助系統(tǒng)的需要而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這又減少了系統(tǒng)所需要的空間。因?yàn)樵诤Ｉ涎b置上區(qū)域使用昂貴，這是本系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)?？傊?，本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)，其包括具有兩個(gè)功率輸入的至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元3和在選定的系統(tǒng)頻率和電壓處提供電功率的至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)G。系統(tǒng)也包括具有第一和第二連接點(diǎn)1、2的變壓器單元LLC，其中它們的至少一個(gè)被連接到發(fā)電機(jī)G。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元3的兩個(gè)輸入被連接到變壓器單元LLC的第一 1和第二 2連接點(diǎn)。變壓器單元LLC適合于在選定的系統(tǒng)頻率和電壓處提供介于所述連接點(diǎn)1、2之間的選定的相移，因此諧波頻率的減少和冗余被獲得，因?yàn)檫@兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元只使用一臺(tái)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)G來(lái)被利用。此外，如上所述，由變壓器引入的阻抗減少短路電流。為了獲得完全的系統(tǒng)冗余，至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)G被設(shè)置在LLC變壓器單元的每側(cè)上， 且為了有效濾除5次和7次諧波，在LLC變壓器上的相移應(yīng)該是大約30°。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，至少兩個(gè)變壓器單元LLC相對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元3被并聯(lián)地連接，變壓器單元在各自的第一和第二連接點(diǎn)1、2之間提供相同的相移，第一連接點(diǎn)和第一連接點(diǎn)以及第二連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)分別地連接，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元3被連接到第一和第二連接點(diǎn)1、2。這樣就獲得了具有高冗余的系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)和LLC變壓器可能出故障，只要一個(gè)是可運(yùn)行的。根據(jù)本發(fā)明的特殊實(shí)施方式，至少一個(gè)所述驅(qū)動(dòng)單元3被連接到上述變壓器單元LLCl的第一個(gè)變壓器單元的第一連接點(diǎn)1以及上述變壓器單元LLC2的第二個(gè)變壓器單元的第二連接點(diǎn)2，變壓器單元在其之間設(shè)置有開關(guān)，因此即使開關(guān)斷開，驅(qū)動(dòng)單元也彼此連接。在較大的系統(tǒng)中，可以使用包括變壓器單元LLC1、LLC2、LLC3、LLC4的環(huán)的本發(fā)明的實(shí)施方式。為了有相應(yīng)的相對(duì)相移，即，相同的相對(duì)相移被連接到鄰近的變壓器單元，且驅(qū)動(dòng)單元3具有在變壓器單元LLC1、LLC2、LLC3、LLC4的每側(cè)上的一個(gè)輸入，偶數(shù)個(gè)變壓器單元是必要的。變壓器單元可以被連接到至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)G和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元3，因此構(gòu)成子系統(tǒng)，且其中在每個(gè)子系統(tǒng)中的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元被連接到系統(tǒng)中的相應(yīng)的LLC變壓器單元中的第一和第二連接點(diǎn)1、2?？蛇x地，在每個(gè)子系統(tǒng)中的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元被連接到系統(tǒng)中的相應(yīng)變壓器單元中的第一或第二連接點(diǎn)1( 和在鄰近子系統(tǒng)中的第二(或第一)連接點(diǎn)2(1)，以便增加冗余和使即使一個(gè)子系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和/或LLC變壓器單元出故障也運(yùn)行所有驅(qū)動(dòng)單元變得可能。
權(quán)利要求
1.一種電源系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)具有兩個(gè)功率輸入的驅(qū)動(dòng)單元和以選定的系統(tǒng)頻率和電壓提供電功率的至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)，所述系統(tǒng)包括具有第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)的變壓器單元，所述連接點(diǎn)的至少一個(gè)被連接到發(fā)電機(jī)，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的所述兩個(gè)輸入被連接到所述變壓器單元的所述第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)，且所述變壓器單元適合于在所述選定的系統(tǒng)頻率和電壓處提供在所述輸入之間的選定的相移。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括在所述變壓器單元的每側(cè)上的一臺(tái)發(fā)電機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在所述變壓器單元的所述第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)之間的所述相移是在30°的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括相對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)單元并聯(lián)連接的至少兩個(gè)變壓器單元，所述變壓器單元提供在各自的第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)之間的相同的相移，所述第一連接點(diǎn)和第一連接點(diǎn)以及第二連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)分別被連接，以及每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元被連接到第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動(dòng)單元的至少一個(gè)被連接到所述變壓器單元的第一個(gè)變壓器單元的第一連接點(diǎn)和所述變壓器單元的第二個(gè)變壓器單元的第二連接點(diǎn)， 所述變壓器單元設(shè)置有在其之間的開關(guān)，因此即使所述開關(guān)斷開，所述驅(qū)動(dòng)單元也彼此連接。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括被連接在環(huán)中的至少四個(gè)變壓器單元，以便有相應(yīng)的相對(duì)相移，即，相同的相對(duì)相移被連接到鄰近的變壓器單元，以及所述驅(qū)動(dòng)單元具有在所述變壓器單元的每側(cè)上的一個(gè)輸入。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)變壓器單元被連接到至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，因此構(gòu)成子系統(tǒng)，以及其中在每個(gè)子系統(tǒng)中的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元被連接到在所述系統(tǒng)中的相應(yīng)變壓器單元中的所述第一連接點(diǎn)和所述第二連接點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)變壓器單元被連接到至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，因此構(gòu)成子系統(tǒng)，以及其中在每個(gè)子系統(tǒng)中的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元被連接到在所述系統(tǒng)中的相應(yīng)變壓器單元中的所述第一連接點(diǎn)或第二連接點(diǎn)和在鄰近子系統(tǒng)中的所述第二(或第一)連接點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過適合于抑制所應(yīng)用的系統(tǒng)頻率的3次諧波的低通濾波器耦合到地。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括具有兩個(gè)功率輸入的至少兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(3)和在選定的系統(tǒng)頻率和電壓處提供電功率的至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)(G)。該系統(tǒng)包括具有第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)(1，2)的變壓器單元(LLC)，至少其中一個(gè)連接點(diǎn)被連接到發(fā)電機(jī)(G)，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸入被連接到變壓器單元(LLC)的第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)(1，2)，以及該變壓器單元適合于在選定的系統(tǒng)頻率和電壓處提供在所述輸入之間的選定的相移。
文檔編號(hào)H02M5/45GK102308465SQ201080006589
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者斯維恩·馬格納·德祖維, 艾吉爾·希斯塔德 申請(qǐng)人:瓦錫蘭挪威有限公司