NO20130749A1 - Rotary machine with fault-tolerant active magnetic storage - Google Patents
Rotary machine with fault-tolerant active magnetic storage Download PDFInfo
- Publication number
- NO20130749A1 NO20130749A1 NO20130749A NO20130749A NO20130749A1 NO 20130749 A1 NO20130749 A1 NO 20130749A1 NO 20130749 A NO20130749 A NO 20130749A NO 20130749 A NO20130749 A NO 20130749A NO 20130749 A1 NO20130749 A1 NO 20130749A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- active magnetic
- power supply
- magnetic bearings
- power
- rotating machine
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/08—Structural association with bearings
- H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D13/00—Pumping installations or systems
- F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
- F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
- F04D13/08—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use
- F04D13/086—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use the pump and drive motor are both submerged
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D25/00—Pumping installations or systems
- F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
- F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
- F04D25/0686—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven specially adapted for submerged use
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
- F04D29/046—Bearings
- F04D29/048—Bearings magnetic; electromagnetic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/056—Bearings
- F04D29/058—Bearings magnetic; electromagnetic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0442—Active magnetic bearings with devices affected by abnormal, undesired or non-standard conditions such as shock-load, power outage, start-up or touchdown
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
- H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
- H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
- H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
- H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
- H02P9/006—Means for protecting the generator by using control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
Oppfinnelsen frembringer en roterende maskin, slik som en undervanns trykkforsterkende kompressor eller pumpe, et undervanns motorgeneratorsett eller en effektgenerator, der maskinen omfatter minst én roterende aksling med minst ett aktivt magnetisk lager funksjonelt koblet med en effektforsyning og et styringssystem, kjennetegnet ved at den roterende maskinen omfatter effektgenererende midler innrettet til å generere og tilføre effekt til det aktive magnetiske lageret og styringssystemet i en situasjon med svikt eller avbrudd i den ordinære effektforsyningen til det magnetiske lageret.The invention provides a rotary machine, such as an underwater pressure boosting compressor or pump, an underwater motor generator set or a power generator, wherein the machine comprises at least one rotary shaft with at least one active magnetic bearing functionally coupled with a power supply and control system, characterized in that the rotary machine comprises power generating means adapted to generate and supply power to the active magnetic storage and control system in a situation of failure or interruption in the ordinary power supply of the magnetic storage.
Description
Roterende maskin med feiltolerant aktiv magnetisk opplagring Rotating machine with fault-tolerant active magnetic storage
Oppfinnelsens område Field of the invention
Oppfinnelsen angår roterende maskineri slik som undervannskompressorer, flerfasepumper, énfasepumper og motor-generatorsett. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen aktive magnetiske lagre montert i roterende maskineri, særlig undervannsutstyr av de ovennevnte typer. The invention relates to rotating machinery such as underwater compressors, multi-phase pumps, single-phase pumps and motor-generator sets. More specifically, the invention relates to active magnetic bearings mounted in rotating machinery, in particular underwater equipment of the above types.
Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk Background of the invention and prior art
Aktive magnetiske lagre kan monteres i roterende maskineri for å få en roterende aksling eller et annet roterende element til å rotere kontaktløst på et magnetisk felt. Aktive magnetiske lagre har fordeler ved å gi svært lav friksjon, og derved redusere friksjonstap og varme-generering, hvilket øker effektiviteten til det roterende maskineriet og gjør det mulig å redusere eller eliminere tilleggs- eller støttesystemer. For eksempel kan et smøresystem for å smøre lagrene elimineres eller reduseres. For undervannsanvendelser kan dermed en lang forsyningskjede, ofte titalls kilometer eller også over kundre kilometer borte, elimineres eller reduseres. Active magnetic bearings can be installed in rotating machinery to cause a rotating shaft or other rotating element to rotate contactlessly in a magnetic field. Active magnetic bearings have the advantage of providing very low friction, thereby reducing frictional loss and heat generation, which increases the efficiency of the rotating machinery and makes it possible to reduce or eliminate additional or support systems. For example, a lubrication system to lubricate the bearings can be eliminated or reduced. For underwater applications, a long supply chain, often tens of kilometers or even over several kilometers away, can thus be eliminated or reduced.
Aktive magnetiske lagre krever imidlertid et komplekst og omfattende styringssystem og en pålitelig effektforsyning, særlig for stort, kostbart undervannsutstyr hvor det i praksis ikke er rom for svikt uten dramatiske eller svært kostbare konsekvenser. However, active magnetic bearings require a complex and extensive control system and a reliable power supply, especially for large, expensive underwater equipment where there is practically no room for failure without dramatic or very expensive consequences.
Hvis de magnetiske lagrene svikter, for eksempel på grunn av avbrudd i effektforsyningen eller svikt i styringssystemet, vil det roterende utstyret svært raskt slutte å fungere med mindre nøddrifts- eller sikringssystemer er inkludert. I dag er en separat, lokal UPS (Uninterruptable Power Supply) som inneholder batterier vanligvis til stede. Batterier eldes imidlertid over tid, og kan kreve hyppig utskiftning, hvilket kan være svært kostbart, og de kan fortsatt være ute av stand til å understøtte lasten når det kreves. Det roterende maskineriet kan også omfatte sekundærlagre som sikringslagre, men disse har typisk en svært begrenset tjenestetid, og kan motstå kun én eller noen få "harde landinger" av den roterende akslingen. En separat 3-fase vekselstrøm effektforsyning er ifølge dagens løsninger koblet til de magnetiske lagrene gjennom en dedikert UPS, en likeretter og AMB (Active Magnetic Bearing) styringsforsterkeren. If the magnetic bearings fail, for example due to interruption of the power supply or failure of the control system, the rotating equipment will very quickly cease to function unless emergency operation or protection systems are included. Today, a separate, local UPS (Uninterruptible Power Supply) containing batteries is usually present. However, batteries age over time and may require frequent replacement, which can be very expensive, and they may still be unable to support the load when required. The rotating machinery may also include secondary bearings such as thrust bearings, but these typically have a very limited service life, and can withstand only one or a few "hard landings" of the rotating shaft. According to current solutions, a separate 3-phase alternating current power supply is connected to the magnetic bearings through a dedicated UPS, a rectifier and the AMB (Active Magnetic Bearing) control amplifier.
Det finnes et behov for bedre løsninger for å beskytte de roterende delene i roterende maskineri, spesielt kritisk undervannsutstyr med praktisk talt intet rom for svikt, hvilket utstyr kan være plassert langt ute på dypt vann. There is a need for better solutions to protect the rotating parts of rotating machinery, especially critical underwater equipment with virtually no room for failure, which equipment may be located far out in deep water.
Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention
Oppfinnelsen frembringer en roterende maskin, slik som en undervanns trykkforsterkende kompressor eller pumpe, et undervanns motor-generatorsett eller en effektgenerator, der maskinen omfatter minst én roterende aksling med minst ett aktivt magnetisk lager funksjonelt koblet med en effektforsyning og et styringssystem, kjennetegnet ved at den roterende maskinen omfatter effektgenererende midler innrettet til å generere og tilføre effekt til det aktive magnetiske lageret og styringssystemet i en situasjon med svikt eller avbrudd i den ordinære effektforsyningen til det magnetiske lageret. The invention provides a rotating machine, such as an underwater pressure boosting compressor or pump, an underwater motor-generator set or a power generator, where the machine comprises at least one rotating shaft with at least one active magnetic bearing functionally connected with a power supply and a control system, characterized in that it the rotating machine comprises power generating means designed to generate and supply power to the active magnetic bearing and the control system in a situation of failure or interruption in the ordinary power supply to the magnetic bearing.
Oppfinnelsen er særlig relevant for undervanns trykkforsterkingsutstyr med magnetiske lagre, slik som kompressorer, flerfasepumper og pumper, og effektgeneratorsett og forsterkings-innretninger for lange undervannsstrekk eller lange undersjøiske vekselstrømkabelkrysninger. Oppfinnelsen er imidlertid relevant for ethvert roterende utstyr som har aktive magnetiske lagre, spesielt fjerntliggende og vanskelig tilgjengelig utstyr med krav til svært lav eller neglisjerbar friksjon, slik som vindkraftgeneratorer og hydroelektriske anlegg. The invention is particularly relevant to underwater pressure boosting equipment with magnetic bearings, such as compressors, multiphase pumps and pumps, and power generator sets and amplification devices for long underwater stretches or long underwater AC cable crossings. However, the invention is relevant to any rotating equipment that has active magnetic bearings, especially remote and hard-to-reach equipment with requirements for very low or negligible friction, such as wind power generators and hydroelectric plants.
Den essensielle delen av oppfinnelsen er å gjenvinne rotasjonsbundet kinetisk energi for å frembringe en trygg landing på sikkerhetslagre i en sitasjon med svikt, sammenbrudd eller avbrudd i effektforsyningen til de aktive magnetiske lagrene av en hvilken som helst grunn når den roterende maskinen er i rotasjon og den roterende akslingen er opplagret i et aktivt magnetisk felt fra de aktive magnetiske lagrene. De effektgenererende midlene er tilpasset til å generere og tilføre effekt til det aktive magnetiske lageret og styringssystemet i en situasjon med svikt eller avbrudd i den ordinære effektforsyningen til det magnetiske lageret i det minste til rotasjonen er redusert til et nivå som kan håndteres av reservelagerflatene, eller inntil rotasjonen har stoppet. The essential part of the invention is to recover rotationally bound kinetic energy to produce a safe landing on safety bearings in a situation of failure, breakdown or interruption of the power supply to the active magnetic bearings for any reason when the rotating machine is in rotation and the the rotating shaft is supported in an active magnetic field from the active magnetic bearings. The power generating means are adapted to generate and supply power to the active magnetic bearing and control system in a situation of failure or interruption of the ordinary power supply to the magnetic bearing at least until the rotation is reduced to a level that can be handled by the backup bearing surfaces, or until the rotation has stopped.
I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter den roterende maskinen en elektrisk motor funksjonelt koblet med et tokvadrant opererbart drev med variabel fart (VSD) i stand til å generere elektrisk effekt ved behov, der VSDen er koblet gjennom en styringsenhet til en likeretter, der likeretteren er en del av en ordinær effektforsyning til det magnetiske lageret da den er koblet direkte til en inngangs 3-fase vekselstrøm normal effektforsyning og en utgangs aktiv magnetisk lager (AMB) styringsforsterker som videre er koblet funksjonelt til de aktive magnetiske lagrene. Denne utførelsesformen er relevant for motorer som drives av en enkeltkvadrant VSD eller tilsvarende ved normal drift. I en situasjon med sammenbrudd av effekt til de aktive magnetiske lagrene, bytter imidlertid VSDen fra motordriftmodus, det vil si 1. kvadrant drift, til generatordriftmodus, det vil si 2. kvadrant drift. In a preferred embodiment of the invention, the rotating machine comprises an electric motor functionally coupled with a two-quadrant operable variable speed drive (VSD) capable of generating electrical power on demand, wherein the VSD is coupled through a control unit to a rectifier, wherein the rectifier is part of an ordinary power supply to the magnetic bearing as it is connected directly to an input 3-phase alternating current normal power supply and an output active magnetic bearing (AMB) control amplifier which is further connected functionally to the active magnetic bearings. This embodiment is relevant for motors driven by a single quadrant VSD or equivalent in normal operation. However, in a situation of breakdown of power to the active magnetic bearings, the VSD switches from motor operation mode, i.e. 1st quadrant operation, to generator operation mode, i.e. 2nd quadrant operation.
I en forskjellig foretrukket utførelsesform omfatter den roterende maskinen ifølge oppfinnelsen en elektrisk generator atskilt fra eller integrert i den primære roterende maskinen, funksjonelt koblet til det aktive lagerets effektforsyning og styringssystem. I én utførelses-form er den elektriske generatoren plassert på motorakslingen eller en pumpeaksling for å gjenvinne rotasjonsenergi til elektrisk energi for å tilføre energien, via en styringsenhet til en likeretter, der likeretteren er en del av en ordinær effektforsyning til det magnetiske lageret da den er koblet direkte til en inngangs 3-fase vekselstrøm normal effektforsyning og en utgangs aktiv magnetisk lager (AMB) styringsforsterker som videre er koblet funksjonelt til de aktive magnetiske lagrene. In a different preferred embodiment, the rotating machine according to the invention comprises an electric generator separate from or integrated into the primary rotating machine, functionally connected to the active bearing's power supply and control system. In one embodiment, the electric generator is placed on the motor shaft or a pump shaft to recover rotational energy into electrical energy to supply the energy, via a control unit to a rectifier, where the rectifier is part of an ordinary power supply to the magnetic bearing as it is connected directly to an input 3-phase AC normal power supply and an output active magnetic bearing (AMB) control amplifier which is further functionally connected to the active magnetic bearings.
I en videre utførelsesform omfatter den roterende maskinen ifølge oppfinnelsen en elektrisk generator funksjonelt koblet til en styringsenhet som er koblet til en likeretter, der likeretteren er en del av en ordinær effektforsyning til det magnetiske lageret da den er koblet direkte til en inngangs 3-fase vekselstrøm normal effektforsyning og en utgangs aktiv magnetisk lager (AMB) styringsforsterker som videre er koblet funksjonelt til de aktive magnetiske lagrene. Denne utførelsesformen er relevant for vindmøller, hydroelektriske kraftanlegg og annet roterende utstyr som kan ha aktive magnetiske lagre. In a further embodiment, the rotating machine according to the invention comprises an electric generator functionally connected to a control unit which is connected to a rectifier, where the rectifier is part of an ordinary power supply to the magnetic bearing as it is connected directly to an input 3-phase alternating current normal power supply and an output active magnetic bearing (AMB) control amplifier which is further connected functionally to the active magnetic bearings. This embodiment is relevant for wind turbines, hydroelectric power plants and other rotating equipment that may have active magnetic bearings.
Oppfinnelsen frembringer også en fremgangsmåte for å frembringe effektforsyning til aktive magnetiske lagre i en roterende maskin, særlig en undervanns roterende maskin, kjennetegnet ved å gjenvinne den roterende maskinens kinetiske rotasjonsenergi for å generere elektrisk effekt til drift av de aktive magnetiske lagrene ved å innrette effektgenererende midler for å generere og tilføre effekt til det aktive magnetiske lageret og styringssystemet i en situasjon med svikt eller avbrudd i en ordinær effektforsyning for magnetiske lagre. The invention also provides a method for generating power supply to active magnetic bearings in a rotating machine, in particular an underwater rotating machine, characterized by recovering the rotating machine's kinetic rotational energy to generate electrical power for operating the active magnetic bearings by arranging power generating means to generate and supply power to the active magnetic bearing and control system in a situation of failure or interruption in an ordinary power supply for magnetic bearings.
I en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten, genereres elektrisk energi ved å arrangere en elektrisk motor på en aksling i det roterende maskineriet og å innrette koblinger og styringsinnretninger for å frembringe effekt og styring til drift av de aktive magnetiske lagrene. Denne utførelsesformen kan brukes i praktisk talt enhver roterende maskin. In a preferred embodiment of the method, electrical energy is generated by arranging an electric motor on a shaft in the rotating machinery and arranging linkages and control devices to produce power and control for operation of the active magnetic bearings. This embodiment can be used in virtually any rotating machine.
I en annen foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten, genereres elektrisk energi ved å arrangere en elektrisk motor i det roterende maskineriet funksjonelt til et tokvadrant opererbart drev med variabel fart (VSD) for å generere elektrisk effekt, å koble VSDen gjennom en styringsenhet til en likeretter, der likeretteren er koblet direkte til en inngangs 3-fase vekselstrøm normal effektforsyning og en utgangs aktiv magnetisk lager (AMB) styringsforsterker som videre er koblet funksjonelt til de aktive magnetiske lagrene. Denne utførelsesformen er nyttig til enhver motor drevet av en VSD eller tilsvarende innretning, hvilken VSD eller innretning kan bytte over til eller tilpasses drift i generatormodus med motoren. In another preferred embodiment of the method, electrical energy is generated by arranging an electric motor in the rotating machinery functionally into a two-quadrant operable variable speed drive (VSD) to generate electrical power, coupling the VSD through a control unit to a rectifier, wherein the rectifier is connected directly to an input 3-phase alternating current normal power supply and an output active magnetic bearing (AMB) control amplifier which is further connected functionally to the active magnetic bearings. This embodiment is useful for any engine powered by a VSD or equivalent device, which VSD or device can be switched to or adapted to operate in generator mode with the engine.
Oppfinnelsen frembringer også bruk av en elektrisk motor i en undervanns roterende maskin til å generere elektrisk effekt til aktive magnetiske lagre i en situasjon med svikt eller avbrudd i den normale effektforsyningen til aktive magnetiske lagre. The invention also provides the use of an electric motor in an underwater rotating machine to generate electrical power to active magnetic bearings in a situation of failure or interruption of the normal power supply to active magnetic bearings.
I tillegg frembringer oppfinnelsen bruk av en elektrisk generator i en undervanns roterende maskin til å generere elektrisk effekt til aktive magnetiske lagre i en situasjon med svikt eller avbrudd i den normale effektforsyningen til aktive magnetiske lagre. In addition, the invention provides the use of an electrical generator in an underwater rotating machine to generate electrical power to active magnetic bearings in a situation of failure or interruption in the normal power supply to active magnetic bearings.
Figurer Figures
Oppfinnelsen er illustrert med seks figurer, hvor: The invention is illustrated with six figures, where:
Figur 1 illustrerer et eksisterende system, ikke ifølge oppfinnelsen, med en undervannspumpe med aktive magnetiske lagre og en lokal VSD, Figur 2 illustrerer et system ifølge oppfinnelsen med en undervannspumpe med aktive magnetiske lagre og en lokal VSD, Figur 3 illustrerer et eksisterende system, ikke ifølge oppfinnelsen, med en undervannspumpe med aktive magnetiske lagre og en fjerntliggende VSD, Figur 4 illustrerer et system ifølge oppfinnelsen, med en undervannspumpe med aktive magnetiske lagre og en fjerntliggende VSD, Figur 5 illustrerer en detalj ved det eksisterende system, ikke ifølge oppfinnelsen, av et undervanns motorkompressorsett med aktive magnetiske lagre og Figur 6 illustrerer et system ifølge oppfinnelsen, med et undervanns motor-generatorsett med aktive magnetiske lagre for lange undervannsstrekk. Figure 1 illustrates an existing system, not according to the invention, with an underwater pump with active magnetic bearings and a local VSD, Figure 2 illustrates a system according to the invention with an underwater pump with active magnetic bearings and a local VSD, Figure 3 illustrates an existing system, not according to the invention, with an underwater pump with active magnetic bearings and a remote VSD, Figure 4 illustrates a system according to the invention, with an underwater pump with active magnetic bearings and a remote VSD, Figure 5 illustrates a detail of the existing system, not according to the invention, of an underwater motor compressor set with active magnetic bearings and Figure 6 illustrates a system according to the invention, with an underwater motor-generator set with active magnetic bearings for long underwater stretches.
Detaljert beskrivelse Detailed description
Det vises først til figurene 1 og 2, som illustrerer tilsvarende systemer men ifølge kjent teknikk, det vil si figur 1, og ifølge oppfinnelsen, det vil si figur 2. Nærmere bestemt er en undervannspumpe med aktive magnetiske lagre og en lokal VSD vist i begge figurene. En trefase vekselstrøm effektforsyning frembringer effekt til et enkeltkvadrant driv med variabel fart (VSD) til drift av den elektriske motoren i en pumpe, en kompressor eller et generatorsett. I denne illustrasjonen er pumpen koblet til motoren gjennom en felles aksling, pumpen mottar en innstrøm av prosessfluid og leverer en utstrøm av prosessfluid ved høyere trykk. Akslingen til motoren og pumpen roterer på aktive magnetiske lagre, som vist ved tre x-y radiale aktive magnetiske løagre og ett z aksialt aktivt magnetisk lager på figuren. Nærmere bestemt er de aktive magnetiske lagrene koblet til og styrt av en AMB (Active Magnetic Bearing) styringsforsterker, i den viste utførelsesformen ifølge figur 5, er et 7 akset styringssystem frembrakt (3 ganger x-y + én z)- AMB styringsforsterkeren er forsynt med likestrøm fra en likeretter, som er koblet til en separat 3-fase vekselstrøms effektforsyning gjennom en dedikert UPS (uninterruptable power supply). I en situasjon med avbrutt effektforsyning til lagrene, gir UPSen effekten som kreves. Dette er imidlertid en løsning som kan være upålitelig over tid på grunn av batterisvikt. Nærmere bestemt viser figur 1 en maskin eller et system fra kjent teknikk, ikke ifølge oppfinnelsen, som omfatter en roterende maskin (20) som benytter aktive magnetiske lagre, eksterne effektkilder (21 & 25), lokel reserveeffekt (23), lagerstyringsenhet (24), lokal VSD (26) konstruert for enkeltkvadrantdrift (kun motordrift). Reference is first made to figures 1 and 2, which illustrate corresponding systems but according to the prior art, i.e. figure 1, and according to the invention, i.e. figure 2. More specifically, an underwater pump with active magnetic bearings and a local VSD is shown in both the figures. A three-phase AC power supply provides power to a single-quadrant variable speed drive (VSD) to drive the electric motor in a pump, compressor or generator set. In this illustration, the pump is connected to the motor through a common shaft, the pump receives an inflow of process fluid and delivers an outflow of process fluid at higher pressure. The shaft of the motor and pump rotates on active magnetic bearings, as shown by three x-y radial active magnetic bearings and one z axial active magnetic bearing in the figure. More specifically, the active magnetic bearings are connected to and controlled by an AMB (Active Magnetic Bearing) control amplifier, in the embodiment shown according to figure 5, a 7-axis control system is produced (3 times x-y + one z) - the AMB control amplifier is supplied with direct current from a rectifier, which is connected to a separate 3-phase alternating current power supply through a dedicated UPS (uninterruptible power supply). In a situation with an interrupted power supply to the warehouses, the UPS provides the required power. However, this is a solution that can be unreliable over time due to battery failure. More specifically, Figure 1 shows a machine or a system from prior art, not according to the invention, which comprises a rotating machine (20) that uses active magnetic bearings, external power sources (21 & 25), local reserve power (23), bearing control unit (24) , local VSD (26) designed for single quadrant operation (motor operation only).
Det vises til figur 2, som i prinsipp illustrerer samme motor og pumpe som figur 1, men tilpasset ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Nærmere bestemt gjenvinnes kinetisk rotasjonsenergi for å frembringe energi til styring og drift av det aktive magnetiske lageret. For dette formålet endres driften fra en motormodus til en tokvadrant driftsmodus samtidig som VSDen kobles til likeretteren i til den aktive magnetiske lagerlikeretteren gjennom en styringsenhet. En forbindelse fra likestrømsbussen til pumpens effektforsyning til styringsenheten frembringes også for videre behov. I en situasjon med bortfall eller avbrudd i i den ordinære effektforsyningen til det aktive magnetiske lageret, genereres effekt av motoren mens motoren spinner inntil rotasjonsfarten faller under et minimum for generering. Den genererte effekten tilføres gjennom VSDen til styringsenheten og videre til likeretteren for det aktive magnetiske lageret. Derved tilveiebringes effekt og styring av de aktive magnetiske lagrene når det trengs, det vil si mens akslingen fortsatt roterer. Det ekstra styringssystemet skal detektere en svikt i forsyningen til lagerstyringsenheten (24) og bytte til å bruke effekt fra motordrevets likestrømsbuss. I tilfelle total svikt i 3-faseforsyningen, skal styringssystemet få hovedmotordrevet til å bytte fra motor- til generatormodus. Gjenvunnet energi fra systemtregheten vil bli brukt til å frembringe effekt til det magnetiske lagersystemet, og forhindre potensiell skade fra en "hard landing" av den roterende sammenstillingen. Nærmere bestemt illustrerer figur 2 en roterende maskin (20) ifølge oppfinnelsen som benytter aktive magnetiske lagre, eksterne effektkilder (21 & 25), lagerstyringsenhet (24), lokal VSD (27) konstruert for tokvadrant drift (motor- og generatordrift). Reference is made to Figure 2, which in principle illustrates the same motor and pump as Figure 1, but adapted according to the present invention. More specifically, kinetic rotational energy is recovered to generate energy for control and operation of the active magnetic bearing. For this purpose, the operation is changed from a motor mode to a two-quadrant mode of operation while the VSD is connected to the rectifier in to the active magnetic bearing rectifier through a control unit. A connection from the DC bus to the pump's power supply to the control unit is also created for further needs. In a situation of failure or interruption in the ordinary power supply to the active magnetic bearing, power is generated by the motor while the motor spins until the rotational speed falls below a minimum for generation. The generated power is supplied through the VSD to the control unit and further to the rectifier for the active magnetic bearing. This provides power and control of the active magnetic bearings when needed, that is, while the shaft is still rotating. The additional control system must detect a failure in the supply to the bearing control unit (24) and switch to using power from the motor drive's DC bus. In the event of total failure of the 3-phase supply, the control system shall cause the main motor drive to switch from motor to generator mode. Recovered energy from the system inertia will be used to provide power to the magnetic bearing system, preventing potential damage from a "hard landing" of the rotating assembly. More specifically, figure 2 illustrates a rotating machine (20) according to the invention which uses active magnetic bearings, external power sources (21 & 25), bearing control unit (24), local VSD (27) designed for two-quadrant operation (motor and generator operation).
Det vises så til figurene 3 og 4, som illustrerer tilsvarende undervannspumper med aktive magnetiske lagre og en fjerntliggende VSD. Figur 3 illustrerer en eksisterende løsning, ikke ifølge oppfinnelsen, med ordinært effekt- og styringssystem for aktive magnetiske lagre som beskrevet over, med en roterende maskin (20) som benytter aktive magnetiske lagre, drevet fra et fjerntliggende drev for variabel fart (28). Motsatt viser figur 4 en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen som implementert for pumpen, for å gjenvinne rotasjonens kinetiske energi til effekt og styring for det aktive magnetiske lageret i tilfelle svikt eller sammenbrudd i den ordinære forsyningen. Nærmere bestemt illustrerer figur 4 en roterende maskin (20) med en intern generatorenhet (26), lokal generatorenhet (29). Følgelig er en hjelpegenerator tilpasset til eller på motor-pumpeakslingen for å gjenvinne energi når det kreves. Den genererte effekten tilføres gjennom en styringsenhet til likeretteren i effektforsyningen til det aktive magnetiske lageret. Den ytterligere lille generatoren er bare aktiv i tilfelle en svikt i den ordinære vekselstrøms forsyningen, hvilket overvåkes av den ytterligere styringsenheten. Gjenvunnet energi far systemtregheten vil bli brukt til å frembringe effekt til det magnetiske lagersystemet, og forhindre potensiell skade fra en "hard landing" av den roterende sammenstillingen. Denne implementasjonen gir komplett isolasjon av det elektriske systemet om nødvendig. Merk at den interne generatorenheten (26) kan implementeres ved å integrere generatorvindingene i hovedmotorvindingene og bruke den samme rotorsammen- stillingen, hvilket representerer en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Reference is then made to Figures 3 and 4, which illustrate corresponding submersible pumps with active magnetic bearings and a remote VSD. Figure 3 illustrates an existing solution, not according to the invention, with an ordinary effect and control system for active magnetic bearings as described above, with a rotating machine (20) that uses active magnetic bearings, driven from a remote drive for variable speed (28). Conversely, figure 4 shows an embodiment of the present invention as implemented for the pump, to recover the kinetic energy of the rotation for power and control for the active magnetic bearing in the event of failure or breakdown in the ordinary supply. More specifically, Figure 4 illustrates a rotating machine (20) with an internal generator unit (26), local generator unit (29). Accordingly, an auxiliary generator is adapted to or on the motor-pump shaft to recover energy when required. The generated power is supplied through a control unit to the rectifier in the power supply to the active magnetic bearing. The additional small generator is only active in the event of a failure of the ordinary alternating current supply, which is monitored by the additional control unit. Recovered energy from the system inertia will be used to provide power to the magnetic bearing system, preventing potential damage from a "hard landing" of the rotating assembly. This implementation provides complete isolation of the electrical system if necessary. Note that the internal generator unit (26) can be implemented by integrating the generator windings into the main motor windings and using the same rotor assembly, which represents a preferred embodiment of the present invention.
Figur 5 er et detaljert riss av en typisk roterende maskinsammenstilling som viser en forseglet motor (12) og kompressorenhet (14), der den roterende komponenten understøttes av tre to-aksede radiale aktive magnetiske lagre (11, 15,16) og ett én-akset aksialt aktivt magnetisk lager (13). Motoren drives av en trefaseforsyning (pl, 2, 3), kompressoren mottarr prosessinnstrøm (17) og leverer prosessutstrøm (18). Figure 5 is a detailed view of a typical rotating machine assembly showing a sealed motor (12) and compressor unit (14), where the rotating component is supported by three two-axis radial active magnetic bearings (11, 15, 16) and one single- axis axially active magnetic bearing (13). The motor is powered by a three-phase supply (pl, 2, 3), the compressor receives process inflow (17) and delivers process outflow (18).
Videre vises til figur 6, som illustrerer en roterende maskin ifølge oppfinnelsen, med aktive magnetiske lagre, for lange undervannsstrekk. Nærmere bestemt illustrerer figur 6 en utfør-elsesform av den foreliggende oppfinnelsen som implementert for motor-generatorsettet, for å gjenvinne rotasjonens kinetiske energi for effekt og styring for de aktive magnetiske lagrene i tilfelle frakobling eller svikt i andre forsyninger. Det vises et motor-generatorsett (20) for effektfordeling over lange undervannsstrekk, med en lokal effektstyrer (29) som tilfører effekt til lokale systemer (30) og understøtter AMB-styrer (24) i tilfelle effektsvikt fra fjerntliggende forsyninger (21 & 28). Følgelig er generatoren koblet gjennom en styringsenhet til styreren for det aktive magnetiske lageret. I denne anvendelsen vil det nye styringssystemet omdiri-gere effekt fra generatoren til det magnetiske lageret. I tilfelle svikt i hovedforsyningen, vil gjenvunnet energi fra systemtregheten bli brukt til å tilføre effekt til det magnetiske lagersystemet og forhindre potensiell skade fra en "hard landing" av den roterende sammenstillingen. Reference is also made to Figure 6, which illustrates a rotating machine according to the invention, with active magnetic bearings, for long underwater stretches. More specifically, Figure 6 illustrates an embodiment of the present invention as implemented for the motor-generator set, to recover the rotational kinetic energy for power and control for the active magnetic bearings in the event of disconnection or failure of other supplies. A motor-generator set (20) is shown for power distribution over long underwater stretches, with a local power controller (29) supplying power to local systems (30) and supporting AMB controllers (24) in the event of power failure from remote supplies (21 & 28) . Accordingly, the generator is connected through a control unit to the controller of the active magnetic bearing. In this application, the new control system will redirect power from the generator to the magnetic bearing. In the event of a mains supply failure, recovered energy from the system inertia will be used to add power to the magnetic bearing system and prevent potential damage from a "hard landing" of the rotating assembly.
Den roterende maskinen kan omfatte hvilke som helst trekk beskrevet eller illustrert i dette dokumentet i enhver funksjonell kombinasjon, der hver slik kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan omfatte hvilke som helst trekk eller trinn beskrevet eller illustret i dette dokumentet i enhver funksjonell kombinasjon, der hver slik kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. The rotary machine may include any features described or illustrated herein in any functional combination, each such combination being an embodiment of the invention. The method according to the invention may comprise any features or steps described or illustrated in this document in any functional combination, where each such combination is an embodiment of the invention.
Claims (10)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20130749A NO337234B1 (en) | 2013-05-29 | 2013-05-29 | Rotary underwater machine with fault-tolerant active magnetic storage |
| PCT/NO2014/000034 WO2014193238A1 (en) | 2013-05-29 | 2014-05-28 | Fault tolerant power supply for active magnetic bearing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20130749A NO337234B1 (en) | 2013-05-29 | 2013-05-29 | Rotary underwater machine with fault-tolerant active magnetic storage |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20130749A1 true NO20130749A1 (en) | 2014-12-01 |
| NO337234B1 NO337234B1 (en) | 2016-02-15 |
Family
ID=51989153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20130749A NO337234B1 (en) | 2013-05-29 | 2013-05-29 | Rotary underwater machine with fault-tolerant active magnetic storage |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO337234B1 (en) |
| WO (1) | WO2014193238A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO338254B1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-08-08 | Vetco Gray Scandinavia As | Control system and method for supplying power to active magnetic bearings in a rotary machine |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10208760B2 (en) * | 2016-07-28 | 2019-02-19 | General Electric Company | Rotary machine including active magnetic bearing |
| FI128651B (en) | 2017-06-30 | 2020-09-30 | Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto | An electric machine system |
| CN107764557B (en) * | 2017-09-01 | 2019-04-12 | 西安陕鼓动力股份有限公司 | A kind of quick discrimination method of rotor-ellipse pad bearing atypia power frequency failure |
| CN111442029B (en) * | 2020-05-07 | 2021-11-16 | 南京邮电大学 | Displacement sensor fault-tolerant control system and method for active radial magnetic bearing |
| WO2022066663A1 (en) * | 2020-09-22 | 2022-03-31 | Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP | Free cooling operation of a chiller |
| CN112815008B (en) * | 2021-03-22 | 2022-02-15 | 华中科技大学 | Magnetic suspension two-degree-of-freedom radial bearing four-phase full-bridge topological circuit |
| CN114263677B (en) * | 2021-12-27 | 2022-12-02 | 华中科技大学 | A five-arm fault-tolerant control method and system applied to magnetic suspension bearings |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2501314A1 (en) * | 1981-03-09 | 1982-09-10 | Europ Propulsion | ACTIVE REDUNDANT ELECTROMAGNETIC BEARING |
| FR2654875B1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-03-13 | Cit Alcatel | ELECTRIC POWER SUPPLY ASSEMBLY OF A VACUUM PUMP WITH MAGNETIC BEARINGS, WITH AUXILIARY SUPPLY OF THE BEARINGS IN THE EVENT OF A CURRENT IN THE CURRENT. |
| KR960030515A (en) * | 1995-01-24 | 1996-08-17 | 이형도 | Active magnetic bearing system |
| JP3779105B2 (en) * | 1999-09-16 | 2006-05-24 | 株式会社ジェイテクト | Power failure compensation system for magnetic bearings |
| US7109622B2 (en) * | 2003-06-06 | 2006-09-19 | Pentadyne Power Corporation | Flywheel system with synchronous reluctance and permanent magnet generators |
| GR1007565B (en) * | 2010-09-08 | 2012-03-26 | ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ (κατά ποσοστό 40%), | Hybrid sliding-contact bearing |
-
2013
- 2013-05-29 NO NO20130749A patent/NO337234B1/en unknown
-
2014
- 2014-05-28 WO PCT/NO2014/000034 patent/WO2014193238A1/en active Application Filing
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NO338254B1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-08-08 | Vetco Gray Scandinavia As | Control system and method for supplying power to active magnetic bearings in a rotary machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO337234B1 (en) | 2016-02-15 |
| WO2014193238A1 (en) | 2014-12-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO20130749A1 (en) | Rotary machine with fault-tolerant active magnetic storage | |
| US6255743B1 (en) | Method and apparatus for providing an uninterruptible supply of electric power to a critical load | |
| US9577471B2 (en) | Power system for providing an uninterruptible power supply to an external load | |
| US4446377A (en) | Low collapse speed lube oil pumping system for turbomachinery | |
| US20150078917A1 (en) | System and method for converterless operation of motor-driven pumps | |
| EP3377727B1 (en) | Dual motor drive for electric submersible pump systems | |
| BR102012022630A2 (en) | gas turbine engine engine mechanism | |
| CN109936215B (en) | Uninterrupted power supply system of magnetic suspension flywheel energy storage device | |
| JP2015512244A (en) | Electric unit for pumped storage power plant | |
| BR102015026557A2 (en) | power generation system and method | |
| US9735582B2 (en) | Synchronous condenser | |
| JPWO2012029553A1 (en) | Waste heat power generator | |
| CN104797814B (en) | Method for running energy device and energy system with such energy device | |
| US10855141B2 (en) | Power supply system for providing power to a load and for start-up of an internal combustion engine that provides power to such load | |
| US11788499B2 (en) | Uninterruptible power supply system with engine start-up | |
| US9634595B2 (en) | Method and a generator system for operating a generator | |
| US20240235253A1 (en) | Uninterruptible power supply system with engine start-up | |
| JP2016031045A (en) | Emergency power supply system of gas turbine power generation plant | |
| KR20180000862A (en) | System for implementing FPSO power up | |
| US9685897B2 (en) | Electrical gear and method for operating a subsea machinery rotating at high speed | |
| EP4182550A1 (en) | Uninterruptible power supply system with engine start-up | |
| Andrews et al. | Operational performance of high speed motors on active magnetic bearings | |
| BG2135U1 (en) | Uninterruptible power supply system | |
| CN104895784A (en) | Submersible direct-drive screw pump |