EP2430730A2 - Elektrisches antriebssystem - Google Patents

Elektrisches antriebssystem

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Publication number
EP2430730A2
EP2430730A2 EP10714259A EP10714259A EP2430730A2 EP 2430730 A2 EP2430730 A2 EP 2430730A2 EP 10714259 A EP10714259 A EP 10714259A EP 10714259 A EP10714259 A EP 10714259A EP 2430730 A2 EP2430730 A2 EP 2430730A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive system
cooling
electric machine
stator winding
pump
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10714259A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Buse
Söhnke FRÜCHTENICHT
Gaston Mathijssen
Etienne Meier
Axel MÖHLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2430730A2 publication Critical patent/EP2430730A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, moulding insulation, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
    • H02K15/125—Heating or drying of machines in operational state, e.g. standstill heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/10—Other safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing

Definitions

  • the invention relates to a drive system with a liquid keitsgekühlten electric machine and a method for liquid cooling of the stator winding of such a machine.
  • the winding of the stator must be cooled with a medium to avoid inadmissibly high operating temperatures.
  • air is used as the cooling medium.
  • oil in particular an insulating oil, is frequently used as the cooling liquid.
  • the pump circulates the cooling liquid in the closed cooling circuit comprising the engine and a heat exchanger.
  • an electrical machine and thus also the insulating oil used for its cooling can be exposed to very low ambient temperatures.
  • electric machines are used to drive compressors that serve the extraction, transport and processing of natural gas.
  • Compressors for the oil and gas market are often used in extreme locations such as the Arctic or on the seabed (subsea). It is obvious that even the electric machines that drive the compressor used can be exposed to extremely low temperatures.
  • the object of the invention is to enable the use of liquid-cooled dynamoelectric machines at very low ambient temperatures with as little effort as possible.
  • an electric drive system with an electric machine, a cooling circuit for liquid cooling a stator winding of the electric machine, a pump for pumping a cooling liquid through the
  • Cooling circuit a converter for supplying the stator winding and a control device for controlling the inverter such that this before switching on the pump a
  • Common variable-speed drives are usually powered by a converter.
  • This converter usually comprises an input rectifier which converts a line-side AC voltage into a DC link voltage or a network-side DC link Converts AC power into a DC link DC power, and an inverter that applies the DC link DC voltage or the DC link DC current to the electric machine or impressed in the electric machine.
  • the inverter is in this case controlled by a control device such that the electrical variable generated by it generates a predetermined engine speed or a predetermined engine torque.
  • the control device comprises a controller which calculates a setpoint current to be impressed into the stator winding from a deviation of a speed setpoint from an actual speed value and predefines corresponding switching signals for the power semiconductors of the inverter.
  • the invention is based on the finding that the components described control unit, inverter and
  • the stator winding can also be used for heating the cooling liquid. In this way, an external heater for warming up the cooling liquid can be saved. This can reduce the cost of the electric drive unit and minimize their volume.
  • To provide the cooling liquid sufficiently low viscosity only a corresponding heating current is fed from the inverter in the stator winding, which bring the cooling liquid, which is provided to cool the stator winding, to a required temperature. Only when this threshold temperature is exceeded, the cooling liquid is sufficiently low viscosity to be circulated by the pump in the cooling circuit.
  • the heating current in an advantageous embodiment of the invention is a direct current.
  • a direct current impressed into the stator winding a static magnetic field is generated in the air gap of the electric machine, by means of which the rotor of the machine is not driven.
  • the use of a direct current also has the advantage that no eddy current and hysteresis losses can be generated in the rotor of the machine.
  • the heating current is an alternating current through which an alternating field is generated in an air gap of the electric machine.
  • the heating current is an alternating current through which an alternating field is generated in an air gap of the electric machine.
  • commissioning of the electric drive system at low ambient temperatures can be largely automated by virtue of the fact that the electrical operating system has measuring means for detecting a measured variable characterizing the viscosity of the cooling liquid, wherein the control device generates a switch-on command for the pump. Forming a viscosity threshold is formed. In this case, the viscosity of the cooling liquid is continuously monitored when switching on the electric drive system. This can also be done, for example, by a temperature measurement of the cooling liquid, since the temperature of the cooling liquid allows a conclusion as to its viscosity. Once it is determined by the controller that the viscosity is sufficiently low to allow circulation of the coolant through the pump, a corresponding turn-on signal is sent to the pump by the controller.
  • control device is designed so that it automatically controls the inverter for feeding a three-phase current driving the electric machine from below the Viskosticiansschwellagonists.
  • the complete switch-on of the electric drive system from the heating of the cooling liquid to the startup of the electric motor is automated.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of the electric drive system according to the invention and 2 shows a motor-compressor unit according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the electric drive system according to the invention.
  • the central component of this electric drive system is an electric machine 1, which has a liquid-cooled stator winding.
  • This stator winding is fed by a converter 4 with a three-phase current, which generates the required for driving the rotor of the electric machine 1 rotating field.
  • a control device 5 generates control commands for the power semiconductors of the converter 4. These control commands are generated as a function of a deviation of a current torque of the motor from a torque setpoint specified by the electric machine 1 by means of a suitable control algorithm.
  • the torque of the electric machine 1 can be measured or calculated from a measurement of the stator currents of the electric machine 1 and then fed to the control device 5 as an actual value.
  • An arrow pointing from the inverter 4 to the control device 5 indicates the feedback of the current stator currents, on the basis of which the control device 5 determines the torque of the electric machine 1.
  • the temperature of the cooling liquid of the electric machine 1 is detected and also coupled to the control device 5. This is also indicated by an arrow which points from the electric machine 1 to the control device 5.
  • the cooling liquid provided for cooling the stator winding which in this example is an insulating oil
  • a cooling circuit 2 which comprises a heat exchanger 8, via which the insulating oil can release its heat.
  • the pump 3 is initially switched off.
  • the electric machine 1 is still and it is still generated on no torque from the electric machine 1.
  • control commands for the power semiconductors of the converter 4 are initially generated by the control unit 5, with the result that direct currents are fed into the windings of the electric machine 1.
  • each phase of the electric machine 1 is supplied with a direct current.
  • this direct current the stator winding is heated so that they can give off their heat to the coolant.
  • the direct current is only to be chosen so high that overheating of the stator winding is avoided.
  • the temperature of the cooling liquid is monitored, the temperature of the cooling liquid can be traced to its viscosity. From a certain threshold value for the viscosity and an associated threshold value for the temperature of the cooling liquid, a switch-on command is sent to the pump 3 by the control device 5. Following this switch-on command, the pump 3 starts to circulate the cooling liquid in the cooling circuit 2.
  • the inverter 4 is switched from the DC operation to the AC operation, so that the stator windings of the electric machine 1 are supplied with a three-phase current that generates the rotating field required to drive the electric machine 1.
  • the electric drive system described here allows the use of a liquid-cooled electric motor under extreme operating conditions, in which according to the prior art, an additional heating device for heating the coolant was needed.
  • the described system has almost no additional hardware components and can thus be realized in a particularly cost-effective and compact manner.
  • 2 shows a motor-compressor unit according to an embodiment of the invention.
  • the engine compressor unit 6 shown here is provided for compressing natural gas and suitable for use on the seabed (subsea).
  • a multi-stage compressor 7 and an electric machine suitable for its drive with a stator 9 and a rotor 10 are arranged.
  • the stator 9 is liquid-cooled.
  • the cooling liquid used is an insulating oil which tends to have very high viscosities at the low ambient temperatures prevailing in the subsea application. So that the insulating oil can be pumped by a circulating pump, not shown here, through the cooling system, it is first, as already described in FIG 1, heated with the aid of an impressed in the stator windings DC or AC current to a temperature at which it is sufficiently low-viscosity. An additional heating system is not required for this.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine (1) sowie ein Verfahren zur Flüssigkeitskühlung der Ständerwicklung einer derartigen Maschine (1). Um einen Einsatz bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen möglichst aufwandsarm zu ermöglichen, umfasst das Antriebssystem ferner einen Kühlkreislauf (2) zur Flüssigkeitskühlung einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine (1), eine Pumpe (3) zum Pumpen einer Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf (2), - einen Umrichter (4) zur Speisung der Ständerwicklung und eine Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung des Umrichters derart, dass dieser vor einem Einschalten der Pumpe (3) einen Aufheizstrom in die Ständerwicklung zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit einspeist.

Description

Beschreibung
Elektrisches Antriebssystem
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einer flüssig- keitsgekühlten elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zur Flüssigkeitskühlung der Ständerwicklung einer derartigen Maschine .
Bei elektrischen Maschinen muss die Wicklung des Stators mit einem Medium gekühlt werden, um unzulässig hohe Betriebstemperaturen zu vermeiden. Im einfachsten Fall wird als Kühlmedium Luft eingesetzt. Höhere Leistungen bei gleichzeitig kompakterem Aufbau können jedoch mit einer Flüssigkeitskühlung erzielt werden. Daher wird die Ständerwicklung einer elektrischen Maschine insbesondere bei mittleren und höheren Leistungen häufig durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt, die mit Hilfe einer Pumpe durch einen Kühlkreislauf gepumpt wird. Als Kühlflüssigkeit wird hierbei häufig Öl, insbesondere ein Iso- lieröl, verwendet. Die Pumpe wälzt die Kühlflüssigkeit in dem den Motor und einen Wärmetauscher umfassenden geschlossenen Kühlkreislauf um.
Je nach Einsatzgebiet können eine elektrische Maschine und somit auch das zu deren Kühlung verwendete Isolieröl sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein. Beispielsweise werden elektrische Maschinen zum Antrieb von Verdichtern eingesetzt, die der Förderung, dem Transport und der Verarbeitung von Erdgas dienen. Verdichter für den Öl- und Gasmarkt werden häufig an Extremstandorten wie der Arktis oder auf dem Meeresboden (Subsea) eingesetzt. Es ist offensichtlich, dass auch die elektrischen Maschinen, die dem Antrieb des verwendeten Kompressors dienen, hierbei extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein können.
Niedrige Umgebungstemperaturen bewirken eine sehr hohe Viskosität des Isolieröls, so dass dieses u.U. nicht von der Pumpe durch den Kühlkreislauf gepumpt werden kann. Vor dem Ein- schalten der Pumpe muss das Öl in solchen Fällen zuvor mit Hilfe einer zusätzlichen Heizung vorgewärmt werden, die getrennt von Motor und Kühler als zusätzliches Aggregat im Kühlkreislauf vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einsatz flüs- sigkeitsgekühlter dynamoelektrischer Maschinen bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen möglichst aufwandsarm zu ermöglichen .
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Antriebssystem gelöst mit einer elektrischen Maschine, einem Kühlkreislauf zur Flüssigkeitskühlung einer Ständer- wicklung der elektrischen Maschine, einer Pumpe zum Pumpen einer Kühlflüssigkeit durch den
Kühlkreislauf, einem Umrichter zur Speisung der Ständerwicklung und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Umrichters derart, dass dieser vor einem Einschalten der Pumpe einen
Aufheizstrom in die Ständerwicklung zur Erwärmung der
Kühlflüssigkeit einspeist.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst zur Flüs- sigkeitskühlung einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine eines elektrischen Antriebssystems über einen Kühlkreislauf, wobei mit einer Pumpe eine Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf gepumpt wird und die Ständerwicklung von einem Umrichter vor einem Einschalten der Pumpe mit einem Aufheizstrom zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit gespeist wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gängige drehzahlvariable Antriebe sind in der Regel von einem Umrichter gespeist. Dieser Umrichter umfasst meist einen Eingangsgleichrichter, der eine netzseitige Wechselspannung in eine Zwischenkreisgleichspannung oder einen netzseitigen Wechselstrom in einen Zwischenkreisgleichstrom umwandelt, und einen Wechselrichter, der die Zwischenkreisgleichspannung bzw. den Zwischenkreisgleichstrom an die elektrische Maschine anlegt bzw. in die elektrische Maschine einprägt. Der Wech- selrichter wird hierbei von einer Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die von ihm erzeugte elektrische Größe eine vorgegebene Motordrehzahl oder ein vorgegebenes Motordrehmoment erzeugt. Beispielsweise umfasst die Steuereinrichtung hierzu einen Regler, der aus einer Abweichung eines Drehzahl- Sollwertes von einem Drehzahlistwert einen in die Ständerwicklung einzuprägenden Sollstrom berechnet und hieraus entsprechende Schaltsignale für die Leistungshalbleiter des Wechselrichters vorgibt.
Der oben beschriebene Betrieb entspricht dem allgemein bekannten bestimmungsgemäßen Betrieb eines drehzahlvariablen elektrischen Antriebs.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass sich die beschriebenen Komponenten Steuereinheit, Umrichter und
Ständerwicklung neben ihrer Aufgabe zur Erzeugung eines Drehfeldes auch zur Aufheizung der Kühlflüssigkeit einsetzen lassen. Auf diese Art und Weise kann eine externe Heizung zum Aufwärmen der Kühlflüssigkeit eingespart werden. Hierdurch lassen sich die Kosten für die elektrische Antriebseinheit reduzieren und ihr Bauvolumen minimieren. Um die Kühlflüssigkeit genügend niederviskos bereitzustellen, wird lediglich ein entsprechender Aufheizstrom vom Umrichter in die Ständerwicklung eingespeist, der die Kühlflüssigkeit, die an sich zur Kühlung der Ständerwicklung vorgesehen ist, auf eine erforderliche Temperatur zu bringen. Erst wenn diese Schwelltemperatur überschritten ist, ist die Kühlflüssigkeit genügend niederviskos, um von der Pumpe im Kühlkreislauf umgewälzt zu werden.
Die Erfindung ist insbesondere in einer Ausführungsform vorteilhaft, bei der die Kühlflüssigkeit Öl ist. Da Öl bei sehr niedrigen Temperaturen äußerst zäh wird, kann hier durch die Aufheizung des Öls mittels der Ständerwicklung auf sehr einfache Art und Weise ein Umwälzen dieses Kühlmittels ermöglicht werden.
Um die Erzeugung eines noch nicht gewünschten Drehmomentes der elektrischen Maschine während der Aufheizphase zu vermeiden, ist der Aufheizstrom in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Gleichstrom. Durch einen in die Ständerwicklung eingeprägten Gleichstrom wird ein statisches magnetisches Feld im Luftspalt der elektrischen Maschine erzeugt, durch welches der Rotor der Maschine nicht angetrieben wird. Die Verwendung eines Gleichstroms hat darüber hinaus den Vorteil, dass im Rotor der Maschine keine Wirbelstrom- und Hystereseverluste erzeugt werden können.
Die Entwicklung eines Drehmoments kann jedoch in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch verhindert werden, dass der Aufheizstrom ein Wechselstrom ist, durch den in einem Luftspalt der elektrischen Maschine ein Wechselfeld erzeugt wird. Um die Erzeigung eines Drehmomentes zu verhindern, ist es lediglich entscheidend, ein magnetisches Drehfeld im Luftspalt zu vermeiden. Bei der Verwendung eines Wechselstromes für den Aufheizstrom lassen sich zwar Läuferverluste in Form von Wirbelströmen und Hysterese nicht voll- ständig vermeiden. Jedoch kann ein Wechselstrom, der kein
Drehfeld zur Folge hat, mit minimalem konstruktiven Aufwand mittels des bereits beschriebenen Umrichters erzeugt werden, da dieser für seinen bestimmungsgemäßen Gebrauch bereits zur Einspeisung einer elektrischen Wechselgröße in die Ständer- wicklung eingerichtet ist.
Eine Inbetriebnahme des elektrischen Antriebssystems bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch weitgehend automatisiert wer- den, dass das elektrische Betriebssystem Messmittel zur Erfassung einer die Viskosität der Kühlflüssigkeit charakterisierenden Messgröße aufweist, wobei die Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Einschaltbefehls für die Pumpe bei Unter- schreitung eines Viskositätsschwellwertes ausgebildet ist. Hierbei wird beim Einschalten des elektrischen Antriebssystems die Viskosität der Kühlflüssigkeit kontinuierlich überwacht. Dies kann beispielsweise auch durch eine Temperatur- messung der Kühlflüssigkeit geschehen, da die Temperatur der Kühlflüssigkeit einen Rückschluss auf deren Viskosität erlaubt. Sobald von der Steuereinrichtung festgestellt wird, dass die Viskosität genügend niedrig ist, um ein Umwälzen der Kühlflüssigkeit durch die Pumpe zu ermöglichen, wird von der Steuereinrichtung ein entsprechendes Einschaltsignal an die Pumpe gesendet.
Vorteilhafter Weise ist bei einer derartigen Ausführungsform die Steuereinrichtung so ausgebildet, dass sie ab der Unter- schreitung des Viskositätsschwellwertes automatisch den Umrichter zur Einspeisung eines die elektrischen Maschine antreibenden Drehstromes ansteuert. Hierbei ist der komplette Einschaltvorgang des elektrischen Antriebssystems von der Aufheizung der Kühlflüssigkeit an bis zum Hochfahren des Elektromotors automatisiert.
Eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen elektrischen Antriebssystems lässt sich hervorragend mit einem Verdichter zum Verdichten von Erdgas zu einer Motor-Verdichtereinheit kombinieren die insbesondere für den Einsatz bei extrem niedrigen Außentemperaturen geeignet ist. Ein vorteilhafter Einsatzbereich für eine derartige Motorverdichtereinheit ist beispielsweise bei einer Ausführungsform gegeben, bei der diese für einen Subsea-Einsatz ausgelegt ist. Hierbei ist insbesondere an die Förderung und Verarbeitung von Erdgas in arktischen Gefilden zu denken.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er- läutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems und FIG 2 eine Motor-Verdichtereinheit gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems. Zentraler Bestandteil dieses elektrischen Antriebssystems ist eine elektrische Maschine 1, die eine flüssigkeitsgekühlte Ständerwicklung aufweist. Diese Ständerwicklung wird von einem Umrichter 4 mit einem Drehstrom gespeist, der das zum Antrieb des Rotors der elektrischen Maschine 1 erforderliche Drehfeld erzeugt. Eine Steuereinrichtung 5 erzeugt Steuerbefehle für die Leistungshalbleiter des Umrichters 4. Diese Steuerbefehle werden abhängig von einer Abweichung eines aktuellen Drehmoments des Motors von einen der elektrischen Maschine 1 vorge- gebenen Drehmomentsollwert mittels eines geeigneten Regelalgorithmus erzeugt. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 1 kann hierzu gemessen werden oder aus einer Messung der Ständerströme der elektrischen Maschine 1 rechnerisch ermittelt und anschließend als Istwert der Steuereinrichtung 5 zuge- führt werden. Ein vom Umrichter 4 auf die Steuereinrichtung 5 weisender Pfeil deutet die Rückkopplung der aktuellen Ständerströme an, auf deren Basis die Steuereinrichtung 5 das Drehmoment der elektrischen Maschine 1 bestimmt.
Darüber hinaus wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit der elektrischen Maschine 1 erfasst und ebenfalls auf die Steuereinrichtung 5 gekoppelt. Auch dies ist durch einen Pfeil angedeutet, der von der elektrischen Maschine 1 zur Steuereinrichtung 5 weist.
Die zur Kühlung der Ständerwicklung vorgesehene Kühlflüssigkeit, bei der es sich in diesem Beispiel um ein Isolieröl handelt, wird von einer Pumpe 3 durch einen Kühlkreislauf 2 gepumpt, der einen Wärmetauscher 8 umfasst, über den das Iso- lieröl seine Wärme abgeben kann. Sofern das dargestellte Antriebssystem bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird, kann es jedoch vorkommen, dass das Isolieröl zu zäh ist, um von der Pumpe 3 durch den Kühlkreislauf 2 umge- wälzt zu werden. Bei einem solchen Betriebsfall ist die Pumpe 3 zunächst ausgeschaltet. Ebenso steht die elektrische Maschine 1 noch still und es wird noch auf kein Drehmoment von der elektrischen Maschine 1 erzeugt. Stattdessen werden zu- nächst von der Steuereinheit 5 Steuerbefehle für die Leistungshalbleiter des Umrichters 4 erzeugt, welches zur Folge haben, dass Gleichströme in die Wicklungen der elektrischen Maschine 1 eingespeist werden. Hierbei ist es möglich, dass jede Phase der elektrischen Maschine 1 mit einem Gleichstrom beaufschlagt wird. Es können aber auch nur eine Phase oder zwei Phasen hierfür verwendet werden. Mit Hilfe dieses Gleichstromes wird die Ständerwicklung aufgeheizt, so dass sie ihre Wärme an die Kühlflüssigkeit abgeben kann. Der Gleichstrom ist hierbei selbstverständlich nur so hoch zu wählen, dass eine Überhitzung der Ständerwicklung vermieden wird. Während dieses Aufheizvorganges wird die Temperatur der Kühlflüssigkeit überwacht, die Temperatur der Kühlflüssigkeit lässt einen Rückschluss auf deren Viskosität zu. Ab einen gewissen Schwellwert für die Viskosität und einen damit verbun- denen Schwellwert für die Temperatur der Kühlflüssigkeit wird von der Steuereinrichtung 5 ein Einschaltbefehl an die Pumpe 3 gesendet. Diesem Einschaltbefehl folgend beginnt die Pumpe 3 die Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf 2 umzuwälzen. Weiterhin wird der Umrichter 4 von dem Gleichstrombetrieb in den Drehstrombetrieb umgeschaltet, so dass die Ständerwicklungen der elektrischen Maschine 1 mit einem Drehstrom versorgt werden, der das zum Antrieb der elektrischen Maschine 1 benötigte Drehfeld erzeugt.
Das hier beschriebene elektrische Antriebssystem ermöglicht den Einsatz eines flüssigkeitsgekühlten Elektromotors unter extremen Einsatzbedingungen, bei denen gemäß dem Stand der Technik eine zusätzliche Heizvorrichtung zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit benötigt wurde. Das beschriebene System kommt nahezu ohne zusätzliche Hardwarekomponenten aus und kann damit besonders kostengünstig und kompakt realisiert werden. FIG 2 zeigt eine Motor-Verdichtereinheit gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Die hier dargestellte Motor-Verdichtereinheit 6 ist zum Verdichten von Erdgas vorgesehen und für einen Einsatz am Meeresgrund (Subsea) geeignet. Innerhalb ei- nes gasdichten Gehäuses sind ein mehrstufiger Verdichter 7 und eine zu dessen Antrieb geeignete elektrische Maschine mit einem Stator 9 und einem Rotor 10 angeordnet. Der Stator 9 ist flüssigkeitsgekühlt . Als Kühlflüssigkeit wird ein Iso- lieröl verwendet, welches bei den im Subsea-Einsatz herr- sehenden niedrigen Umgebungstemperaturen zu sehr hohen Viskositäten neigt. Damit das Isolieröl von einer hier nicht dargestellten Umwälzpumpe durch das Kühlsystem gepumpt werden kann, wird es zunächst, wie bereits unter FIG 1 beschrieben, mit Hilfe eines in die Statorwicklungen eingeprägten Gleich- oder Wechselstroms auf eine Temperatur erwärmt, bei der es genügend niederviskos wird. Ein zusätzliches Heizsystem ist hierfür nicht erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine (1), - einem Kühlkreislauf (2) zur Flüssigkeitskühlung einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine (1), einer Pumpe (3) zum Pumpen einer Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf (2), einem Umrichter (4) zur Speisung der Ständerwicklung und - einer Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung des Umrichters derart, dass dieser vor einem Einschalten der Pumpe (3) einen Aufheizstrom in die Ständerwicklung zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit einspeist.
2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlflüssigkeit Öl ist.
3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufheizstrom ein Gleichstrom ist.
4. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufheizstrom ein Wechselstrom ist, durch den in einem Luftspalt der elektrischen Maschine (1) ein Wechselfeld erzeugt wird.
5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Messmitteln zur Erfassung einer die Viskosität der Kühlflüssigkeit charakterisierenden Messgröße, wobei die Steuereinrichtung (5) zur Erzeugung eines Einschaltbefehls für die Pumpe (3) bei Unterschreitung eines Viskositätsschwellwertes ausgebildet ist.
6. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (5) derartig ausgebildet ist, dass sie ab der Unterschreitung des Viskositätsschwellwertes automatisch den Umrichter (4) zur Einspeisung eines die elektrische Maschine (1) antreibenden Drehstromes ansteuert.
7. Motor-Verdichtereinheit (6) umfassend einen Verdichter (7) zum Verdichten von Erdgas und ein elektrischen Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Motor-Verdichtereinheit (6) nach Anspruch 7, wobei die Motor-Verdichtereinheit für einen Subsea-Einsatz ausgelegt ist.
9. Verfahren zur Flüssigkeitskühlung einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine (1) eines elektrischen Antriebssystems über einen Kühlkreislauf (2), wobei mit einer Pumpe (3) eine Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf (2) gepumpt wird und die Ständerwicklung von einem Umrichter (4) vor einem Einschalten der Pumpe (3) mit einem Aufheizstrom zur Er- wärmung der Kühlflüssigkeit gespeist wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kühlflüssigkeit Öl ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Aufheizstrom ein Gleichstrom eingespeist wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Aufheizstrom ein Wechselstrom eingespeist wird, durch den in einem Luftspalt der elektrischen Maschine (1) ein Wechselfeld erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine die Viskosität der Kühlflüssigkeit charakterisie- renden Messgröße erfasst wird und ein Einschaltbefehl für die Pumpe (3) bei Unterschreitung eines Viskositätsschwellwertes automatisch erzeigt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ab der Unterschreitung des Viskositätsschwellwertes automatisch mit dem Umrichter (4) ein die elektrische Maschine (1) antreibender Drehstrom in die Ständerwicklung eingespeist wird.
EP10714259A 2009-05-13 2010-04-15 Elektrisches antriebssystem Withdrawn EP2430730A2 (de)

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US (1) US20120056571A1 (de)
EP (1) EP2430730A2 (de)
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BR (1) BRPI1012855A2 (de)
DE (1) DE102009021098A1 (de)
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