(12) SØKNAD (19) NO (21) 1749 (13) A1 NORGE (1) Int Cl. F04D 29/04 (06.01) F04D 29/046 (06.01) F04D 29/0 (06.01) F04D 29/06 (06.01) F04D /06 (06.01) F01D /16 (06.01) F16C 32/04 (06.01) Patentstyret (21) Søknadsnr 1749 (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag 13.0.29 (8) Videreføringsdag (24) Løpedag 13.0.29 () Prioritet (41) Alm.tilgj 14.12.01 (73) Innehaver Aker Subsea AS, Postboks 94, 13 LYSAKER, Norge (72) Oppfinner Guy Richard Morgan, Skjellestadhagen 9, 1389 HEGGEDAL, Norge Tore Skjervheim, Gaustadveien B, 0372 OSLO, Norge (74) Fullmektig Protector Intellectual Property Consultants AS, Oscarsgate, 032 OSLO, Norge (4) Benevnelse Roterende maskin med feiltolerant aktiv magnetisk opplagring (7) Sammendrag 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.
1 Roterende maskin med feiltolerant aktiv magnetisk opplagring Oppfinnelsens område 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. Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk 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 varmegenerering, 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. 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. 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.
2 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. 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. Oppsummering av oppfinnelsen 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. Oppfinnelsen er særlig relevant for undervanns trykkforsterkingsutstyr med magnetiske lagre, slik som kompressorer, flerfasepumper og pumper, og effektgeneratorsett og forsterkingsinnretninger 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. 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.
3 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. 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 utførelsesform 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. 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. 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
4 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. 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. 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. 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. 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. Figurer Oppfinnelsen er illustrert med seks figurer, hvor: 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 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. Detaljert beskrivelse 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, 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 () som benytter aktive magnetiske lagre, eksterne effektkilder (21 & ), lokel reserveeffekt (23), lagerstyringsenhet (24), lokal VSD (26) konstruert for enkeltkvadrantdrift (kun motordrift). 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
6 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 () ifølge oppfinnelsen som benytter aktive magnetiske lagre, eksterne effektkilder (21 & ), lagerstyringsenhet (24), lokal VSD (27) konstruert for tokvadrant drift (motor- og generatordrift). 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 () 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 () 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 vekselstrømsforsyningen, 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-
7 stillingen, hvilket representerer en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Figur 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 toaksede radiale aktive magnetiske lagre (11,, 16) og ett én-akset aksialt aktivt magnetisk lager (13). Motoren drives av en trefaseforsyning (p1, 2, 3), kompressoren mottarr prosessinnstrøm (17) og leverer prosessutstrøm (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 utførelsesform 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 () for effektfordeling over lange undervannsstrekk, med en lokal effektstyrer (29) som tilfører effekt til lokale systemer () 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 omdirigere 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. 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.
8 PATENTKRAV 1. 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, karakterisert 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. 2. Roterende maskin ifølge krav 1, omfattende en elektrisk motor funksjonelt koblet med et tokvadrant opererbart drev med variabel fart/frekvens (VSD, VFD) for å generere elektrisk effekt ved behov, der VSD 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. 3. Roterende maskin ifølge krav 1, omfattende en elektrisk generator plassert på en roterende aksling, funksjonelt koblet til det magnetiske lagerets effektforsyning og styringssystem. 4. Roterende maskin ifølge krav 3, hvor den elektriske generatoren er plassert på motorakslingen eller pumpeakslingen 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.. Roterende maskin ifølge krav 1, omfattende 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
9 vekselstrøm normal effektforsyning og en utgangs aktiv magnetisk lager (AMB) styringsforsterker som videre er koblet funksjonelt til de aktive magnetiske lagrene. 6. Fremgangsmåte for å frembringe effektforsyning til aktive magnetiske lagre i en undervanns roterende maskin, karakterisert 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. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor elektrisk energi genereres ved å plassere en elektrisk generator 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. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor elektrisk energi genereres ved å tilpasse en elektrisk motor i det roterende maskineriet funksjonelt til et tokvadrant opererbart drev med variabel fart/frekvens (VSD, VFD) for å generere elektrisk effekt, å koble VFD gjennom en styringsenhet til styringsforsterkeren for aktive magnetiske lagre, å gjenbruke likerettertrinnet til standardeffektforsyningen om nødvendig, der likeretteren normalt 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. 9. Bruk av en elektrisk motor i en undervanns roterende maskin til å generere elektrisk effekt for å understøtte aktive magnetiske lagre i en situasjon med svikt, avbrudd eller avbrudd i den normale effektforsyningen til aktive magnetiske lagre.. Bruk av en elektrisk generator i en undervanns roterende maskin til å generere elektrisk effekt for å understøtte aktive magnetiske lagre i en situasjon med svikt, avbrudd eller avbrudd i den normale effektforsyningen til aktive magnetiske lagre.
1/3 p1,2,3 26 A1-7 21 22 23 24 Fig. 1 p1,2,3 27 A1-7 21 22 24 Fig. 2
2/3 p1,2,3 28 A1-7 21 22 23 24 Fig. 3 28 p1,2,3 p4,,6 29 26 A1-7 21 22 24 Fig. 4
3/3 p1,2,3 13 16 17 18 11 12 14 A1 A3 A6 A2 A4 A7 24 A Fig. 28 p1,2,3 29 A1-7 21 22 24 Fig. 6