新型全数字交流变频装置在模块钻机上的研究应用

新型全数字交流变频装置在模块钻机上的研究应用

韩海宁1，刘锦伟2，陈建玲3，孙勤江3

（1.中海油石油总公司，北京 100020；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；

3.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300452）

摘 要：交流变频传动系统分为直流传动和交流传动两种，为提高模块钻机运行、检测和管理的自动化水平，提高电气稳定可靠性，交流变频传动系统广泛应用于钻机模块。本文针对交流变频系统相关的转矩控制与谐波抑制等关键技术，对新型全数字型交流变频装置进行了深入研究。该种交流变频传动系统采用IGBT整流技术（ISU）和直接转矩控制技术，不仅使得电机转速和转矩控制更加准确，而且降低了系统谐波含量，提升了电网的电能质量。关键词：交流变频；直接转矩控制技术；IGBT整流技术；模块钻机；电气传动中图分类号：TE928 文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2018.04.010文章编号：1671-1041(2018)04-0033-03

Research and Application of a New Full Digital AC Frequency

Conversion Device on a Modular Drill

Han Haining1, Liu Jinwei2, Chen Jianling3, Sun Qinjiang3

（1. China National Offshore Oil Corporation, Beijing, 100010, China；2. CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.,Ltd.,Tianjin, 300452, China; 3. CNOOC (China) Ltd., Tianjin Branch, Tianjin, 300452, China）

Abstract：The AC variable frequency drive system is divided into DC drive and AC drive. In order to improve the automation level of module drilling operation, testing and management, as well as the electrical stability and reliability, the AC variable fre-quency drive system is widely used in the rig module. In this paper, the key technologies such as torque control and harmonic suppression related to AC frequency conversion system are studied in this paper. The new all-digital AC frequency conversion device is studied in depth. The AC variable frequency drive system using IGBT rectifier technology (ISU) and direct torque control technology, not only makes the motor speed and torque control more accurate, but also reduces the system harmonic content and enhance the power quality of the grid.

Key words：AC frequency conversion；direct torque control technology；IGBT rectifier technology；module drilling rig；electric drive

0 引言

在海洋模块钻机电力系统中，按驱动电机类型不同，可将电力传动分为直流和交流型式，其中交流变频传动系统在目前应用较为广泛。

为了提高钻机运行、检测和管理的自动化水平，以及系统的综合可靠性，本文所研究模块钻机的驱动系统拟采用全数字交流变频器电气传动系统。本着“先进、可靠、安全、方便、国际通用”的要求，需要进行相应的防爆、防潮、防水、防火处理，满足钻井行业HSE安全生产规

收稿日期：2017-12-27

范，满足模块钻机的传动特性和钻井工艺流程，使电气设备、线路布局更加合理，更加得可靠与易于维护。

1 交流变频系统发展现状

在模块钻机上，非线性电气设备主要为交流变频控制系统，是产生谐波的主要来源。谐波会引起电网电压波形畸变，增大输、配电线路中设施的功耗，造成设施发热，有效使用率下降。谐波还将导致电网功率因数下降，过大的谐波电流将会导致电路线缆发热量过大，加快了绝缘护

作者简介：韩海宁（1980-），男，硕士学位，工程师，从事采购管理工作。

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仪器仪表用户INSTRUMENTATION第25卷

套的老化，甚至可能发生单相或相间短路。另外，电流谐波分量将使电气综保元件过热，易产生保护不动作或误动作。

目前，模块钻机主要应用于如下3种变频传动的控制形式：

1）6脉动整流+有源滤波器形式

即针对6脉动整流的变频控制系统，在交流侧母排增加有源滤波器，对电网谐波集中治理，达到相关标准的要求。

6脉动整流方案比较成熟、应用较多、安装简单方便，通过设置滤波器对谐波进行治理，可以达到标准规范对电网谐波的要求。

2）12脉动整流形式

减少输入谐波的有效措施是将输入变压器增加绕组型式，形成多脉动整流。理论上可以得出：12脉动整流，11次以下谐波自动抵销；18脉动整流，17次以下谐波自动抵销；24脉动整流，23次以下谐波自动抵销。随着整流脉动数的增加，变压器和电缆连接更复杂，至少要采用18脉动整流，谐波的含量才能满足入网标准。

12脉动整流需要在前端增加移相变压器，应用较少、电缆接线较复杂，需要与配电方式统一考虑。12脉动整流对于5次、7次等谐波能够有效去除，THD大概12%，不能满足国标中电网THD的要求。虽在海洋钻机采用电站时可以满足使用要求，但当由平台供电时，会影响平台的电能质量。

3）IGBT整流形式

IGBT整流形式即采用IGBT元件进行交直流转换，它的整流不同于6脉动和12脉动整流，在同一个功率因数下，不会产生特征电流或谐波电压，而且IGBT式整流器模块能够和逆变器模块互换使用，实现互为备用。IGBT整流形式通过主动前段整流和LCL进线滤波器对谐波有效控制，电流谐波畸变率小于5%。

根据治理谐波的有效性，本文所研究的新型全数字交流变频装置利用IGBT整流技术，与上位机等系统融合成为一个整体，提高了钻机的操控水平。不仅提高了钻机系统中交流传动电控系统的可靠性和稳定性及系统的可维护性，而且能够达到提高整个系统综合运行性能的目的。

本文所研究的新型全数字交流变频装置，能够智能操作电动机的平滑启停。其采用DTC技术[1]，提高了鼠笼电动机转速和转矩控制的准度，而无需光码盘或测速电机的反馈。该类型变频器采用模块化生产，其模块在1.1kW～2800kW之间；变频装置内部设置进线电抗器，用于降低高次谐波含量。在现场实际案例应用中，磁通制动、动态制动都可以提供有效制动功率。根据实际需求，可将制动功率反馈回电网，该技术可应用于持续回馈的负载或大惯性负载减速过程。根据电网侧所要求电能质量要求，采用IGBT输入整流桥，有效地抑制了高次谐波对电网的影响，使其满足IEEE519所规定的要求[3]。

2 构成单元模块及功能

该新型全数字交流变频装置包括：辅助控制单元( ACU )、进线单元 ( ICU )、供电单元 ( DSU、TSU、ISU )、动态制动单元（DBU）、传动单元（Drive Section）、控制单元（Control Section）。

2.1 辅助控制单元 ( ACU )

该单元为其他设备提供直流电源24V，若该单元失电将导致紧急停车。交流电压表和电流表可作为显示设备用，该单元内部具有接地监测功能，也可进行电弧监测。

2.2 进线单元（ICU）

根据负荷容量采用对应的开关型式，并通过线缆与进线开关相连，其中可选配置为：接地开关、RFI滤波器（1000A以内）和顶部进线。

2.3 供电单元 ( ISU )

IGBT整流器作为ISU单元的核心，能够有效进行能量分配。ISU创造了电网的绿色环保新概念：功率因数可提升至1；降低了谐波电流含量，满足规范要求。提高了系统的可靠性：其具有自保护功能，避免了短路发生时的器件损耗；自诊断功能，可以实时定位系统中出现的问题，并提高了传动输出功率；ISU能够保持直流回路输出电压稳定，保证了出力的稳定性，其灵活的可操作性，使得电气运行可靠性大幅提升。整流模块的硬件与传动单元兼容，通过实时调节直流电压水平以及波形补偿，保证了系统的功率因数接近1。供电部分原理图如图1所示。

输出端的波形接近于正弦波，基本实现完美无谐波。IGBT 整流与多脉动整流方式的区别在于，不会使电压波形产生畸变[2]。因设备本身所导致的THD能够满足设备需求及规范要求。该全数字交流变频传动装置输出端的电流和电压波形如图2所示。

2.4 传动单元(INU)

传动单元包括逆变器和其控制单元。设备内部设置了与逆变器相并联的直流电容器，用于稳定直流母排的电压。传动模块经过熔断器连接至直流母线。在充电线路中，可以选用自带的熔断器保护装置，其作用可选择性

图1 交流电压和电流波形

Fig.1 Alternating voltage and current waveform

第4期韩海宇·新型全数字交流变频装置在模块钻机上的研究应用

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◆ 起动转矩：直接转矩控制技术可以实现一定范围内转矩准确，并且可持续提供最大转矩输出，最大起动转矩倍数可以控制在2左右。

◆ 自动起动：电源断电时，控制中心可以自记忆，在下次电源恢复时可实现自动起动。自动起动的时间可控制在0.48s内，矢量控制变频器则需大于2.2s。

◆ 精确速度控制：变频器设备运行工况下，误差在0.3%s～0.1%s；变频器的静态精度为0.01%。

◆ 精确转矩控制：相较于矢量控制技术，该新型全数字交流变频装置可将响应控制个位数的毫秒内。

图2 线电流(iU)和线电压(uUV)的典型波形

Fig.2 Typical waveforms for line current (iU) and line voltage (uUV)

3 应用现状及前景

本文所研究的新型全数字交流变频器已在路丰 7～2 模块钻机上成功使用，并且通过了各种相关的调试，达到了很

切除故障相或非故障相的逆变器模块，实现控制传动的效果。每一个逆变器安装一套DCU，标准DCU模块于传动模块安装，大大简化了维护人员工作量。

好的预期效果。省去了以往工程项目中所附属的有（无）源滤波器，减少房间占用空间。将模块钻机上钻机支持模块（DSM）和钻机设备模块（DES）的变频驱动电机采用多传动控制方式集中控制，提高了操控性和整体性。

综上，采用了直接转矩控制技术（DTC）和IGBT绝缘栅双极型晶体管整流控制技术（ISU）的新型全数字交流变频电气传动系统，不仅能精确地控制电机的转速和转矩，而且能有效地抑制系统谐波，提高电网电能质量。介于其本身的特点在海上油气田模块钻机开发工程中有更广阔的应用前景，也会使模块钻机的标准化进程更加完善。

2.5 制动单元 ( DBU )

1） 制动斩波器单元或同步并联的制动斩波器单元。2）与上位机系统对接，实时监测传动系统的现场状况，并配合相应设备的同步使用。

3）制动工况下，可以通过制动电阻泄放产生的多余电量，保护元器件避免过热损坏。

2.6 控制单元

◆ 电源断电时的运行：根据转动惯性原理，电机能够继续运行向外部输送能量，但此时转矩输出却为零，转速不断下降。若在转速未降至零时，电源复产供电，该变频传动装置能够按照原先设定好的数据，将电机转速提升至设备运转所需要的转速，并达到一个稳定运行工况。

◆ 零速满转矩：该变频装置可以实现在转速为零时，转矩达到额定输出，无需借助辅助设备的帮助。

参考文献：

[1]李达义,陈乔夫,贾正春.电力系统谐波源的种类和滤波方法综

述[J].电气传动,2005,35(12):3-7.

[2]余颖,王新刚.海洋平台电力系统谐波分析及仿真研究[J].石油机

械.2006,34(12):10-13.

[3]中华人民共和国国家技术监督局.电能质量公用电网谐波:GB/

T14549-93[S].1993.

美国专家称中国已成物联网领军者

美国思科公司全球战略创新事业部副总裁马切伊 • 克兰兹（Maciej Kranz） 2018年3月5日在美国《福布斯》杂志上发表文章《关于物联网，我们可以从中国学到什么》。文章认为，中国已成为物联网技术领军者，并呼吁从中国物联网的成功中汲取经验。

克兰兹在文中称，中国朝着物联网的采用、创新和研发方向的结构性转变“似乎是一夜之间发生的”。他通过自己的所见所闻，描述了物联网在中国的发展是多么迅速，称其“渗透到几乎所有的业务部门和公共系统”。

克兰兹认为，中国对物联网的大力宣传、上的优惠、物联网领域初创企业的繁荣都是中国物联网成功的经验。

“我们应该留意并考虑采取中国成功的物联网战略：放眼全球，在当地采取行动，不要害怕致力于性而非渐进性的变革。”克兰兹在文中呼吁：“为了在全球舞台上取得卓越成就，是时候与中国伙伴进行接触，学习他们‘一夜间’成功的经验了。”

（来源：国际在线）