CN110725673A - 一种六相压裂机组电驱动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机驱动技术，具体为一种六相压裂机组电驱动控制系统。一种多相压裂机组电驱动控制系统，包括高压进、出线柜、充电限流柜、多脉波移相变压器、进线联络柜、变频器、压裂撬电源、电控房、变频水冷系统、变压器冷却风机、变压器温控仪以及6相异步/永磁同步电机；10kV网侧电网通过高压进、出线柜，充电限流柜输入到多脉波移相变压器，通过多脉波移相变压器转换为四组额定电压1800V二次三相一次绕组和一组380V辅助二次绕组，一次绕组通过整流柜下侧输入接触器给变频器供电，变频器通过整流和逆变输出两组三相交流电驱动一台6相异步电机/永磁同步电机带动压裂柱塞泵工作；辅助二次绕组负责给MCC柜供电。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，具体为一种六相压裂机组电驱动控制系统。
背景技术
压裂泵组作为页岩油气开采中的核心装备，投资比重占到页岩气开发装备总额的25% ～ 30%，它的质量、效率和运行成本将直接影响页岩气开采成本，决定了页岩气开采进程。另外，油田在进行压裂工作时需要投入大量人力、物力，使得油田的生产成本提高。研发大型压裂配套设备对提高现场施工水平与质量控制能力起着重要作用。传统压裂车一般采用发动机通过液力变矩器或变速箱驱动压裂泵的传动形式，实现大功率大扭矩下的无级变速进而驱动柱塞泵动作。但是这种机械式的传动形式存在噪音大、污染物排放超标的技术问题。
发明内容
本发明为解决目前压裂泵的传动形式存在噪音大、污染物排放超标的技术问题，提供一种六相压裂机组电驱动控制系统。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种多相压裂机组电驱动控制系统，包括高压进、出线柜、充电限流柜、多脉波移相变压器、进线联络柜、变频器、压裂撬电源、电控房、变频水冷系统、变压器冷却风机、变压器温控仪以及6相异步/永磁同步电机；10kV网侧电网通过高压进、出线柜，充电限流柜输入到多脉波移相变压器，通过多脉波移相变压器转换为四组额定电压1800V二次三相一次绕组和一组380V辅助二次绕组，一次绕组通过整流柜下侧输入接触器给变频器供电，变频器通过整流和逆变输出两组三相交流电驱动一台6相异步电机/永磁同步电机带动压裂柱塞泵工作；辅助二次绕组负责给MCC柜供电；MCC柜负责380V电源配置为压裂撬电源、电控房、变频水冷系统、变压器冷却风机、变压器温控仪供电。
进一步的，还包括外部滑油循环泵、滑油散热冷却风机、离合器液压油站；压裂撬电源负责外部滑油循环泵、滑油散热冷却风机、离合器液压油站供电；高压进、出线柜内部多功能表以及高压进、出线柜内部的断路器状态、变压器温控仪数据信息、6相异步电机/永磁同步电机绕组、轴承温度，速度传感器状态信息通过CAN-Open总线传输给变频器，用于逻辑控制与判断。
进一步的，变频器包括一个整流柜和两个逆变柜，每个逆变柜内部均包含一组逆变器和多脉波移相变压器二次侧整流绕组数量相同的整流器，各个整流器分别与多脉波移相变压器二次侧整流绕组连接，整流器输出直流母线电压，逆变器的输入端连接直流母线上，两路主回路相互独立，做到冗余设计。
进一步的，每个逆变柜内安装一台主控制器，每台主控制器包括一个功率模块控制板，每个功率模块控制板都包括DSP板、IO板、光纤板、信号检测电路；IO板连接信号检测电路，信号检测电路具有电流测量、电压测量、转速测量、转速测量转换、缺相检测功能；DSP板实现所有空间矢量控制、转矩控制、磁链观测计算；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给逆变器内部的IGBT驱动电路板；逆变柜内部两个功率模块控制板之间，通过CAN-Open总线实现数据的传输和接受系统指令，并向上位机及时反馈相应的数据信息、实现变压器绕组之间的功率平衡。
进一步的，两个功率模块控制板之间采用主从控制，从控制板以电流值作为跟随控制的目标值，进而能够有效实现对6相异步电机/永磁同步电机的控制，避免由于输出误差引起设备损坏。
独立的控制板、驱动板设计模式保证了多相控制的冗余性，在变频器主电路存在单支逆流或逆变桥臂损坏时，允许设备降载后采用三相驱动保持运行。该控制模式不仅缩减了部件成本，而且提高了设备维护效率，设备运行可靠性更高。
本发明采用六相电机的压裂电驱动系统是中压大功率传动系统实现页岩油气开采用的有效途径。
附图说明
图1为主电气原理拓扑图。
图2为本发明控制系统框图。
具体实施方式
结合附图，对本发明作出详细说明。
图1为主电气原理拓扑图，如图所示，采用网侧提供10kV高压电，经过高压进、出线柜、充电限流柜后，输入到一个多脉波移相变压器。移相变压器的二次侧输出1共4个延边Δ二次侧绕组1800V，然后四组1800V电压输入到整流柜内输入接触器前端；每两组整流桥通过串联可以提高输出电压，输入1800V电压经过整流桥后，输出直流母线，两组直流母线电压相互独立；对于每个逆变桥，整流后的直流电源通过电容进行滤波，逆变桥共3个桥臂，用于实现三电平的输出电压。两个逆变桥的6个桥臂合起来共输出6相并组成一个6相变频器，用于驱动6相变频异步电机/永磁同步电机。
变频器输出两路三相PWM波，每路PWM波的幅值相同，频率相同，相位可以自由设置：变频器将6个桥臂作为一个整体进行控制，产生每路的PWM波形，6个桥臂进行分组，采用主从控制，能够自动适应控制要求，并具备缺相运行功能，在出现故障时，能够自动切换控制方式，确保电机安全。
变频器控制板和功率单元采用光纤连接，减少信号干扰和丢失；变频器能够支持三绕组，带相位差的异步电机/永磁同步电机控制；变频器采用主从控制方式，能够有效实现对6相异步电机/永磁同步电机的控制，避免由于输出误差引起设备损坏；控制每个绕组的变频器控制板之间需要光纤连接，进行数据交换，实现相位控制。
图2为本发明控制系统框图，如图所示，压裂机组电驱动控制系统从网侧引入10kV高压电，通过多脉波移相变压器转换为4个额定电压1800V二次三相主绕组和一个380V辅助二次绕组，二次侧主绕组通过整流柜下端输入接触器给变频器供电，逆变柜输出接触器下端加出线电抗器，变频器通过整流和逆变输出2组三相交流电驱动一台6相异步/永磁同步电机带动压裂柱塞泵工作；辅助二次绕组负责给MCC柜供电，MCC柜负责给变频器辅助设备、变压器风机、变频水冷系统，MCC柜负责外部滑油循环泵、滑油散热冷却风机、离合器液压站等配电；高压进、出线柜、变压器风机、6相异步/永磁同步电机状态信息检测后传输给PLC控制器用于逻辑判断，主控制器与PLC控制器之间通过CAN-Open通信进行数据传输与指令接收。
采用6相异步/永磁同步电机可以将降低电压而增加的电流分配到增加的绕组中，避免了选用小功率器件并联引起的均流等问题。同时变频器和6相异步电机/永磁同步电机在相数上做了冗余，缺相时可以降功运行。
每个逆变柜内集成安装一个功率模块控制板，每个功率模块控制板都包括DSP板、IO板、光纤板、信号检测电路；IO板连接信号检测电路，信号检测电路具有电流测量、电压测量、转速测量、转速测量转换、缺相检测功能；DSP板实现所有空间矢量控制、转矩控制、磁链观测计算；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给IGBT驱动电路板，控制柜内部两个功率模块控制板之间，通过CAN-Open总线实现数据的传输和接受系统指令，并向上位机及时反馈相应的数据信息、实现变压器之间的功率平衡。
所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，还包括安装于整流柜内的PLC控制器，高压进、出线柜内多功能表、变压器温控仪、主控制器、温度检测模块、继电器、指示灯、DCS系统与PLC控制器通过CAN-Open总线进行数据传输与指令接收。
PLC控制器可以连接所有外部的继电器、指示灯、DCS系统硬连接等；为了实现对变频器的监控，变频器配置有上位机用于设备调试以及本地控制。
所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于还包括变频器控制的六相电机采用双轴伸形式。
所述控制系统具有低温保护功能，适用-30℃以上低温环境运行；当电控系统周围环境低于-3℃时，启动电驱动系统时，变频器自动进入保护状态，不允许设备进行启动，同时启动水冷系统内部电加热器实现预加热功能，当水冷基板与变频器腔体温度达到目标设定值后，变频器方可启动运行。
Claims (9)
1.一种多相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于包括高压进、出线柜、充电限流柜、多脉波移相变压器、进线联络柜、变频器、压裂撬电源、电控房、变频水冷系统、变压器冷却风机、变压器温控仪以及6相异步/永磁同步电机；10kV网侧电网通过高压进、出线柜，充电限流柜输入到多脉波移相变压器，通过多脉波移相变压器转换为四组额定电压1800V二次三相一次绕组和一组380V辅助二次绕组，一次绕组通过整流柜下侧输入接触器给变频器供电，变频器通过整流和逆变输出两组三相交流电驱动一台6相异步电机/永磁同步电机带动压裂柱塞泵工作；辅助二次绕组负责给MCC柜供电；MCC柜负责380V电源配置为压裂撬电源、电控房、变频水冷系统、变压器冷却风机、变压器温控仪供电。
2.根据权利要求1所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于，还包括外部滑油循环泵、滑油散热冷却风机、离合器液压油站；压裂撬电源负责外部滑油循环泵、滑油散热冷却风机、离合器液压油站供电；高压进、出线柜内部多功能表以及高压进、出线柜内部的断路器状态、变压器温控仪数据信息、6相异步电机/永磁同步电机绕组、轴承温度，速度传感器状态信息通过CAN-Open总线传输给变频器，用于逻辑控制与判断。
3.根据权利要求1或2所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于变频器包括一个整流柜和两个逆变柜，每个逆变柜内部均包含一组逆变器和多脉波移相变压器二次侧整流绕组数量相同的整流器，各个整流器分别与多脉波移相变压器二次侧整流绕组连接，整流器输出直流母线电压，逆变器的输入端连接直流母线上，两路主回路相互独立，做到冗余设计。
4.根据权利要求3所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于每个逆变柜内安装一台主控制器，每台主控制器包括一个功率模块控制板，每个功率模块控制板都包括DSP板、IO板、光纤板、信号检测电路；IO板连接信号检测电路，信号检测电路具有电流测量、电压测量、转速测量、转速测量转换、缺相检测功能；DSP板实现所有空间矢量控制、转矩控制、磁链观测计算；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给逆变器内部的IGBT驱动电路板；逆变柜内部两个功率模块控制板之间，通过CAN-Open总线实现数据的传输和接受系统指令，并向上位机及时反馈相应的数据信息、实现变压器绕组之间的功率平衡。
5.根据权利要求4所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于，两个功率模块控制板之间采用主从控制，从控制板以电流值作为跟随控制的目标值，进而能够有效实现对6相异步电机/永磁同步电机的控制，避免由于输出误差引起设备损坏。
6.根据权利要求1或2所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于还包括变频器控制的六相电机采用双轴伸形式。
7.根据权利要求3所述的一种六相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于还包括变频器控制的六相电机采用双轴伸形式。
8.根据权利要求1或2所述的一种多相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统具有低温保护功能，适用-30℃以上低温环境运行；当电控系统周围环境低于-3℃时，启动电驱动系统时，变频器自动进入保护状态，不允许设备进行启动，同时启动水冷系统内部电加热器实现预加热功能，当水冷基板与变频器腔体温度达到目标设定值后，变频器方可启动运行。
9.根据权利要求3所述的一种多相压裂机组电驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统具有低温保护功能，适用-30℃以上低温环境运行；当电控系统周围环境低于-3℃时，启动电驱动系统时，变频器自动进入保护状态，不允许设备进行启动，同时启动水冷系统内部电加热器实现预加热功能，当水冷基板与变频器腔体温度达到目标设定值后，变频器方可启动运行。
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