石油钻机中大功率全控桥的设计应用

张晓明

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000）

石油钻机中大功率全控桥的设计应用

张晓明

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000）

介绍了石油钻机直流传动电控系统中大功率全控桥的设计选型，给出了一种在结构上新的设计思路，其与传统结构相比，提高了柜内空间的利用率，降低了维修的工作量。

晶闸管；热阻；新结构

1 引言

石油钻井平台上广泛应用大功率直流电动机拖动机械设备。给直流电动机提供直流电源的是传动柜，其主回路的核心是由六组晶闸管组成的大功率三相全控整流桥。由于对钻机电控房的尺寸有限制，所以对安装在其中的传动柜的尺寸也有严格限制。在设计传动柜时，尽量缩小体积是提高产品竞争力的一个重要方面。缩小体积要求提高晶闸管散热器的散热效率。另一方面，在钻机电控房内，柜体基本上三面封死，只有正面柜门能打开，柜内元器件易于维修更换是另一个必须考虑的因素。本文介绍一种体积更小、结构精巧的大功率三相全控整流桥。

2 功率单元的选型及参数计算

本文主要介绍一台带两台800 kW电动机的所谓“一拖二”模式的传动柜，要求输出DC0－750V、DC0－3000A的可调直流电压、电流。功率单元主要包括晶闸管，散热器和风机等。由于目前国内最大功率模块器件无法满足本传动柜容量的要求，因此本文采用传统的平板型晶闸管。

2.1 晶闸管计算选型

2.1.1 晶闸管通态平均电流 IT（AV）（额定正向半波平均值）选择：应该按照所组成装置的最大负载电流、过负载时间、电流波形和所配用的散热器热阻等来计算管芯的最高结温，并使之低于器件所允许的最高结温。用这种方法计算，通常需要掌握较多的器件特性数据及使用条件下大量的装置实验曲线。精确计算十分繁杂，通常是采用各种近似的计算方法。最简便且常用的方法是按电动机的最大过载电流来选择晶闸管的额定电流IT（AV），并留有1－2倍系数的电流储备，在整流回路电感足够且整流电流已经连续时，按式（1）进行选取：

式中，IT（AV）为晶闸管平均电流；Kit为电流计算系数；Idmax为最大整流电流值；Ki为均流系数；np为晶闸管并联数。将 Kit＝0.367，Idimax＝1900×1.5＝2850A，Ki＝1，np＝1 带入上式可得到 IT（AV）＝2092A。采用这种方法计算有一定误差，还需要通过计算器件的结温来合理选择晶闸管的额定电流IT（AV），并进行结温验算。

2.1.2 晶闸管额定电压（反向重复峰值电压 URRM）选择：除取决于变流器供电电源的交流电压外，还与变流器换相时、正常操作时或事故切断电路时可能出现的各类过电压有关。考虑到晶闸管在恢复阻断时所引起的换相过电压，以及在操作和事故过程中所产生的各类过电压的影响，在计算和选择晶闸管额定电压时，必须考虑一定的电压安全系数，可按式（2）选取：

式中，Kut为电压计算系数；n为元件串联数；KU为均压系数；UVφ为相电压有效值。将 Kut＝2.45，n＝1，Ku＝1，UVφ＝600／1.732＝346V 带入上式可得到 URRM＝2119V。

根据以上计算，可初步选择标称电流、电压分别为2300A、2400V的普通晶闸管。

2.2 晶闸管损耗功率计算及散热器选择

对于已选定的KP2300A／2400V晶闸管，其有如下特性参数：

2.2.1 晶闸管损耗功率计算

三相全控桥工作在电流连续状态时，根据有效值相等原则计算额定工作状态下晶闸管的IT（AV）：

取 Id＝2300A，到 Ir（AV）＝ 846A。

工作在额定状态时晶闸管的发热功率P为：

功率单元晶闸管总损耗功率为1190×6＝7140W。

2.2.2 晶闸管及散热器热路计算

散热器主要有型材散热器和热管散热器两种。用传热良好的材料（通常是铝）根据需要挤压成不同形状的型材称为铝型材。而热管散热器的主体为热管，其形状通常为圆管状，倾斜放置，管内液态介质通过“蒸发－冷凝”反复循环散热。就大功率整流装置而论，型材散热器的传热能力远不及热管散热器。

晶闸管组件等效热路图如图1所示：

图1 晶闸管组件的热路图

晶闸管结温计算：

TJMAX为管最高允许结温（125℃）；Ta为环境温度（50℃）；RJC为元件内部热阻（0.015℃／W）；RCS为接触热阻（0.005℃／W）。

由上式可求出散热器热阻为：

按照所选晶闸管容量和所计算的热阻，如果选用型材散热器，尽管价格降低了但尺寸过大，这会造成设备重量增加且型材铝挤压困难。尤其对空间有严格限制的传动柜，减小散热器占用空间是设计的一个重要指标。所以本文选用散热效率更高、体积较小的热管散热器。

2.3 风机和风道选择

风道是大功率整流装置的基本构件，要求具有良好的通风性和密闭性，并能尽可能地减少组装在同一风道内的各功率单元之间由于漏风而引发的风速不均匀情况。风道的结构设计应尽可能考虑采取拼装组合方式，因为大功率整流装置的风道尺寸都比较大，设计应考虑风道零部件的制造方便和组装的良好工艺性。风道结构的拼装组合方式有并联式和串联式两种，考虑空间尺寸限制，本文采取的是串联式风道，冷却空气通过风道自下而上带走晶闸管所产生的热量。其优点是进风口在柜体下方，不占用柜体深度，风机更换方便；其缺点是两层组件之间的风温不一致，因而对排列在上层的晶闸管冷却不利，同时存在一定的漏风情况，组件间的风速不一致。

散热风机的风量Q可根据热平衡方程式求出：

P为风道总发热功率（W）；c为空气热容比，c＝1.026×103J／（kg·K）；γ 为空气密度，γ＝1.05kg／m3；ΔT为风道进出口温差，一般为5K。

将7140W带入上式，得到Q＝4772m3／h，考虑到上述串联风道的缺点（风温、风速不一致），我们需要适当加大风机风量，所以选择了风量为7500 m3／h的EBM紧凑型风机。

3 功率单元结构

在大功率三相全控整流桥的热管散热器设计中，我们重新设计了热管的长度和角度，增加了热管的数量，在充分利用柜内宽度和深度的情况下，缩小了三相桥整体的高度，使柜内有更多的可用空间。

传统直流电动钻机中大功率三相全控整流桥直流输出端采取柜前出线方式，当有晶闸管需要更换时，需要将直流正、负共六组接点全部拆开，这在电控房狭小空间内工作量很大。我们在设计中将直流输出端改为柜后出线，在晶闸管与直流正负母排之间采用插拔式连接，当需要更换时，可将每组模块单独拔出而不必拆母排，这极大地提高了工作效率，降低了工作量，其插拔式连接示意图如图2所示。

图2 插拔式连接示意图

4 结束语

实践应用结果表明，根据现场实际需求，按照实际负载依据本文的计算方法进行选型和设计的三相大功率全控桥，完全符合现场工况要求。其新颖的结构设计节省了空间，降低了安装和更换的工作强度，必将在电动钻机直流传动工程领域得到广泛应用。

［1］黄 俊.半导体变流技术［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［2］陈伯时.自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.

Design and application of big－power full－control bridge in oil drilling rig

ZHANG Xiao－ming

（Gansu Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute，Lanzhou 730000，China）

The design and selection of big－power full－control bridge for DC drive control system of oil drilling rig are presented.A new design method is given.Compared with the traditional structure，this new method can improve the space utilization rate of the cabinet，also can reduce the workload of the maintenance.

thyristor；thermal resistance；new structure

TM581.8；TP273

A

1005—7277（2016）05—0030—02

张晓明（1964－），男，本科，高级工程师，就职于甘肃省水利水电勘测设计研究院，长期从事水电站、泵站、变电所的电气设计工作。

2016－08－01