海洋石油钻井平台上使用的电气系统装置变频器.doc

变频器
在调速方法中，变频调速（通过改变电动机电源频率来改变电动机的速度）的调速范围大，平滑高，变频时同时改变定子外加电压，可实现恒功率转矩调速以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，调速的效率和功率因数高，是异步电动机调速方法中最有发展前途的一种。
传统的调速方法一般采用：（1）改变电动机极对数调速。（2）转子串电阻调速。（3）涡流制动器调速。（4）可控硅串极调速。（5）直流调速。前三种均属于无极调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速，且低速复位性能差，长期低速运行会引起电阻器、涡流制动器严重发热，启动电流大，对电网冲击大，常在额定速度下进行机械制动，对设备机构冲击大，制动闸瓦磨损严重，功率因数低，在空载或轻载时，低于0.4，即使满载时，也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提到了功率因数，减少了起动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统的数字化，因而在保护功能及系统监控方面还有待于发展。直流调速系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能和系统监控功能，但必须采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。变频调速技术发展道今天已完全克服了上述的不足，同时对电动机要求不高，采用普通型异步电动机即可，该电机制造工艺简单，使用维护方便，在海上打井作业却在用变频调速器。
近年来生产的高性能变频调速装置具有以下特点：电网适应性强，起动转矩和低速转矩高，速度响应快，速度控制范围宽，可进行直接转矩控制，丰富的开关量及模拟量输入输出便于用户使用，晚上的保护功能，如电压、电流、接地、输入输出缺相、过载等保护。加减速曲线可选，加减速时间可调，提供多种制动方式以及系统监控功能，电机参数自动测试，输入功率因数高达0.95以上，效率高达90%以上，尤其是矢量控制技术及直接转矩控制技术的应用，使交流电动机具有了比直流电动机更好的动态特性，变频调速装置的先进性能特别适用于调速设备和定速转动设备，可以提高工作效率和功率因数，减少起动冲击以及增加使用设备的安全可靠性是非常有益的。
目前变频调速器已发展了几代，市场上变频调速装置很多，下面我介绍CJ-46（中海油-937）钻井平台上的变频器，它是新加坡生产的ACS800系列变频器，它采用了最优秀的电机控制方法——直接转矩控制技术，它可以对所有电流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通转矩作为主要控制变量。高速信号处理器与先进的电机模拟软件相结合使电机状态每秒钟更新4万次，对负载的变化和瞬间掉电，能做出迅速反映，其开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（0.1%-0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5毫秒，约为矢量控制的1/2，起动转矩可达200%并具有有效的磁通制动提供最大可能的制动力矩，尤其它还提供了绞车应用宏观程序，它具有绞车设备应用所需的全部控制和安全功能，模块化功能可确保机械设备安全快速运行，故障处理容易，维护简单。DTC控制技术使操作者便于精确控制速度和转矩，操作绞车非常方便。
VFD柜它有整流模块和逆变模块，分段进线有两个进线开关，有三个整流模块，有五个逆变器柜，一段进线有一个制动电阻柜，二段进线有二个制动电阻柜，整流模块是把进线690V变成直流1000V，交流进线是由2台4000KVA变压器供给，变压是690V变成690V（Y/△），柜上有一个母联开关，它可以由一段带全部，母联开关只要直流母线带电就不能操作。只有在进行电源有电，但进线开关没有合闸和直流母线殿宇低于30V时，直流母联可以操作。每段二个进线开关同时合闸，由整流模块变成直流，再并到一起运行，它的控制电源由外部供给，是由UPS供给的二路220V交流电源。
变频器柜内冷却系统是风机冷却和水循环冷却，每个变频模块都有风机，它的电压是690V变220V交流电，每段进线都有一个冷却系统柜，柜内由二台水泵，一台运行，一台备用，当一台有故障，另一台泵运行。水泵只给柜内冷却水循环用，外部海水是由外部加压循环，通过冷热交换器把热量通过海水带走。柜内有漏水报警，水压低报警，漏出的水通过管子流到外面的地漏里。
变频器有绝缘监测系统，在进线柜里，它监测柜内母线和制动电阻的绝缘，有两个绝缘监测表，一台用，一台备用。绝缘低于设定值时报警，低于跳闸设定值时跳开进线开关。VFD每个盘柜内都有防潮加热器，它的电源是外部供给，电源是交流220V，每个变频器多带的电机都有防潮加热器。
制动电阻在工作温度非常高，冷却采用水冷。制动斩波器监测直流母线电压，只要直流电压超过了预先设定的限值，制动斩波器开始工作，将电阻负载连接到直流电路上，控制程序监视着斩波器温度，电流和电压，当这些参数超过故障限值后，系统将会跳闸。对于温度监控，当电阻温度达到设定值，系统会产生一个报警信息，发送给监控系统。
变频器所带的交流负荷有：3台绞车电机（630KW/每台），6台泥浆泵电机（630KW/每台），1台顶驱电机（845KW）。每台电机都有防潮的加热器，当电机运行时，加热器断开。电机绕组温度监测，有功率和扭矩限制，可以把电机速度控制在限位以下。有紧急停止信号，有故障信号，有故障时可以急停。在运行信号没有复位前，不能重新起动。速度信号，可以监控电机转速，通过转速信号，可以来调电机的转速。
变频器所带的电缆的要求，电缆在长期运行过程中，必须最小能够承受70摄氏度的温度。保护接地电缆必须能允许通过的最高电压和最大电流来选择，电机电缆要选用对称屏蔽电缆，使用对称屏蔽电缆可以减少整个传动系统的电磁辐射，电机电缆和其PE软辫引出应尽可能短，以减少电磁辐射和容性电流。电机电缆、输入电源电缆和控制电缆安装在不同的模板中，以避免电机电缆和其他电缆长距离的并行走线，进而减少变频器电压瞬间产生的电磁干扰。电机的热敏电阻线和转速传感器线必须要单独走线，离开其他电缆走线。电缆桥架必须有良好的接地，采用铝桥架可以提供提高接地系统中各局部地电位的均衡性

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60年代以来，各种类型的变频调速装置相继出现，并迅速道推广应用。特别是半导体制造工艺的成就与微电子技术相结合，促进变频装置的大容量，高性能发展。目前，国外生产的变频装置容量已达一万千瓦以上，交流电动机的变频调速系统已具有调速范围广，调速精度高等特点，并且价格和性能可与直流拖动相比较。