石油鉆機中大功率全控橋的設計應用

張曉明

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000）

石油鉆機中大功率全控橋的設計應用

張曉明

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000）

介紹了石油鉆機直流傳動電控系統中大功率全控橋的設計選型，給出了一種在結構上新的設計思路，其與傳統結構相比，提高了柜內空間的利用率，降低了維修的工作量。

晶閘管；熱阻；新結構

1 引言

石油鉆井平臺上廣泛應用大功率直流電動機拖動機械設備。給直流電動機提供直流電源的是傳動柜，其主回路的核心是由六組晶閘管組成的大功率三相全控整流橋。由于對鉆機電控房的尺寸有限制，所以對安裝在其中的傳動柜的尺寸也有嚴格限制。在設計傳動柜時，盡量縮小體積是提高產品競爭力的一個重要方面。縮小體積要求提高晶閘管散熱器的散熱效率。另一方面，在鉆機電控房內，柜體基本上三面封死，只有正面柜門能打開，柜內元器件易于維修更換是另一個必須考慮的因素。本文介紹一種體積更小、結構精巧的大功率三相全控整流橋。

2 功率單元的選型及參數計算

本文主要介紹一臺帶兩臺800 kW電動機的所謂“一拖二”模式的傳動柜，要求輸出DC0－750V、DC0－3000A的可調直流電壓、電流。功率單元主要包括晶閘管，散熱器和風機等。由于目前國內最大功率模塊器件無法滿足本傳動柜容量的要求，因此本文采用傳統的平板型晶閘管。

2.1 晶閘管計算選型

2.1.1 晶閘管通態平均電流 IT（AV）（額定正向半波平均值）選擇：應該按照所組成裝置的最大負載電流、過負載時間、電流波形和所配用的散熱器熱阻等來計算管芯的最高結溫，并使之低于器件所允許的最高結溫。用這種方法計算，通常需要掌握較多的器件特性數據及使用條件下大量的裝置實驗曲線。精確計算十分繁雜，通常是采用各種近似的計算方法。最簡便且常用的方法是按電動機的最大過載電流來選擇晶閘管的額定電流IT（AV），并留有1－2倍系數的電流儲備，在整流回路電感足夠且整流電流已經連續時，按式（1）進行選取：

式中，IT（AV）為晶閘管平均電流；Kit為電流計算系數；Idmax為最大整流電流值；Ki為均流系數；np為晶閘管并聯數。將 Kit＝0.367，Idimax＝1900×1.5＝2850A，Ki＝1，np＝1 帶入上式可得到 IT（AV）＝2092A。采用這種方法計算有一定誤差，還需要通過計算器件的結溫來合理選擇晶閘管的額定電流IT（AV），并進行結溫驗算。

2.1.2 晶閘管額定電壓（反向重復峰值電壓 URRM）選擇：除取決于變流器供電電源的交流電壓外，還與變流器換相時、正常操作時或事故切斷電路時可能出現的各類過電壓有關。考慮到晶閘管在恢復阻斷時所引起的換相過電壓，以及在操作和事故過程中所產生的各類過電壓的影響，在計算和選擇晶閘管額定電壓時，必須考慮一定的電壓安全系數，可按式（2）選取：

式中，Kut為電壓計算系數；n為元件串聯數；KU為均壓系數；UVφ為相電壓有效值。將 Kut＝2.45，n＝1，Ku＝1，UVφ＝600／1.732＝346V 帶入上式可得到 URRM＝2119V。

根據以上計算，可初步選擇標稱電流、電壓分別為2300A、2400V的普通晶閘管。

2.2 晶閘管損耗功率計算及散熱器選擇

對于已選定的KP2300A／2400V晶閘管，其有如下特性參數：

2.2.1 晶閘管損耗功率計算

三相全控橋工作在電流連續狀態時，根據有效值相等原則計算額定工作狀態下晶閘管的IT（AV）：

取 Id＝2300A，到 Ir（AV）＝ 846A。

工作在額定狀態時晶閘管的發熱功率P為：

功率單元晶閘管總損耗功率為1190×6＝7140W。

2.2.2 晶閘管及散熱器熱路計算

散熱器主要有型材散熱器和熱管散熱器兩種。用傳熱良好的材料（通常是鋁）根據需要擠壓成不同形狀的型材稱為鋁型材。而熱管散熱器的主體為熱管，其形狀通常為圓管狀，傾斜放置，管內液態介質通過“蒸發－冷凝”反復循環散熱。就大功率整流裝置而論，型材散熱器的傳熱能力遠不及熱管散熱器。

晶閘管組件等效熱路圖如圖1所示：

圖1 晶閘管組件的熱路圖

晶閘管結溫計算：

TJMAX為管最高允許結溫（125℃）；Ta為環境溫度（50℃）；RJC為元件內部熱阻（0.015℃／W）；RCS為接觸熱阻（0.005℃／W）。

由上式可求出散熱器熱阻為：

按照所選晶閘管容量和所計算的熱阻，如果選用型材散熱器，盡管價格降低了但尺寸過大，這會造成設備重量增加且型材鋁擠壓困難。尤其對空間有嚴格限制的傳動柜，減小散熱器占用空間是設計的一個重要指標。所以本文選用散熱效率更高、體積較小的熱管散熱器。

2.3 風機和風道選擇

風道是大功率整流裝置的基本構件，要求具有良好的通風性和密閉性，并能盡可能地減少組裝在同一風道內的各功率單元之間由于漏風而引發的風速不均勻情況。風道的結構設計應盡可能考慮采取拼裝組合方式，因為大功率整流裝置的風道尺寸都比較大，設計應考慮風道零部件的制造方便和組裝的良好工藝性。風道結構的拼裝組合方式有并聯式和串聯式兩種，考慮空間尺寸限制，本文采取的是串聯式風道，冷卻空氣通過風道自下而上帶走晶閘管所產生的熱量。其優點是進風口在柜體下方，不占用柜體深度，風機更換方便；其缺點是兩層組件之間的風溫不一致，因而對排列在上層的晶閘管冷卻不利，同時存在一定的漏風情況，組件間的風速不一致。

散熱風機的風量Q可根據熱平衡方程式求出：

P為風道總發熱功率（W）；c為空氣熱容比，c＝1.026×103J／（kg·K）；γ 為空氣密度，γ＝1.05kg／m3；ΔT為風道進出口溫差，一般為5K。

將7140W帶入上式，得到Q＝4772m3／h，考慮到上述串聯風道的缺點（風溫、風速不一致），我們需要適當加大風機風量，所以選擇了風量為7500 m3／h的EBM緊湊型風機。

3 功率單元結構

在大功率三相全控整流橋的熱管散熱器設計中，我們重新設計了熱管的長度和角度，增加了熱管的數量，在充分利用柜內寬度和深度的情況下，縮小了三相橋整體的高度，使柜內有更多的可用空間。

傳統直流電動鉆機中大功率三相全控整流橋直流輸出端采取柜前出線方式，當有晶閘管需要更換時，需要將直流正、負共六組接點全部拆開，這在電控房狹小空間內工作量很大。我們在設計中將直流輸出端改為柜后出線，在晶閘管與直流正負母排之間采用插拔式連接，當需要更換時，可將每組模塊單獨拔出而不必拆母排，這極大地提高了工作效率，降低了工作量，其插拔式連接示意圖如圖2所示。

圖2 插拔式連接示意圖

4 結束語

實踐應用結果表明，根據現場實際需求，按照實際負載依據本文的計算方法進行選型和設計的三相大功率全控橋，完全符合現場工況要求。其新穎的結構設計節省了空間，降低了安裝和更換的工作強度，必將在電動鉆機直流傳動工程領域得到廣泛應用。

［1］黃 俊.半導體變流技術［M］.北京：機械工業出版社，1986.

［2］陳伯時.自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［3］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，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

張曉明（1964－），男，本科，高級工程師，就職于甘肅省水利水電勘測設計研究院，長期從事水電站、泵站、變電所的電氣設計工作。

2016－08－01