一种基于串联H桥的模块化逆变器-电机集成系统及应用

摘要

本发明公开了一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统及应用，属于电力电子技术领域，集成系统包括：三组H桥模块，三组H桥模块均并联在直流母线上，构成三相逆变器；其中，每组H桥模块包括N个串联的H全桥子模块，N为大于或等于2的整数；每个H全桥子模块包括一个直流电容和四个功率开关器件；三相电机，其中，每相绕组由彼此独立的N个分段绕组组成；每个H全桥子模块后接一个分段绕组作为负载。如此，本发明能够解决常规三相桥式逆变器不具备容错能力的问题；同时，由于采用H桥串联的结构，故可以降低每个H全桥子模块的电源电压，从而可以采用低压功率开关器件，减小逆变器的容量、体积、重量和成本。

权利要求

1.一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统，其特征在于，包括：

三组H桥模块，所述三组H桥模块均并联在直流母线上，构成三相逆变器；其中，每组H桥模块包括N个串联的H全桥子模块，N为大于或等于2的整数；每个H全桥子模块包括一个直流电容和四个功率开关器件；

三相电机，其中，每相绕组由彼此独立的N个分段绕组组成；每一所述H全桥子模块后接一个分段绕组作为负载。

2.如权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述功率开关器件为半导体开关器件。

3.如权利要求1或2所述的集成系统，其特征在于，每组H桥模块中N个串联的H全桥子模块采用具有同相位调制波的调制方式控制功率器件的导通与关断，使得所述N个串联的H全桥子模块的输出电压均为同相位。

4.如权利要求1或2所述的集成系统，其特征在于，所述三相逆变器置入所述三相电机机壳中。

5.一种井下变频装置，其特征在于，包括整流电路、滤波电路、控制电路和如权利要求1至4任一项所述的集成系统，所述集成系统和控制电路设置在井下，所述整流电路和滤波电路设置在井上；所述控制电路用于控制所述功率开关器件的导通与关断。

6.如权利要求5所述的井下变频装置，其特征在于，所述整流电路为不控整流电路或可控整流电路或半可控整流电路；所述滤波电路为电感电容滤波电路，用于滤除整流后输出电压中的交流分量。

7.一种基于权利要求5或6所述的井下变频装置的容错控制方法，其特征在于，所述方法包括：当任一功率开关器件发生短路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常开状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作；当任一功率开关器件发生断路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常闭状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作。

说明书

一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统及应用

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统及应用。

背景技术

[0002] 随着当今社会的高速发展，人类对能源的需求越来越大，尤其是对石油的需求增大，所以对石油开采的效率提出了更高的要求。井下采油系统主要由三部分组成：地面部分，井下部分和联系井下和地面的中间部分。地面部分主要包括变频器、变压器以及配电设备等，其主要作用是为井下电机供电，并实现电机的变频控制；中间部分主要包括电缆，其作用是将地面的电能传输至井下，为井下电机供电；钻井电机和离心泵等在井下工作。钻井电机及其配套的变频器是石油开采系统的核心动力设备。该技术通过变频器向井下钻井电机供电，钻井电机驱动井下钻头从而实现石油开采。钻井电机及其驱动设备是整套系统的核心。

[0003] 当前油田井下电机的驱动方面，大多采用井上中压变频器后接滤波器，滤波器后接变压器，变压器后接长电缆，长电缆后接井下钻井电机。然而，该技术存在明显的缺点：由于变频器一般放置在地面井口附近，通过三相交流电缆向井下钻井电机供电，长距离的三相交流电缆本身成本较高，且由于电缆阻抗的存在，会产生很大的损耗和阻抗压降，降低了系统效率。变频器需要提供无功电流和电缆损耗，变频器的额定容量会变大，因此也会增加变频器的成本。此外，由于电缆长度较大，且电缆中通的是交流电，会导致电缆具有较大的容性，电缆越长，容性越大。长距离电缆会产生反射过电压，危及井上变频器安全。

[0004] 为了解决电缆过长带来的问题，目前采用的技术方案是在地面变频器后增设正弦滤波器或输出电抗器，但随着电机下潜深度的增加，正弦滤波器或输出电抗器的效果会逐渐变差。除此之外，由于电机与变频器之间距离过长，电机转子的位置信号传输较为困难，非常容易丢失，这就增加了电机控制的难度。最理想的状态是使变频器与电机一同进入井下，这样就能使得变频器与电机通过较短的电缆进行连接。

[0005] 为了解决常规钻井电机控制存在的问题，公布号为CN209823672的实用新型专利公开了一种井下采油泵直流传控变频控制系统。其技术特征为：整个直流传控变频控制系统包括整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路和井下电机，将变频器中的逆变电路从变频器中剥离出来，并将逆变器与井下电机一同设置在井下，逆变电路采用常规的三相桥式逆变电路。控制电路分别对整流电路和逆变电路进行控制，逆变电路通过电缆与井下电机连接，所述的整流电路、滤波电路和控制电路设置在地面，所述的逆变电路和井下电机一同设置在井下，所述滤波电路通过直流电与井下的逆变电路连接。

[0006] 然而，在该实用新型专利中：(1)逆变电路采用传统的三相桥式逆变电路，不具备容错能力，可靠性差；(2)逆变电路与钻井电机一同设置在井下，一旦逆变电路中的功率模块发生故障，维修代价将会非常高；(3)由于中高压直流电缆直接传输至井下，电压等级较高，电机绕组绝缘较厚会降低电机的功率密度；(4)控制电路设置在井上，而逆变电路被设置在井下，控制信号传输较为困难。

发明内容

[0007] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统及应用，用以解决井下电机驱动可靠性差、维修代价高的技术问题。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统，包括：

[0009] 三组H桥模块，所述三组H桥模块均并联在直流母线上，构成三相逆变器；其中，每组H桥模块包括N个串联的H全桥子模块，N为大于或等于2的整数；每个H全桥子模块包括一个直流电容和四个功率开关器件；

[0010] 三相电机，其中，每相绕组由彼此独立的N个分段绕组组成；每一所述H全桥子模块后接一个分段绕组作为负载。

[0011] 进一步地，所述功率开关器件为半导体开关器件。

[0012] 进一步地，每组H桥模块中N个串联的H全桥子模块采用具有同相位调制波的调制方式控制功率器件的导通与关断，使得所述N个串联的H全桥子模块的输出电压均为同相位。

[0013] 进一步地，所述三相逆变器置入所述三相电机机壳中。

[0014] 本发明另一方面提供了一种井下变频装置，包括整流电路、滤波电路、控制电路和上述的集成系统，所述集成系统和控制电路设置在井下，所述整流电路和滤波电路设置在井上；所述控制电路用于控制所述功率开关器件的导通与关断。

[0015] 进一步地，所述整流电路为不控整流电路或可控整流电路或半可控整流电路；所述滤波电路为电感电容滤波电路，用于滤除整流后输出电压中的交流分量。

[0016] 本发明另一方面提供了一种的容错控制方法，采用上述的井下变频装置，包括：

[0017] 当任一功率开关器件发生短路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常开状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作；当任一功率开关器件发生断路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常闭状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作。

[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0019] (1)本发明中逆变器采用基于串联H桥的模块化设计，电机采用分段绕组设计。基于串联H桥的模块化逆变器和电机分段绕组容错能力强，能够解决常规三相桥式逆变器不具备容错能力的问题，可以极大的提高系统的可靠性；模块化逆变器中采用串联H桥的结构，起到串联分压的效果，可以实现将中高压直流电降低为低压直流电，从而可以采用低压功率开关器件，减小逆变器的容量、体积、重量和成本，同时可以降低功率器件的耐压等级和电机绕组的绝缘等级，提高系统效率；将逆变器和电机集成在一起，可以最小化连接逆变器到电机的电缆长度，从而可以防止由于波反射导致的过电压，同时也可以显著减小功率器件的开关损耗。

[0020] (2)本发明中逆变器嵌入电机外壳中，从而能够减小电缆长度、电磁辐射，降低设计和安装成本以及复杂性，同时可以增加系统功率密度。

[0021] (3)本发明中控制电路与逆变器一同设置在井下，转子位置信号可以实现近距离传输，实时性好，可靠性高，电机控制易于实现；同时，采用井下直流输电的方式，井上不需要正弦滤波器，也不需要输出升压变压器，极大的降低系统成本。

[0022] (4)本发明中可以采用中压直流电缆供电，电缆成本低，损耗小，系统效率高，比三相交流电缆接头简单，可靠性高；同时，井下电机可以采用低压电机，适当降低电机绝缘等级降低电机制造成本，电机的功率密度较高。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例提供的H桥子模块基本拓扑结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的基于串联H桥的模块化逆变器基本拓扑结构示意图；

[0025] 图3为本发明实施例提供的三相电机分段绕组结构设计示意图；

[0026] 图4为本发明实施例提供的基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统控制示意图；

[0027] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0028] 1‑H全桥子模块直流侧，2‑直流电容，3‑功率开关器件，4‑中高压直流母线，5‑电机A相绕组，6‑电机B相绕组，7‑电机C相绕组，8‑H全桥子模块。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 本发明提供了一种基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统，包括：

[0031] 三组H桥模块，所述三组H桥模块均并联在直流母线上，构成三相逆变器；其中，每组H桥模块包括N个串联的H全桥子模块，N为大于或等于2的整数；每个H全桥子模块包括一个直流电容和四个功率开关器件；

[0032] 三相电机，其中，每相绕组由彼此独立的N个分段绕组组成；每一所述H全桥子模块后接一个分段绕组作为负载。

[0033] 参阅图1，结合图2至4，以N＝3为例，本实施例提供的集成系统包括三组H桥模块和三相电机。

[0034] 其中，三组H桥模块均并联在直流母线上，每组H桥模块由3个串联在一起的H全桥子模块组成，即整个逆变器共有9个H全桥子模块，每个H全桥子模块由四个功率开关器件和一个直流电容组成。三组H桥模块通过依次改变PWM(脉冲宽度调制)中调制波的相位角，使其依次相差120°电角度，从而使得整个逆变器变为三相逆变器。3个串联在一起的H全桥子模块采用同相位调制波的PWM(脉冲宽度调制)触发功率半导体器件，输出电压电流均为同相位。

[0035] 进一步地，功率开关器件可以根据需要采用任何合适的半导体开关器件，包括但不限于IGBT、MOSFET、GaN等。

[0036] 三相电机采用分段绕组设计，每相绕组由彼此独立的3个分段绕组组成，共有9个分段绕组，分段绕组作为H全桥子模块的负载，负载电流为正弦电流；每3个分段绕组构成三相电机的一相，可以实现将直流电逆变为三相交流电，从而为电机供电。

[0037] 进一步地，逆变器直流侧供电来自于中高压直流电缆，每个H全桥子模块均是基于直流电容取电，通过3个直流电容串联分压的方式，可以将中高压直流电降低为低压直流电，从而以该低压直流电作为每个H全桥子模块的电源。如此，可以采用低压功率开关器件，减小逆变器的容量、体积、重量和成本。

[0038] 本发明另一方面提供了一种井下变频装置，包括整流电路、滤波电路、控制电路和上述的集成系统，其中，集成系统和控制电路设置在井下，整流电路和滤波电路设置在井上。

[0039] 进一步地，整流电路为不控整流电路或可控整流电路或半可控整流电路；滤波电路为电感电容滤波电路，用于滤除整流后输出电压中的交流分量。

[0040] 本发明另一方面提供了一种基于上述的井下变频装置的容错控制方法，包括：当任一功率开关器件发生短路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常开状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作；当任一功率开关器件发生断路故障时，控制其同一桥臂的另一个功率开关器件为常闭状态，并通过控制另一个桥臂上的功率开关器件使故障H全桥子模块正常工作。

[0041] 具体的，如图1所示，针对H桥中常见的故障类型，提出了仅隔离发生故障的功率开关器件的方法，充分利用故障单元中的非故障功率开关器件以及故障单元中的分段绕组，从而减少故障对系统的影响，保证了逆变器系统的可靠性。开关功率开关器件故障有两种类型：短路和断路。(1)短路故障：若开关管Q1发生短路故障，为了避免单元直流侧短路，需要将其同一桥臂的另一个开关器件Q3控制为常开状态，此时故障H桥单元的输出电压可以由另外一个桥臂(开关管Q2和开关管Q4)来控制，即当开关管Q2闭合Q4打开时，电机绕组端电压为0；当开关管Q2打开，开关管Q4闭合时，电机绕组端电压为H桥输入侧电容电压，因此短路故障状态下H桥的输出电平数为两电平。(2)断路故障：若开关管Q1发生断路故障，则需要将同桥臂的另外一个开关器件Q3控制为常闭状态，此时故障H桥单元的输出电压可以由另外一个桥臂来控制，即当开关管Q2闭合Q4打开时，电机绕组端电压为负的H桥输入侧电容电压；当开关管Q2打开，开关管Q4闭合时，电机绕组端电压为0，因此断路故障状态下H桥的输出电平数为两电平。基于串联H桥的模块化逆变器和电机分段绕组容错能力强。

[0042] 相比于现有的容错机制，采用本发明提供的集成系统，当开关管Q1发生短路或断路故障时，可以由另外一个桥臂(开关管Q2和开关管Q4)来控制；即使另一个桥臂也不能正常工作，也仅影响一相绕组中的一个分段绕组，例如图2中的绕组A1，从而避免整个A相绕组不能正常使用。

[0043] 综上所述，本发明提供的基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统可用于井下直流输电钻井电机，逆变器、控制电路随电机一同设置在井下。模块化逆变器采用H桥串联的结构，可以实现将中高压直流电降低为低压直流电，从而可以采用低压功率开关器件，减小逆变器的容量、体积、重量和成本；同时，电机可以采用低压电机，降低电机绝缘等级，提高电机功率密度。采用井下直流输电的方式，井上不需要正弦滤波器，也不需要输出升压变压器，极大的降低系统成本。逆变器采用模块化设计且电机绕组采用分段绕组设计具有很强的容错能力，提高系统的可靠性。逆变器嵌入电机外壳中，从而能够减小电缆长度、电磁辐射，降低设计和安装成本以及复杂性，同时可以增加系统功率密度。同时，逆变器与电机集成在一起可以最小化连接逆变器到电机的电缆长度可以防止由于波反射导致的过电压，也可以显著减小功率器件的开关损耗。

[0044] 需要说明的是，本发明提供的基于串联H桥的模块化逆变器‑电机集成系统不仅适用于井下直流输电场景，也适用于任何对逆变器电机有集成要求的应用场景。

[0045] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。