变频驱动系统、变频调速一体机、泵送系统及井场布局的制作方法

1.本文涉及油气田作业领域，具体涉及变频驱动系统、变频调速一体机、泵送系统及井场布局。


背景技术：

2.在全球的油气田作业领域中，通过使用电动机取代柴油机来驱动柱塞泵的电驱作业设备(诸如电驱压裂设备、电驱泵送设备、电驱固井设备等)是普遍已知的。这种电驱作业设备由于使用电动机进行驱动，因此不仅具有体积小、重量轻、输出功率大的优点，而且在环保、节能、经济等方面也具有优点。在电驱作业设备的作业现场，例如为了进一步降低作业成本和降低co2排放，通常需要先把来自大功率供电设施的电力提供到变频器，利用该变频器对电动机进行变频(调速)驱动。图1示出了根据现有技术的含有变频器和电驱作业设备的泵送系统。具体地，泵送系统90a包括变频器40a和电驱作业设备400，电驱作业设备400包括电动机21和机械连接至电动机21且由电动机21驱动的柱塞泵11。变频器40a的三相输出端子u、v和w分别电气连接至电动机21的三相绕组的输入端子ru、rv和rw。来自供电设施(未图示)的供电(例如输入电压)输入到变频器40a，由变频器40a调压和/或变频后提供给电动机21。
3.变频器40a的功率单元中使用了诸如igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)、igct(integrated gate commutated transistor：集成栅极换流晶体管)、二极管、scr(silicon controlled rectifier：可控硅整流器)、gtr(giant transistor：电力晶体管)、gto(gate turn-off transistor：栅极可关断晶体管)或iegt(injection enhanced gate transistor：注入增强栅极晶体管)等功率模块中的至少一种。图2示出了根据现有技术的变频器的一个示例。在该示例中，变频器40a采用了三电平变频器的典型结构，它的功率单元包括整流单元、滤波单元和逆变单元，整流单元用于实现ac-dc转换，滤波单元用于稳定从整流单元输出的直流电压，逆变单元用于实现dc-ac转换。在图2中，整流单元采用了两个三相桥串联而成的12脉动整流电路。每个三相桥中的功率模块采用了总共六个二极管，其中二极管d1、d3、d5构成共阴极组，二极管d2、d4、d6构成共阳极组。逆变单元包括三相三电平逆变电路，其中每一相逆变电路(分别对应于输出端子u、v和w)例如包括如下的功率模块：4个igbt开关晶体管v11、v12、v21、v22；4个续流二极管vd11、vd12、vd21、vd22；以及2个箝位二极管vd1、vd2。位于整个逆变单元的直流侧的滤波单元由两个滤波电容串联起来以支撑且均衡直流侧电压。在逆变单元中，通过一定的开关逻辑控制，在交流侧产生了三种电平的相电压(例如对于输出端子u而言，u点与o点之间的电位差可以为 ud/2,-ud/2,0这三种电平)。
4.一个方面的问题在于，上述这些功率模块的耐电压能力有限(通常低于6kv)，但是目前井场中的大功率供电设施(例如电网、发电机或储能装置等)一般是为了满足油气田作业的最大用电需求(例如，电驱压裂设备的单机额定用电功率通常不低于2000kw，电驱固井设备的单机额定用电功率通常不低于600kw)而设计的，故而大功率供电设施的输入电压通
常不低于10kv。这就导致来自供电设施的输入电压与变频器所允许的输入电压通常不一致，因而需要经过降压变压器把来自供电设施的输入电压降压后输入到变频器。另一方面的问题在于，变频器40a的一个功率单元对应于一个电动机21，且该功率单元中通常包含2个以上的功率模块，一旦某个功率模块发生故障，含有该功率模块的功率单元就不能工作，变频器40a就会停机，电动机21也将无法正常工作。
5.在为了解决上述一个方面的问题而使用降压变压器的情况下，由于降压变压器的体积较大且重量较大，通常需要将油气田作业现场的各种设备分配给至少两种橇，即变频器橇和作业设备橇。图3示出了根据现有技术的供电设施、变频器橇、以及作为电驱作业设备的电驱压裂设备之间的电连接模式的示例。在每个作业设备橇(未图示)上安装有至少一个电驱压裂设备(例如电驱压裂设备(1)、(2)、(3)等)，在每个变频器橇(例如变频器橇(1)、(2)等)上安装有与相应的作业设备橇上的电驱压裂设备数量一样多的变压器及变频器等。可见，变频器需要与电动机分开放置着，即，变频器和电动机隔开了一定距离，于是电动机和变频器之间有较多的接线需要整机生产厂家或者现场作业人员进行连接。而且，谐波污染导致接线大量发热，热量会传导至电动机；另外，谐波污染也会直接导致电动机的附加功率损耗和发热。这都会导致电动机的绝缘材料老化、电动机寿命缩短、以及电动机的散热能力不足，从而使得电动机容易损坏。较多的接线也导致了占地面积的扩大化以及设备生产或井场布置的复杂化。
6.上述另一方面的问题也需要进一步得到解决。


技术实现要素：

7.[要解决的技术问题]
[0008]
本发明的一个目的是提供一种通过使用串联的多个功率单元来降低对于单个功率单元的耐电压性的要求的变频驱动系统。此外，本发明的变频驱动系统进一步还需要避免由于个别功率模块或者个别功率单元的损坏而造成停机。
[0009]
本发明的再一个目的是提供一种含有上述变频驱动系统的泵送系统。
[0010]
本发明的另一个目的是提供一种含有上述变频驱动系统的变频调速一体机以及含有变频调速一体机的泵送系统。
[0011]
本发明的又一个目的是提供一种包括上述任一种泵送系统的井场布局。
[0012]
[解决问题的技术方案]
[0013]
根据本发明的一个实施方案，提供了一种变频驱动系统，其包括：电动机；以及串联的多个功率单元，用于把来自供电设施的电力经过调压和/或变频后供给到所述电动机，以驱动所述电动机可调速地运转从而产生动力。
[0014]
根据本发明的一个实施方案，提供了一种变频调速一体机，其包括上述变频驱动系统，并且各个所述功率单元的至少一部分集成于所述电动机上。
[0015]
根据本发明的一个实施方案，提供了一种泵送系统，其包括电驱作业设备和上述变频驱动系统。所述电驱作业设备包括柱塞泵，所述柱塞泵机械连接至所述电动机以接收来自所述电动机的动力，由此所述柱塞泵被所述电动机驱动、对工作液体进行加压、且将加压后的工作液体输出以进行作业。
[0016]
根据本发明的一个实施方案，提供了一种泵送系统，其包括电驱作业设备和上述
变频调速一体机。所述电驱作业设备包括柱塞泵，所述柱塞泵机械连接至所述电动机以接收来自所述电动机的动力，由此所述柱塞泵被所述电动机驱动、对工作液体进行加压、且将加压后的工作液体输出以进行作业。
[0017]
根据本发明的一个实施方案，提供了一种井场布局，其包括：上述泵送系统；与所述柱塞泵的进液口连通的混砂设备；用于将砂供给至所述混砂设备的供砂设备；以及用于将液体供给至所述混砂设备的供液设备。所述混砂设备将来自所述供砂设备的砂和来自所述供液设备的液体混合，以得到工作液体。
[0018]
[有益效果]
[0019]
本发明在一些实施例中通过多个功率单元的串联，降低了对于单个功率单元的耐电压性的要求，总体上降低了变频器的使用成本。
[0020]
本发明在一些实施例中提出了由于多个功率单元的串联而可以取消降压变压器、由此能够被集成且能够被直接接入大功率供电设施的变频调速一体机。进一步地，本发明通过将这样的变频调速一体机与柱塞泵集成地安装在一起，得到了具有高集成度的泵送系统，这样的泵送系统对于大多数油气田井场都具有便捷性和普适性。
[0021]
本发明在一些实施例中使用了移相变压器，相比于传统的多电平(例如二电平、三电平、五电平等)变频器，该移相变压器起到了电磁隔离和降低谐波污染的作用，减少了谐波抑制部件的使用。视需要，移相变压器除了具有移相作用之外还可以兼具降压作用。
[0022]
本发明在一些实施例中配备有旁通功能和/或旁路功能，能够避免由于个别功率单元或者个别诸如igbt等功率模块的损坏而造成变频器停机，从而能够更可靠地保证变频器的正常运行。
[0023]
本发明在一些实施例中将泵送系统的作业设备控制系统和变频器控制系统紧密结合，当变频器控制系统报告了故障或事故信息时，作业设备控制系统能够及时做出响应，避免故障或事故的扩大。
[0024]
本发明在一些实施例中通过将多个功率单元串联起来进行分压，相比于传统的多电平变频器而言，能够适配具有更高等级电压的电源，能够减少线缆的功率损耗，有利于减小线缆直径，且有利于减少接线工作量。
附图说明
[0025]
图1示出了根据现有技术的含有变频器和电驱作业设备的泵送系统。
[0026]
图2示出了根据现有技术的变频器的一个示例。
[0027]
图3示出了根据现有技术的供电设施、变频器橇、以及作为电驱作业设备的电驱压裂设备之间的电连接模式的示例。
[0028]
图4示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统的第一示例。
[0029]
图5示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统的第二示例。
[0030]
图6示出了与电动机的三相绕组的输入端子分别连接的三组功率单元的一个具体示例的相电压和线电压。
[0031]
图7示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统中所采用的多个功率单元之中的一个功率单元的第一示例。
[0032]
图8示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统中所采用的多个功率单元之中的
一个功率单元的第二示例。
[0033]
图9是对应于图8的双向能量流的说明图。
[0034]
图10示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中为单个功率单元设置有旁通接触器的一个示例。
[0035]
图11a至图11d是示出了用于实现旁通功能的可选方案的一些示例。
[0036]
图12a和图12b分别示出了在设置有旁通接触器的情况下图6所示的三组功率单元在正常工作状态和旁通状态下的输出电压。
[0037]
图13a示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中对igbt模块主回路进行旁通控制的一个示例。
[0038]
图13b是图13a中的旁通路径的放大示意图。
[0039]
图14示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中对发生故障的功率单元及其他相中的相应位置处的功率单元一起实施旁通的示意图。
[0040]
图15示出了在图14中进一步增加了旁路单元的示意图。
[0041]
图16示出了根据本发明第一实施方案的一种泵送系统及其控制系统的示例。
[0042]
图17示出了图16中的关于变频器的基本参数的局部放大图。
[0043]
图18是根据本发明第一实施方案的一种泵送系统的控制方法。
[0044]
图19a至图19d分别示出了根据本发明第二实施方案的变频调速一体机的示例的示意性框图。
[0045]
图20示出了根据本发明第三实施方案的第一实施例的含有变频调速一体机的电驱压裂设备的集成布局的立体图。
[0046]
图21示出了根据本发明第三实施方案的第二实施例的含有变频调速一体机的电驱压裂设备的集成布局的侧视图。
[0047]
图22示出了根据本发明第三实施方案的第三实施例的含有变频调速一体机的电驱压裂设备的集成布局的侧视图。
[0048]
图23示出了根据本发明第四实施方案的含有多个电驱压裂设备的井场布局的示意性框图。
[0049]
图24示出了根据本发明第四实施方案的含有多个电驱压裂设备的井场布局的示意图。
具体实施方式
[0050]
本发明将按下列顺序进行说明。
[0051]
1.含有多功率单元的泵送系统
[0052]
1.1含有多功率单元的泵送系统的结构示例
[0053]
1.2功率单元的示例
[0054]
1.3为功率单元设置的旁通功能
[0055]
1.4为功率单元设置的旁路功能
[0056]
1.5含有多功率单元的泵送系统及其控制系统
[0057]
1.6含有多功率单元的泵送系统的控制方法
[0058]
2.含有变频调速一体机的电驱压裂设备
[0059]
2.1变频调速一体机
[0060]
2.2含有变频调速一体机的电驱压裂设备的结构示例
[0061]
2.3电驱压裂设备的润滑系统
[0062]
2.4电驱压裂设备的散热系统
[0063]
2.5通过半挂车进行集成化的电驱压裂设备的结构
[0064]
3.包括多个电驱压裂设备的井场布局
[0065]
[1.含有多功率单元的泵送系统]
[0066]
《1.1含有多功率单元的泵送系统的结构示例》
[0067]
图4示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统的第一示例。在图4中，泵送系统90b包括变频器40b和电驱作业设备400，电驱作业设备400包括电动机21和机械连接至电动机21且由电动机21驱动的柱塞泵11。作为一个示例，电动机21是交流电动机，其具有三相绕组，该三相绕组是星形(y形)或三角形连接结构并且分别具有输入端子ru、rv和rw。针对电动机21的输入端子ru，变频器40b具有与该输入端子ru电连接的且串联起来的三个功率单元a1、a2和a3(构成a组支路)。针对电动机21的输入端子rv，变频器40b具有与该输入端子rv电连接的且串联起来的三个功率单元b1、b2和b3(构成b组支路)。针对电动机21的输入端子rw，变频器40b具有与该输入端子rw电连接的且串联起来的三个功率单元c1、c2和c3(构成c组支路)。变频器40b和电动机21一起构成了本发明的变频驱动系统。
[0068]
如果来自供电设施(未图示)的供电是直流输入电压，则变频器40中的所有功率单元a1～c3各者至少包括逆变单元。如果来自供电设施的供电是交流输入电压，则变频器40b中的所有功率单元a1～c3各者至少包括整流单元和逆变单元。视需要，功率单元a1～c3各者还可以包括用于滤除毛刺、稳定电压的滤波单元。例如在来自供电设施的供电是三相交流输入电压的情况下，该供电由变频器40b中的针对电动机21的相应一相绕组而串联起来的功率单元(例如a组)实施了例如整流、滤波及逆变后被提供给该相应一相绕组的输入端子(例如ru)。其他两组同样如此。
[0069]
一般地，中国国内的配电网的供电电压主要是10kv(50hz)，而在美国等地方常见的发电机供电电压是13.8kv(60hz)，即使单个功率单元的耐电压能力有限，本发明的变频器通过多个功率单元的串联，能够起到对来自供电设施的输入电压进行分压的作用，在串联级数使得分压作用显著的情况下，甚至能够取消降压变压器，因而无论在国内或国外都能将该变频器直接接入到大功率(例如10kv以上)供电设施。
[0070]
图5示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统的第二示例。在图5的泵送系统中，示出了电动机21，但是未图示柱塞泵11。在任一支路中的串联连接的一组功率单元之中，最前一者(即a3；b3；c3)的电动机侧与电动机21的相应一相绕组的输入端子(即ru；rv；rw)电连接，最后一者(即a1；b1；c1)的与电动机侧相反的一侧连接到y形连接结构的浮动中心点n。图5与图4的区别在于，还添加了移相变压器10，其设置于变频器40b的输入侧。
[0071]
移相变压器是多脉波二极管或晶闸管整流器不可缺少的组成部分，它一般具有三个功能：
①
实现初级侧、次级侧线电压的相位偏移以消除谐波；
②
通过变换初级侧电压而得到所需要的次级侧电压值；
③
能够实现整流单元与作为供电设施的电网之间的电气隔离。即，在工作时，移相变压器能够将初级侧绕组的工频高压(例如10kv等)电源变换(例如降低)为次级侧绕组的多组低压(例如620v、690v或1kv等)电源以提供给各个功率单元；移相
变压器还能够使各个功率单元的输入侧相互绝缘(电气隔离从而相互独立)，以便于实现电压波形叠加；利用移相变压器，能够实现移相整流的多脉冲整流方式，降低输出谐波含量。
[0072]
例如，针对10kv电压等级的工频高压电源，移相变压器的次级侧绕组的级数可以是例如9级或10级。对于9级产品而言，每级电压690v，相互间移相6.67
°
，构成了54脉冲整流方式；对于10级产品而言，每级电压620v，相互间移相6
°
，构成了60脉冲整流方式。下表1中示出了针对工频高压电源的各种电压等级，移相变压器的次级侧绕组的级数、单元输入电压、单元母线电压的示例。
[0073]
[表1]
[0074]
电压等级、级数和电压表
[0075]
电压等级级数单元输入电压单元母线电压3kv4460v620v6kv5690v930v6kv6620v815v6kv8460v620v10kv9690v93010kv10620v815v
[0076]
参照图5来进行具体说明。移相变压器10例如可以是集成一体式变压器，其包括一个三相初级绕组p1和多个三相次级绕组s1～s9。取决于绕组连接方式的不同，三相初级绕组p1例如是星形(y形)或三角形连接结构，其三个输入端子连接至供电设施(未图示)，以接收来自供电设施的供电(三相交流输入电压)。多个三相次级绕组s1～s9各者例如是三角形或延边三角形连接结构。多个次级绕组s1～s9各者将初级绕组p1的输出电压执行移相后输入至变频器40b中的相应的功率单元，即，多个次级绕组s1～s9各者的输出电压相互之间有一定的相位差。或者，多个次级绕组s1～s9各者也可以进一步分成多个子组，不同子组的输出电压相互之间有一定的相位差。例如，在多个次级绕组s1～s9之中，三分之一的次级绕组(例如s1～s3)可以将相位提前，三分之一的次级绕组(例如s7～s9)可以将相位延迟，剩余三分之一的次级绕组(例如s4～s6)可以保持相位不变。例如，保持相位不变的次级绕组采用了三角形连接结构，将相位提前或延迟的次级绕组采用了延边三角形连接结构。
[0077]
可供替代地，移相变压器10除了执行移相作用，视需要还可以执行调压作用。移相变压器10的初级绕组与次级绕组的匝数比等于初级侧电压与次级侧电压的电压比。
[0078]
可供替代地，移相变压器10可以是具有双电压输出的移相变压器，其除了可以将例如10kv的输入电压降压后输出给变频器40b外，还可以输出例如380v的工频交流电给其他用电部件。
[0079]
在图4所示的第一示例和图5所示的第二示例中，由三个功率单元构成的任一支路中的有效输出电压是该支路中各个功率单元的电压总和，例如a组支路的输出电压是功率单元a1至a3的电压总和，其他两组支路也是如此。
[0080]
在上述第一示例和第二示例中，任一支路中的串联起来的功率单元的数量不限于3个，而是依据来自供电设施的输入电压及各个功率单元所允许的输入电压来决定，例如可以是2～12个。通过这样串联的多个功率单元，即使每个功率单元本身是由额定低压标准的部件构成的，也能在电动机21上施加足够大的线电压。相应地，电动机21优选为具有较好的
耐电压性的中高压电机(例如，中高压电机的额定电压通常≥1kv)。另外，本发明的实施方案所采用的电动机21不限于三相电动机，例如电动机21可以采用诸如六相电动机、十二相电动机等电动机。在本发明的实施方案中，因为通过串联的多个功率单元直接为电动机的各相绕组分别提供可变频率交流电，所以转速调整更平稳，效率更高，产生谐波污染更低。
[0081]
图6示出了与电动机的三相绕组的输入端子分别连接的三组功率单元的一个具体示例的相电压和线电压。在这个具体示例中，任一支路上的一组(例如a组、b组和c组)功率单元是相互串联的五个功率单元。在a组、b组和c组各者中，最前一个功率单元的电动机侧连接至电动机的相应一相绕组的输入端子，最后一个功率单元的与电动机侧相反的一侧连接至y形连接结构的中心点n。以每个功率单元的额定电压为480v为例进行说明，此种情况下，每一相上的相电压＝480v
×
5＝2400v，任意二相之间的线电压＝2400v
×
1.732≈4160v。例如，第一相上的第一组功率单元(图6中的a组)中的所有功率单元的相位为0
°
滞后角，第二相上的第二组功率单元(图6中的b组)中的所有功率单元的相位为120
°
滞后角，第三相上的第三组功率单元(图6中的c组)中的所有功率单元的相位为240
°
滞后角。
[0082]
通过多个功率单元的串联，可以使用耐低电压的igbt模块(或者其他逆变模块)来替代原来耐高电压的igbt模块，这有利于降低对于单个模块的耐受电压、绝缘难度等的要求，从而降低总体成本。例如，4160v的输出电压可以通过额定电压为480v的多个功率单元的串联来产生，又例如，6000v的输出电压可以通过额定电压为630v的多个功率单元的串联来产生。作为一个示例，在输出电压为6600v的情况下，可以一共使用18个功率单元，假设单个功率单元的额定电压为690v(比较常见的电压规格)，那么相电压＝6(每相6个功率单元)
×
690v＝4140v，线电压＝相电压
×
1.732＝4140v
×
1.732＝7170v。于是，7170v的输入电压可以通过调整igbt占空比而被调整为6600v的输出电压。
[0083]
藉此，变频器所允许的输入电压提高了，就有利于减小线缆电流，减小线缆功率损耗，降低线缆直径，简化接线工作量等。举例而言，在供电设施提供10kv的供电的情况下，可以直接供给到移相变压器，就可以满足变频系统的使用要求。
[0084]
《1.2功率单元的示例》
[0085]
如前所述，各支路中的串联起来的多个功率单元中的任一者视实际需要可以包括逆变单元，可以包括整流单元和逆变单元的组合，或者可以包括整流单元、滤波单元和逆变单元的组合。图7示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统中所采用的多个功率单元之中的一个功率单元的第一示例。例如，该功率单元可以包括整流单元50、滤波单元51和逆变单元52。这里的一个功率单元在功能上相当于一个使电压经过交流-直流-交流转换的单相低压(例如≤3.3kv)变频器。具体地，整流单元50将从供电设施输入过来的三相交流电压整流(变成直流电压)后提供给滤波单元51。滤波单元51设置于整流单元50与逆变单元52之间，用于对整流单元50的输出电压进行滤波，使得该输出电压的波形趋于平滑(滤除毛刺)，然后将其提供给逆变单元52。逆变单元52将滤波单元51的输出电压逆变(变成交流电压)后，作为功率单元的输出电压而输出至外部的电动机。
[0086]
例如，图7中给出了整流单元50可以采用三相桥式6脉动整流电路的示例。利用由共阴极连接的二极管d1、d3、d5和共阳极连接的d2、d4、d6构成的整流单元50可以将输入进来的三相ac电压转换成dc电压。可供替代地，整流单元50的每一个桥的上臂和下臂可以由多个二极管串联起来而构成，藉此可以实现整流单元50中的分压作用，从而降低对于二极
管的耐电压性的要求。滤波单元51可以包括至少一个滤波电容器，例如电容器c1和c2。这里，电容器c1和c2是用电容器组来表示的，实际所需的电容量取决于具体的应用。整流单元50的dc输出电压跨接于滤波单元51上，以便存储和平滑该dc输出电压。功率单元的dc功率可以利用脉宽调制(pwm)方法而被选择性地提供给该功率单元的输出端子l或r，该脉宽调制是通过逆变单元52来实现的。逆变单元52视需要而采用可以接受的任何类型的开关元件，并且可以根据功率等级来选择各种固体元件。例如，如图7所示，逆变单元52可以采用由半导体开关q1～q4构成的桥式逆变电路，半导体开关q1～q4各者分别包括晶体管81～84及二极管91～94。本发明实施方案中的功率单元所使用的半导体开关、滤波电容器、整流二极管等的数量不限于上述数量，可以根据实际需要而进行变更。
[0087]
如图7所示，在本发明实施方案的泵送系统中，还设置有用于变频器40b的变频器控制板65。此外，在变频器40b中，针对每一个功率单元还相应地设置有单元控制电路56。单元控制电路56与相应一个功率单元中的半导体开关q1～q4每一者的栅极端子都相互电气连接，以便通过对该功率单元的操作来控制该功率单元的输出电压且控制所需求的输出波形。各个单元控制电路56还通过例如光纤通信或者其他的有线或无线通信方式与变频器控制板65进行通信，并且执行来自变频器控制板65的输出指令，以便监控和管理各个功率单元。对功率单元的管理例如包括功率单元的工作状态调整、重置等。利用变频器控制板65经由各个单元控制电路56来控制各个功率单元，在故障模式下就可以产生较高的电压输出。虽然图7示出的是单元控制电路56相对于功率单元单独布置在功率单元之外，但是也可以集成地布置在功率单元之内。各个单元控制电路56也可以集中布置在一起以便于管理。
[0088]
图8示出了根据本发明第一实施方案的泵送系统中所采用的多个功率单元之中的一个功率单元的第二示例。图8所示的功率单元与图7的主要区别在于，在逆变单元52和整流单元50中都采用了igbt模块。igbt模块可以是由mosfet(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)和bjt(双极性结型晶体管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。如图9所示，通过利用igbt模块进行整流且利用igbt模块进行逆变，就能够实现：既可以从供电设施(例如电网或储能装置)24经由功率单元(整流-滤波-逆变)向电动机21供电，也可以利用电动机21反向发电给供电设施24，由此实现了双向能量流。
[0089]
《1.3为功率单元设置的旁通功能》
[0090]
在例如图1或图2所示的常规的泵送系统中，变频器40a中的某个功率模块或功率单元一旦损坏，则变频器40a就会停止输出，因而电动机21就停止工作。相对照地，在本发明中，参照前面所说明的例如图5可知，因为变频器40b中的每一支路上有多个串联的功率单元，即使例如在a组支路上某个功率单元a1发生故障，仍可以让该支路上的其他功率单元a2和a3继续工作，只不过该支路上提供的有效输出电压会降低一个与发生故障的功率单元a1在正常状态时所贡献的电压相对应的量，即，依然继续工作的其他两个功率单元a2和a3的总输出功率为该支路上的额定输出功率的2/3。然后，当导致功率单元a1发生故障的原因(如瞬间的过压等)消失之后，该故障消失的信息就被通知给相应的单元控制电路56(例如参照图7或图10)。单元控制电路56与变频器控制板65进行通讯，且按照变频器控制板65的指令根据实际情况自动恢复该功率单元a1的正常工作。由于上述控制过程是自动完成的，所以大大降低了变频器40b停机的几率。如果导致某个功率单元发生故障的原因一直没有
消失，那么变频器40b依然可以一直连续工作到当用户有条件停机时才进行发生故障的功率单元的更换。
[0091]
为了实现上述目的，在本发明的实施方案中，可以自动地将非正常状态或发生损坏的功率单元进行旁通(或短路)，或可以根据实际运行情况手动或自动地对变频器中的某个或某些功率单元进行旁通。
[0092]
图10示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中为单个功率单元设置有旁通接触器的一个示例。旁通接触器27与功率单元一一对应地设置着。如图10所示，当该功率单元发生故障时，利用旁通接触器27进行旁通，可在1s内甚至在500ms以内完成旁通。
[0093]
旁通接触器27可以相对于相应的功率单元单独地布置着，或者可以在相应的功率单元内与功率模块等集成为一个整体。旁通接触器27可以是机械的或电气的固体元件。在旁通接触器27被启用时，可以在功率单元的输出端子l和r之间形成一条分路。因此，电流就可以通过旁通接触器27而不是功率单元。在没有旁通接触器27的情况下，发生故障的功率单元不会被旁通，该故障功率单元所在的支路上流过的电流就会变成零。因而，就需要在每个功率单元的输出端子l和r之间都设置有这样的一个旁通接触器27。藉此，本发明的变频器40b无论在单个功率单元还是多个功率单元发生故障时都能继续进行高效率的工作。已知一些可用来监视和检测功率单元是否发生故障的方法。一种简单的方法就是将功率单元的实际输出电压与额定输出电压相比较。在其他的方法中，还可以使用用于检查或是识别功率单元的元件或是可以使用诊断程序。
[0094]
如图10所示，当某个功率单元因发生故障等原因而被旁通时，该信息会传递给与该功率单元相应的单元控制电路56，单元控制电路56以光纤通信等方式与泵送系统的变频器控制板65进行通讯，使得变频器控制板65可以根据发生故障的功率单元数量，且结合当前作业压力、输出功率等，适当降低泵送系统的泵送排量，进而降低功率单元或电动机的实际使用功率，使其低于安全限值。图10中左侧的变压器并非是必需的，而是视作业现场的实际情况而设置的。
[0095]
图11a至图11d是示出了用于实现旁通功能的可选方案的一些示例。具体地，图11a表示了用一个继电器或接触器的触点85来将功率单元旁通的旁通开关的示例。在图11a所示的旁通开关中，当处在打开位置的触点85受到电磁线圈86的激励时，在功率单元的输出端子l和r之间就形成短路。图11b表示了利用弹簧负荷触点87和脱扣释放装置88来将功率单元旁通的旁通开关的示例。如图11b所示，脱扣释放装置88能够促使一个弹簧负荷触点87在功率单元的输出端子l和r之间形成短路。脱扣释放装置88可以是用电操作的或者是机械操作的。图11c表示了利用具有相反极性的两个可控硅整流器(scr：silicon controlled rectifier)来将功率单元旁通的旁通开关的示例。在图11c中，通过接通以反并联的方式跨接于功率单元的输出端子l和r之间的这两个scr，在功率单元的输出端子l和r之间形成短路。图11d表示了利用串联的晶体管来构成旁通开关的示例。本发明所使用的旁通开关的构造不限于上述这些示例。
[0096]
图12a和图12b分别示出了在设置有旁通接触器的情况下图6所示的三组功率单元在正常工作状态和旁通状态下的输出电压。如图12a所示，在变频器中的针对电动机每一相绕组而设置的每一支路(从a点到n点的a组支路、从b点到n点的b组支路、从c点到n点的c组支路)中，五个功率单元(a1～a5、b1～b5、c1～c5)相互串联。假定各功率单元的额定功率都
相同(值例如设为b1)，则a组支路和b组支路之间、b组支路和c组支路之间、以及c组支路和a组支路之间的相位角典型地为120
°
。在正常工作时，所输出的线电压vba、vcb、vac是完全对称的(b1
×5×
sin(120
°
/2)
×
2＝b1
×5×
1.732)，可以实现100％的电压输出，并且三条支路的中心点落在该三条支路的交叉点n处。例如当功率或者a4和a5发生故障时，如图12b所示，功率单元a4和a5通过它们各自相应的旁通接触器而被旁通，这两个功率单元对a组支路中的总输出电压不再起作用。此时，将b组支路和c组支路之间的相位角从120
°
减少到95
°
，并且将c组支路和a组支路之间以及a组支路和b组支路之间的相位角从120
°
增大到132.5
°
，这样的角度调整可以使线电压vac、vba和vcb具有相等的幅值。于是，三条支路的中心点发生了偏移。通过中心点偏移的方式，保障了变频器中除发生故障的功率单元以外的其他功率单元能够在降低功率的情况下继续进行运转，此时由功率单元a1、a2、a3串联而成的支路上承受的相电压与由b1至b5串联而成的支路上承受的相电压依然是相同的，即，此时可供使用的最大平衡线电压为b1
×5×
sin(95
°
/2)
×
2＝b1
×5×
1.474。藉此，使得所输出的线电压vba、vcb、vac电压完全对称，可达到1.474
÷
1.732＝85％的电压输出，电动机仍然可以接受到平衡的三相电压。
[0097]
上述角度调整(中心点调整)取决于每一支路中剩下的有效功率单元数量。如果每一支路的功率单元数量是已知的，在检测到故障状态时，就可以计算出适当的各支路间的相位角关系的具体值。
[0098]
在前面参照图12b说明的示例中，如果某个或某些功率单元(例如a4和a5)发生故障，仅将发生故障的功率单元(即a4和a5)短路或旁通，而其他功率单元都继续工作，这样能够将剩余功率单元的有效输出电压和输出功率维持在一个比较高的最大电平。可供替代地，当某个或某些功率单元(例如a4和a5)发生故障时，为了维持施加于电动机的三相输入端子ru、rv和rw上的有效输出电压的平衡，也可以将发生故障的功率单元(即a4和a5)与另外两条支路中的相应位置处的功率单元(即b4和b5以及c4和c5)一起旁通。稍后还将具体说明这一点。
[0099]
图13a示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中对igbt模块主回路进行旁通控制的一个示例。图13b是图13a中的旁通路径的放大示意图。如图13a所示，本示例的设置于变频器中的每一支路上的多个功率单元的任一者包括整流单元50、滤波单元51以及逆变单元52。该功率单元具有两个输出端子：l端和r端。逆变单元52的功率模块采用了四个igbt模块q1～q4，并且由它们构成了igbt模块主回路。igbt模块q1～q4分别包括：晶体管81～84；以及并联于晶体管81～84各自的集电极与发射极之间的续流二极管91～94。晶体管81～84各者的栅极端子(图13a中的g1、g2、g3、g4)与单元控制电路56(图13a中未图示，参见图7或图10)连接。
[0100]
下面以发生过热故障为例，参照图13b来详细说明逆变单元52中的igbt模块主回路进入旁通状态的工作过程。
[0101]
第一步：功率单元发生过热故障。
[0102]
第二步：单元控制电路56监测到故障后立即将晶体管81和83关断，同时将晶体管82和84接通。如图13b中的虚线箭头所示，当电流从l端流向r端时，电流路径是：从l端依次经过晶体管82和二极管94回到r端；当电流从r端流向l端时，电流路径是：从r端依次经过晶体管84和二极管92回到l端；由此实现了该功率单元的旁通功能。
[0103]
第三步：变频器控制板65(图13a中未图示，参见图7或图10)重新计算输出波形，并且以与上述第二步中类似的方式旁通其他两相中的与上述故障功率单元位于相应位置处的功率单元。
[0104]
过热故障消失后，igbt模块主回路从旁通状态恢复正常运行状态的工作过程如下：
[0105]
第一步：功率单元恢复正常温度，过热故障消失。
[0106]
第二步：单元控制电路56监测到功率单元的故障消失，变频器控制板65重新计算输出波形，并且将故障已消失的功率单元及其他两个支路中的相应位置处的功率单元从旁通状态恢复到正常运行状态。
[0107]
通过如前所述的对由igbt模块构成的主回路进行旁通控制，实现了类似于图10中的旁通接触器或图11a至图11d中的旁通开关等的电子开关功能。按照上述方法使得变频器的功率单元在故障时进行旁通及在故障消失后进行恢复，就能够提高变频器工作的可靠性。
[0108]
上面的示例只列举了使用晶体管82、晶体管84、二极管92及二极管94来实现将功率单元旁通的工作过程和使功率单元从旁通状态恢复正常运行状态的工作过程。同理，使用晶体管81、晶体管83、二极管91及二极管93同样能够实现这些工作过程。
[0109]
图14示出了在根据本发明第一实施方案的泵送系统中对发生故障的功率单元及其他相中的相应位置处的功率单元一起实施旁通控制的示意图。如图14所示，变频器中的每一支路中有六个功率单元(a1至a6，b1至b6，c1至c6)相互串联。当任一支路中的某一个功率单元(例如a5)出现故障时，与该功率单元相对应的单元控制电路就将故障报警信号以无线通信或有线通信的方式传输给变频器控制板65，该变频器控制板65对各种信号进行协调，使得在允许旁通的情况下，用最短的时间实现发生故障的功率单元(即a5)的旁通，此时一起被旁通的功率单元还包括其他两个支路中的与发生故障的功率单元位于相应位置处的功率单元(即b5和c5)。在这样的旁通控制之后，变频器控制板65通过改变算法，保持各相的输出电压波形的完整，以保证电动机等负载继续运行。
[0110]
在参照图13a、图13b和图14而说明的示例中，通过让发生故障的功率单元与其他各相中的相应位置处的功率单元一起旁通且一起从旁通中恢复，可以确保施加于电动机的三相绕组上的电压是对称的三相电压，从而能够平衡地工作。
[0111]
《1.4为功率单元设置的旁路功能》
[0112]
图15示出了在图14中进一步增加了旁路单元的示意图。具体地，在变频器的每一支路中除了让预定的六个功率单元(a1至a6；b1至b6；c1至c6)相互串联之外，还串联有备用的功率单元(a7；b7；c7)。备用的功率单元以及与备用的功率单元一一对应地设置着的旁路开关(未图示)一起构成了旁路单元。旁路开关可以采取类似于上述旁通开关的构造或其他合适的构造。
[0113]
一般地，在井场进行压裂作业时，对作业设备的稳定性要求是非常高的，一旦发生停机，将会导致无法按照预定的流量进行施工，或者将会导致作业事故的出现。于是，根据本发明的实施方案，在变频器的三个支路上还增加了三个备用的功率单元a7、b7、c7以及与功率单元a7、b7、c7分别对应的旁路开关。当预定的所有功率单元(a1至a6；b1至b6；c1至c6)均正常工作时，则备用的功率单元a7、b7、c7处于禁用状态，即，与功率单元a7、b7、c7各者对
应的旁路开关被接通以使功率单元a7、b7、c7处于旁通状态。当例如功率单元a5发生故障时，功率单元a5、b5、c5均被旁通且停止输出，并且此时把与备用的功率单元a7、b7、c7分别对应的旁路开关断开，以使功率单元a7、b7、c7开始启用并且从旁通状态进入工作状态，由此替代被旁通的功率单元a5、b5、c5。藉此，能够保障变频器在额定功率下正常工作。
[0114]
每一支路上的旁路单元的数量可以不止一个，其可以基于成本要求以及实际作业过程中在每一支路上容易同时发生故障的功率单元数量的统计数据来设定。
[0115]
《1.5含有多功率单元的泵送系统及其控制系统》
[0116]
图16示出了根据本发明第一实施方案的一种泵送系统及其控制系统的示例。该泵送系统包括供电设施24、变频器40c和电驱作业设备，该电驱作业设备至少包括电动机21和由电动机21驱动的柱塞泵(未图示)。变频器40c例如可以包括移相变压器。此外，在移相变压器的输出侧，变频器40c针对电动机21的每一相绕组都含有由串联的多个功率单元(例如a1～a7，图16中仅示出了a1和a2)及旁路单元构成的相应支路。该旁路单元包括单元旁路开关装置和备用的功率单元(例如a8)。当然，在各支路上，备用的功率单元及相应的单元旁路开关装置可以不止一个，其数量可以基于成本要求以及实际作业过程中容易同时发生故障的功率单元数量的统计数据来设定。如图16所示，泵送系统还包括：用于变频器40c的信号处理分析及控制系统95；和用于电驱作业设备的控制系统96。用于电驱作业设备的控制系统96可以与用于变频器40c的信号处理分析及控制系统95进行通讯，通过通讯信息来获取变频器40c的基本参数及变频器40c处于工作状态时的诸如输入电流、输入电压、输出电流、输出电压、调速信息状态等实际运行参数，并且向信号处理分析及控制系统95发出控制指令，以对变频器40c中的各功率单元的工作状态进行调整、重置等。图17示出了图16的左上角给出的关于变频器40c的基本参数的局部放大图。变频器40c的基本参数例如是额定输入电压、额定输入电流、额定输出电压、额定输出电流、安装单元数或相位、最少单元数或相位数、快速旁通的启用或禁用、以及负载频率等。变频器的这些基本参数中的至少一种以及变频器中各功率单元的实际运行参数可以传输给信号处理分析及控制系统95，以便由信号处理分析及控制系统95基于对该基本参数与实际运行参数的分析和比较来实现对各功率单元的控制。
[0117]
上述电驱作业设备可以是电驱压裂设备、电驱泵送设备或电驱固井设备，相应地，上述用于电驱作业设备的控制系统96可以是压裂设备控制系统、泵送设备控制系统或固井设备控制系统。
[0118]
在下面的说明中，为了方便，有时把泵送系统中的用于电驱作业设备的控制系统96也称为整机控制系统，且把泵送系统中的用于变频器40c的信号处理分析及控制系统95也称为变频器控制系统(其例如可以是前面说明的变频器控制板65)。
[0119]
《1.6含有多功率单元的泵送系统的控制方法》
[0120]
图18是根据本发明第一实施方案的一种泵送系统的控制方法。该泵送系统具有前面参照图16所述的构造。为了便于理解，图18以各功率单元仅包括逆变单元的情况为例。假定串联起来的逆变单元的总数为n个，电动机21的额定功率为p，k为泵送系统的安全系数且k≤1，t是泵送系统中的一个预设时间，t1是泵送系统中预设的报警持续时间，且t1通常不超过电动机所允许的超功率运行时间。这些参数都被输入到或设定于整机控制系统96中。在整机控制系统96中还设置有plc(可编程逻辑控制器)，该plc可以通过从变频器控制系统
95获取变频器的总输出功率或电动机的运行功率来进行判断，也可以通过母线电流(例如图16中所示的输入电流或者输出电流)的方式进行判断。下面的示例是根据电动机的运行功率来进行判断的。
[0121]
在步骤s101中，整机控制系统96获取由变频器控制系统95反馈过来的信息，从该信息中获取电动机21的实际运行功率p1、当前关闭的逆变单元数量n1以及发生故障而被旁通的逆变单元数量n2。
[0122]
在步骤s102中，基于步骤s101中获取的信息，整机控制系统96判断电动机21的实际运行功率p1是否等于或大于k
×
p
×
(n-n1-n2)/n。在判断结果为“是”的情况下，意味着电动机21处于超功率运行状态，那么过程进行到步骤s103。在判断结果为“否”的情况下，意味着电动机21未达到超功率运行状态，那么过程进行到步骤s105。
[0123]
在步骤s103中，整机控制系统96判断是否满足如下条件：n1≥1(即当前存在有至少一个处于关闭状态的逆变单元)且存在有备用的逆变单元。在判断结果为“是”的情况下，过程进行到步骤s104。在判断结果为“否”的情况下，过程进行到步骤s109。
[0124]
在步骤s104中，整机控制系统96指示变频器控制系统95再开启一组逆变单元。然后，过程可以回到步骤s102以便继续进行判断及其后面步骤的循环。
[0125]
在步骤s105中，整机控制系统96判断电动机21的实际运行功率p1是否未超过k
×
p
×
(n-n1-n2-1)/n。在判断结果为“是”的情况下，过程进行到步骤s106。在判断结果为“否”的情况下，过程进行到步骤s108。
[0126]
在步骤s106中，整机控制系统96判断持续满足步骤s105中的条件的时间是否等于或大于预设时间t。在判断结果为“是”的情况下，过程进行到步骤s107。在判断结果为“否”的情况下，过程进行到步骤s108。
[0127]
在步骤s107中，整机控制系统96指示变频器控制系统95关闭一组逆变单元。然后，过程可以回到步骤s105以便继续进行判断及其后面步骤的循环。
[0128]
在步骤s108中，整机控制系统96指示变频器控制系统95维持当前的逆变单元开启数量，并且维持当前的电动机转速。
[0129]
在步骤s109中，整机控制系统96通过该整机控制系统的操作系统进行报警，例如发出声音或图像警告。
[0130]
在步骤s110中，整机控制系统96判断步骤s109中的报警的持续时间是否等于或大于预设的报警持续时间t1。在判断结果为“是”的情况下，过程进行到步骤s111。在判断结果为“否”的情况下，过程进行到步骤s112。
[0131]
在步骤s111中，整机控制系统96指示变频器控制系统95适当地降低电动机转速。然后，过程可以回到步骤s102以便继续进行判断及其后面步骤的循环。电动机转速的调整可以呈台阶状逐步进行。
[0132]
在步骤s112中，整机控制系统96通过该整机控制系统的操作系统进行报警，例如发出声音或图像警告。
[0133]
本发明的泵送系统的控制方法不限于上述示例。此外，在本发明中将旁通功能与泵送系统中的控制系统结合后，该泵送系统的控制方法可以包括：(1)电动机的每一相绕组接收由变频器中的相应支路上的串联起来的多个功率单元提供的变频电流(输出电压或输出电流)，当某一个或某些功率单元发生故障时，发生故障的功率单元被旁通，其他功率单
元仍然可以继续工作，电动机仍然可以运行。(2)假定每一支路上的串联起来的功率单元的总数为n个，假定m个功率单元被旁通，则该支路上的实际有效功率将会至少比额定功率降低m/n。(3)一旦出现功率单元被旁通的事件，该事件信息会传递给与功率单元相对应的单元控制电路，单元控制电路与变频器控制系统进行通讯，变频器控制系统会向整机控制系统发出报警信息，整机控制系统将会发出警报信号，在整机控制系统的操作系统(例如图像界面或者声音界面)上将会出现警报(例如图形、颜色、文字、声音等)信息，以提示变频器的故障或报警信息。此外，该泵送系统的控制方法还可以包括：整机控制系统可以根据损坏的功率单元数量，且结合当前作业压力、输出功率等，适当降低泵送系统的泵送排量，进而降低功率单元或电动机的实际运行功率，使其低于安全限值。另外，该泵送系统的控制方法还可以包括：当发生故障的功率单元被旁通时，用旁路单元替换发生故障的功率单元继续进行工作。
[0134]
此外，整机控制系统除了可以与变频器控制系统进行通讯之外，还可以分别与冷却液泵、润滑油泵、散热系统、配电系统、远程控制系统等进行通信。整机控制系统可以根据作业需求或者来自远程控制系统的指示，向变频器控制系统、冷却液泵、润滑油泵、散热系统、配电系统等发出指令，以保障整个泵送系统的正常工作。
[0135]
变频器控制系统至少能够检测变频器的输入电压和输入电流中的一者以及输出电流和输出电压中的一者。
[0136]
整机控制系统可以根据变频器的工作状况来调整电动机的转速，例如当出现逆变单元无法正常输出时，整机控制系统可以降低变频器的输出功率，避免电动机超功率运行。
[0137]
此外，井场中通常还设置有远程集中控制系统。远程集中控制系统的功能包括：电动机启动/停止、电动机转速调整、电动机急停、变频器重置、井场关键参数(电压、电流、扭矩、频率、温度、压力、气体成分及含量)监控等。当井场中的多个作业设备之中的某一个设备出现问题时，整机控制系统可以传递报警信息给远程集中控制系统，以便远程集中控制系统能够根据井场中的多个作业设备的总流量、井口压力等，自动调整除了出现问题的设备之外的其他设备的运行状况。例如，假定在远程集中控制系统中预先设定了总流量为8m3/min，井场中一共有6个电驱压裂设备，假如某一个设备出现了转速下降问题，则远程集中控制系统可以控制剩下的5个设备以适当提高排量，从而保障所需求的8方排量。又例如，假定预先设定了满足压裂作业过程中指定位置要求的压力需要达到80mpa，如果某一个设备因上述问题而降低了排量，此时压力降低了5mpa，则远程集中控制系统可以自动提高其他设备的转速，进而提高排量，直到达到所设定的压力要求。
[0138]
如果井场中的所有已开启设备的负载率均已较高，则远程集中控制系统还可以自动启用备用的电驱压裂设备，以满足设定的压力或者流量。
[0139]
当变频器出现故障时，可以通过远程集中控制系统实现变频器的重置。
[0140]
[2.含有变频调速一体机的电驱压裂设备]
[0141]
《2.1变频调速一体机》
[0142]
由于本发明的变频器40中采取了多个功率单元串联的模式，并且可以采用中高压电动机，所以能够通过变更串联级数、调节自身参数以及启用备用单元等方式与供电设施的输入电压相适配，因而具有一定的耐电压性，甚至在有些情况下可以不需要额外地使用降压变压器来调整电压而是直接接入供电设施。这样的变频器40由于不含有降压变压器，
体积和重量比现有技术的含有变压器的变频器小很多，所以可以直接集成于电动机上。图19a至图19d分别是根据本发明第二实施方案的变频调速一体机的示例的示意性框图。该变频调速一体机包括电动机21和集成地(一体地)安装在电动机21上且用于驱动电动机21的变频器40，该变频器40通过供电线缆与电动机21电气连接。这样的变频调速一体机能够减少整机布局的占用空间(体积)和重量，并且从变频器40到电动机21的供电线缆长度接近于零距离。
[0143]
在直流供电的情况下，变频器40中的多个功率单元各者可以仅包括逆变单元，此时可以将这些逆变单元集成安装在电动机21上。在交流供电的情况下，变频器40中的多个功率单元各者进一步还包括整流单元，此时整流单元可以与逆变单元一起集成安装在电动机21上，或者整流单元可以单独地设置于变频调速一体机外。在多个功率单元各者进一步还包括滤波单元的情况下也是如此。通过将变频器40的至少一部分(例如功率单元)集成安装在电动机21上，能够减少整机布局的占用空间。通过将变频器40的未集成安装在电动机21上的其他部分(例如变频器控制板、移相变压器等除功率单元之外的部分)单独地设置于变频调速一体机外(例如设置于控制柜中)，还能够兼顾重量和空间的均衡分布，从而避免全部集中放置时整个变频调速一体机的局部过重或局部尺寸过大的问题。此外，功率单元可以整体地或者可以仅将一部分(例如逆变单元)集成安装在电动机21上。
[0144]
在一个示例中，电动机的底表面可以至少部分地安装于一个底座(例如，承载架或者橇，它们可以是有板或无板的)上。当将变频调速一体机连同底座一起安置到作业现场中的地面上时，上述底座优选是可调节的以便与各种各样的地面地形适配，以便增强变频调速一体机工作时的水平性和稳固性。
[0145]
如图19a至图19d所示，变频器40和电动机21可以分别具有第一壳体401和第二壳体201。第一壳体401可以通过螺栓、螺钉、铆接或焊接等方式直接连接于第二壳体201上，或者可以经由安装法兰而固定连接于第二壳体201上。第一壳体401和第二壳体201二者的连接面中可以布置有用于让供电线缆贯穿的至少一个孔洞302或者接线柱301，该连接面与孔洞302或接线柱301一起构成了壳体过渡部，以便把由变频器40调压和/或变频之后的供电短距离地输出至电动机21，从而驱动该电动机21以可调的转速运行。
[0146]
例如，当变频器40的第一壳体401集成地(一体地)安装在电动机21的第二壳体201的某个安装表面上时，可以占据该安装表面的至少一部分或全部，或者可以部分地超出该安装表面(未图示)。该安装表面可以是第二壳体201的顶表面、侧表面(优选地，与电动机21的传动输出轴的延伸方向平行的两个侧表面中的任一者)。或者，在第二壳体201的底表面没有全部接触底座或地面的情况下，该底表面也可以作为安装表面。这里，第二壳体201的顶表面作为安装表面是更优选的，因为第二壳体201的顶表面本身可以对变频器40起到垂直方向上的固定支撑作用，而且变频器40不需要水平方向上的独立占地面积，这种安装方式极大地节约了安装空间，使得整体设备更加紧凑。
[0147]
在一些实施例中，变频器40的第一壳体401和电动机21的第二壳体201的形状可以为诸如长方体、正方体或圆柱体等柱状体，本发明对它们的形状不做具体限定。当第一壳体401和第二壳体201的形状为长方体或正方体时，更有利于它们二者的固定安装，以便增强整个设备的稳固性。
[0148]
于是，变频器40的供电线缆可以仅经由壳体过渡部而几乎零距离地接入电动机21
内部，这使得有效地缩短了接线。变频器40和电动机21之间的接线可以全部安排在电动机21的第二壳体201内部，这能够降低井场干扰。
[0149]
据此，本发明的变频调速一体机能够实现对高压电动机的高压变频控制，具有结构紧凑、系统效率高、性能优良等优点，解决了现有技术中因高压变频器的输出距离有限，输出线缆对周围设备产生干扰的问题，也避免了长距离电平供电造成的电动机端电压尖峰过大导致的电动机绝缘老化甚至击穿的情况的发生。
[0150]
《2.2含有变频调速一体机的电驱压裂设备的结构示例》
[0151]
图20是根据本发明第三实施方案的第一实施例的含有变频调速一体机的电驱压裂设备的集成布局的立体图。如图20所示，电驱压裂设备100a包括：承载架67；安装于承载架67上的变频调速一体机310；以及安装于承载架67上且集成地机械连接至变频调速一体机310的柱塞泵11。柱塞泵11由变频调速一体机310驱动从而将压裂液泵送到地下。
[0152]
变频调速一体机310包括电动机21和集成地安装于电动机21上的变频器40。如前所述，变频调速一体机310可以不需要采用降压变压器。变频调速一体机310的额定频率可以是50hz或者是60hz，该额定频率与诸如供电网等供电设施的供电频率相同，因而可以直接接到诸如供电网等供电设施，这就简化了供电方式，并且适应性更强。藉此，整个电驱压裂设备100a由于采用了变频调速一体机310，就可以在不需要降压变压器的情况下将外部接线直接连接到大功率供电设施上。
[0153]
作为一个示例，电动机21的传动输出轴可以直接地机械连接至柱塞泵11的动力输入轴。它们二者可以通过花键(键槽)连接，例如，电动机21的传动输出轴可以具有内花键或外花键或平键或锥形键，柱塞泵11的动力输入轴可以具有与上述键适配的外花键或内花键或平键或锥形键。在此情况下，电动机21的传动输出轴可以具有用于保护的外壳，柱塞泵11的动力输入轴可以具有用于保护的外壳，它们二者的外壳可以通过螺钉、螺栓、铆接、焊接、或者法兰等方式而被固定连接在一起。取决于它们二者的外壳的形状，该法兰可以是圆形或方形或其他形式。
[0154]
作为另一个示例，例如电动机21的传动输出轴可以通过机械连接结构间接地机械连接至柱塞泵11的动力输入轴。机械连接结构例如是离合器、减速箱、弹性联轴器、传动轴、其他刚性或挠性联轴器中的一种或任意组合。
[0155]
在本发明中，一个电动机21可以驱动1个柱塞泵或同时驱动多个柱塞泵。柱塞泵11可以是多缸(例如三缸、五缸等)柱塞泵。柱塞泵11包括动力端和液力端。该动力端内包含曲轴、轴承、齿轮等，且柱塞泵11的动力输入轴从该动力端向外延伸出去。在液力端的侧壁中设置有液力端供给口(进液口)和液力端排出口(排液口)。
[0156]
在图20的示例中，假设电动机21的传动输出轴水平地向外延伸的方向(从变频调速一体机310朝着柱塞泵11的方向)为x方向，与x方向垂直的向上方向为y方向，与x方向及y方向都正交且垂直于图20的纸面向内的方向为z方向。
[0157]
电驱压裂设备100a还可以包括控制柜66。例如，控制柜66布置于变频调速一体机310的在-x方向上的一个端部处，柱塞泵11布置于变频调速一体机310的在x方向上的另一个端部处。控制柜66、变频调速一体机310和柱塞泵11的相对位置不限于此，只要它们的布局能够使得该电驱压裂设备100a能够高度集成就行了。例如，在控制柜66中可以集成地设置有诸如压裂设备控制系统、变频器控制系统、配电开关柜和辅助变压器等。控制柜66可以
利用压裂设备控制系统和变频器控制系统来控制电驱压裂设备100a的操作，并且可以利用配电开关柜和辅助变压器将供电配送给电驱压裂设备100a中的任何用电装置。一方面，从诸如供电网等供电设施输送过来的供电可以直接提供给变频调速一体机310，也可以经由控制柜66中的配电开关柜(未经控制柜66处理或者由控制柜66进行了处理后)提供给变频调速一体机310。另一方面，从供电设施输送过来的供电可以由上述辅助变压器进行电压调整然后被提供给电驱压裂设备中的除变频调速一体机外的各种辅助用电装置。作为一个示例，该辅助变压器可以输出300v～500v(交流)的低电压，用于给电驱压裂设备100a内的诸如润滑系统、散热系统、控制系统等辅助用电装置供电。
[0158]
上液管汇34可以设置于柱塞泵11的在-z方向上的一侧处，上液管汇34连通至柱塞泵11的进液口且从进液口向外延伸出去。排出管汇33可以设置于柱塞泵11的在x方向和/或-x方向上的一个端部和/或另一个端部处，排出管汇33连通至柱塞泵11的排液口且从排液口向外延伸出去。电驱压裂设备100a的工作液体是压裂液。制备好的压裂液可以经由上液管汇34被提供至柱塞泵11的进液口，在由柱塞泵11运动加压后，经由柱塞泵11的排液口排出到排出管汇33，由排出管汇33送出到地下，以压裂地层。
[0159]
《2.3电驱压裂设备的润滑系统》
[0160]
电驱压裂设备100a还可以包括用于柱塞泵11的润滑系统，该润滑系统例如包括：润滑油箱60；用于泵送润滑油的第一润滑泵及润滑电动机组61；以及用于泵送润滑油的第二润滑泵及润滑电动机组62。各润滑电动机用于驱动相应的润滑泵。
[0161]
该润滑系统可以分为高压润滑系统和低压润滑系统，高压润滑系统利用来自润滑油箱60的润滑油给柱塞泵11的动力端的轴承等提供润滑，低压润滑系统利用来自润滑油箱60的润滑油给柱塞泵11的动力端的齿轮等提供润滑。第一润滑泵及润滑电动机组61和第二润滑泵及润滑电动机组62可以分别用于高压润滑系统和低压润滑系统。
[0162]
润滑油箱60可以安置在承载架67上，且例如可以位于变频调速一体机310的-z方向上的一侧处。在润滑油箱60中储存有用于高压润滑系统和/或低压润滑系统的润滑油。第一润滑泵及润滑电动机组61和第二润滑泵及润滑电动机组62可以设置于润滑油箱60的顶部上。本发明中的润滑系统的各构成要素的布置位置不限于此，而是可以位于有利于设备集成布局的其他位置处。
[0163]
《2.4电驱压裂设备的散热系统》
[0164]
电驱压裂设备100a具有散热系统，其可以包括润滑油散热系统。润滑油散热系统用于给柱塞泵11的动力端处的润滑油降温，以保证柱塞泵11在作业过程中作业温度正常。润滑油散热系统的至少一部分可安置在柱塞泵11的顶部或侧面处，也可安置在变频调速一体机310的顶部或侧面处。
[0165]
润滑油散热系统例如可以包括：润滑油散热器59；散热风扇；以及用于驱动散热风扇的散热电动机。在执行润滑油散热的过程中，在润滑油进入润滑油散热器59的内部后，通过散热风扇的叶片旋转带动空气流动，该空气跟润滑油散热器59内部的润滑油进行热交换进而将润滑油的温度降低，降温后的润滑油进入柱塞泵11内部从而对柱塞泵的动力端进行降温。
[0166]
电驱压裂设备100a的散热系统还可以包括冷却液散热系统，其用于提供对变频调速一体机310和/或柱塞泵11的散热作用。冷却液散热系统的至少一部分可安置在柱塞泵11
的顶部或侧面处，也可安置在变频调速一体机310的顶部或侧面处。例如，变频调速一体机310在运行中会产生热量，为了避免在长期工作期间该热量对压裂设备造成损坏，可以由冷却液散热系统利用冷却液进行冷却。冷却液散热系统例如可以包括：冷却液散热器63；用于泵送冷却液的冷却泵及冷却电动机组64；散热风扇；以及用于驱动散热风扇的散热电动机。冷却电动机用于驱动冷却泵。冷却泵可以是叶片泵，例如离心泵或轴流泵或多级泵等。作为冷却液的冷却介质可以是防冻液或油液或水等。
[0167]
例如，在例如对变频调速一体机310进行散热时，通过冷却泵及冷却电动机组64使冷却介质在变频调速一体机310的内部和冷却液散热器63的内部进行循环。当冷却介质进入冷却液散热器63内部后，通过散热风扇的叶片旋转带动空气流动，该空气跟冷却液散热器63内部的冷却介质进行热交换进而将冷却介质的温度降低，降温后的冷却介质进入变频调速一体机310内部跟变频调速一体机310进行热交换，由此降低变频调速一体机310的温度，保证变频调速一体机310的作业温度正常。
[0168]
冷却液散热系统也可以被替换为空气冷却方式，此时需要使用散热风机和用于驱动散热风机的电动机。
[0169]
虽然在图20中，将润滑油散热器59安置于柱塞泵11的在z方向上的侧面处且将冷却液散热器63安置于变频调速一体机310的在-z方向上的侧面处，但是作为一个可供选择的示例，可以将润滑油散热装置59与冷却液散热器63一起大致并排地安置于变频调速一体机310的在-z方向上的侧面处。本发明中的散热系统的各构成要素的布置位置不限于此，而是可以位于有利于设备集成布局的其他位置处。
[0170]
《2.5通过半挂车进行集成化的电驱压裂设备的结构》
[0171]
图21和图22分别是根据本发明第三实施方案的第二实施例和第三实施例的含有变频调速一体机的电驱压裂设备的集成布局的侧视图。
[0172]
在图21和图22所示的电驱压裂设备200a和300a的示例中，都是通过半挂车68进行集成化的。在半挂车68上集成地安装有高压变频一体机412和机械连接至高压变频一体机412且由高压变频一体机412驱动的柱塞泵11。高压变频一体机412包括集成安装的变频器40及电动机21。图21示出的是一个高压变频一体机412驱动一个柱塞泵11的示例。由于本发明提供的高压变频一体机的结构更紧凑，就允许在一个集成化的电驱压裂设备上可以设置有至少两套的单机单泵结构，或者可以设置有一套单机双泵结构。图22例示了一个高压变频一体机412驱动多个(例如两个)柱塞泵11的情况。机械连接机构36例如是离合器、减速箱、联轴器或传动轴等，用于实现高压变频一体机412与两个柱塞泵11之中的任一者之间的机械连接，且用于在需要的时候方便地将该柱塞泵11断开。
[0173]
作为本发明的一些实施例，电驱压裂设备200a和300a还可以包括下列中的任一者或多者：配电柜69、散热器63、管汇35(例如包括上液管汇和排出管汇)、以及润滑油箱60等。电驱压裂设备200a和300a还可以包括与散热器63及润滑油箱60各者协作的风扇、泵和电动机组等(未图示)。例如，配电柜69可以是如同图20中所示那样的控制柜66。如前所述，变频器40可以仅仅一部分被集成安装在电动机21上，变频器40的未集成安装在电动机21上的其他部分可以设置于例如配电柜69中。
[0174]
除了前述的采用底座(承载架或橇)的方式以及这里的采用半挂车的方式进行集成以外，也可以考虑用车载的方式进行集成。
[0175]
本发明除了可以应用于电驱压裂设备之外，还可以应用于用于泵送或驱动井下工具的电驱泵送设备、以及在固井过程中使用的电驱固井设备。前述的润滑电动机、冷却电动机、散热电动机等都可以称为辅助电动机，用于驱动柱塞泵的电动机可以称为主电动机。柱塞泵可以替换成离心泵、液压泵等。取决于主电动机是直接机械连接还是间接机械连接的，主电动机可以实现对柱塞泵、离心泵、液压泵、离合器、减速箱、联轴器、传动轴等的调速驱动。
[0176]
[3.包括多个电驱压裂设备的井场布局]
[0177]
图23示出了根据本发明第四实施方案的含有多个电驱压裂设备的井场布局的示意性框图。图24示出了根据本发明第四实施方案的含有多个电驱压裂设备的井场布局的示意图。前面参照图20至图22说明了单个电驱压裂设备中的柱塞泵11各自都配备有相应的上液管汇34和排出管汇33的示例，但是在如图23和图24所示的井场布局中，多个电驱压裂设备100a共用一个排出管汇33。低压力压裂液经由各个上液管汇34分别输入到相应一个电驱压裂设备100a的柱塞泵的进液口，由被主电动机驱动的柱塞泵加压后得到高压力压裂液，其经由柱塞泵的排液口输出到共用的排出管汇33，经由该排出管汇33注入到井口18以进入地下，以便对油井或者气井的地层进行压裂。所有的上液管汇34和排出管汇33可以集成于一个或一组管汇设施(例如管汇橇或管汇半挂车等，未图示)上，以便于集中地观察和管理。
[0178]
在一些示例中，如图23所示，井场布局中还包括配液区域99。配液区域99可以包括混砂设备76、供砂设备(又称支撑剂供给设备)72和混配设备74。视需要，配液区域99还可以进一步包括供液设备73和/或化添设备75。在一些情况下，注入到井下的压裂液为携砂液体，所以需要通过将水、砂、化学添加剂等混合以使砂粒悬浮在压裂液中。例如，供液设备73可以直接提取由运输车运输过来的液体，或者可以包含多个用于储存液体的液罐。例如，来自供液设备73的诸如清水等液体和来自化添设备75的诸如化学添加剂等试剂可以在混配设备74中混合以形成混配液(压裂基液)，该混配液和来自供砂设备72的砂可以(一般是不同时地，且经由不同的进口)进入混砂设备76中进行混合，形成作业需要的携砂压裂液。由混砂设备76形成的低压力压裂液被输送到各个上液管汇34。
[0179]
可供替代地，供液设备73和/或化添设备75可以将液体和/或试剂直接供给到混砂设备76，在这种情况下，可以省去混配设备74。可供替代地，供液设备73和/或化添设备75可以视需要向混配设备74和混砂设备76二者都供给液体和/或试剂。即，混砂设备76可以视需要连通至供砂设备72、供液设备73、混配设备74及化添设备75中的任意组合，并且能够接收来自这些任意组合的供给。在本发明中，上述供砂设备72、供液设备73、混配设备74、化添设备75及混砂设备76并非都是必需的，它们的功能、数量、组合使用方式及其布局可以根据工作液体的具体需要来选择和设计。例如，混配设备74的至少一部分功能可以集成到混砂设备76上。又例如，可以将单独配制好的水泥浆从水泥罐车输送到上液管汇34。
[0180]
该井场布局还包括供电区域98。供电区域98可以设置有电网、发电机、太阳能板、储能装置或它们的组合。例如，在供电区域98含有使用燃料的发电机30的情况下，燃料可以是固体燃料、液体燃料、气体燃料或者它们的组合。在此情况下，该井场布局还可以包括用于运输燃料的运输装置57和用于处理燃料的处理装置。取决于所用燃料的来源或种类，用于处理燃料的处理装置可以包括气体燃料(例如压缩天然气)压力调节设备53、液体燃料(例如液态天然气)气化设备55、燃料(例如井口气或管道气)净化设备54中的至少一种。气
体燃料压力调节设备53、燃料净化设备54、液体燃料气化设备55各者可以设置于供电区域98之内或之外。
[0181]
在有些情况下，发电机30可以包括主发电机3a和辅助发电机3b。主发电机3a向井场中的主用电装置供电，例如主要向电驱压裂设备100a中的用于驱动柱塞泵11的主电动机21供电。辅助发电机3b向井场中的辅助用电装置供电，例如主要向电驱压裂设备100a中的散热电动机、润滑电动机、控制系统等辅助用电装置供电。主发电机3a和辅助发电机3b的数量可以不止一个。
[0182]
此外，该井场布局可以设置有仪表设备71，在仪表设备71中设置有远程控制系统，其可以远程控制电驱压裂设备100a、配液区域99、供电区域98等。供电区域98还可以包括配电设备41。配电设备41用于把来自发电机30的电力分配给各个电驱压裂设备100a、配液区域99、以及仪表设备71。例如，仪表设备71、配液区域99等可以使用由主发电机3a提供的电力。例如，照明系统、传感系统等(未图示)可以使用由辅助发电机3b提供的电力。
[0183]
在图24所示的井场布局中，每个电驱压裂设备是通过使用半挂车进行集成的，但是也可以使用橇或承载架来进行集成。这也适用于其他的诸如仪表设备71、供砂设备72、供液设备73、混配设备74、化添设备75、混砂设备76、运输装置57、主发电机3a、辅助发电机3b、配电设备41等。
[0184]
本领域技术人员应当理解，可以根据设计要求和其他因素进行各种变形、组合、子组合和变更，只要它们落入所附权利要求或其等同物的保护范围内即可。