Uvod
Električni pogoni velike snage klasificiraju se kao oni čija je nazivna snaga u rasponu od približno 1 MW do 10 MW i više (Kouro, Rodriguez i drugi, 2012). U primjenama koje zahtijevaju takve elektromotorne pogone, odluka o djelomičnoj ili potpunoj modernizaciji pogona umjesto kupnje potpuno novih rješenja po principu „ključ u ruke“ može rezultirati značajnim uštedama. Ovo je posebno važno ako se uzme u obzir da električni strojevi velike snage lako mogu imati životni ciklus od preko 30 godina, koji se može dodatno produljiti kroz modernizacijske programe (Verma, Dick i drugi, 2013). Pritom je jedan od glavnih problema u upravljanim elektromotornim pogonima da je tipični životni vijek pretvarača snage električnog pogona oko 10 godina kontinuiranog rada (Rodriguez i Amaratunga, 2008), dok je zajamčeni period opskrbe rezervnim dijelovima od strane proizvođača opreme nakon prestanka proizvodnje dane linije uređaja također ograničen (tipično oko 10 godina nakon „gašenja“ dane linije proizvoda) kako sugeriraju Verma, Dick i drugi (2013). Nadalje, troškovi održavanja mogu igrati ključnu ulogu u izboru između modernizacije i kompletne zamjene, kao što je slučaj s istosmjernim (DC) električnim pogonima (Silvestre, Nicoletti i drugi, 2014). U svim tim slučajevima na operateru je da procijeni koja je vrsta nadogradnje najpovoljnija u smislu cijene, usluge, pouzdanosti elektromotornog pogona i dostupnosti odgovarajućih rješenja (Verma, Dick i drugi, 2013). Istosmjerni elektromotorni pogoni ranijih generacija, koji se još uvijek koriste na kopnenim garniturama za duboko bušenje predstavljaju značajne izazove koji utječu i na radnu učinkovitost i na ekonomsku održivost. Konkretno, istosmjerni motori tipično imaju veće gabarite, manju učinkovitost i veće zahtjeve na održavanje u usporedbi s modernim izmjeničnim motorima (Deur and Pavković, 2011), što posljedično rezultira povećanom potrošnjom energije i operativnim troškovima uz češće remonte, te većim ugljičnim otiskom bušaćih garnitura opremljenim istosmjernim pogonima ranijih generacija. Modernizacija u sektoru proizvodnje nafte i plina je neminovan proces kako bi sektor mogao i dalje biti konkurentan usprkos novim izazovima (Longwell 2002). U području pogonske tehnike ovo uključuje sve veći naglasak na suvremenim izmjeničnim pogonima opremljenim frekvencijskim pretvaračima koji nude značajne ekonomske i tehničke prednosti (Bertoldi i Kuehneund, 2000). Navedene prednosti primjene izmjeničnih elektromotornih pogona uključuju poboljšanu energetsku učinkovitost, smanjeno održavanje, znatno bolje upravljanje brzinom vrtnje i okretnim momentom pogonskih motora te manjim ugljičnim otiskom (Saidur, Mekhilef i drugi, 2012), što u konačnici dovodi do nižih troškova životnog ciklusa i veće produktivnosti takvih moderniziranih bušaćih garnitura. Konkretno, u takvim reguliranim elektromotornim pogonima potrošnja električne energije motora se može smanjiti za 30–60% u usporedbi sa neupravljivim elektromotornim pogonima, što rezultira ogromnim potencijalom za uštedu energije budući da se u industrijskim elektromotornim pogonima troši više od 60% trenutnih potreba za električnom energijom (Saidur, Mekhilef i drugi, 2012). Najjednostavnije i najfleksibilnije nadogradnje u sustavima elektromotornih pogona su one koje se odnose na servisni i upravljački softver te njegove specijalizirane funkcije (Verma, Dick i drugi, 2013). Ovo je posebno važno za pogone koji trebaju zadovoljiti preciznu regulaciju brzine vrtnje u prisutnosti naglašene elastičnosti i trenja u prijenosnom mehanizmu (Pavković, Šprljan i drugi, 2021), ali i za bilo koju drugu vrstu nelinearnosti unutar elektromotornog pogona koja degradira njegove upravljačke performanse. Jedan od najzahtjevnijih problema u sustavima dubokog bušenja je koordinirano upravljanje pumpama za cirkulaciju bušaće isplake (isplačne pumpe). U takvim primjenama elektromotorni pogoni trebaju biti regulirani po brzini vrtnje kako bi se održala potrebna brzina strujanja (volumni protok) isplake u prisustvu značajnih pulzacija tlaka zbog primjene klipnih pumpi koje se koriste u takvim teškim uvjetima rada. Ublažavanje navedenih pulzacija tlaka može se postići sinkronizacijom kuta zakreta vratila motora pojedinih pumpi (Cipek, Pavković i drugi, 2023) pa su takva komercijalna rješenja već dostupna za suvremene upravljane elektromotorne pogone klipnih pumpi (Bentec GmbH, 2016). Međutim, neki elektromotorni pogoni sustava pumpi ranije generacije nisu opremljeni sustavima upravljanja koji se temelje na mjerenju brzine i položaja vratila motora, već se umjesto toga oslanjaju na tzv. upravljanje brzinom vrtnje motora pumpi u otvorenom krugu kroz upravljanje naponom armature pogonskih istosmjernih elektromotora. Takvi elektromotorni pogoni zasnovani na istosmjernim elektromotorima velike snage, mogu se još uvijek naći u primjeni upravo u pogonima pumpi, kao na primjer na kopnenim garniturama za duboko bušenje (CROSCO 2023). Konkretna bušaća garnitura EMSCO-605 koja se razmatra u ovom radu nedavno je prošla ciklus modernizacije sustava isplačnih pumpi. Pritom je provedena zamjena dotrajalih energetskih pretvarača istosmjernih elektromotornih pogona suvremenijim kompatibilnih rješenjem (Siemens AG, 2023). U danom rješenju, energetski pretvarač je konfiguriran za upravljanje brzinom vrtnje pogona pumpe u otvorenom krugu kroz upravljanje naponom armature uz istodobnu fiksnu regulaciju struja uzbuda obaju motora. U navedenoj primjeni koja je topološki identična izvornom rješenju, armature dvaju nezavisno uzbuđenih istosmjernih strojeva spojene su paralelno i napajaju se iz jednog tiristorskog energetskog pretvarača velike snage. To čini uravnoteženje opterećenja između pojedinačnih istosmjernih motora vrlo zahtjevnim zadatkom, osobito ako takvo rješenje ne nudi proizvođač energetskog pretvarača unutar svog dijapazona softverskih nadogradnji. Potonji slučaj je predmet ovog rada. Konkretno, u radu se prikazuje razvoj i implementacija rješenja za balansiranje struja armatura u dvomotornom pogonu s istosmjernim električnim strojevima za pogon isplačne pumpe primjenom dodatne regulacijske petlje s proporcionalno-integralnim (PI) regulatorom. Regulator prilagođava struju uzbude jednog istosmjernog stroja, čime se modificira njegova statička karakteristika (ovisnost brzine vrtnje o struji armature) te se posljedično prilagođava struja armature danog motora kako bi se postigla jednaka raspodjela strujnog opterećenja između dvaju istosmjernih električnih strojeva koji se simultano koriste za pogon pumpe.