淺談英威騰三電平技術(shù)在石油鉆機上的應(yīng)用

石油鉆機應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1石油鉆機系統(tǒng)簡介

石油鉆機大體可劃分為起升系統(tǒng)、旋進系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、底座系統(tǒng)、鉆機輔助設(shè)備系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)相互協(xié)作完成石油鉆機的正常鉆井作業(yè)。

石油鉆機按驅(qū)動方式可分為機械鉆機和電驅(qū)鉆機。與機械鉆機相比，電驅(qū)動鉆機具有傳動特性柔和、調(diào)速性能好、操作簡單安全、傳動結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噪聲低、排放低、維護保養(yǎng)方便等特點，智能鉆井系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得控制功能更完善、更高效、運營成本更低。全電驅(qū)動鉆機又可以分為交流電機驅(qū)動和直流電機驅(qū)動：與直流電驅(qū)動鉆機相比，交流電機驅(qū)動具有調(diào)速范圍寬、高功率因數(shù)、高防爆性能、低維護成本、智能化操作等特點。因此，交流電機驅(qū)動鉆機為石油鉆機主流發(fā)展趨勢。

三電平鉆機傳動系統(tǒng)特點

2.1三電平原理介紹

圖1三電平拓撲圖

為了實現(xiàn)三電平，每一相的四組開關(guān)（IGBT或二極管）只能有相鄰的兩組開關(guān)同時導(dǎo)通，即V1-V2，V2-V3，或者V3-V4。用字母P，O和N表示三組開關(guān)的狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)如表1所示。為了盡可能地減小開關(guān)損耗，一次開關(guān)狀態(tài)的改變只允許一個開關(guān)進行動作，即P?O和O?N。開關(guān)V1和開關(guān)V3狀態(tài)為互補關(guān)系，開關(guān)V2和開關(guān)V4狀態(tài)為互補關(guān)系，要避免出現(xiàn)多個開關(guān)同時導(dǎo)通現(xiàn)象，否則會發(fā)生短路，燒毀元器件。

表1開關(guān)狀態(tài)表

三電平NPC逆變器的工作狀態(tài)是指開關(guān)狀態(tài)和負載電流，由于拓撲結(jié)構(gòu)的對稱性，本文只分析P→O開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)負載電流的方向不同，又可以分為iO>0和iO<0兩種情況。

圖2當(dāng)iO大于0時，狀態(tài)P→O的換流示意圖

為了便于分析，我們假設(shè)器件為理想狀態(tài)且開關(guān)狀態(tài)改變時，電流iO方向不改變：

當(dāng)iO>0時，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2所示。

P狀態(tài)時，開關(guān)V1和V2導(dǎo)通，V3和V4關(guān)斷。電流iO流過V1和V2的兩個IGBT。輸出端相對于中點Vao的電壓為vdc/2。

O狀態(tài)時，開關(guān)V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷。由于開關(guān)V1突然關(guān)斷，電流iO從V1的IGBT強制換流到鉗位二極管D1，仍然通過V2的IGBT流到輸出端。此時Vao電壓為0。

當(dāng)iO<0時，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖3所示。

圖3當(dāng)iO小于0時，狀態(tài)P→O的換流示意圖

P狀態(tài)時，開關(guān)V1和V2導(dǎo)通，V3和V4關(guān)斷。電流iO流過和的兩個二極管。輸出端相對于中點Vao的電壓為vdc/2。

此時電壓Vaz為0。

三電平NPC 逆變器其他狀況下的工作原理，都可用上述方法進行分析，不再一一贅述。

逆變器采用主流的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，使用較低耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于更高電壓等級的主回路拓撲技術(shù)，可避免器件串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題，同時降低輸出諧波和dv/dt；可用來控制交流異步感應(yīng)電機和永磁同步電機，可以滿足不同電機的工作模式。產(chǎn)品采用優(yōu)異的矢量控制技術(shù)，功能更優(yōu)化，應(yīng)用更靈活，性能更穩(wěn)定。

任何時刻處于關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)器件承受的壓降減小，更適合大容量高電壓的場合。

可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波形、諧波含量很小。

電磁干擾(EMI)問題大大減輕，因為開關(guān)元件一次動作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)兩電平的一半。

相對兩電平PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大，而三電平逆變器可用較低頻率進行開關(guān)動作，損耗小、效率提高。

主要高次諧波遠高于開關(guān)頻率。

2.3英威騰三電平鉆機傳動方案

本次英威騰提供的是絞車A/B，轉(zhuǎn)盤、泥漿泵1/2設(shè)備變頻器，其系統(tǒng)主回路圖如下：

圖4 主電氣系統(tǒng)回路

由于英威騰本系統(tǒng)設(shè)計為網(wǎng)電鉆機，因此主回路整流部分采用12脈沖整流方案，并配置有源濾波裝置，以低輸入側(cè)諧波，滿足電網(wǎng)要求。

絞車 A/B,電機為600KW,選用英威騰Goodrive3000系列變頻器，配置PG卡，采用帶PG矢量控制方式，絞車 A/B兩套變頻裝置采用主從通訊控制，可以單機運行，也可以兩臺主從驅(qū)動，兩套裝置配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。

泥漿泵1#，2#電機為1200KW，選用兩套英威騰Goodrive3000系列變頻器，采用無PG矢量控制方式配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。

轉(zhuǎn)盤電機為600KW，Goodrive3000系列變頻器，配置PG卡，采用帶PG矢量控制方式，配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。

英威騰方案特點：

三電平拓撲結(jié)構(gòu)，有效減低輸出諧波，從而降低電機噪聲、溫升，延長電機壽命；

輸出dv/dt值大幅降低，有效延長輸出距離，降低電纜及電機損耗和絕緣損壞；

優(yōu)異的驅(qū)動性能，多機功率平衡同步運行；

超強電網(wǎng)適應(yīng)能力，應(yīng)對網(wǎng)電及發(fā)電機供電模式；

優(yōu)異零速懸停功能，提升設(shè)備可靠性，避免設(shè)備有驅(qū)動器之間邏輯問題造成“溜鉤”；

柔性扭矩控制，從驅(qū)動器端解決鉆桿扭矩限幅釋放，響應(yīng)更快，安全等級更高；

模塊化設(shè)計，緊湊化設(shè)計，有效減小空間體積；

相單元化設(shè)計，提高單元間互換能力，減少備件庫存。

現(xiàn)場情況

現(xiàn)場應(yīng)用中對變頻器要求較高且比較頻繁的就是絞車應(yīng)用，現(xiàn)場情況說明以絞車為主進行說明：

（1）懸停：通過電氣控制，實現(xiàn)絞車任意點停車，短時無需機械抱閘輔助，提高生產(chǎn)效率。

圖5 起井架示意圖

圖6 153噸及懸停時波形

圖7 懸停時波形

（2）主從驅(qū)動：絞車雙機運行模式，在任何負載狀態(tài)、速度狀態(tài)下均保持主從扭矩平衡，功率一致，運行平穩(wěn)無振動噪聲。

圖7 主從控制波形

結(jié)束語

英威騰Goodrive3000三電平變頻器采用公共直流母線模塊化結(jié)構(gòu)、高性能矢量控制等技術(shù)，不僅滿足了鉆機系統(tǒng)的各項高性能參數(shù)指標(biāo)，也達到了鉆機的安全可靠及冗余穩(wěn)定的要求，電機溫升、輸出諧波、共模電壓層面，遠優(yōu)于傳統(tǒng)兩電平驅(qū)動方式。

經(jīng)過在現(xiàn)場的10余套鉆機近三年的穩(wěn)定運行，證明了英威騰Goodrive3000三電平變頻器產(chǎn)品在性能、穩(wěn)定行、可靠性方面能夠滿足大型鉆機的要求，并獲取俄石油終端用戶的認可，伴隨二期項目的開展，國產(chǎn)傳動變頻器正式進入國際石油鉆機領(lǐng)域，在世界舞臺上走出一條特色之路。

參考文獻：

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3.胡銜宇. 石油鉆機電氣傳動控制系統(tǒng)分析[J]. 中國科技博覽, 2013.

4. 《 Goodrive800系列中壓變頻器說明書》 深圳市英威騰電氣股份有限公司