摘要：石油鉆機在鉆探領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用，鉆機設備需要克服復雜且惡劣的外部工作環(huán)境，對環(huán)境適應性、可靠性、技術(shù)先進(jìn)性有著(zhù)極高的要求，尤其對電控系統的冗余及穩定性更為苛刻。隨著(zhù)國產(chǎn)變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在石油鉆機行業(yè)越來(lái)越多的主要負載設備開(kāi)始逐漸由進(jìn)口品牌轉向國產(chǎn)化。本文著(zhù)重介紹英威騰Goodrive3000三電平產(chǎn)品在俄石油低溫鉆機項目上的成功應用。

關(guān)鍵詞：Goodrive3000；三電平；石油鉆機；國產(chǎn)化

1　石油鉆機應用現狀

1.1　石油鉆機系統簡(jiǎn)介

石油鉆機大體可劃分為起升系統、旋進(jìn)系統、循環(huán)系統、傳動(dòng)系統、監控系統、驅動(dòng)系統、底座系統、鉆機輔助設備系統等，這些系統相互協(xié)作完成石油鉆機的正常鉆井作業(yè)。

1.2　鉆機電氣傳動(dòng)應用狀況

石油鉆機按驅動(dòng)方式可分為機械鉆機和電驅鉆機。與機械鉆機相比，電驅動(dòng)鉆機具有傳動(dòng)特性柔和、調速性能好、操作簡(jiǎn)單安全、傳動(dòng)結構優(yōu)化、噪聲低、排放低、維護保養方便等特點(diǎn)，智能鉆井系統的出現，使控制功能更完善、更高效、運營(yíng)成本更低。全電驅動(dòng)鉆機又可以分為交流電機驅動(dòng)和直流電機驅動(dòng)，與直流電驅動(dòng)鉆機相比，交流電機驅動(dòng)具有調速范圍寬、高功率因數、高防爆性能、 低維護成本、智能化操作等特點(diǎn)。因此，交流電機驅動(dòng)鉆機為石油鉆機主流發(fā)展趨勢。

2　三電平鉆機傳動(dòng)系統特點(diǎn)

2.1　三電平原理介紹（拓撲圖如圖1所示）

  圖1 三電平拓撲圖

為了實(shí)現三電平，每一相的四組開(kāi)關(guān)（IGBT或二極管）只能有相鄰的兩組開(kāi)關(guān)同時(shí)導通，即V1-V2，V2-V3，V3-V4。用字母P、O和N表示三組開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示。為了盡可能地減小開(kāi)關(guān)損耗，一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變只允許一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，即P?O和O?N。開(kāi)關(guān)V1和開(kāi)關(guān)V3狀態(tài)為互補關(guān)系，開(kāi)關(guān)V2和開(kāi)關(guān)V4狀態(tài)為互補關(guān)系，要避免出現多個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通現象，否則會(huì )發(fā)生短路，燒毀元器件。

三電平NPC逆變器的工作狀態(tài)是指開(kāi)關(guān)狀態(tài) 和負載電流，由于拓撲結構的對稱(chēng)性，本文只分析P→O開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據負載電流的方向不同，又可以分為i_O>0和i_O<0兩種情況。

為了便于分析，假設器件為理想狀態(tài)且開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變時(shí)，電流i_O方向不改變：

當i_O>0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2所示。

圖2 當i_O＞0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖

P狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)V1和V2導通，V3和V4關(guān)斷。電流i_O流過(guò)V1和V2的兩個(gè)IGBT。輸出端相對于中點(diǎn)Vao的電壓為Vdc/2。

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

當i_O<0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖3所示。

圖3 當i_O＜0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖

P狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)V1和V2導通，V3和V4關(guān)斷。電流i_O流過(guò)和的兩個(gè)二極管。輸出端相對于中點(diǎn)Vao的電壓為Vdc/2。

O狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)V2和V3導通，V1和V4關(guān)斷。由于開(kāi)關(guān)V1突然關(guān)斷，V1的二極管承受反向壓降不能導通，電流i_O從V1的二極管強制換流到鉗位二極管D2。此時(shí)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(jìn)行分析，不再一一贅述。

2.2　三電平優(yōu)勢

逆變器采用主流的三電平拓撲結構，使用較低耐壓的功率器件，直接應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(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)?wèn)題，同時(shí)降低輸出諧波和dv/dt；可用來(lái)控制交流異步感應電機和永磁同步電機，可以滿(mǎn)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，應用更靈活，性能更穩定。

（1）任何時(shí)刻處于關(guān)斷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)器件承受的壓降減小，更適合大容量高電壓的場(chǎng)合；

（2）可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調制可以得到近似的正弦波，理論上提高電平數可接近標準正弦波形、諧波含量很??；

（3）電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕，因為開(kāi)關(guān)元件一次動(dòng)作的dv/dt通常只有傳統兩電平的一半；

（4）相對兩電平PWM控制法開(kāi)關(guān)頻率高、損耗大，而三電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，損耗小、效率提高；

（5）主要高次諧波遠高于開(kāi)關(guān)頻率。

2.3　三電平鉆機傳動(dòng)方案

本次提供的是絞車(chē)A/B，轉盤(pán)、泥漿泵1/2設備變頻器，其系統主回路圖如圖4所示：

圖4 主電氣系統回路

由于本系統設計為網(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，以低輸入側諧波，滿(mǎn)足電網(wǎng)要求。

絞車(chē)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(chē)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?xún)膳_主從驅動(dòng)，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(wú)PG矢量控制方式配置PROFIBUS-DP通訊卡，與PLC通訊。

轉盤(pán)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，配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。

方案特點(diǎn)：

（1）三電平拓撲結構，有效減小輸出諧波，從而降低電機噪聲、溫升，延長(cháng)電機壽命；

（2）輸出dv/dt值大幅降低，有效延長(cháng)輸出距離，降低電纜及電機損耗和絕緣損壞；

（3）優(yōu)異的驅動(dòng)性能，多機功率平衡同步運行；

（4）超強電網(wǎng)適應能力，應對網(wǎng)電及發(fā)電機供電模式；

（5）優(yōu)異零速懸停功能，提升設備可靠性，避免設備由于驅動(dòng)器之間邏輯問(wèn)題造成“溜鉤”；

（6）柔性扭矩控制，從驅動(dòng)器端解決鉆桿扭矩限幅釋放，響應更快，安全等級更高；

（7）模塊化設計，緊湊化設計，有效減小空間體積；

（8）相單元化設計，提高單元間互換能力，減少備件庫存。

3　現場(chǎng)情況 

現場(chǎng)應用中對變頻器要求較高且比較頻繁的就是絞車(chē)應用，現場(chǎng)情況以絞車(chē)為主進(jìn)行說(shuō)明：

（1）懸停：通過(guò)電氣控制，實(shí)現絞車(chē)任意點(diǎn)停車(chē)，短時(shí)無(wú)需機械抱閘輔助，提高生產(chǎn)效率。懸停時(shí)波形如圖5所示。

圖5 懸停時(shí)波形

（2）主從驅動(dòng)：絞車(chē)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，運行平穩無(wú)振動(dòng)噪聲。主從控制波形如圖6所示。

圖6 主從控制波形

4　結束語(yǔ)

英威騰Goodrive3000三電平變頻器采用公共直流母線(xiàn)模塊化結構、高性能矢量控制等技術(shù)，不僅滿(mǎn)足了鉆機系統的各項高性能參數指標，也達到了鉆機的安全可靠及冗余穩定的要求，電機溫升、輸出諧波、共模電壓層面，遠優(yōu)于傳統兩電平驅動(dòng)方式。經(jīng)過(guò)在現場(chǎng)的10余套鉆機近三年的穩定運行，證明了英威騰Goodrive3000三電平變頻器產(chǎn)品在性能、穩定性、可靠性方面能夠滿(mǎn)足大型鉆機的要求，并獲取俄石油終端用戶(hù)的認可，伴隨二期項目的開(kāi)展，國產(chǎn)傳動(dòng)變頻器正式進(jìn)入國際石油鉆機領(lǐng)域，在世界舞臺上走出一條特色之路。

作者簡(jiǎn)介：

馬春熹（1978-），男，河南南陽(yáng)人，工程師，本科，現任深圳市英威騰電氣股份有限公司技術(shù)工程師，長(cháng)期從事變頻器現場(chǎng)應用及研究工作。

侯瑞星（1984-），男，河北邢臺人，工程師，本科，現任深圳市英威騰電氣股份有限公司行業(yè)技術(shù)工程師，長(cháng)期從事變頻器在石油行業(yè)現場(chǎng)應用及研究工作。

參考文獻：

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[4] 深圳市英威騰電氣股份有限公司. Goodrive800系列中壓變頻器說(shuō)明書(shū)[Z].

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年3月刊