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摘要：石油鉆機在鉆探領域發揮著舉足輕重的作用，鉆機設備需要克服復雜且惡劣的外部工作環境，對環境適應性、可靠性、技術先進性有著極高的要求，尤其對電控系統的冗余及穩定性更為苛刻。隨著國產變頻器技術的不斷發展和進步，在石油鉆機行業越來越多的主要負載設備開始逐漸由進口品牌轉向國產化。本文著重介紹英威騰Goodrive3000三電平產品在俄石油低溫鉆機項目上的成功應用。

關鍵詞：Goodrive3000；三電平；石油鉆機；國產化

1　石油鉆機應用現狀

1.1　石油鉆機系統簡介

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

1.2　鉆機電氣傳動應用狀況

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

2　三電平鉆機傳動系統特點

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

為了實現三電平，每一相的四組開關（IGBT或二極管）只能有相鄰的兩組開關同時導通，即V1-V2，V2-V3，V3-V4。用字母P、O和N表示三組開關的狀態。開關狀態如表1所示。為了盡可能地減小開關損耗，一次開關狀態的改變只允許一個開關進行動作，即P?O和O?N。開關V1和開關V3狀態為互補關系，開關V2和開關V4狀態為互補關系，要避免出現多個開關同時導通現象，否則會發生短路，燒毀元器件。

三電平NPC逆變器的工作狀態是指開關狀態 和負載電流，由于拓撲結構的對稱性，本文只分析P→O開關狀態。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且開關狀態改變時，電流i_O方向不改變：

當i_O>0時，狀態P→O的換流示意圖如圖2所示。

圖2 當i_O＞0時，狀態P→O的換流示意圖

P狀態時，開關V1和V2導通，V3和V4關斷。電流i_O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狀態時，開關V2和V3導通，V1和V4關斷。由于開關V1突然關斷，電流i_O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i_O<0時，狀態P→O的換流示意圖如圖3所示。

圖3 當i_O＜0時，狀態P→O的換流示意圖

P狀態時，開關V1和V2導通，V3和V4關斷。電流i_O流過和的兩個二極管。輸出端相對于中點Vao的電壓為Vdc/2。

O狀態時，開關V2和V3導通，V1和V4關斷。由于開關V1突然關斷，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。

2.2　三電平優勢

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，可避免器件串聯引起的動態均壓問題，同時降低輸出諧波和dv/dt；可用來控制交流異步感應電機和永磁同步電機，可以滿足不同電機的工作模式。產品采用優異的矢量控制技術，功能更優化，應用更靈活，性能更穩定。

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

（2）可產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、諧波含量很小；

（3）電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因為開關元件一次動作的dv/dt通常只有傳統兩電平的一半；

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

（5）主要高次諧波遠高于開關頻率。

2.3　三電平鉆機傳動方案

本次提供的是絞車A/B，轉盤、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，滿足電網要求。

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。

轉盤電機為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：

（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，延長電機壽命；

（2）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；

（3）優異的驅動性能，多機功率平衡同步運行；

（4）超強電網適應能力，應對網電及發電機供電模式；

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

（6）柔性扭矩控制，從驅動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　現場情況 

現場應用中對變頻器要求較高且比較頻繁的就是絞車應用，現場情況以絞車為主進行說明：

（1）懸停：通過電氣控制，實現絞車任意點停車，短時無需機械抱閘輔助，提高生產效率。懸停時波形如圖5所示。

圖5 懸停時波形

（2）主從驅動：絞車雙機運行模式，在任何負載狀態、速度狀態下均保持主從扭矩平衡，功率一致，運行平穩無振動噪聲。主從控制波形如圖6所示。

圖6 主從控制波形

4　結束語

英威騰Goodrive3000三電平變頻器采用公共直流母線模塊化結構、高性能矢量控制等技術，不僅滿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，遠優于傳統兩電平驅動方式。經過在現場的10余套鉆機近三年的穩定運行，證明了英威騰Goodrive3000三電平變頻器產品在性能、穩定性、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，國產傳動變頻器正式進入國際石油鉆機領域，在世界舞臺上走出一條特色之路。

作者簡介：

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

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技術工程師，長期從事變頻器在石油行業現場應用及研究工作。

參考文獻：

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[2] 周京華, 賈斌, 章小衛, 等. 混合式三電平中點電位平衡控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2013, 000 (024) : 82 - 89. 

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

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

摘自《自動化博覽》2021年3月刊