浅谈英威腾三电平技术在石油钻机上的应用

摘要：石油钻机在尤其钻探领域发挥着举足轻重的作用，钻机设备需要克服复杂且恶劣的外部工作环境，对环境适应性、可靠性、技术先进性有着极高的要求，尤其对电控系统的冗余及稳定性更为苛刻。随着国产变频器技术的不断发展和进步，在石油钻机行业越来越多的主要负载设备开始逐渐由进口品牌转向国产化。本文着重介绍英威腾GD3000三电平产品在俄石油低温钻机项目上的成功应用。

 

关键词：Goodrive3000   三电平  石油钻机  国产化

 

 

 

石油钻机大体可划分为起升系统、旋进系统、循环系统、传动系统、监控系统、驱动系统、底座系统、钻机辅助设备系统等，这些系统相互协作完成石油钻机的正常钻井作业。

 

 

石油钻机按驱动方式可分为机械钻机和电驱钻机。与机械钻机相比，电驱动钻机具有传动特性柔和、调速性能好、操作简单安全、传动结构优化、噪声低、排放低、维护保养方便等特点，智能钻井系统的出现，使得控制功能更完善、更高效、运营成本更低。全电驱动钻机又可以分为交流电机驱动和直流电机驱动：与直流电驱动钻机相比，交流电机驱动具有调速范围宽、高功率因数、高防爆性能、低维护成本、智能化操作等特点。因此，交流电机驱动钻机为石油钻机主流发展趋势。

 

二、三电平钻机传动系统特点

2.1三电平原理介绍

 

图1三电平拓扑图

 

为了实现三电平，每一相的四组开关（IGBT或二极管）只能有相邻的两组开关同时导通，即V1-V2，V2-V3，或者V3-V4。用字母P，O和N表示三组开关的状态。开关状态如表1所示。为了尽可能地减小开关损耗，一次开关状态的改变只允许一个开关进行动作，即P↔O和O↔N。开关V1和开关V3状态为互补关系，开关V2和开关V4状态为互补关系，要避免出现多个开关同时导通现象，否则会发生短路，烧毁元器件。

表1开关状态表

 

三电平NPC逆变器的工作状态是指开关状态和负载电流，由于拓扑结构的对称性，本文只分析P→O开关状态。根据负载电流的方向不同，又可以分为iO>0和iO<0两种情况。

图2当iO大于0时，状态P→O的换流示意图

 

为了便于分析，我们假设器件为理想状态且开关状态改变时，电流iO方向不改变：

 

当iO>0时，状态P→O的换流示意图如图2所示。

 

P状态时，开关V1和V2导通，V3和V4关断。电流iO流过V1和V2的两个IGBT。输出端相对于中点Vao的电压为vdc/2。

 

O状态时，开关V2和V3导通，V1和V4关断。由于开关V1突然关断，电流iO从V1的IGBT强制换流到钳位二极管D1，仍然通过V2的IGBT流到输出端。此时Vao电压为0。

 

当iO<0时，状态P→O的换流示意图如图3所示。

图3当iO小于0时，状态P→O的换流示意图

 

P状态时，开关V1和V2导通，V3和V4关断。电流iO流过和的两个二极管。输出端相对于中点Vao的电压为vdc/2。

 

O状态时，开关V2和V3导通，V1和V4关断。由于开关V1突然关断，V1的二极管承受反向压降不能导通，电流iO从V1的二极管强制换流到钳位二极管D2。

 

此时电压Vaz为0。

 

三电平NPC 逆变器其他状况下的工作原理，都可用上述方法进行分析，不再一一赘述。

 

 

逆变器采用主流的三电平拓扑结构，使用较低耐压的功率器件，直接应用于更高电压等级的主回路拓扑技术，可避免器件串联引起的动态均压问题，同时降低输出谐波和dv/dt；可用来控制交流异步感应电机和永磁同步电机，可以满足不同电机的工作模式。产品采用优异的矢量控制技术，功能更优化，应用更灵活，性能更稳定。

▪任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降减小，更适合大容量高电压的场合。

▪可产生多层阶梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近标准正弦波形、谐波含量很小。

▪电磁干扰(EMI)问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统两电平的一半。

▪相对两电平PWM控制法开关频率高、损耗大，而三电平逆变器可用较低频率进行开关动作，损耗小、效率提高。

▪主要高次谐波远高于开关频率。

 

 

本次英威腾提供的是绞车A/B，转盘、泥浆泵1/2设备变频器，其系统主回路图如下：

图4 主电气系统回路

 

由于英威腾本系统设计为网电钻机，因此主回路整流部分采用12脉冲整流方案，并配置有源滤波装置，以低输入侧谐波，满足电网要求。

 

绞车 A/B,电机为600KW,选用英威腾Goodrive3000系列变频器，配置PG卡，采用带PG矢量控制方式，绞车 A/B两套变频装置采用主从通讯控制，可以单机运行，也可以两台主从驱动，两套装置配置Profibus-DP通讯卡，与PLC通讯。

 

泥浆泵1#，2#电机为1200KW，选用两套英威腾Goodrive3000系列变频器，采用无PG矢量控制方式配置Profibus-DP通讯卡，与PLC通讯。

 

转盘电机为600KW，Goodrive3000系列变频器，配置PG卡，采用带PG矢量控制方式，配置Profibus-DP通讯卡，与PLC通讯。

 

▪三电平拓扑结构，有效减低输出谐波，从而降低电机噪声、温升，延长电机寿命；

▪输出dv/dt值大幅降低，有效延长输出距离，降低电缆及电机损耗和绝缘损坏；

▪优异的驱动性能，多机功率平衡同步运行；

▪超强电网适应能力，应对网电及发电机供电模式；

▪优异零速悬停功能，提升设备可靠性，避免设备有驱动器之间逻辑问题造成“溜钩”；

▪柔性扭矩控制，从驱动器端解决钻杆扭矩限幅释放，响应更快，安全等级更高；

▪模块化设计，紧凑化设计，有效减小空间体积；

▪相单元化设计，提高单元间互换能力，减少备件库存。

 

 

现场应用中对变频器要求较高且比较频繁的就是绞车应用，现场情况说明以绞车为主进行说明：

 

（1）悬停：通过电气控制，实现绞车任意点停车，短时无需机械抱闸辅助，提高生产效率。

 

图5 起井架示意图

图6  153吨及悬停时波形

图7 悬停时波形

 

（2）主从驱动：绞车双机运行模式，在任何负载状态、速度状态下均保持主从扭矩平衡，功率一致，运行平稳无振动噪声。

图7 主从控制波形

 

英威腾Goodrive3000三电平变频器采用公共直流母线模块化结构、高性能矢量控制等技术，不仅满足了钻机系统的各项高性能参数指标，也达到了钻机的安全可靠及冗余稳定的要求，电机温升、输出谐波、共模电压层面，远优于传统两电平驱动方式。

 

经过在现场的10余套钻机近三年的稳定运行，证明了英威腾Goodrive3000三电平变频器产品在性能、稳定行、可靠性方面能够满足大型钻机的要求，并获取俄石油终端用户的认可，伴随二期项目的开展，国产传动变频器正式进入国际石油钻机领域，在世界舞台上走出一条特色之路。

 

1.  姚文熙, 王斯然, 刘森森,等. 三电平空间矢量调制中的共模分量[J]. 电工技术学报, 2009, 24(4):108-113.

2.  周京华, 贾斌, 章小卫,等. 混合式三电平中点电位平衡控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2013, 000(024):82-89.

3.   胡衔宇. 石油钻机电气传动控制系统分析[J]. 中国科技博览, 2013.

4. 《 Goodrive800系列中压变频器说明书》 深圳市英威腾电气股份有限公司