淺談英威騰三電平技術在石油鑽機上的應用
摘要：石油鑽機在尤其鑽探領域發揮著舉足輕重的作用，鑽機設備需要克服複雜且惡劣的外部工作環境，對環境適應性、可靠性、jishuxianjinxingyouzhejigaodeyaoqiu，youqiduidiankongxitongderongyujiwendingxinggengweikeke。suizheguochanbianpinqijishudebuduanfazhanhejinbu，zaishiyouzuanjixingyeyuelaiyueduodezhuyaofuzaishebeikaishizhujianyoujinkoupinpaizhuanxiangguochanhua。benwenzhezhongjieshaoyingweitengGD3000三電平產品在俄石油低溫鑽機項目上的成功應用。
關鍵詞：Goodrive3000 三電平 石油鑽機 國產化
一、石油鑽機應用現狀
1.1石油鑽機係統簡介
石油鑽機大體可劃分為起升係統、旋進係統、循環係統、傳動係統、監控係統、驅動係統、底座係統、鑽機輔助設備係統等，這些係統相互協作完成石油鑽機的正常鑽井作業。
1.2鑽機電氣傳動應用狀況
石油鑽機按驅動方式可分為機械鑽機和電驅鑽機。與機械鑽機相比，電驅動鑽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，智能鑽井係統的出現，使得控製功能更完善、更高效、運營成本更低。全電驅動鑽機又可以分為交流電機驅動和直流電機驅動：與直流電驅動鑽機相比，交流電機驅動具有調速範圍寬、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，交流電機驅動鑽機為石油鑽機主流發展趨勢。
二、三電平鑽機傳動係統特點
2.1三電平原理介紹
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）隻能有相鄰的兩組開關同時導通，即V1-V2，V2-V3，或者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隻允許一個開關進行動作，即P↔O和O↔N。開關V1和開關V3狀態為互補關係，開關V2和開關V4狀態為互補關係，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。
表1開關狀態表
三電平NPC逆變器的工作狀態是指開關狀態和負載電流，由於拓撲結構的對稱性，本文隻分析P→O開關狀態。根據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iO大於0時，狀態P→O的換流示意圖
為了便於分析，我們假設器件為理想狀態且開關狀態改變時，電流iO方向不改變：
當iO>0時，狀態P→O的換流示意圖如圖2所示。
P狀態時，開關V1和V2導通，V3和V4關斷。電流iO流過V1和V2的兩個IGBT。輸出端相對於中點Vao的電壓為vdc/2。
O狀態時，開關V2和V3導通，V1和V4關斷。由於開關V1突然關斷，電流iO從V1的IGBT強製換流到鉗位二極管D1，仍然通過V2的IGBT流到輸出端。此時Vao電壓為0。
當iO<0時，狀態P→O的換流示意圖如圖3所示。
圖3當iO小於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iO流過和的兩個二極管。輸出端相對於中點Vao的電壓為vdc/2。
O狀態時，開關V2和V3導通，V1和V4關斷。由於開關V1突然關斷，V1的二極管承受反向壓降不能導通，電流iO從V1的二極管強製換流到鉗位二極管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(ni)變(bian)器(qi)采(cai)用(yong)主(zhu)流(liu)的(de)三(san)電(dian)平(ping)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，使(shi)用(yong)較(jiao)低(di)耐(nai)壓(ya)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)，直(zhi)接(jie)應(ying)用(yong)於(yu)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)的(de)主(zhu)回(hui)路(lu)拓(tuo)撲(pu)技(ji)術(shu)，可(ke)避(bi)免(mian)器(qi)件(jian)串(chuan)聯(lian)引(yin)起(qi)的(de)動(dong)態(tai)均(jun)壓(ya)問(wen)題(ti)，同(tong)時(shi)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)諧(xie)波(bo)和(he)dv/dt；可(ke)用(yong)來(lai)控(kong)製(zhi)交(jiao)流(liu)異(yi)步(bu)感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)和(he)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)，可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)電(dian)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)。產(chan)品(pin)采(cai)用(yong)優(you)異(yi)的(de)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，功(gong)能(neng)更(geng)優(you)化(hua)，應(ying)用(yong)更(geng)靈(ling)活(huo)，性(xing)能(neng)更(geng)穩(wen)定(ding)。
l任何時刻處於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。
l可產生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調製可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數可接近標準正弦波形、諧波含量很小。
l電磁幹擾(EMI)問題大大減輕，因為開關元件一次動作的dv/dt通常隻有傳統兩電平的一半。
l相對兩電平PWM控製法開關頻率高、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。
l主要高次諧波遠高於開關頻率。
2.3英威騰三電平鑽機傳動方案
本次英威騰提供的是絞車A/B，轉盤、泥漿泵1/2設備變頻器，其係統主回路圖如下：
圖4 主電氣係統回路
由於英威騰本係統設計為網電鑽機，因此主回路整流部分采用12脈衝整流方案，並配置有源濾波裝置，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係列變頻器，配置PG卡，采用帶PG矢量控製方式，絞車 A/B兩套變頻裝置采用主從通訊控製，可以單機運行，也可以兩台主從驅動，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係列變頻器，采用無PG矢量控製方式配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。
轉盤電機為600KW，Goodrive3000係列變頻器，配置PG卡，采用帶PG矢量控製方式，配置Profibus-DP通訊卡，與PLC通訊。
英威騰方案特點：
l三電平拓撲結構，有效減低輸出諧波，從而降低電機噪聲、溫升，延長電機壽命；
l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；
l優異的驅動性能，多機功率平衡同步運行；
l超強電網適應能力，應對網電及發電機供電模式；
l優異零速懸停功能，提升設備可靠性，避免設備有驅動器之間邏輯問題造成“溜鉤”；
l柔性扭矩控製，從驅動器端解決鑽杆扭矩限幅釋放，響應更快，安全等級更高；
l模塊化設計，緊湊化設計，有效減小空間體積；
l相單元化設計，提高單元間互換能力，減少備件庫存。
三、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，現場情況說明以絞車為主進行說明：
（1）懸停：通過電氣控製，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。
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。
圖7 主從控製波形
四、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、高性能矢量控製等技術，不僅滿足了鑽機係統的各項高性能參數指標，也達到了鑽機的安全可靠及冗餘穩定的要求，電機溫升、輸出諧波、共模電壓層麵，遠優於傳統兩電平驅動方式。
經過在現場的10餘套鑽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、穩定行、kekaoxingfangmiannenggoumanzudaxingzuanjideyaoqiu，binghuoqueshiyouzhongduanyonghuderenke，bansuierqixiangmudekaizhan，guochanchuandongbianpinqizhengshijinruguojishiyouzuanjilingyu，zaishijiewutaishangzouchuyitiaotesezhilu。
參考文獻：
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4. 《 Goodrive800係列中壓變頻器說明書》 深圳市英威騰電氣股份有限公司
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關於英威騰：
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