浅谈英威腾三电平技术在石油钻机上的应用

石油钻机应用现状

1.1石油钻机系统简介

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。

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。

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。

2.3英威腾三电平钻机传动方案

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。

英威腾方案特点：

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。

现场情况

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

结束语

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。

参考文献：

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