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摘要：石油鉆機(jī)在鉆探領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，鉆機(jī)設(shè)備需要克服復(fù)雜且惡劣的外部工作環(huán)境，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、技術(shù)先進(jìn)性有著極高的要求，尤其對(duì)電控系統(tǒng)的冗余及穩(wěn)定性更為苛刻。隨著國(guó)產(chǎn)變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在石油鉆機(jī)行業(yè)越來(lái)越多的主要負(fù)載設(shè)備開(kāi)始逐漸由進(jìn)口品牌轉(zhuǎn)向國(guó)產(chǎn)化。本文著重介紹英威騰Goodrive3000三電平產(chǎn)品在俄石油低溫鉆機(jī)項(xiàng)目上的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Goodrive3000；三電平；石油鉆機(jī)；國(guó)產(chǎn)化

1　石油鉆機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1　石油鉆機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

石油鉆機(jī)大體可劃分為起升系統(tǒng)、旋進(jìn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底座系統(tǒng)、鉆機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)相互協(xié)作完成石油鉆機(jī)的正常鉆井作業(yè)。

1.2　鉆機(jī)電氣傳動(dòng)應(yīng)用狀況

石油鉆機(jī)按驅(qū)動(dòng)方式可分為機(jī)械鉆機(jī)和電驅(qū)鉆機(jī)。與機(jī)械鉆機(jī)相比，電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)具有傳動(dòng)特性柔和、調(diào)速性能好、操作簡(jiǎn)單安全、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噪聲低、排放低、維護(hù)保養(yǎng)方便等特點(diǎn)，智能鉆井系統(tǒng)的出現(xiàn)，使控制功能更完善、更高效、運(yùn)營(yíng)成本更低。全電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)又可以分為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)相比，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速范圍寬、高功率因數(shù)、高防爆性能、 低維護(hù)成本、智能化操作等特點(diǎn)。因此，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)為石油鉆機(jī)主流發(fā)展趨勢(shì)。

2　三電平鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1　三電平原理介紹（拓?fù)鋱D如圖1所示）

  圖1 三電平拓?fù)鋱D

為了實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(bǔ)關(guān)系，開(kāi)關(guān)V2和開(kāi)關(guān)V4狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系，要避免出現(xiàn)多個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)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(fù)載電流，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，本文只分析P→O開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據(jù)負(fù)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(shè)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(dāng)i_O>0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2所示。

圖2 當(dāng)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(qiáng)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(dāng)i_O<0時(shí)，狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖3所示。

圖3 當(dāng)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(dǎo)通，電流i_O從V1的二極管強(qiáng)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(shì)

逆變器采用主流的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用較低耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于更高電壓等級(jí)的主回路拓?fù)浼夹g(shù)，可避免器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)降低輸出諧波和dv/dt；可用來(lái)控制交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，可以滿足不同電機(jī)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(yīng)用更靈活，性能更穩(wěn)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(duì)階梯波再作調(diào)制可以得到近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波形、諧波含量很小；

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

（4）相對(duì)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(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)頻率。

2.3　三電平鉆機(jī)傳動(dòng)方案

本次提供的是絞車A/B，轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵1/2設(shè)備變頻器，其系統(tǒng)主回路圖如圖4所示：

圖4 主電氣系統(tǒng)回路

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為網(wǎng)電鉆機(jī)，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(cè)諧波，滿足電網(wǎng)要求。

絞車A/B，電機(jī)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(jī)運(yùn)行，也可以兩臺(tái)主從驅(qū)動(dòng)，兩套裝置配置 PROFIBUS-DP通訊卡，與PLC通訊。

泥漿泵1#，2#電機(jī)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(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效減小輸出諧波，從而降低電機(jī)噪聲、溫升，延長(zhǎng)電機(jī)壽命；

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

（3）優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能，多機(jī)功率平衡同步運(yùn)行；

（4）超強(qiáng)電網(wǎng)適應(yīng)能力，應(yīng)對(duì)網(wǎng)電及發(fā)電機(jī)供電模式；

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

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

（7）模塊化設(shè)計(jì)，緊湊化設(shè)計(jì)，有效減小空間體積；

（8）相單元化設(shè)計(jì)，提高單元間互換能力，減少備件庫(kù)存。

3　現(xiàn)場(chǎng)情況 

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中對(duì)變頻器要求較高且比較頻繁的就是絞車應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)情況以絞車為主進(jìn)行說(shuō)明：

（1）懸停：通過(guò)電氣控制，實(shí)現(xiàn)絞車任意點(diǎn)停車，短時(shí)無(wú)需機(jī)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(qū)動(dòng)：絞車雙機(jī)運(yùn)行模式，在任何負(fù)載狀態(tài)、速度狀態(tài)下均保持主從扭矩平衡，功率一致，運(yùn)行平穩(wěn)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(jié)束語(yǔ)

英威騰Goodrive3000三電平變頻器采用公共直流母線模塊化結(jié)構(gòu)、高性能矢量控制等技術(shù)，不僅滿足了鉆機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)高性能參數(shù)指標(biāo)，也達(dá)到了鉆機(jī)的安全可靠及冗余穩(wěn)定的要求，電機(jī)溫升、輸出諧波、共模電壓層面，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)兩電平驅(qū)動(dòng)方式。經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的10余套鉆機(jī)近三年的穩(wěn)定運(yùn)行，證明了英威騰Goodrive3000三電平變頻器產(chǎn)品在性能、穩(wěn)定性、可靠性方面能夠滿足大型鉆機(jī)的要求，并獲取俄石油終端用戶的認(rèn)可，伴隨二期項(xiàng)目的開(kāi)展，國(guó)產(chǎn)傳動(dòng)變頻器正式進(jìn)入國(guó)際石油鉆機(jī)領(lǐng)域，在世界舞臺(tái)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(xiàn)任深圳市英威騰電氣股份有限公司技術(shù)工程師，長(zhǎng)期從事變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及研究工作。

侯瑞星（1984-），男，河北邢臺(tái)人，工程師，本科，現(xiàn)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(zhǎng)期從事變頻器在石油行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及研究工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2021年3月刊