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淺談?dòng)⑼v三電平技術(shù)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用

   2021-11-17 英威騰英威騰44325
核心提示:石油鉆機(jī)在尤其鉆探領(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。
摘要:石油鉆機(jī)在尤其鉆探領(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GD3000三電平產(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
 
一、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),使得控制功能更完善、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)。
 
二、三電平鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1三電平原理介紹
 

圖1三電平拓?fù)鋱D
 
為了實(shí)現(xiàn)三電平,每一相的四組開關(guān)(IGBT或二極管)只能有相鄰的兩組開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,即V1-V2,V2-V3,或者V3-V4。用字母P,O和N表示三組開關(guān)的狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)如表1所示。為了盡可能地減小開關(guān)損耗,一次開關(guān)狀態(tài)的改變只允許一個(gè)開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作,即P↔O和O↔N。開關(guān)V1和開關(guān)V3狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系,開關(guān)V2和開關(guān)V4狀態(tài)為互補(bǔ)關(guān)系,要避免出現(xiàn)多個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象,否則會(huì)發(fā)生短路,燒毀元器件。

表1開關(guān)狀態(tài)表
 
三電平NPC逆變器的工作狀態(tài)是指開關(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開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)負(fù)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(dāng)iO大于0時(shí),狀態(tài)P→O的換流示意圖
 
為了便于分析,我們假設(shè)器件為理想狀態(tài)且開關(guān)狀態(tài)改變時(shí),電流iO方向不改變:
 
當(dāng)iO>0時(shí),狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖2所示。
 
P狀態(tài)時(shí),開關(guān)V1和V2導(dǎo)通,V3和V4關(guān)斷。電流iO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),開關(guān)V2和V3導(dǎo)通,V1和V4關(guān)斷。由于開關(guān)V1突然關(guān)斷,電流iO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)iO<0時(shí),狀態(tài)P→O的換流示意圖如圖3所示。

圖3當(dāng)iO小于0時(shí),狀態(tài)P→O的換流示意圖
 
P狀態(tài)時(shí),開關(guān)V1和V2導(dǎo)通,V3和V4關(guān)斷。電流iO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),開關(guān)V2和V3導(dǎo)通,V1和V4關(guān)斷。由于開關(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iO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。
?任何時(shí)刻處于關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)器件承受的壓降減小,更適合大容量高電壓的場(chǎng)合。
?可產(chǎn)生多層階梯形輸出電壓,對(duì)階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波,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。
?電磁干擾(EMI)問題大大減輕,因?yàn)殚_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。
?相對(duì)兩電平PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大,而三電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作,損耗小、效率提高。
?主要高次諧波遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率。
 
2.3英威騰三電平鉆機(jī)傳動(dòng)方案
 
本次英威騰提供的是絞車A/B,轉(zhuǎn)盤、泥漿泵1/2設(shè)備變頻器,其系統(tǒng)主回路圖如下:

圖4 主電氣系統(tǒng)回路
 
由于英威騰本系統(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)盤電機(jī)為600KW,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。
 
英威騰方案特點(diǎn):
?三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),有效減低輸出諧波,從而降低電機(jī)噪聲、溫升,延長(zhǎng)電機(jī)壽命;
?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;
?優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能,多機(jī)功率平衡同步運(yùn)行;
?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;
?優(yōu)異零速懸停功能,提升設(shè)備可靠性,避免設(shè)備有驅(qū)動(dòng)器之間邏輯問題造成“溜鉤”;
?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;
?模塊化設(shè)計(jì),緊湊化設(shè)計(jì),有效減小空間體積;
?相單元化設(shè)計(jì),提高單元間互換能力,減少備件庫(kù)存。
 
三、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)情況說(shuō)明以絞車為主進(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。
 

圖5 起井架示意圖

圖6  153噸及懸停時(shí)波形

圖7 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。

圖7 主從控制波形
四、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)定行、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。
 
參考文獻(xiàn):
1.  姚文熙, 王斯然, 劉森森,等. 三電平空間矢量調(diào)制中的共模分量[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(4):108-113.
2.  周京華, 賈斌, 章小衛(wèi),等. 混合式三電平中點(diǎn)電位平衡控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 000(024):82-89.
3.   胡銜宇. 石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)分析[J]. 中國(guó)科技博覽, 2013.
4. 《 Goodrive800系列中壓變頻器說(shuō)明書》 深圳市英威騰電氣股份有限公司
 
標(biāo)簽: 英威騰 Goodrive3000 變頻器
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