三电平技术在石油钻机电控系统中的应用

胡志鹏

（大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020）

近年来，钻机变频电控系统中的传动装置多以西门子和ABB系列的二电平变频器为主，即使国产变频器也采用的是二电平变频器，而在低压、大功率传动领域，多电平尤其是三电平技术已经在钻机泵类控制中得到应用。钻机电控系统的主控对象是与绞车、转盘和泥浆泵机械设备相连的电机，由于机械部分不同的工作特性，因此，会导致相应电机表现出不同的工作特性，例如绞车属于提升系统，转盘有正反转的需求，而泥浆泵只需要正转；因此，这就需要对应的变频器具有四象限的运行特性，才能满足电机运行的需求。现如今，随着电力电子技术的日益成熟，三电平变频器已经可以实现上述功能，很多三电平变频器已经在国内外的项目中投入使用，其效果非常稳定。所以，该文也是以此为切入点，详细探讨三电平技术在石油钻机电控系统中的应用，从而为后续提升我国石油钻机电控系统水平提供一定的理论基础。

1 三电平技术

多电平换流技术一直是研究的热点课题之一。三电平逆变器是多电平逆变器中最简单且最实用1种电路。三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较，其主要优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力，并且可以减少谐波、降低开关频率，从而减少系统损耗，使低压开关器件可以有更广泛的应用空间。

随着新型电力电子器件及DSP智能控制芯片的迅速普及，该技术将在大功率领域得到广泛应用。集成门极换流晶闸管（IGCT）和高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等新型器件近来的发展使PWM逆变器在工业及牵引领域的应用中，不仅降低了成本，而且其性能也得到了改善。由直流电流源供电及直流电压源供电的GTO逆变器正逐渐被使用IGCT及IGBT的两电平或三电平PWM逆变器所取代，随着对电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案将得到广泛的应用[1]。

2 三电平工作原理

如图1所示，以A相逆变桥臂的中点电位变化为例，来简述三电平的具体含义。

图1 A相逆变桥臂的中点电位变化

2.1 情况一

当导通A相桥臂上的2个IGBT时，A点电位与正母线电位都为U，每个IGBT承受的应力平台电压为U/2。

2.2 情况二

当导通A相桥臂下的2个IGBT时，A点电位与负母线电位都为-U，每个IGBT承受的应力平台电压为U/2。

2.3 情况三

当导通A相桥臂的第二个IGBT及旁路钳位的二极管时，A相逆变桥处于续流状态，A点电位与母线中点电位都为0。从上述A相的3个导通回路可知，A点电位可以呈现出U/2、0以及-U/23种电平状态，因此，把它叫做三电平[2]。

3 应用案例

3.1 项目需求

该项目有以下3点要求：1） 需要2台交流变频异步电功率为1200 kW、额定工作电压为690 V的变频器。2） 需要3台交流变频异步电功率为800 kW、额定工作电压为690 V的变频器。3） 变频器的电机由可控硅装置模块整流的三相三电平变频器供电。

3.2 变频器选型

工作人员根据项目需求选用了国产自主研发的Goodrive3000系列变频器，该变频器是1款高性能的通用矢量变频器，其采用三电平的硬件拓扑结构，兼容二象限和四象限，不仅可以控制交流异步感应电机和永磁同步电机，而且还可以满足不同电机的工作模式。产品采用目前国际领先的矢量控制技术，具有性能优化、应用灵活以及性能稳定的特点。变频器型号见表1。

3.3 变频器配置及示意图

3.3.1 三电平拓扑图

图2是三电平的实际拓扑图。

图2 三电平拓扑图

3.3.2 产品介绍

英威腾系列变频器是一款矢量变频器，内部采用的就是三电平的硬件结构，不仅可以控制交流的异步感应电机，而且还可以提供多种工作模式，满足不同电机的需求。该产品与其他产品相比，具有技术先进、功能完善、灵活性更好以及设备运行更加稳定的优势[3]。

3.3.3 产品优势

该产品的优势有以下7点：1） 领先的三电平拓扑结构。2） 专业专业的AFE整流回馈技术。3） 全面的控制方式，兼容同步或异步电机驱动控制。4） 具备优异的驱动性能，可以实现多机功能平衡同步运行。5） 具有卓越的运行控制性能，可以在低频大力矩的情况下平稳启动。6） 具有完善的自学习功能。7） 具有定制的专业叠层母排及专业标贴技术，设计紧凑，有效地减小了空间的体积[4]。

4 实际应用的效果图

目前，三电平变频器已经开始应用于实际操作中，具体的应用效果如图3所示，三电平变频器的输出波形如图4所示。

图3 三电平变频器

图4 三电平变频器输出波形

5 三电平技术在石油钻机电控系统中的未来发展

5.1 三电平技术的优势

三电平技术输出波形接近正弦波，可以使电机的运行更加平稳，减少因输出波形不是正弦而造成的机械振动，从而延长电机的寿命。另外，三电平技术的输出谐波可以大幅度地抑制由变频器引起的传导和辐射干扰等问题，具备优良EMC特性且开关频率低。图5为三电平输出的电压波形与两电平输出电压波形的对比。

表1 变频器型号

图5 三电平输出电压波形与两电平输出电压波形对比

输出电压变化率（du/dt）低，就会减少对电机绝缘的损坏，降低施加在电轴上的冲击电压，有效地保护了电机绝缘缓解轴电流对电机轴承的电腐蚀，从而达到延长电机寿命、降低系统漏电以及保证系统安全可靠运行的效果。三电平电机端输出电压的变化率与两电平电机端输出电压的变化率的对比如图6所示。

图6 三电平电机端输出电压的变化率与两电平电机端输出电压的变化率对比

三电平变频器散热小，因为钻机电控系统运行系统电压多以低压600 V～690 V为主，所以以1200 kW变频器为例，两电平1200 kW变频器额定功率下的功率损耗约为16 kW，同等容量下三电平变频器功率损耗约为8 kW，可以最大限度地使用在钻机电控系统的有限空间（集装箱式布局尺寸：长为10 m～14 m，宽为2.8 m，高为3.0 m），同时在空调系统选型中可以降低使用成本。此外，还有分压不易损坏以及谐波含量低的效果。目前，三电平变频器采用钳位电路，解决了2只功率器件的串联问题，并使相电压输出具有3个电平；同时三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然它是电压源型结构，但是其更容易实现能量回馈，该特性适合在钻井中绞车高频率起下钻时。

三电平的开关损耗也比较小。在三电平逆变电路中，直流母线电压U由2个IGBT分担，每个桥臂上的IGBT所承受的电压为直流侧输入电压的一半，即U/2；而在二电平逆变电路中，直流母线电压仅有1个IGBT承担，每个桥臂上的IGBT所承受的电压直接为直流侧输入电压，即U；因此三电平逆变电路中IGBT在开始导通和关断结束时候承受电压为两电平的一半，这就决定了三电平的IGBT开关损害比两电平的开关损耗要小很多[5]。

5.2 三电平技术的劣势

三电平技术的设备体积较大，钻机电控系统空间有限，现在市场的需求也是整体尺寸越来越小，便于频繁搬运，因此，这也市场需求相悖。三电平的最大输出电压不会超过6 kV，这就需要改变传统的方式或者改变电机的电压以及该店输出的上升变压器。研究人员通过调查发现，之所以三电平技术很少有人了解，是因为其最大输出电压达不到6 kV；而且三电平设备的体积都比较大，在高压器件可靠性不足的前提下，三电平的竞争优势还不是非常高。综上所述，三电平技术还是存在一定的问题，目前没有太好的解决方法。

5.3 未来发展趋势

现如今，三电平技术正在不断地优化，从而进一步满足用户控制与信息采集的需求。此外，在现有石油钻采领域的传动装置已经被国外产品占据，相比于国内产品来说，国外产品的采购价格和维护成本都高；因此，这就需要我国科研人员对石油钻采领域的全新技术进行突破，进一步提升国产三电平技术的水平，为专业核心产品国产化进程提供保障。