胡志鵬

（大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

近年來，鉆機(jī)變頻電控系統(tǒng)中的傳動裝置多以西門子和ABB系列的二電平變頻器為主，即使國產(chǎn)變頻器也采用的是二電平變頻器，而在低壓、大功率傳動領(lǐng)域，多電平尤其是三電平技術(shù)已經(jīng)在鉆機(jī)泵類控制中得到應(yīng)用。鉆機(jī)電控系統(tǒng)的主控對象是與絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵機(jī)械設(shè)備相連的電機(jī)，由于機(jī)械部分不同的工作特性，因此，會導(dǎo)致相應(yīng)電機(jī)表現(xiàn)出不同的工作特性，例如絞車屬于提升系統(tǒng)，轉(zhuǎn)盤有正反轉(zhuǎn)的需求，而泥漿泵只需要正轉(zhuǎn)；因此，這就需要對應(yīng)的變頻器具有四象限的運(yùn)行特性，才能滿足電機(jī)運(yùn)行的需求?，F(xiàn)如今，隨著電力電子技術(shù)的日益成熟，三電平變頻器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上述功能，很多三電平變頻器已經(jīng)在國內(nèi)外的項(xiàng)目中投入使用，其效果非常穩(wěn)定。所以，該文也是以此為切入點(diǎn)，詳細(xì)探討三電平技術(shù)在石油鉆機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而為后續(xù)提升我國石油鉆機(jī)電控系統(tǒng)水平提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 三電平技術(shù)

多電平換流技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)課題之一。三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單且最實(shí)用1種電路。三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)是器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，并且可以減少諧波、降低開關(guān)頻率，從而減少系統(tǒng)損耗，使低壓開關(guān)器件可以有更廣泛的應(yīng)用空間。

隨著新型電力電子器件及DSP智能控制芯片的迅速普及，該技術(shù)將在大功率領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。集成門極換流晶閘管（IGCT）和高壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等新型器件近來的發(fā)展使PWM逆變器在工業(yè)及牽引領(lǐng)域的應(yīng)用中，不僅降低了成本，而且其性能也得到了改善。由直流電流源供電及直流電壓源供電的GTO逆變器正逐漸被使用IGCT及IGBT的兩電平或三電平PWM逆變器所取代，隨著對電磁和噪聲等環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，三電平逆變器方案將得到廣泛的應(yīng)用[1]。

2 三電平工作原理

如圖1所示，以A相逆變橋臂的中點(diǎn)電位變化為例，來簡述三電平的具體含義。

圖1 A相逆變橋臂的中點(diǎn)電位變化

2.1 情況一

當(dāng)導(dǎo)通A相橋臂上的2個IGBT時，A點(diǎn)電位與正母線電位都為U，每個IGBT承受的應(yīng)力平臺電壓為U/2。

2.2 情況二

當(dāng)導(dǎo)通A相橋臂下的2個IGBT時，A點(diǎn)電位與負(fù)母線電位都為-U，每個IGBT承受的應(yīng)力平臺電壓為U/2。

2.3 情況三

當(dāng)導(dǎo)通A相橋臂的第二個IGBT及旁路鉗位的二極管時，A相逆變橋處于續(xù)流狀態(tài)，A點(diǎn)電位與母線中點(diǎn)電位都為0。從上述A相的3個導(dǎo)通回路可知，A點(diǎn)電位可以呈現(xiàn)出U/2、0以及-U/23種電平狀態(tài)，因此，把它叫做三電平[2]。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目需求

該項(xiàng)目有以下3點(diǎn)要求：1） 需要2臺交流變頻異步電功率為1200 kW、額定工作電壓為690 V的變頻器。2） 需要3臺交流變頻異步電功率為800 kW、額定工作電壓為690 V的變頻器。3） 變頻器的電機(jī)由可控硅裝置模塊整流的三相三電平變頻器供電。

3.2 變頻器選型

工作人員根據(jù)項(xiàng)目需求選用了國產(chǎn)自主研發(fā)的Goodrive3000系列變頻器，該變頻器是1款高性能的通用矢量變頻器，其采用三電平的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兼容二象限和四象限，不僅可以控制交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，而且還可以滿足不同電機(jī)的工作模式。產(chǎn)品采用目前國際領(lǐng)先的矢量控制技術(shù)，具有性能優(yōu)化、應(yīng)用靈活以及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。變頻器型號見表1。

3.3 變頻器配置及示意圖

3.3.1 三電平拓?fù)鋱D

圖2是三電平的實(shí)際拓?fù)鋱D。

圖2 三電平拓?fù)鋱D

3.3.2 產(chǎn)品介紹

英威騰系列變頻器是一款矢量變頻器，內(nèi)部采用的就是三電平的硬件結(jié)構(gòu)，不僅可以控制交流的異步感應(yīng)電機(jī)，而且還可以提供多種工作模式，滿足不同電機(jī)的需求。該產(chǎn)品與其他產(chǎn)品相比，具有技術(shù)先進(jìn)、功能完善、靈活性更好以及設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定的優(yōu)勢[3]。

3.3.3 產(chǎn)品優(yōu)勢

該產(chǎn)品的優(yōu)勢有以下7點(diǎn)：1） 領(lǐng)先的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2） 專業(yè)專業(yè)的AFE整流回饋技術(shù)。3） 全面的控制方式，兼容同步或異步電機(jī)驅(qū)動控制。4） 具備優(yōu)異的驅(qū)動性能，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)功能平衡同步運(yùn)行。5） 具有卓越的運(yùn)行控制性能，可以在低頻大力矩的情況下平穩(wěn)啟動。6） 具有完善的自學(xué)習(xí)功能。7） 具有定制的專業(yè)疊層母排及專業(yè)標(biāo)貼技術(shù)，設(shè)計(jì)緊湊，有效地減小了空間的體積[4]。

4 實(shí)際應(yīng)用的效果圖

目前，三電平變頻器已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際操作中，具體的應(yīng)用效果如圖3所示，三電平變頻器的輸出波形如圖4所示。

圖3 三電平變頻器

圖4 三電平變頻器輸出波形

5 三電平技術(shù)在石油鉆機(jī)電控系統(tǒng)中的未來發(fā)展

5.1 三電平技術(shù)的優(yōu)勢

三電平技術(shù)輸出波形接近正弦波，可以使電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少因輸出波形不是正弦而造成的機(jī)械振動，從而延長電機(jī)的壽命。另外，三電平技術(shù)的輸出諧波可以大幅度地抑制由變頻器引起的傳導(dǎo)和輻射干擾等問題，具備優(yōu)良EMC特性且開關(guān)頻率低。圖5為三電平輸出的電壓波形與兩電平輸出電壓波形的對比。

表1 變頻器型號

圖5 三電平輸出電壓波形與兩電平輸出電壓波形對比

輸出電壓變化率（du/dt）低，就會減少對電機(jī)絕緣的損壞，降低施加在電軸上的沖擊電壓，有效地保護(hù)了電機(jī)絕緣緩解軸電流對電機(jī)軸承的電腐蝕，從而達(dá)到延長電機(jī)壽命、降低系統(tǒng)漏電以及保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的效果。三電平電機(jī)端輸出電壓的變化率與兩電平電機(jī)端輸出電壓的變化率的對比如圖6所示。

圖6 三電平電機(jī)端輸出電壓的變化率與兩電平電機(jī)端輸出電壓的變化率對比

三電平變頻器散熱小，因?yàn)殂@機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)電壓多以低壓600 V～690 V為主，所以以1200 kW變頻器為例，兩電平1200 kW變頻器額定功率下的功率損耗約為16 kW，同等容量下三電平變頻器功率損耗約為8 kW，可以最大限度地使用在鉆機(jī)電控系統(tǒng)的有限空間（集裝箱式布局尺寸：長為10 m～14 m，寬為2.8 m，高為3.0 m），同時在空調(diào)系統(tǒng)選型中可以降低使用成本。此外，還有分壓不易損壞以及諧波含量低的效果。目前，三電平變頻器采用鉗位電路，解決了2只功率器件的串聯(lián)問題，并使相電壓輸出具有3個電平；同時三電平逆變器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，雖然它是電壓源型結(jié)構(gòu)，但是其更容易實(shí)現(xiàn)能量回饋，該特性適合在鉆井中絞車高頻率起下鉆時。

三電平的開關(guān)損耗也比較小。在三電平逆變電路中，直流母線電壓U由2個IGBT分擔(dān)，每個橋臂上的IGBT所承受的電壓為直流側(cè)輸入電壓的一半，即U/2；而在二電平逆變電路中，直流母線電壓僅有1個IGBT承擔(dān)，每個橋臂上的IGBT所承受的電壓直接為直流側(cè)輸入電壓，即U；因此三電平逆變電路中IGBT在開始導(dǎo)通和關(guān)斷結(jié)束時候承受電壓為兩電平的一半，這就決定了三電平的IGBT開關(guān)損害比兩電平的開關(guān)損耗要小很多[5]。

5.2 三電平技術(shù)的劣勢

三電平技術(shù)的設(shè)備體積較大，鉆機(jī)電控系統(tǒng)空間有限，現(xiàn)在市場的需求也是整體尺寸越來越小，便于頻繁搬運(yùn)，因此，這也市場需求相悖。三電平的最大輸出電壓不會超過6 kV，這就需要改變傳統(tǒng)的方式或者改變電機(jī)的電壓以及該店輸出的上升變壓器。研究人員通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，之所以三電平技術(shù)很少有人了解，是因?yàn)槠渥畲筝敵鲭妷哼_(dá)不到6 kV；而且三電平設(shè)備的體積都比較大，在高壓器件可靠性不足的前提下，三電平的競爭優(yōu)勢還不是非常高。綜上所述，三電平技術(shù)還是存在一定的問題，目前沒有太好的解決方法。

5.3 未來發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，三電平技術(shù)正在不斷地優(yōu)化，從而進(jìn)一步滿足用戶控制與信息采集的需求。此外，在現(xiàn)有石油鉆采領(lǐng)域的傳動裝置已經(jīng)被國外產(chǎn)品占據(jù)，相比于國內(nèi)產(chǎn)品來說，國外產(chǎn)品的采購價格和維護(hù)成本都高；因此，這就需要我國科研人員對石油鉆采領(lǐng)域的全新技術(shù)進(jìn)行突破，進(jìn)一步提升國產(chǎn)三電平技術(shù)的水平，為專業(yè)核心產(chǎn)品國產(chǎn)化進(jìn)程提供保障。