胡志鵬

（大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

近年來，鉆機變頻電控系統(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，即使國產變頻器也采用的是二電平變頻器，而在低壓、大功率傳動領域，多電平尤其是三電平技術已經在鉆機泵類控制中得到應用。鉆機電控系統(tǒng)的主控對象是與絞車、轉盤和泥漿泵機械設備相連的電機，由于機械部分不同的工作特性，因此，會導致相應電機表現(xiàn)出不同的工作特性，例如絞車屬于提升系統(tǒng)，轉盤有正反轉的需求，而泥漿泵只需要正轉；因此，這就需要對應的變頻器具有四象限的運行特性，才能滿足電機運行的需求。現(xiàn)如今，隨著電力電子技術的日益成熟，三電平變頻器已經可以實現(xiàn)上述功能，很多三電平變頻器已經在國內外的項目中投入使用，其效果非常穩(wěn)定。所以，該文也是以此為切入點，詳細探討三電平技術在石油鉆機電控系統(tǒng)中的應用，從而為后續(xù)提升我國石油鉆機電控系統(tǒng)水平提供一定的理論基礎。

1 三電平技術

多電平換流技術一直是研究的熱點課題之一。三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單且最實用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、降低開關頻率，從而減少系統(tǒng)損耗，使低壓開關器件可以有更廣泛的應用空間。

隨著新型電力電子器件及DSP智能控制芯片的迅速普及，該技術將在大功率領域得到廣泛應用。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)及牽引領域的應用中，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)境標準的提高，三電平逆變器方案將得到廣泛的應用[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相逆變橋臂的中點電位變化

2.1 情況一

當導通A相橋臂上的2個IGBT時，A點電位與正母線電位都為U，每個IGBT承受的應力平臺電壓為U/2。

2.2 情況二

當導通A相橋臂下的2個IGBT時，A點電位與負母線電位都為-U，每個IGBT承受的應力平臺電壓為U/2。

2.3 情況三

當導通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點電位與母線中點電位都為0。從上述A相的3個導通回路可知，A點電位可以呈現(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 應用案例

3.1 項目需求

該項目有以下3點要求：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)項目需求選用了國產自主研發(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撲結構，兼容二象限和四象限，不僅可以控制交流異步感應電機和永磁同步電機，而且還可以滿足不同電機的工作模式。產品采用目前國際領先的矢量控制技術，具有性能優(yōu)化、應用靈活以及性能穩(wěn)定的特點。變頻器型號見表1。

3.3 變頻器配置及示意圖

3.3.1 三電平拓撲圖

圖2是三電平的實際拓撲圖。

圖2 三電平拓撲圖

3.3.2 產品介紹

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

3.3.3 產品優(yōu)勢

該產品的優(yōu)勢有以下7點：1） 領先的三電平拓撲結構。2） 專業(yè)專業(yè)的AFE整流回饋技術。3） 全面的控制方式，兼容同步或異步電機驅動控制。4） 具備優(yōu)異的驅動性能，可以實現(xiàn)多機功能平衡同步運行。5） 具有卓越的運行控制性能，可以在低頻大力矩的情況下平穩(wěn)啟動。6） 具有完善的自學習功能。7） 具有定制的專業(yè)疊層母排及專業(yè)標貼技術，設計緊湊，有效地減小了空間的體積[4]。

4 實際應用的效果圖

目前，三電平變頻器已經開始應用于實際操作中，具體的應用效果如圖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 三電平技術在石油鉆機電控系統(tǒng)中的未來發(fā)展

5.1 三電平技術的優(yōu)勢

三電平技術輸出波形接近正弦波，可以使電機的運行更加平穩(wěn)，減少因輸出波形不是正弦而造成的機械振動，從而延長電機的壽命。另外，三電平技術的輸出諧波可以大幅度地抑制由變頻器引起的傳導和輻射干擾等問題，具備優(yōu)良EMC特性且開關頻率低。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，就會減少對電機絕緣的損壞，降低施加在電軸上的沖擊電壓，有效地保護了電機絕緣緩解軸電流對電機軸承的電腐蝕，從而達到延長電機壽命、降低系統(tǒng)漏電以及保證系統(tǒng)安全可靠運行的效果。三電平電機端輸出電壓的變化率與兩電平電機端輸出電壓的變化率的對比如圖6所示。

圖6 三電平電機端輸出電壓的變化率與兩電平電機端輸出電壓的變化率對比

三電平變頻器散熱小，因為鉆機電控系統(tǒng)運行系統(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構環(huán)節(jié)少，雖然它是電壓源型結構，但是其更容易實現(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，每個橋臂上的IGBT所承受的電壓為直流側輸入電壓的一半，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，每個橋臂上的IGBT所承受的電壓直接為直流側輸入電壓，即U；因此三電平逆變電路中IGBT在開始導通和關斷結束時候承受電壓為兩電平的一半，這就決定了三電平的IGBT開關損害比兩電平的開關損耗要小很多[5]。

5.2 三電平技術的劣勢

三電平技術的設備體積較大，鉆機電控系統(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，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的電壓以及該店輸出的上升變壓器。研究人員通過調查發(fā)現(xiàn)，之所以三電平技術很少有人了解，是因為其最大輸出電壓達不到6 kV；而且三電平設備的體積都比較大，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，三電平技術正在不斷地優(yōu)化，從而進一步滿足用戶控制與信息采集的需求。此外，在現(xiàn)有石油鉆采領域的傳動裝置已經被國外產品占據(jù)，相比于國內產品來說，國外產品的采購價格和維護成本都高；因此，這就需要我國科研人員對石油鉆采領域的全新技術進行突破，進一步提升國產三電平技術的水平，為專業(yè)核心產品國產化進程提供保障。