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摘要：变流技术在海洋钻井平台电传动系统中应用广泛，其中既有利用晶闸管及其变流电路为主体的传统电力电子技术组成的可控整流的直流调速系统，也有利用LOGBT及其变流电路为主体的现代电力电子技术组成的交流变频调速系统。
关键词：直流调速系统；晶闸管；LOBGT；交流调速系统
作者简介：董呈彬（1970-），男，山东邹平人，中石化胜利石油管理局海洋钻井公司，工程师。（山东 东营 257055）
中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）12-0101-02
电力电子技术是指以电力为处理对象的电子技术，是利用各种电力电子器件对电能进行电压、电流、频率和波形等变换和控制的学科。变流技术是电力电子器件的应用技术，包括用电力电子器件构成各种电力变换电路拓扑和对这些电路进行自动控的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。
其发展过程可大致划分为传统电力电子技术和现代电力电子技术。传统电力电子技术阶段主要使用的电力半导体器件是电力二极管和晶闸管（俗称可控硅），由于这类器件的控制功能有欠缺，通过门极只能控制其开通，而不能控制其关断，所以晶闸管只能称其为半控型器件，晶闸管变流电路的控制方式主要是相位控制方式，其关断通常依靠电网电压的外部条件来实现。现代电力电子技术应用微电子技术与电力电子技术相结合产生的高频化和全控型的功率集成器件，主要包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘栅极晶体管（LGBT）等全控型器件，通过对门极的控制既可以使其导通又可使其关断，其控制方式采用脉冲宽度调制（PWM）方式，与传统电力电子技术相比，具有集成化、高频化、全控化、电路形式弱电化和控制技术数字化特点。在钻井平台应用两种技术组成的有代表的系统分别为利用晶闸管及其变流电路为主体的可控整流的直流调速系统和利用LOGBT及其变流电路为主体的交流变频调速系统。
一、钻井平台调速系统的种类
目前，海洋钻井平台上的一些设备，如绞车、泥浆泵、顶部驱动等设备的传动柜主要是利用晶闸管及其变流电路为主体的传统电力电子技术组成的可控整流的直流调速系统，其主电路为三相桥式全控整流电路，将三相交流电源变换成电压连续可调的直流电源向直流电动机供电，其控制系统目前都已升级更换为以西门子6RA24（或6RA70）整流装置（SIMOREG K 6RA24/70）为核心的转速、电流双闭环调速系统。而利用LOGBT及其变流电路为主体的现代电力电子技术组成的较先进的交流变频调速系统，也陆续被海洋钻井公司引进，如二、三、四、七、八号平台上的变频顶驱就是应用这一系统。交流变频调速通过变频器将固定频率（50HZ或60HZ）的电源转换成随意调节的可变频率的电源，向交流电动机供电达到调速目的。通常可分为交-交变频和交-直-交变频两大类型。交流变频系统既可以控制同步电动机，也可以控制异步电动机，目前在钻井平台上应用最多、最广泛的变频调速是交-直-交电压源型SPWM变频器，如胜利十号平台的钻井设备全部采用交流变频系统。
二、直流调速系统的组成及其控制系统的特点
直流调速系统的主回路是以晶闸管变流装置为主体的桥式整流电路，将交流电源整流电压可变的直流电。整流从形式来分有全波整流与半波整流两种，从电源来分又有单相整流与三相整流之分。目前，电动钻机直流传动系统中大部分采用三相全控桥式整流电路。其中一种控制系统是采用模拟控制电路，主要有触发电路板组成的SCR触发电路和调节器板组成的直流调节器，它们组成一个具有反馈环节的自动控制系统，根据指令，调节直流电动机的速度和转矩。SCR的传动系统由两个调节环节组成，外环为电压（速度）环，内环为电流（转矩）环。另一种是数字控制电路，如目前海洋钻井公司的钻井平台上的可控硅传动柜控制系统已全部升级更换为以西门子6RA24（或6RA70）整流装置（SIMOREG K 6RA24/70）为核心的转速、电流双闭环调速系统，见图1。
三相全控桥式整流电路由6个晶闸管组成6个桥臂。在工作周期中有固定的导通顺序。如图1中单元号注脚的号码V1、V2、V3、V4、V5、V6依次导通。V1、V3、V5构成共阴极组，V2、V4、V6构成共阳极组。其工作特点如下。（1）整流运行中每个时刻必有两个晶闸管导通（共阳极、共阴极组各一）。（2）共阳极组（上组）三管每隔1200依次导通；共阴极组（下组）三管也每隔1200依次导通。（3）晶闸管导通顺序为V1、V2、V3、V4、V5、V6。通常每隔600有一个晶闸管导通。三相桥式全控整流电路的特点是直流电压的脉动较小，对电网来说是平衡的三相整流装置，并且适合于较大的负载容量。这就是直流电动钻机普遍选用此电路结构的原因所在。
控制系统系统采用德国西门子6RA24调节装置，作为调速系统的主控单元。实现电动势及转矩的闭环控制。输出6相移位脉冲，控制晶闸管全控桥的输出，从而实现直流电动机的转速控制。利用双闭环调速系统的原理，把双闭环系统所用的速度环比较环节、速度调节器、电流环比较环节、电流调节器、脉冲触发环节、转速及电流反馈环节等所使用的元件，利用80C186微处理器进行了模拟运算，采用了128K EPROM存储器，内部指令运算非常快，仅需要220ns就能运行完毕，这样避免了原来运算电路所造成的误差，并从中增加了许多监控和保护，使系统工作稳定，响应加快。
图1中与可控硅并联的阻容（RC）保护电路是为了抑制可控硅关断时产生的过电压而设置的。可控硅元件监视灯为每个可控硅元件的工作情况提供指示。桥臂电抗器用来限制可控硅导通时的di/dt。快速熔断器用作短路保护，防止直流侧短路或因可控硅击穿而产生的过电流，其辅助触点联锁到主断路器的分闸控制回路。
在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制，例如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，电机向高转速、大容量发展也受到了限制。
三、交流变频调速系统的组成及其控制系统的特点
在电驱动控制领域中，利用现代控制理论和微电子计算机技术开发出了交流矢量控制变频调速技术。变频调速技术及其装置已成为新世纪的主流技术和主流产品，尤其是应用在新型钻井平台上。目前在钻井平台上应用最多、最广泛的变频调速系统是交-直-交电压源型SPWM变频器，它的输出电压波形接近于正弦波。
1.控制特点
交流电驱动钻机的控制对象多为鼠笼型异步电动机，高性能的调速控制是以矢量控制理论为基础的。矢量控制中，电磁转矩控制关键是电流矢量的控制。石油钻机负载变化非常大，而调速范围很宽，又不希望加机械换档。因此，为了满足钻井生产的需要，电驱动钻机采用了特殊的转速－转矩特性。在启动、低速等工况或由于负载过大产生堵转时，需要提供最大的转矩，并且在较宽的范围内有恒定的输出功率，在高速段需要硬特性来满足较高生产率。因此，交流变频系统的调速范围可分为两个区段：在基速（对应50HZ或60HZ）以下，采取矢量控制保持磁通恒定的恒转矩调速方式；在基速以上利用频率/电压鉴定环节的饱和特性，使系统保持电源电压恒定的近似恒功率调速方式（类似于直流电传动系统的弱磁调速）。
2.交流变频PWM型闭环调节系统的基本组成
变频调速系统的控制对象是交流电动机。就石油钻机电驱动而言，首选的应是鼠笼型异步发电机。因为它具有结构简单、坚固耐用、效率高、响应快、容量大、转速高等突出特点。全数字变频系统包含硬件配置和软件配置两大部分。
（1）硬件配置。变频调速系统的主回路由可控硅整流桥、直流联接电路和变频逆变电路三部分组成。可控硅整流桥将三相固定频率的交流电源，经整流电路整流后为直流母线提供可控直流电压。直流联接电路由电容储能元件以及电抗器构成。逆变电路采用高性能的可关断器件IGBT构成，经逆变后向三相异步交流电动机提供变频电源。控制系统由模块化的微型控制器、输入、输出接口电路、PWM触发电路以及包含控制模块、系统监控软件、逻辑电路的集成电路ASIC组成。系统的频率设定、电压、电流等信号经A/D口转换进入微型控制器，经CPU处理器或单片机运算处理后由系统总线与ASIC进行交换；电机的正反转控制、速度给定等由输入接口送到处理器，多功能模拟输出接口送；逆变器触发模块完成触发角的计算和触发信号的分配。
（2）软件配置。交流异步电动机的数学模型是复杂的多变量强耦合系统。通过矢量控制坐标变换可以进行简化、解耦。通过大量的软件功能模块实现这些复杂的运算和处理。给定积分器功能块实现电动机平稳的升速、降速操作；由PI数字模块构成的速度调节器SR功能块，实现速度给定与速度反馈信号的综合运算，输出值为有功功率分量的给定值。PI组成的励磁电流分量调节器，即IMR功能块，用来综合有功电流给定值与电流实际值，形成电流环。矢量变换功能块实现矢量的旋转变换运算以及电流-电压变换。EMF预控模块计算当前电机的反电势，实现预控制。
四、结束语
综上所述，在当今电驱动钻机市场上占主导地位的电气传动系统有以下两种类型。一类是价廉物美的直流调速系统，目前海上平台钻井设备和陆地深井钻机用得最多的就是这种系统。它是通过发电机组并网发电，再由SCR装置整流控制直流电动机驱动的模式，技术成熟可靠，采用全数字控制后性能更加完善；还有一类是被视为钻机发展趋势的交变频调速系统，它是综合了现代多学科理论的高科技产品，近年来随着交流电动机大功率变频系统的商业化和技术日趋成熟，这种驱动方式在钻机上用得越来越多，交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。
参考文献：
[1]西门子 6RA24 数字整流装置说明书[S].
[2]黄俊.电力电子变流技术(第3版)[M].西安:西安交大出版社,2000.
[3]邹伯敏.自动控制理论(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2001.
（责任编辑：沈清）
关键词：直流调速系统；晶闸管；LOBGT；交流调速系统
作者简介：董呈彬（1970-），男，山东邹平人，中石化胜利石油管理局海洋钻井公司，工程师。（山东 东营 257055）
中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）12-0101-02
电力电子技术是指以电力为处理对象的电子技术，是利用各种电力电子器件对电能进行电压、电流、频率和波形等变换和控制的学科。变流技术是电力电子器件的应用技术，包括用电力电子器件构成各种电力变换电路拓扑和对这些电路进行自动控的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。
其发展过程可大致划分为传统电力电子技术和现代电力电子技术。传统电力电子技术阶段主要使用的电力半导体器件是电力二极管和晶闸管（俗称可控硅），由于这类器件的控制功能有欠缺，通过门极只能控制其开通，而不能控制其关断，所以晶闸管只能称其为半控型器件，晶闸管变流电路的控制方式主要是相位控制方式，其关断通常依靠电网电压的外部条件来实现。现代电力电子技术应用微电子技术与电力电子技术相结合产生的高频化和全控型的功率集成器件，主要包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、绝缘栅极晶体管（LGBT）等全控型器件，通过对门极的控制既可以使其导通又可使其关断，其控制方式采用脉冲宽度调制（PWM）方式，与传统电力电子技术相比，具有集成化、高频化、全控化、电路形式弱电化和控制技术数字化特点。在钻井平台应用两种技术组成的有代表的系统分别为利用晶闸管及其变流电路为主体的可控整流的直流调速系统和利用LOGBT及其变流电路为主体的交流变频调速系统。
一、钻井平台调速系统的种类
目前，海洋钻井平台上的一些设备，如绞车、泥浆泵、顶部驱动等设备的传动柜主要是利用晶闸管及其变流电路为主体的传统电力电子技术组成的可控整流的直流调速系统，其主电路为三相桥式全控整流电路，将三相交流电源变换成电压连续可调的直流电源向直流电动机供电，其控制系统目前都已升级更换为以西门子6RA24（或6RA70）整流装置（SIMOREG K 6RA24/70）为核心的转速、电流双闭环调速系统。而利用LOGBT及其变流电路为主体的现代电力电子技术组成的较先进的交流变频调速系统，也陆续被海洋钻井公司引进，如二、三、四、七、八号平台上的变频顶驱就是应用这一系统。交流变频调速通过变频器将固定频率（50HZ或60HZ）的电源转换成随意调节的可变频率的电源，向交流电动机供电达到调速目的。通常可分为交-交变频和交-直-交变频两大类型。交流变频系统既可以控制同步电动机，也可以控制异步电动机，目前在钻井平台上应用最多、最广泛的变频调速是交-直-交电压源型SPWM变频器，如胜利十号平台的钻井设备全部采用交流变频系统。
二、直流调速系统的组成及其控制系统的特点
直流调速系统的主回路是以晶闸管变流装置为主体的桥式整流电路，将交流电源整流电压可变的直流电。整流从形式来分有全波整流与半波整流两种，从电源来分又有单相整流与三相整流之分。目前，电动钻机直流传动系统中大部分采用三相全控桥式整流电路。其中一种控制系统是采用模拟控制电路，主要有触发电路板组成的SCR触发电路和调节器板组成的直流调节器，它们组成一个具有反馈环节的自动控制系统，根据指令，调节直流电动机的速度和转矩。SCR的传动系统由两个调节环节组成，外环为电压（速度）环，内环为电流（转矩）环。另一种是数字控制电路，如目前海洋钻井公司的钻井平台上的可控硅传动柜控制系统已全部升级更换为以西门子6RA24（或6RA70）整流装置（SIMOREG K 6RA24/70）为核心的转速、电流双闭环调速系统，见图1。
三相全控桥式整流电路由6个晶闸管组成6个桥臂。在工作周期中有固定的导通顺序。如图1中单元号注脚的号码V1、V2、V3、V4、V5、V6依次导通。V1、V3、V5构成共阴极组，V2、V4、V6构成共阳极组。其工作特点如下。（1）整流运行中每个时刻必有两个晶闸管导通（共阳极、共阴极组各一）。（2）共阳极组（上组）三管每隔1200依次导通；共阴极组（下组）三管也每隔1200依次导通。（3）晶闸管导通顺序为V1、V2、V3、V4、V5、V6。通常每隔600有一个晶闸管导通。三相桥式全控整流电路的特点是直流电压的脉动较小，对电网来说是平衡的三相整流装置，并且适合于较大的负载容量。这就是直流电动钻机普遍选用此电路结构的原因所在。
控制系统系统采用德国西门子6RA24调节装置，作为调速系统的主控单元。实现电动势及转矩的闭环控制。输出6相移位脉冲，控制晶闸管全控桥的输出，从而实现直流电动机的转速控制。利用双闭环调速系统的原理，把双闭环系统所用的速度环比较环节、速度调节器、电流环比较环节、电流调节器、脉冲触发环节、转速及电流反馈环节等所使用的元件，利用80C186微处理器进行了模拟运算，采用了128K EPROM存储器，内部指令运算非常快，仅需要220ns就能运行完毕，这样避免了原来运算电路所造成的误差，并从中增加了许多监控和保护，使系统工作稳定，响应加快。
图1中与可控硅并联的阻容（RC）保护电路是为了抑制可控硅关断时产生的过电压而设置的。可控硅元件监视灯为每个可控硅元件的工作情况提供指示。桥臂电抗器用来限制可控硅导通时的di/dt。快速熔断器用作短路保护，防止直流侧短路或因可控硅击穿而产生的过电流，其辅助触点联锁到主断路器的分闸控制回路。
在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制，例如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，电机向高转速、大容量发展也受到了限制。
三、交流变频调速系统的组成及其控制系统的特点
在电驱动控制领域中，利用现代控制理论和微电子计算机技术开发出了交流矢量控制变频调速技术。变频调速技术及其装置已成为新世纪的主流技术和主流产品，尤其是应用在新型钻井平台上。目前在钻井平台上应用最多、最广泛的变频调速系统是交-直-交电压源型SPWM变频器，它的输出电压波形接近于正弦波。
1.控制特点
交流电驱动钻机的控制对象多为鼠笼型异步电动机，高性能的调速控制是以矢量控制理论为基础的。矢量控制中，电磁转矩控制关键是电流矢量的控制。石油钻机负载变化非常大，而调速范围很宽，又不希望加机械换档。因此，为了满足钻井生产的需要，电驱动钻机采用了特殊的转速－转矩特性。在启动、低速等工况或由于负载过大产生堵转时，需要提供最大的转矩，并且在较宽的范围内有恒定的输出功率，在高速段需要硬特性来满足较高生产率。因此，交流变频系统的调速范围可分为两个区段：在基速（对应50HZ或60HZ）以下，采取矢量控制保持磁通恒定的恒转矩调速方式；在基速以上利用频率/电压鉴定环节的饱和特性，使系统保持电源电压恒定的近似恒功率调速方式（类似于直流电传动系统的弱磁调速）。
2.交流变频PWM型闭环调节系统的基本组成
变频调速系统的控制对象是交流电动机。就石油钻机电驱动而言，首选的应是鼠笼型异步发电机。因为它具有结构简单、坚固耐用、效率高、响应快、容量大、转速高等突出特点。全数字变频系统包含硬件配置和软件配置两大部分。
（1）硬件配置。变频调速系统的主回路由可控硅整流桥、直流联接电路和变频逆变电路三部分组成。可控硅整流桥将三相固定频率的交流电源，经整流电路整流后为直流母线提供可控直流电压。直流联接电路由电容储能元件以及电抗器构成。逆变电路采用高性能的可关断器件IGBT构成，经逆变后向三相异步交流电动机提供变频电源。控制系统由模块化的微型控制器、输入、输出接口电路、PWM触发电路以及包含控制模块、系统监控软件、逻辑电路的集成电路ASIC组成。系统的频率设定、电压、电流等信号经A/D口转换进入微型控制器，经CPU处理器或单片机运算处理后由系统总线与ASIC进行交换；电机的正反转控制、速度给定等由输入接口送到处理器，多功能模拟输出接口送；逆变器触发模块完成触发角的计算和触发信号的分配。
（2）软件配置。交流异步电动机的数学模型是复杂的多变量强耦合系统。通过矢量控制坐标变换可以进行简化、解耦。通过大量的软件功能模块实现这些复杂的运算和处理。给定积分器功能块实现电动机平稳的升速、降速操作；由PI数字模块构成的速度调节器SR功能块，实现速度给定与速度反馈信号的综合运算，输出值为有功功率分量的给定值。PI组成的励磁电流分量调节器，即IMR功能块，用来综合有功电流给定值与电流实际值，形成电流环。矢量变换功能块实现矢量的旋转变换运算以及电流-电压变换。EMF预控模块计算当前电机的反电势，实现预控制。
四、结束语
综上所述，在当今电驱动钻机市场上占主导地位的电气传动系统有以下两种类型。一类是价廉物美的直流调速系统，目前海上平台钻井设备和陆地深井钻机用得最多的就是这种系统。它是通过发电机组并网发电，再由SCR装置整流控制直流电动机驱动的模式，技术成熟可靠，采用全数字控制后性能更加完善；还有一类是被视为钻机发展趋势的交变频调速系统，它是综合了现代多学科理论的高科技产品，近年来随着交流电动机大功率变频系统的商业化和技术日趋成熟，这种驱动方式在钻机上用得越来越多，交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。
参考文献：
[1]西门子 6RA24 数字整流装置说明书[S].
[2]黄俊.电力电子变流技术(第3版)[M].西安:西安交大出版社,2000.
[3]邹伯敏.自动控制理论(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2001.
（责任编辑：沈清）