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中壓三電平變頻器在青海油田的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光

1  引言
  青海油田,地處青海與新疆、甘肅的交界處,中國(guó)四大盆地之一的柴達(dá)木盆地上,海拔接近3000m,是世界上海拔最高的油田。這里地質(zhì)、氣候條件十分艱苦,頭頂上是終年皚皚白雪的昆侖山脈,腳下是寸草不生的沙漠與鹽堿灘,經(jīng)常起沙塵暴,風(fēng)沙肆虐。
  在這種環(huán)境下應(yīng)用變頻器,對(duì)其要求就比較苛刻:
(1)要能經(jīng)受海拔高、高原缺氧的考驗(yàn)。一般規(guī)定變頻器的海拔高度在1000m以下,現(xiàn)在是3000m,變頻器要降級(jí)使用,要比電機(jī)高出一檔,保證其器件的可靠工作。
(2)高原氣候,晝夜溫差大,特別在冬天,可相差20~30℃,有可能凝露或結(jié)霜。
(3)要能經(jīng)受風(fēng)沙的侵襲。在這里,特別是春秋天,經(jīng)常起沙塵暴,狂風(fēng)卷積著黃沙肆虐橫行,刮起來幾十米就看不清東西。
(4)油田大部處于鹽堿地,腐蝕性比較強(qiáng)。變頻器內(nèi)的元器件要能經(jīng)受鹽堿性氣候的影響,防止生銹,造成接觸不良而出現(xiàn)故障。
2  采取的應(yīng)對(duì)措施
  針對(duì)這些情況,筆者對(duì)變頻器作了很多防護(hù)措施,保證其可靠的運(yùn)行:
(1)對(duì)野外工作的設(shè)備,作專門的鐵皮房加以防護(hù)。鐵皮房作成兩層的,中間加保溫材料。夏季防熱,冬季保溫,防止變頻器因溫差過大而結(jié)霜、凝露。
(2)對(duì)變頻器的冷卻風(fēng)扇采用溫控儀控制,在溫度低于設(shè)定溫度時(shí)停止運(yùn)行,既防止了低溫下風(fēng)扇冷卻造成的溫度下降,又延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命。
(3)對(duì)鹽堿地腐蝕性較強(qiáng)的問題,采取噴涂絕緣清漆的方法,使接線端子與外界腐蝕性氣體隔絕,防止氧化、生銹,造成接觸不良而工作不穩(wěn)定。
(4)針對(duì)1140V電壓等級(jí),采用三電平控制方式,改善了輸出波形,對(duì)保護(hù)電機(jī)絕緣很有利,同時(shí)也降低了主電路成本。
3  中壓三電平變頻器的工作原理及特點(diǎn)
3.1 變頻器的調(diào)速原理

  由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式告訴我們:
  n=60f(1-s)/p
  式中,n-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;
  F-供電頻率;
  P-電機(jī)的極對(duì)數(shù);
  S-電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。
  在該式中,若保持p(極對(duì)數(shù))、s(轉(zhuǎn)差率)不變,平滑的改變電機(jī)的供電頻率f,則電機(jī)轉(zhuǎn)速n=kf (k為比例系數(shù)),即可得到平滑的改變,這就是變頻調(diào)速的工作原理。
3.2 中壓三電平電路
  由于現(xiàn)場(chǎng)工作電壓比較高,為中壓1140V,采用普通的變頻器顯然不合適,而采用高壓模塊,代價(jià)又較高,且對(duì)于高壓電機(jī)而言,良好的波形,對(duì)其絕緣及耐壓都是必須的,普通的兩電平電路顯然不能適應(yīng)這一要求。
  為了適應(yīng)電壓等級(jí)及負(fù)載的要求,采用了三電平電路或稱中點(diǎn)箝位電路,如圖1所示。

  圖1  三電平變頻器主電路圖

  其中主電路每相接有四只IGBT,串聯(lián)承擔(dān)全部的電壓,三相交流電壓經(jīng)全波整流后變成直流電壓,由單片機(jī)控制四只IGBT的導(dǎo)通與截止,形成SPWM的交變輸出。為抑制IGBT交變過程中的電壓突變,采用了中點(diǎn)箝位電路,有兩只快恢復(fù)二極管串聯(lián)組成箝位二極管,其中心點(diǎn)與濾波電容的中心點(diǎn)相連接,組成本電路的中心點(diǎn)(三電平的中心電平)。其輸出波形如圖2所示。

  圖2  三電平波形圖

  從圖2中可看出,相電壓為三電平,線電壓為五電平,因此它不但能輸出較高的電壓,而且能降低輸出諧波和電壓變化率(dv/dt),良好的波形正是本電路的特色。
3.3 輸入電壓的穩(wěn)定
  在變頻器的主控板上,有一個(gè)給單片機(jī)供電的電源,從電網(wǎng)中取得電壓經(jīng)變壓器變壓后,經(jīng)整流、濾波后得到直流電壓,以U0表示,該電壓正比于電網(wǎng)電壓 ,在此裝有一個(gè)分壓器,其電壓Ut正比于U0,將Ut值送單片機(jī)處理,令U0的額定值對(duì)應(yīng)的Ut值為1,電網(wǎng)向上波動(dòng)時(shí),Ut>1,電網(wǎng)向下波動(dòng)時(shí),Ut<1,CPU在計(jì)算PWM波的脈寬時(shí),要乘上因子1/Ut,這就達(dá)到了穩(wěn)定輸入電壓的目的。設(shè)備在油田的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中,當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)+10%時(shí),電機(jī)側(cè)測(cè)不到電壓的波動(dòng),說明Ut補(bǔ)償效果明顯。
3.4 性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合
      (1)性能特點(diǎn)
  主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理、先進(jìn),主電路采用的是三電平結(jié)構(gòu),用低壓器件就可實(shí)現(xiàn)中壓逆變,可靠性高;
  輸出波形好,相對(duì)兩電平電路而言,由于輸出電平多,輸出側(cè)又接有LC低通濾波器,所以dv/dt小,電機(jī)運(yùn)行無噪音、相對(duì)無振動(dòng),普通電機(jī)就能使用,且不必降額;
  對(duì)電網(wǎng)側(cè)的電壓波動(dòng)有良好的穩(wěn)壓作用;
  啟動(dòng)電壓可以補(bǔ)償。若輸出端接有長(zhǎng)電纜,電纜上的電壓損耗可得到較佳的補(bǔ)償;
  內(nèi)置PI調(diào)節(jié)器,可開/閉環(huán)運(yùn)行;
  柜內(nèi)設(shè)有工頻/變頻切換控制開關(guān),二者之間有互鎖功能。
 ?。?)適用場(chǎng)合
  本型號(hào)主要為泵類、風(fēng)機(jī)類負(fù)載而設(shè)計(jì),節(jié)能效果明顯。其典型應(yīng)用場(chǎng)合如:油田的潛油電泵、鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、大型輸油泵、礦井排水泵、排風(fēng)扇、自來水供水泵、中央空調(diào)壓縮機(jī)等。
  4  抽油機(jī)變頻器的特點(diǎn)
  作為抽油設(shè)備,在抽油桿上下往復(fù)的提油過程中,存在著再生發(fā)電狀態(tài),造成變頻器主電路母線電壓升高,因此要將這部分能量處理掉。采用能耗制動(dòng)電阻來予以消耗。其電路如圖3所示。

  圖3  制動(dòng)單元

  用單片機(jī)適時(shí)地檢測(cè)母線電壓,在電壓高時(shí)打開IGBT,使高出的電壓通過電阻釋放掉,即可保證母線電壓的穩(wěn)定,保證主功率器件的安全。
5  潛油電泵變頻器的特點(diǎn)
  潛油電泵由于都是在幾千米的井下工作,因此對(duì)變頻器就有一些特殊的要求:
 ?。?)輸出盡量為正弦波
  電壓型變頻器輸出的是三相SPWM,即寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖波,這種波形直接送給電動(dòng)機(jī),由于電機(jī)是感性負(fù)載,所以可獲得近似的正弦驅(qū)動(dòng)電流。在本設(shè)備中存在有幾千米的電纜,若把PWM波直接加在電纜輸入端,由于長(zhǎng)線效應(yīng),電機(jī)側(cè)會(huì)受到數(shù)倍于額定值的尖峰電壓的沖擊,電機(jī)很可能被燒壞。因此應(yīng)在輸出端增加三相低通LC 濾波,如圖4所示。其截止頻率約為額定頻率的1/3。

  圖4  輸出濾波圖

 ?。?)載波頻率的選擇
  提高載波頻率對(duì)改善波形、降低噪聲大有好處,可是載波頻率提高,會(huì)使開關(guān)損耗增加,所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊。本設(shè)備中載波頻率選為9.5kHz,選擇這個(gè)值時(shí)考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵心的重量。
 ?。?)啟動(dòng)電壓的補(bǔ)償
  對(duì)于V/F控制的變頻器而言,其啟動(dòng)電壓隨著電壓的降低而降低,由于本設(shè)備電纜線比較長(zhǎng),到電機(jī)端損耗增加,可能啟動(dòng)不了,所以必須設(shè)置低頻補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),我們把啟動(dòng)頻率設(shè)在2Hz,50Hz對(duì)應(yīng)于1140V的額定輸出,電纜的補(bǔ)償電壓Vb設(shè)為100V,在實(shí)際應(yīng)用中,Vb的大小還可調(diào)整。
6  應(yīng)用效果
  筆者在青海油田安裝了七臺(tái)中壓抽油機(jī)變頻器,兩臺(tái)中壓潛油電泵變頻器,都取得了明顯的節(jié)能效果。
 ?。?)潛油電泵的改造
  綜合測(cè)算節(jié)電率都在20%左右,如表1和表2所示。

 

  表1  YX-36井安裝變頻器前后對(duì)照表

  可看出:節(jié)電率為:(44.2-34.7)/44.2=22%。

  表2  YX-16井安裝變頻器前后對(duì)照

  可看出,節(jié)電率為:(45-33)/45=26.7%。
 ?。?)抽油機(jī)的改造
  節(jié)電情況如表3所示。

  表3  抽油機(jī)變頻改造節(jié)電情況

7  結(jié)束語(yǔ)
  經(jīng)過這幾口井的變頻改造,可以看出,應(yīng)用變頻控制有很多優(yōu)點(diǎn)。
 ?。?)軟起停。變頻器是低頻低壓的軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流為額定電流的一半,避免了對(duì)電網(wǎng)、電泵的沖擊,對(duì)延緩電機(jī)老化、繞組絕緣等都有好處。
 ?。?)可根據(jù)井況調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速??梢罁?jù)井的液位、含油多少調(diào)節(jié)變頻器的頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)緩抽,使井不至于欠載停機(jī),避免了泵的頻繁起停,對(duì)泵也有利。
 ?。?)節(jié)能顯著。從以上計(jì)算分析可看出,采用變頻后,頻率下降,可節(jié)約大量的能量,如采油一廠的YX-36、YX-16井,節(jié)電率也可達(dá)到20%左右,效果明顯。
 ?。?)保護(hù)功能完善。變頻器設(shè)置有各種保護(hù)功能,如過壓、欠壓、過流、過載、溫升過高、欠載等保護(hù),可有效的保護(hù)電泵及設(shè)備,避免電網(wǎng)的波動(dòng)及地質(zhì)條件的變化,如沙卡、結(jié)臘、液面降低等造成的危害。
  因此使用變頻器意義重大,是節(jié)能、調(diào)速的好產(chǎn)品,值得大面積推廣。