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中壓三電平變頻器在青海油田的應用

發布時間:2014-04-11 作者:新風光

1  引言
  青海油田,地處青海與新疆、甘肅的交界處,中國四大盆地之一的柴達木盆地上,海拔接近3000m,是世界上海拔最高的油田。這里地質、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,經常起沙塵暴,風沙肆虐。
  在這種環境下應用變頻器,對其要求就比較苛刻:
(1)要能經受海拔高、高原缺氧的考驗。一般規定變頻器的海拔高度在1000m以下,現在是3000m,變頻器要降級使用,要比電機高出一檔,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℃,有可能凝露或結霜。
(3)要能經受風沙的侵襲。在這里,特別是春秋天,經常起沙塵暴,狂風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。變頻器內的元器件要能經受鹽堿性氣候的影響,防止生銹,造成接觸不良而出現故障。
2  采取的應對措施
  針對這些情況,筆者對變頻器作了很多防護措施,保證其可靠的運行:
(1)對野外工作的設備,作專門的鐵皮房加以防護。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霜、凝露。
(2)對變頻器的冷卻風扇采用溫控儀控制,在溫度低于設定溫度時停止運行,既防止了低溫下風扇冷卻造成的溫度下降,又延長了風機的使用壽命。
(3)對鹽堿地腐蝕性較強的問題,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定。
(4)針對1140V電壓等級,采用三電平控制方式,改善了輸出波形,對保護電機絕緣很有利,同時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
3.1 變頻器的調速原理

  由三相異步電動機的轉速公式告訴我們:
  n=60f(1-s)/p
  式中,n-電動機的轉速;
  F-供電頻率;
  P-電機的極對數;
  S-電機的轉差率。
  在該式中,若保持p(極對數)、s(轉差率)不變,平滑的改變電機的供電頻率f,則電機轉速n=kf (k為比例系數),即可得到平滑的改變,這就是變頻調速的工作原理。
3.2 中壓三電平電路
  由于現場工作電壓比較高,為中壓1140V,采用普通的變頻器顯然不合適,而采用高壓模塊,代價又較高,且對于高壓電機而言,良好的波形,對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這一要求。
  為了適應電壓等級及負載的要求,采用了三電平電路或稱中點箝位電路,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,串聯承擔全部的電壓,三相交流電壓經全波整流后變成直流電壓,由單片機控制四只IGBT的導通與截止,形成SPWM的交變輸出。為抑制IGBT交變過程中的電壓突變,采用了中點箝位電路,有兩只快恢復二極管串聯組成箝位二極管,其中心點與濾波電容的中心點相連接,組成本電路的中心點(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 輸入電壓的穩定
  在變頻器的主控板上,有一個給單片機供電的電源,從電網中取得電壓經變壓器變壓后,經整流、濾波后得到直流電壓,以U0表示,該電壓正比于電網電壓 ,在此裝有一個分壓器,其電壓Ut正比于U0,將Ut值送單片機處理,令U0的額定值對應的Ut值為1,電網向上波動時,Ut>1,電網向下波動時,Ut<1,CPU在計算PWM波的脈寬時,要乘上因子1/Ut,這就達到了穩定輸入電壓的目的。設備在油田的實際運行當中,當電網側電壓波動+10%時,電機側測不到電壓的波動,說明Ut補償效果明顯。
3.4 性能特點及應用場合
      (1)性能特點
  主電路拓撲結構合理、先進,主電路采用的是三電平結構,用低壓器件就可實現中壓逆變,可靠性高;
  輸出波形好,相對兩電平電路而言,由于輸出電平多,輸出側又接有LC低通濾波器,所以dv/dt小,電機運行無噪音、相對無振動,普通電機就能使用,且不必降額;
  對電網側的電壓波動有良好的穩壓作用;
  啟動電壓可以補償。若輸出端接有長電纜,電纜上的電壓損耗可得到較佳的補償;
  內置PI調節器,可開/閉環運行;
  柜內設有工頻/變頻切換控制開關,二者之間有互鎖功能。
  (2)適用場合
  本型號主要為泵類、風機類負載而設計,節能效果明顯。其典型應用場合如:油田的潛油電泵、鍋爐鼓風機、鍋爐給水泵、大型輸油泵、礦井排水泵、排風扇、自來水供水泵、中央空調壓縮機等。
  4  抽油機變頻器的特點
  作為抽油設備,在抽油桿上下往復的提油過程中,存在著再生發電狀態,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。采用能耗制動電阻來予以消耗。其電路如圖3所示。

  圖3  制動單元

  用單片機適時地檢測母線電壓,在電壓高時打開IGBT,使高出的電壓通過電阻釋放掉,即可保證母線電壓的穩定,保證主功率器件的安全。
5  潛油電泵變頻器的特點
  潛油電泵由于都是在幾千米的井下工作,因此對變頻器就有一些特殊的要求:
  (1)輸出盡量為正弦波
  電壓型變頻器輸出的是三相SPWM,即寬度按正弦規律變化的矩形脈沖波,這種波形直接送給電動機,由于電機是感性負載,所以可獲得近似的正弦驅動電流。在本設備中存在有幾千米的電纜,若把PWM波直接加在電纜輸入端,由于長線效應,電機側會受到數倍于額定值的尖峰電壓的沖擊,電機很可能被燒壞。因此應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

  (2)載波頻率的選擇
  提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處,可是載波頻率提高,會使開關損耗增加,所以選擇時必須權衡利弊。本設備中載波頻率選為9.5kHz,選擇這個值時考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵心的重量。
  (3)啟動電壓的補償
  對于V/F控制的變頻器而言,其啟動電壓隨著電壓的降低而降低,由于本設備電纜線比較長,到電機端損耗增加,可能啟動不了,所以必須設置低頻補償。為了實現軟啟動,我們把啟動頻率設在2Hz,50Hz對應于1140V的額定輸出,電纜的補償電壓Vb設為100V,在實際應用中,Vb的大小還可調整。
6  應用效果
  筆者在青海油田安裝了七臺中壓抽油機變頻器,兩臺中壓潛油電泵變頻器,都取得了明顯的節能效果。
  (1)潛油電泵的改造
  綜合測算節電率都在20%左右,如表1和表2所示。

 

  表1  YX-36井安裝變頻器前后對照表

  可看出:節電率為:(44.2-34.7)/44.2=22%。

  表2  YX-16井安裝變頻器前后對照

  可看出,節電率為:(45-33)/45=26.7%。
  (2)抽油機的改造
  節電情況如表3所示。

  表3  抽油機變頻改造節電情況

7  結束語
  經過這幾口井的變頻改造,可以看出,應用變頻控制有很多優點。
  (1)軟起停。變頻器是低頻低壓的軟啟動,啟動電流為額定電流的一半,避免了對電網、電泵的沖擊,對延緩電機老化、繞組絕緣等都有好處。
  (2)可根據井況調節泵的轉速。可依據井的液位、含油多少調節變頻器的頻率,進而調節泵的轉速,實現緩抽,使井不至于欠載停機,避免了泵的頻繁起停,對泵也有利。
  (3)節能顯著。從以上計算分析可看出,采用變頻后,頻率下降,可節約大量的能量,如采油一廠的YX-36、YX-16井,節電率也可達到20%左右,效果明顯。
  (4)保護功能完善。變頻器設置有各種保護功能,如過壓、欠壓、過流、過載、溫升過高、欠載等保護,可有效的保護電泵及設備,避免電網的波動及地質條件的變化,如沙卡、結臘、液面降低等造成的危害。
  因此使用變頻器意義重大,是節能、調速的好產品,值得大面積推廣。