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中壓三電平變頻器在青海油田的應用

2014-04-11 16:55:35

  中壓三電平變頻器在青海油田的應用
  The Application of Middle Voltage Three Levels Inverter in the Qinghai Oil Field

  作 者 :山東新風光電子科技發展有限公司  周加勝  王學軍     青海油田采油二廠  徐本功  陳  奎

  摘 要 :本文論述了三電平中壓變頻器在青海油田潛油電泵、抽油機上的應用,說明了青海油田應用變頻器的難點,展示了其應用前景。
  英文摘 要 :This article elaborates the  application of mid-Voltage Three Levels Inverter to dive on the oil electric pump in the Qinghai oil field, the pumping unit application, and explains the difficulty the inverter applied in the Qinghai oil field, and thus has demonstrated its application prospect.
  關鍵詞: 中壓變頻器     三電平     應用
  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。

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  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。

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  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最佳的補償;
  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。

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  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。

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  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。

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  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%。

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  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。

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  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。

 

 

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