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中压三电平变频器在青海油田的应用

发布时间:2014-04-11 作者:日本摘花视频电子科技

  1  引言
  青海油田,地处青海与新疆、甘肃的交界处,中国四大盆地之一的柴达木盆地上,海拔接近3000m,是世界上海拔最高的油田。这里地质、气候条件十分艰苦,头顶上是终年皑皑白雪的昆仑山脉,脚下是寸草不生的沙漠与盐碱滩,经常起沙尘暴,风沙肆虐。
  在这种环境下应用变频器,对其要求就比较苛刻:
  (1)要能经受海拔高、高原缺氧的考验。一般规定变频器的海拔高度在1000m以下,现在是3000m,变频器要降级使用,要比电机高出一档,保证其器件的可靠工作。
  (2)高原气候,昼夜温差大,特别在冬天,可相差20~30℃,有可能凝露或结霜。
  (3)要能经受风沙的侵袭。在这里,特别是春秋天,经常起沙尘暴,狂风卷积着黄沙肆虐横行,刮起来几十米就看不清东西。
  (4)油田大部处于盐碱地,腐蚀性比较强。变频器内的元器件要能经受盐碱性气候的影响,防止生锈,造成接触不良而出现故障。
  2  采取的应对措施
  针对这些情况,笔者对变频器作了很多防护措施,保证其可靠的运行:
  (1)对野外工作的设备,作专门的铁皮房加以防护。铁皮房作成两层的,中间加保温材料。夏季防热,冬季保温,防止变频器因温差过大而结霜、凝露。
  (2)对变频器的冷却风扇采用温控仪控制,在温度低于设定温度时停止运行,既防止了低温下风扇冷却造成的温度下降,又延长了风机的使用寿命。
  (3)对盐碱地腐蚀性较强的问题,采取喷涂绝缘清漆的方法,使接线端子与外界腐蚀性气体隔绝,防止氧化、生锈,造成接触不良而工作不稳定。
  (4)针对1140V电压等级,采用三电平控制方式,改善了输出波形,对保护电机绝缘很有利,同时也降低了主电路成本。
  3  中压三电平变频器的工作原理及特点
  3.1 变频器的调速原理
  由三相异步电动机的转速公式告诉亚洲影院免费:
  n=60f(1-s)/p
  式中,n-电动机的转速;
  F-供电频率;
  P-电机的极对数;
  S-电机的转差率。
  在该式中,若保持p(极对数)、s(转差率)不变,平滑的改变电机的供电频率f,则电机转速n=kf (k为比例系数),即可得到平滑的改变,这就是变频调速的工作原理。
  3.2 中压三电平电路
  由于现场工作电压比较高,为中压1140V,采用普通的变频器显然不合适,而采用高压模块,代价又较高,且对于高压电机而言,良好的波形,对其绝缘及耐压都是必须的,普通的两电平电路显然不能适应这一要求。
  为了适应电压等级及负载的要求,采用了三电平电路或称中点箝位电路,如图1所示。

  图1  三电平变频器主电路图

  其中主电路每相接有四只IGBT,串联承担全部的电压,三相交流电压经全波整流后变成直流电压,由单片机控制四只IGBT的导通与截止,形成SPWM的交变输出。为抑制IGBT交变过程中的电压突变,采用了中点箝位电路,有两只快恢复二极管串联组成箝位二极管,其中心点与滤波电容的中心点相连接,组成本电路的中心点(三电平的中心电平)。其输出波形如图2所示。

  图2  三电平波形图

  从图2中可看出,相电压为三电平,线电压为五电平,因此它不但能输出较高的电压,而且能降低输出谐波和电压变化率(dv/dt),良好的波形正是本电路的特色。
  3.3 输入电压的稳定
  在变频器的主控板上,有一个给单片机供电的电源,从电网中取得电压经变压器变压后,经整流、滤波后得到直流电压,以U0表示,该电压正比于电网电压 ,在此装有一个分压器,其电压Ut正比于U0,将Ut值送单片机处理,令U0的额定值对应的Ut值为1,电网向上波动时,Ut>1,电网向下波动时,Ut<1,CPU在计算PWM波的脉宽时,要乘上因子1/Ut,这就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行当中,当电网侧电压波动+10%时,电机侧测不到电压的波动,说明Ut补偿效果明显。
  3.4 性能特点及应用场合
  (1)性能特点
  主电路拓扑结构合理、先进,主电路采用的是三电平结构,用低压器件就可实现中压逆变,可靠性高;
  输出波形好,相对两电平电路而言,由于输出电平多,输出侧又接有LC低通滤波器,所以dv/dt小,电机运行无噪音、相对无振动,普通电机就能使用,且不必降额;
  对电网侧的电压波动有良好的稳压作用;
  启动电压可以补偿。若输出端接有长电缆,电缆上的电压损耗可得到最佳的补偿;
  内置PI调节器,可开/闭环运行;
  柜内设有工频/变频切换控制开关,二者之间有互锁功能。
  (2)适用场合
  本型号主要为泵类、风机类负载而设计,节能效果明显。其典型应用场合如:油田的潜油电泵、锅炉鼓风机、锅炉给水泵、大型输油泵、矿井排水泵、排风扇、自来水供水泵、中央空调压缩机等。
  4  抽油机变频器的特点
  作为抽油设备,在抽油杆上下往复的提油过程中,存在着再生发电状态,造成变频器主电路母线电压升高,因此要将这部分能量处理掉。采用能耗制动电阻来予以消耗。其电路如图3所示。

  图3  制动单元

  用单片机适时地检测母线电压,在电压高时打开IGBT,使高出的电压通过电阻释放掉,即可保证母线电压的稳定,保证主功率器件的安全。
  5  潜油电泵变频器的特点
  潜油电泵由于都是在几千米的井下工作,因此对变频器就有一些特殊的要求:
  (1)输出尽量为正弦波
  电压型变频器输出的是三相SPWM,即宽度按正弦规律变化的矩形脉冲波,这种波形直接送给电动机,由于电机是感性负载,所以可获得近似的正弦驱动电流。在本设备中存在有几千米的电缆,若把PWM波直接加在电缆输入端,由于长线效应,电机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击,电机很可能被烧坏。因此应在输出端增加三相低通LC 滤波,如图4所示。其截止频率约为额定频率的1/3。

  图4  输出滤波图

  (2)载波频率的选择
  提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处,可是载波频率提高,会使开关损耗增加,所以选择时必须权衡利弊。本设备中载波频率选为9.5kHz,选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁心的重量。
  (3)启动电压的补偿
  对于V/F控制的变频器而言,其启动电压随着电压的降低而降低,由于本设备电缆线比较长,到电机端损耗增加,可能启动不了,所以必须设置低频补偿。为了实现软启动,92福利视频把启动频率设在2Hz,50Hz对应于1140V的额定输出,电缆的补偿电压Vb设为100V,在实际应用中,Vb的大小还可调整。
  6  应用效果
  笔者在青海油田安装了七台中压抽油机变频器,两台中压潜油电泵变频器,都取得了明显的节能效果。
  (1)潜油电泵的改造
  综合测算节电率都在20%左右,如表1和表2所示。

 

  表1  YX-36井安装变频器前后对照表

  可看出:节电率为:(44.2-34.7)/44.2=22%。

  表2  YX-16井安装变频器前后对照

  可看出,节电率为:(45-33)/45=26.7%。
  (2)抽油机的改造
  节电情况如表3所示。

  表3  抽油机变频改造节电情况

  7  结束语
  经过这几口井的变频改造,可以看出,应用变频控制有很多优点。
  (1)软起停。变频器是低频低压的软启动,启动电流为额定电流的一半,避免了对电网、电泵的冲击,对延缓电机老化、绕组绝缘等都有好处。
  (2)可根据井况调节泵的转速。可依据井的液位、含油多少调节变频器的频率,进而调节泵的转速,实现缓抽,使井不至于欠载停机,避免了泵的频繁起停,对泵也有利。
  (3)节能显著。从以上计算分析可看出,采用变频后,频率下降,可节约大量的能量,如采油一厂的YX-36、YX-16井,节电率也可达到20%左右,效果明显。
  (4)保护功能完善。变频器设置有各种保护功能,如过压、欠压、过流、过载、温升过高、欠载等保护,可有效的保护电泵及设备,避免电网的波动及地质条件的变化,如沙卡、结腊、液面降低等造成的危害。
  因此使用变频器意义重大,是节能、调速的好产品,值得大面积推广。