產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
中壓三電平變頻器在青海油田的應(yīng)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(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)對措施
針對這些情況，筆者對變頻器作了很多防護(hù)措施，保證其可靠的運(yùn)行：
（1）對野外工作的設(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，又延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命。
（3）對鹽堿地腐蝕性較強(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1140V電壓等級，采用三電平控制方式，改善了輸出波形，對保護(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)的極對數(shù)；
S－電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。
在該式中，若保持p（極對數(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，且對于高壓電機(jī)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(yīng)這一要求。
為了適應(yīng)電壓等級及負(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、相對無振動(dòng)，普通電機(jī)就能使用，且不必降額；
對電網(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。
（2）適用場合
本型號主要為泵類、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(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
（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(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。
（3）啟動(dòng)電壓的補(bǔ)償
對于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，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。
（1）潛油電泵的改造
綜合測算節(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照
可看出，節(jié)電率為：（45-33）/45=26.7%。
（2）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
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)。
（1）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，避免了對電網(wǎng)、電泵的沖擊，對延緩電機(jī)老化、繞組絕緣等都有好處。
（2）可根據(jù)井況調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。可依據(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，對泵也有利。
（3）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。
（4）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。
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