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中压三电平变频器在青海油田的应用

2014-04-11 16:55:35

  中压三电平变频器在青海油田的应用
  The Application of Middle Voltage Three Levels Inverter in the Qinghai Oil Field

  作 者 :山东新风光电子科技发展有限公司  周加胜  王学军     青海油田采油二厂  徐本功  陈  奎

  摘 要 :本文论述了三电平中压变频器在青海油田潜油电泵、抽油机上的应用,说明了青海油田应用变频器的难点,展示了其应用前景。
  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.
  关键词: 中压变频器     三电平     应用
  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我们:
  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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,我们把启动频率设在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。

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  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%。

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  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。

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  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。

 

 

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