中压三电平变频器在青海油田的应用_1.docx
中压三电平变频器在青海油田的应用摘 要 ：本文阐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，讲明了青海油田应用变频器的难点，展示了其应用前景。 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、气候条件特别艰辛，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，对其要求就比拟苛刻: 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，如今是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，十分在冬天，可相差2030，有可能凝露或者结霜。 3要能经受风沙的侵袭。在这里，十分是春秋天，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，腐蚀性比拟强。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顿运行，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本钱。 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=60f1s/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，假设保持p极对数、s转差率不变，平滑的改变电机的供电频率f，那么电机转速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拟高，为中压1140V,采用普通的变频器显然不适宜，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者称中点箝位电路，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，串联承当全部的电压，三相沟通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交变经过中的电压突变，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，组本钱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，从电网中获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，Ut4 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经过中，存在着再生发电状态，造成变频器主电路母线电压升高，因此要将这局部能量处理掉。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，在电压高时翻开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，保证主功率器件的平安。 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，假设把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 进步载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率进步，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拟长，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。如图5所示。 图5 V/F曲线图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，都获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 YX36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 YX16井安装变频器前后对照表 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 完毕语 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，防止了对电网、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。可根据井的液位、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，防止了泵的频繁起停，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，节电率也可到达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，防止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。 0
