產品與解決方案/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(huán)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(guī)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(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。
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。
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(wěn)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(wěn)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較佳的補償；
內置PI調節(jié)器，可開/閉環(huán)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(jié)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(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。采用能耗制動電阻來予以消耗。其電路如圖3所示。
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(wěn)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：
?。?）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。
圖4 輸出濾波圖
?。?）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。
?。?）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(jié)能效果。
?。?）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%。
?。?）抽油機的改造
節(jié)電情況如表3所示。
表3 抽油機變頻改造節(jié)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(yōu)點。
?。?）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(jié)泵的轉速?？梢罁囊何?、含油多少調節(jié)變頻器的頻率，進而調節(jié)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。
?。?）節(jié)能顯著。從以上計算分析可看出，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)電率也可達到20%左右，效果明顯。
?。?）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(jié)能、調速的好產品，值得大面積推廣。
