太阳集团8722c(中国)股份有限公司

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太阳集团8722c：
　　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较佳的补偿；
　　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，太阳集团8722c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。