变频调速系统在油田企业中的应用

作者：北京康得新电科技有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 2 变频器展厅 矢量变频器, 变频调速设备, ... 一、前言 能源是国民经济的基础，关系到经济社会的可持续发展。现代社会发展的主要能源是动力来源。世界上所有的国家都在致力于大规模的开发和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。据有关部门提供的能耗统计资料表明，目前我国能源利用率还是非常低，只有32%，而美国则为51%，日本为57%,我国每万元国民生产总值能耗比发达国家高出4倍多，主要能耗产品的单位能耗比发达国家高出30%～90%；我国的经济发展成本是国外发达国家的1.5倍。同时随着我国加入WTO，国内市场的开放程度将越来越大，市场竞争也将越来越残酷，因此企业大力提高能源节约和资源综合利用技术水平，将成为企业将低成本、提高竞争力的内在要求和必由之路。 二、油田企业的节能潜力分析 油田企业在我国是公认的产能大户，同时又是耗能大户。能源消耗在油田企业生产成本中占有相当比重，如：油气生产能源消耗费用占油气生产成本的20%左右，原油加工能源消耗费用占加工成本的30%左右。因此节能降耗是油田企业一项长期战略任务。 油田的注水系统、输油系统、机械采油系统、锅炉供热系统和供配电系统等五大系统为油田的耗能大户，他们的耗能量占油田总耗能量的75%以上，提高这五大系统效率是搞好油田企业节能降耗的关键。在这些能耗中，电力耗能占了相当大的比重。油田企业的用电负荷和耗电量都是其他企业不可攀比的。注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加压泵、输油泵、抽油机、深井油泵、供热锅炉鼓风机、引风机、…，在这些设备的大量应用使其异步电机耗电约占油田总用电量的80%，占油气生产用电量的95%。在各种生产装置配备的各类异步电动机，在考虑了生产工况的变化和启动容量的需要后，总体来说配备容量都大于实际输出功率，平均负载率和平均运行功率都较低，因此节电的潜力也非常巨大。 现阶段对于异步电机节能降耗最有效的方法之一就是应用高压变频调速系统。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 三、高压变频调速系统节能分析 调速节能原理从二个方面来说明： 1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。风机的特性曲线如图 1 所示。在用档风板控制额定风量 Q1 =100% 输出时，则轴功率 N1 与面积 AH1 OQ1 成正比，若风量减半 Q2 =50% 输出时，则轴功率 N2 与面积 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调速控制同样风量减半输出时，转数由 n1 降至 n2 ，按风机参数比例定律画出 n2 时的特性曲线， C 点为新的工矿点，这时轴功率 N2 与面积 CH3OQ2 成正比，在满足同样风量 Q2 情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损△ N 与面积 BH2H3C 成正比，可见节电效果十分显著。 2、流体力学的观点 流量 ∝ 转速 压力 ∝转速︿2 轴功率∝转速︿3 若转速下降 20%，则功率下降到51.2% 若转速下降 50%，则轴功率下降到12.5% 即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。 四、一种新型的移相级联式高压变频器 一种新型的移相级联式高压变频器在北京新电创拓科技有限公司投入批量生产，这种被命名为Diamond-HV系列的高压变频器是由新电创拓公司和德国技术专家合作开发成功的。它采用HV-IGBT元件、全桥级联式多电平逆变技术、多重化输出和模块化设计方案，具有结构简洁、安全可靠、无湝波污染和可直接驱动普通异步电动机等特点。现将这种高压变频器简介如下： 1、系统结构 Diamond-HV系列高压变频器的结构如图1所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。 Diamond-HV系列变频器（标准配置） 移相级联式高压变频器采用3个独立功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图2所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三组输入、单组输出的交—直—交SPWM电压源型逆变器结构，如图3所示。将相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。 以额定输出电压为6KV的变频器为例，每相由3个额定电压为1275V的功率单元串联而成，输出组电压最高可达3825V，线电压可达6600V左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/3的相电压和1/9的输出功率。这样设计，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的额定电流决定变频器输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在功率器件串联引起的动态均压问题。单元内采用3300V的HV-IGBT，以达到在满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每组串联单元的个数，降低成本，提高可靠性。 输入变压器采用多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。变压器的9个二次绕组，采用延边三角形联结。分为3个不同相位，互差200电角度，形成18脉波的二极管整流电路结构，所以理论上17次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于3%。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电。这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。这种变频器不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对输入电流谐波失真的要求。由于采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因数补偿装置。 由于采用二极管不可控整流电路结构，所以变频器对浪涌电压的承受能力较强。雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。 3、移相SPWM输出技术 逆变器输出采用多电平移相式SPWM技术，同一组功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开1200电角度，实现多电平移相SPWM，输出电压非常接近正弦波，输出波形如图5所示。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器效率。由于采取多电平移相式SPWM，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，输出电压湝波含量低于2.33%。同时，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动也大大降低。对脉动电压波来讲，当输出电缆长度超过临界值时，运行波反射引起的过电压会造成电动机的绝缘损坏。由于Diamond-HV系列高压变频器的输出du/dt较低，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，运行中不会对电动机绝缘构成威胁，所以对变频输出与电动机之间的电缆长度没有特殊限制。 4、接口与通讯 功率单元与主控系统之间通过光纤进行通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，特别值得一提的是，与其他厂家单元串联高压变频器不同，Diamond-HV高压变频器的单元外壳是安全接地的，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，以便于维修，每个单元只有3个输入、2个输出电气连接端和四组光纤插头与控制系统连接。 Diamond-HV高压变频器采用功率单元自动旁路技术，这样即使在个别功率单元损坏的情况下,也能降额继续运行，或采用冗余功率单元设计方案使变频器满载继续运行。 5、控制器 控制器核心由嵌入系统并行处理单元和光纤通讯接口组成。移相SPWM技术可以保证电机在各种频率下都能达到最优的运行性能。全中文视窗监控和操作界面使操作更加方便、可靠。工业标准接口可以实现远程监控和网络化控制。该类型高压变频器彻底摒弃了可靠性较差的工控机，取而代之的是超大规模集成电路的一体化设计，其运行可靠性大大提高。 控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。 四、结束语 今天节能降耗工作日益成为人们关注的重点，油田企业拥有着巨大的节能潜力，而高压变频调速系统在我国油田企业的节能降耗工作中也必将成为强有力的工具。(end)

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