辽河油田6000V/1800KW注水泵供电变频改造
山东风光电子有限公司 尹鹏飞Yin pengfei 赵树国Zhao shuguo
辽河油田分公司锦州采油厂华飞实业公司 王占峰Wang zhanfeng
山东大学 韩文昭 Han wenzhao
摘要：本文介绍了辽河油田6000伏1800KW注水泵供电变频改造的情况。其中包括变频器设计及制造中的一些技术问题和改造前后注水泵运行情况的对比。
关键词：注水泵、高压变频器 功率单元串联
Reconstruct the power for 6000v-1800kv water-pump with the inverter in Liaohe oil-field
Abstract: This paper presents the complexion of reconstruct the power for 6000v-1800kv water-pump with the inverter in Liaohe oil-field. That include some keys technical problems of the inverter and the comparision of refom front and back..
Keywords: water pump; high voltage inverter; power unit series
一、 引言
我们是能源生产和消费大国，国民经济的发展制约于能源的生产和消费。油、煤、电是我国能源最重要的组成部分。油田是产油基地，又是用电大户。多产油、少用电是油田追求的目标。为了让每个油井最大限度的“各尽所能”，注水保油压是常用方法，注水泵成了油田生产的重要设备，它的正常运转和工作效率关系到整个油田的经济效益。注水泵如果直接用电网驱动，即工频、全压工作，启动电流大、电机冲击严重、油田电网电压波动大、电机转速无法根据油井具体情况进行调整，这些因素影响了注水泵正常运转，结果是故障多、维护费用高、运行效率低。注水泵变频改造势在必行。注水泵电压高，容量大，工作环境恶劣，由于长期连续工作而对可靠性要求苛刻。所以选择变频器要慎之又慎。2004年8月辽河油田分公司锦州采油厂老三联2＃注水泵电机安装了山东风光电子公司生产的6000V、1800KW变频器。经过4个月的试运行，已经取得很好的效果，现把变频器有关技术问题和安装前后运行情况的对比提供给读者，愿与同行交流。
二 变频器的设计及制造
客户要求的主要技术指标是：
6000V，1800KW，额定电流为230A，负载为沈阳防爆机厂生产的YB1800S2-2注水泵电机。
变频器采用功率单元串连结构，其优点是输出电平数多，波形好，能适合普通异步电动机，且不必降额使用；虽然所需IGBT数量大，但对耐压要求不高；输入整流电路的脉冲数大，对电网污染小，功率因数高。
每相8个单元，三相共24个单元，如图1所示。所选单元数大是因为考虑到容量大、电压高，单元内的干扰较强，适当降低单元母线电压可减小单元内的干扰，对提高可靠性有利。线电压6000V，相电压为3464V，8个单元串联，每个单元输出433V，母线电压612V，采用优化SPWM设计，可将母线电压降低为约530V，变压器付边各绕组电压应为375V。考虑到变压器阻抗压降5～6％，变压器付边绕组输出采用395V，单元的母线电压空载约为560V，选1200V的IGBT模块为开关器件能满足耐压要求。
为变压器绕制不过于繁杂，采用18脉冲整流，输入端的谐波幅度已能满足国标规定。变压器付边的移相角度只有三种：－20°、0°、＋20°。变压器与各功率单元的联接如图2所示。
为降低整机功耗，选用低饱和压降400A的两只IGBT并联工作，可有足够的电流余量。单元电路的主电路如图3所示。旁路支路采用IGBT模块取代原先采用的晶闸管。这样驱动电路简单，有利于提高可靠性。
图1 24个功率单元串联图
图2 变压器绕组与功率单元的联接
图3 单元电路主电路
整个变频器的总体结构如图4所示。
图4 总体结构图
该变频器控制系统有一套独立的电源子系统。当主电路有故障时，控制系统供电依然正常，能保证IGBT开关次序不乱；主电路不加电、不加载的情况下，可以对整机进行调试，此时各点波形与主电路加电、加载时完全一样，只是输出电压幅度小。这对设备调试、检修和操作人员的培训十分方便；主电路高压突然断电时，电解电容及变压器绕组电感的储能不会给IGBT管构成威胁，因为控制电源还在正常工作，整个控制系统都在正常工作。
该变频器采用的是准优化SPWM调制技术，调制信号不是纯正弦信号，而是基波和三次谐波的叠加。其电压利用率接近1。三次谐波在三相平衡输出中会自动相互抵消，不会增加输出的失真度。
该变频器中采用了载波移相技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证了输出波形是“完美”正弦波。
该变频器中采用光纤传输控制信号，大大提高了设备的抗干扰能力。
该变频器的用户操作监控系统界面十分友好和完善。系统包括上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
三．运行情况
设备安装线路如图5所示。变频供电、工频供电切换方便。
图5 设备安装线路
该设备所有配件都安装在机柜内，不需要另外的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等外部装置，所以结构紧凑，安装简单，现场配线少，跳水方便；电机始终运行平稳，温升正常；电机启动时的噪音和电流非常小；在电机调速范围内，转子轴瓦的最高温升允许65°C，而实测只有10°C。现场测试三相输出的电压波形、电流波形都非常标准，谐波含量极小，效率高于97％。自投运以来，设备管理人员对输入变压器的温升、功率单元的温升进行定期巡检，检查结果完全正常。
现把变频调速器安装前后耗电情况分别列于表1和表2中。
表1: 2004年 5月使用变频调速器前的耗电
泵号注水量
(立方米)
用电量Kw*h注水单耗Kw*h/ 立方米泵压
MPa
干压
MPa
电机功率KW2＃18321012442466.7916.512.5
