一種新型的節(jié)能發(fā)電機的研發(fā)

周 驥 邊 倩

(1.西安建筑科技大學 陜西西安) (2.二炮學院 陜西西安)

一種新型的節(jié)能發(fā)電機的研發(fā)

周 驥1邊 倩2

(1.西安建筑科技大學 陜西西安) (2.二炮學院 陜西西安)

節(jié)能發(fā)電機是石油鉆機設備中一個常用設備,但目前配置的節(jié)能發(fā)電機和其控制系統(tǒng)不能動態(tài)的調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓和頻率。為解決這一問題,文章介紹了采用交流勵磁雙饋發(fā)電機理論研發(fā)的節(jié)能發(fā)電機,并對實際應用中需解決的問題進行探討。同時,對實際應用進行了節(jié)能測算,以期做到更大的節(jié)能效果。

節(jié)能發(fā)電機;交流勵磁雙饋發(fā)電機;變速恒頻;探討;節(jié)能

0 引 言

石油行業(yè)的節(jié)能是一個永久的課題,在機械鉆機中,由于負載的變化,柴油發(fā)動機的效率得不到有效地利用。傳統(tǒng)的做法是配備一臺無刷恒壓同步發(fā)電機與柴油發(fā)動機的輸出軸相連。這樣,柴油發(fā)動機在某些工況能夠以較高的效率運行,并在一定程度上提高鉆機運行的節(jié)能效果。石油行業(yè)中習慣上將這臺無刷恒壓同步發(fā)電機叫做節(jié)能發(fā)電機。

現(xiàn)在的節(jié)能發(fā)電機在實際應用中存在諸多問題,節(jié)能效果不盡如人意。本文論及的是一種新型的發(fā)電機,他的設計和制造與目前使用的節(jié)能發(fā)電機有了根本的改變,以期對現(xiàn)存的問題進行根本解決。

1 存在問題的分析

目前使用的節(jié)能發(fā)電機存在的問題是顯而易見的:一方面,由于鉆井作業(yè)對泥漿泵泵沖的調(diào)整是通過柴油機的轉(zhuǎn)速調(diào)整來完成的,所以,柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化是必然存在的;另一方面,由于井場負荷頻繁的、劇烈的變化,柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速也會隨之變化。目前配置的節(jié)能發(fā)電機和其控制系統(tǒng)不能動態(tài)的調(diào)節(jié)頻率,電壓的調(diào)整范圍有限。因此,節(jié)能發(fā)電機提供的電源是一個電壓和頻率頻繁波動的電源。這樣的電源對電機等感性負載的危害大,容易造成電動機壽命的減少甚至燒毀。因此,在鉆機作業(yè)復雜的工況時不能使用節(jié)能發(fā)電機組,造成節(jié)能發(fā)電機的實際使用率低,提高柴油發(fā)動機效率也變得十分有限。正因為如此,鉆機必須配備輔助柴油發(fā)電機組為井場電氣設備供電。同時,由于節(jié)能發(fā)電機電壓和頻率頻繁波動,往往只能用于單機運行,無法和輔助柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行。這種情況下井場的供電系統(tǒng)結構復雜,給設備和施工安全帶來不必要的隱患[1]。

2 性能優(yōu)異的節(jié)能發(fā)電機的工作原理

本文介紹的這種性能優(yōu)異的節(jié)能發(fā)電機是一種交流勵磁雙饋發(fā)電機。

2.1 交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻運行原理

交流勵磁雙饋發(fā)電機在結構上與繞線型感應電動機相似,即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組,轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)引入三相對稱交流勵磁電流,發(fā)電機的定子通過直接投入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子通過四象限交直交變換器與電網(wǎng)連接實現(xiàn)交流勵磁。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流勵磁電流幅值 頻率和相位可調(diào)的控制,可以實現(xiàn)變速下的恒頻運行[2]。交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 交流勵磁雙饋發(fā)電原理示意圖

式(1)中,f1為定子電流頻率,Hz;fr轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率,Hz;fs轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率,Hz;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;p為電機的極對數(shù)。

當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速ns時,處于亞同步運行狀態(tài),此時變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供交流勵磁,定子發(fā)出電能給電網(wǎng),式(1)中fs取正號;當n大于ns時,處于超同步運行狀態(tài),此時發(fā)電機同時由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng),變頻器的能量逆向流動,式(1)中fs取負號;當n等于ns時,處于同步運行狀態(tài),此時發(fā)電機作為同步電機運行,fs=0,變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。圖中的變頻器必須能夠滿足交流勵磁發(fā)電機的運行要求,實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率在發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)間的雙向流動。由式(1)知,當發(fā)電機轉(zhuǎn)速n變化時,若控制轉(zhuǎn)子供電頻率fs相應變化,可使f1保持恒定不變,與電網(wǎng)頻率保持一致,就實現(xiàn)了變速恒頻控制,這就是交流勵磁發(fā)電機變速恒頻運行的基本原理。

2.2 交流勵磁雙饋發(fā)電機功率調(diào)節(jié)簡介

通過矢量變換控制策略還能實現(xiàn)輸出有功和無功功率的控制,提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性和動 靜態(tài)穩(wěn)定性[3]。改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的相位時,由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置上有一個位移,這就改變了發(fā)電機電勢與電網(wǎng)電壓相量的相對位置,也就改變了電機的功率角。這說明電機的功率角也可進行調(diào)節(jié)。所以交流勵磁不僅可調(diào)節(jié)無功功率,也可調(diào)節(jié)有功功率。當電機吸收無功功率時,往往由于功率角變大,使電機穩(wěn)定度降低。如通過調(diào)節(jié)交流勵磁的相位,減小機組的功率角,使機組的運行穩(wěn)定性提高,從而可多吸收無功功率,克服由于負荷下降、電網(wǎng)電壓

由交流異步發(fā)電機的基本原理可得下列關系:過高的不利局面。因此說,交流勵磁雙饋發(fā)電機較傳統(tǒng)同步發(fā)電機有更優(yōu)越的運行性能?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率,相位及功率來調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出功率、電壓、頻率。

綜上所述,交流勵磁雙饋發(fā)電機具有超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機的性能,簡述如下:

1)采用交流勵磁方式,突破了機電系統(tǒng)必須嚴格同步運行的傳統(tǒng)觀念,使原動機轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機輸出頻率限制,而發(fā)電機輸出電壓(或電流)的頻率、幅值、相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置影響,即機電之間的剛性聯(lián)系變?yōu)槿嵝月?lián)系。

2)改變勵磁電流的幅度,可以調(diào)節(jié)機組發(fā)出或吸取的無功分量,以適應功率因數(shù)的調(diào)整,特別是可以吸收無功分量穩(wěn)定運行。

3)改變勵磁電流的相位,可以快速完成發(fā)電狀態(tài)的電磁調(diào)節(jié)過程,從而保證發(fā)電機電壓或無功的快速調(diào)節(jié)。

4)改變勵磁電流的頻率,可以適應發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化,保證發(fā)電機輸出交流電的頻率恒定。

5)交流勵磁發(fā)電機有功、無功的獨立調(diào)節(jié)能力,將顯著提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)的設計

綜上所述,交流勵磁雙饋發(fā)電機可以實現(xiàn)變速恒頻的運行特性,因此,新型節(jié)能發(fā)電機選用交流勵磁雙饋發(fā)電機。新型節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)的設計采用頻率雙閉環(huán)控制系統(tǒng),在變速恒頻理論和矢量控制算法的指導下,對發(fā)電機勵磁電流的頻率和幅值進行有效的控制,實現(xiàn)對發(fā)電機輸出電壓和頻率動態(tài)的調(diào)節(jié),使其達到理想的恒頻恒壓的控制要求。圖2是頻率雙閉環(huán)控制原理框圖。

圖2 頻率雙閉環(huán)控制原理框圖

3.1 節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)的硬件設計

節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)采用一種全數(shù)字的新型發(fā)電機控制器,控制核心采用電機專用控制芯片TMS320LF2812DSP芯片,結合功率驅(qū)動單元、電機轉(zhuǎn)子位置處理電路單元、直流母線電壓檢測單元、勵磁電流信號檢測單元等全隔離的功能單元電路,功率部分采用三菱公司1 200 V/400 A H橋逆變器來實現(xiàn)。圖3是控制系統(tǒng)硬件及結構框圖。

圖3 控制系統(tǒng)硬件及結構框圖

3.2 節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件設計

整個控制系統(tǒng)的軟件部分由主程序和中斷服務子程序組成,中斷服務子程序主要包括定時器中斷程序(電機核心控制程序)和外部中斷程序(故障保護程序)等。主程序完成CPU和各外部芯片的初始化、中斷的設置、變量的初始化和電機的開環(huán)起動過程,之后主程序?qū)嶋H上進入一個查詢過程,程序不斷地查詢中斷設置,并根據(jù)中斷信息調(diào)用對應子程序。程序流程圖如圖4所示。

目前節(jié)能發(fā)電機控制系統(tǒng)的運行試驗已在實驗室進行,并以完成了自并勵空載實驗,實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電,變速范圍35 Hz～65 Hz。

4 需解決問題的探討

4.1 交流勵磁雙饋發(fā)電機的設計和制造方面

交流勵磁雙饋發(fā)電機設計和制造的關鍵技術也將是項目研制過程中的主要技術難點。主要表現(xiàn)在如下幾點:

1)交流勵磁雙饋發(fā)電機電磁設計技術

由于發(fā)電機采用雙饋方案,在額定運行時,定轉(zhuǎn)子均處于發(fā)電狀態(tài),特別是當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時運行在發(fā)電狀態(tài),低于同步轉(zhuǎn)速時卻運行在電動機狀態(tài),這就使得該發(fā)電機的設計既不同于同步發(fā)電機,又不同于異步發(fā)電機,在設計中需兼顧不同狀態(tài)下運行時的電氣性能。

2)交流勵磁雙饋發(fā)電機的絕緣技術

圖4 程序流程圖

雙饋發(fā)電機工作原理為轉(zhuǎn)子繞組與交—直—交雙向變頻裝置相連,定子直接接入電網(wǎng),通過調(diào)節(jié)供給轉(zhuǎn)子側(cè)電流的大小、頻率、相位等控制定子側(cè)電壓、頻率、有功和無功。因此轉(zhuǎn)子繞組上所施加電壓為脈沖電壓,這就要求轉(zhuǎn)子繞組的絕緣能長期承受高dv/dt的沖擊,解決好這個問題,絕緣技術至關重要。

3)滑環(huán)

雙饋發(fā)電機由于必須使用雙繞組以及滑環(huán),發(fā)電機成本較高,且無標準化設計方法。

4.2 雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)方面

1)雙饋發(fā)電機控制重點是勵磁控制,并網(wǎng)過程中有較大的電流沖擊和電壓波動,需要細致的分析和解決,算法較復雜和繁瑣。

2)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作在低頻段(通常為0～16.6 Hz),由于功率器件一般其有效值在50 Hz下標定,工作于低頻段時IG BT等功率器件的熱應力增加,功率器件必須留有足夠的余量。

5 應用舉例

新型節(jié)能發(fā)電機應用同時,可以實現(xiàn)節(jié)能發(fā)電機和其他電網(wǎng)的并網(wǎng)功能。結合自動并網(wǎng)功能使其在最大程度上有效利用發(fā)動機的功率,大幅度的降低生產(chǎn)成本,降低系統(tǒng)故障率,采用這種節(jié)能發(fā)電機可以真正實現(xiàn)石油鉆機節(jié)能的目的。以下列舉了幾種典型的設備配置的方案,并根據(jù)方案的特點估算了節(jié)能效果:

推薦配置1:5 00 kVA節(jié)能發(fā)電機,400 kVA輔助柴油發(fā)電機組。

配置優(yōu)點:可在任何工況使用節(jié)能發(fā)電機為轉(zhuǎn)盤和MCC系統(tǒng)供電。在1臺柴油發(fā)動機功率不夠,2臺太大的工況下,可以選擇起動1臺柴油發(fā)動機和輔助柴油發(fā)電機組,輔助發(fā)電機組與節(jié)能發(fā)電機并網(wǎng)運行,轉(zhuǎn)盤和MCC系統(tǒng)功率不限制。

推薦配置2:1 000 kVA節(jié)能發(fā)電機。

配置優(yōu)點:在任何工況使用節(jié)能發(fā)電機為轉(zhuǎn)盤和MCC系統(tǒng)供電。省略輔助柴油發(fā)電機組的設備購買。

推薦配置3:1 000 kVA節(jié)能發(fā)電機,500 kVA輔助柴油發(fā)電機組。

配置優(yōu)點:可在任何工況使用節(jié)能發(fā)電機為轉(zhuǎn)盤和MCC系統(tǒng)供電,并可以考慮絞車也用電動控制。在1臺柴油發(fā)動機功率不夠,2臺太大的工況下,可以選擇起動1臺柴油發(fā)動機和輔助柴油發(fā)電機組,輔助發(fā)電機組與節(jié)能發(fā)電機并網(wǎng)運行,轉(zhuǎn)盤和MCC系統(tǒng)功率不限制。

6 結 論

新型的節(jié)能發(fā)電機使用效率遠遠高于老式節(jié)能發(fā)電機,使得柴油發(fā)動機的使用效率提高5%～10%,同時,輔助發(fā)電機組節(jié)約效率5%～10%,綜合效率提高在10%～15%。按照保守計算,一臺800 KW柴油發(fā)動機每日油耗2 t,可每天節(jié)約柴油0.2 t～0.3 t,按每年最短鉆井時間150天計算,可以節(jié)約柴油30 t～45 t,按每升價格6元計算,可以節(jié)約成本約為18萬～27萬元,從而大大節(jié)約了鉆井生產(chǎn)的成本。

[1] 孫松堯.鉆井機械[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006

[2] 李保來.雙饋交流勵磁無刷交流發(fā)電機的理論分析[J].中小型電機,1997,1(24)

[3] 鄒旭東,趙 陽,柳 彬,等.獨立運行雙饋發(fā)電機矢量控制技術研究[J].中國電機工程學報,2007,27(12)

Development of a new energy saving generator.

Zhou Ji and Bian Qian.

The energy saving generator is a common device in oil drilling equipment,but,current energy saving generator can not dynamically adjust voltage and frequency of the generator.This paper describes a new energy saving generator,which develops by AC-excited doubly-fed generator theory.Thus,the paper discusses problems in practical applications,provides a way to solve the problems.Meanwhile,the practical energy-saving measure is carried out in order to achieve greater energy savings.

energy saving generator;AC excitation doubly-fed generator;variable speed constant frequency;discuss;energy saving

TE922

B

1004-9134(2011)05-0018-04

周 驥,男,1971年生,1998年于西安公路交通大學(現(xiàn)長安大學)信控系自動化專業(yè)畢業(yè),目前在西安建筑科技大學攻讀碩士學位,專業(yè)方向是控制自動化。郵編:710065

2011-07-13編輯劉雅銘)

PI,2011,25(5):18～21

·儀器設備·