變頻系統(tǒng)在油田注水泵中的應(yīng)用

馬安徽

一、變頻器的工作原理

變頻器的功用是將頻率固定的（通常為50Hz的）交流電（三相或單相）變成頻率聯(lián)系可調(diào)（多數(shù)為0-400Hz）的三相交流電。

其中n0為旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速通常稱為同步轉(zhuǎn)速

f為電流的頻率

p為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)

當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時（一般P為定數(shù)），電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些，所以，當(dāng)同步轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)時，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是連續(xù)可調(diào)的。變頻器就是通過改變f（電流的頻率）來使電動機(jī)調(diào)速的

二、動態(tài)測試

在靜態(tài)測試結(jié)果正常以后，才可進(jìn)行動態(tài)測試，即上電試機(jī)。在上電前后必須注意以下幾點(diǎn)：

1.上電之前，須確認(rèn)輸入電壓是否有誤，將380V電源接入220V級變頻器之中會出現(xiàn)炸機(jī)（炸電容、壓敏電阻、模塊等）。

2.檢查變頻器各接播口是否已正確連接，連接是否有松動，連接異常有時可能導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時會出現(xiàn)炸機(jī)等情況。

3.上電后檢測故障顯示內(nèi)容，并初步斷定故障及原因。

4.如未顯示故障，首先檢查參數(shù)是否有異常，并將參數(shù)復(fù)歸后，進(jìn)行空載（不接電機(jī)）情況下啟動變頻器，并測試U、V、W三相輸出電壓值。如出現(xiàn)缺相、三相不平衡等情況，則模塊或驅(qū)動板等有故障

5.在輸出電壓正常（無缺相、三相平衡）的情況下，帶載測試。測試時，最好是滿負(fù)載測試。

三、變頻器在油田注水泵中的應(yīng)用

油田開發(fā)過程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進(jìn)行油田開發(fā)。一方面，注水壓力的高低是決定油田合理開發(fā)和地面管線及設(shè)備的重要參數(shù)。考慮到后期開發(fā)注水井的增多，注水工藝設(shè)計和機(jī)電設(shè)備配置都比實(shí)際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開關(guān)井?dāng)?shù)的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動，注水量不均勻，不穩(wěn)定。注水壓力低，注水量滿足不了油田開發(fā)的需要，必然會造成油層壓力下降；注水壓力過高，浪費(fèi)動力，也造成超注，導(dǎo)致水淹，水竄；注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層的壓力及油氣水分布不斷在發(fā)生變化，其數(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測和控制，考慮到油田開發(fā)中的需要，在工藝和機(jī)電設(shè)備的配置上都按照油田最大可能的需求來設(shè)計，這一點(diǎn)在注水系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中顯得尤為突出。油田注水設(shè)備多采用高壓離心泵匹配高壓電機(jī)，大功率系統(tǒng)運(yùn)行常是“大馬拉小車”，效率低下。注水壓力靠泵出口閘門手動控制，即靠改變管網(wǎng)特性曲線來調(diào)節(jié)泵的排量，泵、電機(jī)匹配難以達(dá)到在泵的最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，管網(wǎng)效率低，電能損失高達(dá)50%以上。正是從恒壓注水和節(jié)能的兩個方面考慮，在油田注水系統(tǒng)中引入變頻控制。

通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過上述分析可以知道，通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速可方便地改變水的流量，保證水壓恒定；通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，在降低水流量的同時，可有效降低系統(tǒng)的電能損耗。

四、變頻器在油田注水泵中還存在的問題及解決措施

1.諧波問題

通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為WM波形。通用變頻器的輸出電壓中確實(shí)含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機(jī)負(fù)載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機(jī)出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸人電流實(shí)際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。

解決措施：

1.1增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗

通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對變頻器容量越小時，則內(nèi)阻抗值相對越大，波含量越刁、電源容量相對變頻器容量越大時，則內(nèi)阻抗值相對越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。安裝電抗器安裝電抗器實(shí)際上從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流安裝直流電抗器或同時安裝，抑制諧波電流。

1.2變壓器多相運(yùn)行

通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。如果應(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，使相位角互差30 組合的兩個變壓器構(gòu)成相當(dāng)于12脈波的效果則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑制作用。

2.負(fù)載匹配問題

生產(chǎn)機(jī)械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性是復(fù)雜的，大體分為三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載和恒功率負(fù)載。針對不同的負(fù)載類型，應(yīng)選擇不同類型的變頻器。

2.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

指負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩均保持恒定。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載又分為摩擦類負(fù)載和位能式負(fù)載。

2.2摩擦類負(fù)載的起動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩150%，制動轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的100%左右，所以變頻器應(yīng)選擇那些具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，并且啟動和制動轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時間長和過載能力大的變頻器。

2.3位能式負(fù)載一般要求大的起動轉(zhuǎn)矩和能量回饋功能，能夠快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，變頻器應(yīng)選擇具有四象限運(yùn)行能力的變頻器。

2.4風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載

風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載是目前工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最多的設(shè)備，雖然泵和風(fēng)機(jī)的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用為主，通用變頻器在這類負(fù)載上的應(yīng)用最多。風(fēng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設(shè)計時，按上式計算結(jié)果，進(jìn)行適當(dāng)修正，在變頻器啟動時不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時不發(fā)生過電壓跳閘的情況下，選擇最短時間。

五、總結(jié)

變頻系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術(shù)部門，高效率的運(yùn)用助推了石油行業(yè)的發(fā)展，在注水泵中的應(yīng)用也得到極大地體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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