淺析惠州油田變頻柜升級改造

張伊凡 王樂（.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院；.惠州油田）

淺析惠州油田變頻柜升級改造

張伊凡1王樂2（1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院；2.惠州油田）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)代技術(shù)和先進的器件對舊設(shè)備進行升級改造是企業(yè)節(jié)約成本的有效途徑，是提高設(shè)備可靠性的有效措施，是節(jié)約能源的有效方法。本文簡要闡述了電潛泵在海上石油生產(chǎn)系統(tǒng)中的工作過程，以及利用 IGBT對電潛泵用GTR變頻器的升級改造步驟，比較了 IGBT和 GTR在逆變器應(yīng)用中各自的特點，惠州油田利用 IGBT 對變頻柜升級改造后節(jié)約了成本，降低了能源消耗，對變頻柜的改造具有重要價值。

變頻柜 絕緣柵雙極型晶體管 潛油電泵

引言

惠州油田始建于 1989 年，我國在南海地區(qū)建立的第一個海上石油生產(chǎn)基地，目前有生產(chǎn)的油井近百口，在這些油井中，主要是利用變頻柜經(jīng)升壓變壓器拖動水下 2000m 的潛油電泵，來舉升原油的，電潛泵井的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。三相 480 VAC電壓輸入變頻柜變頻送入升壓變壓器，將電壓提高到 1800V 左右，經(jīng)采油樹的接頭傳出給水下2000m 的潛油電泵 （ESP）。

圖1 ESP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

潛油電泵 ESP是靠貝克休斯 2250-VT電壓型變頻柜驅(qū)動的，當(dāng)時因為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 還沒有大規(guī)模應(yīng)用于變流器裝置，所以在逆變器部分采用三個 GTR并聯(lián)的形式，2250-VT型變 頻 柜 采 用 的 是 GTR （GiantTransistor）， 且 額 定 電流只有 200A，所以輸出逆變器采用 3個 GTR 并聯(lián)的方式，這樣不僅需要可靠地均流，而且由于GTR工作頻率不高，產(chǎn)生的諧波干擾和電磁干擾對油田的小電網(wǎng)系統(tǒng)有很大影響，有時甚至出現(xiàn)因為干擾而導(dǎo)致變頻 柜 （VFD） 誤 報 警 而 使 生 產(chǎn) 關(guān) 停 的情況。

隨著科技的發(fā)展，特別是大功率 IGBT 的產(chǎn)生和大規(guī)模應(yīng)用，使得現(xiàn)代變頻柜具有功率因數(shù)高、諧波小等優(yōu)良特點，但是從節(jié)約成本的角度考慮，對舊變頻柜的升級改造遠(yuǎn)比購買新的高性能變頻柜經(jīng)濟得多，所以惠州油田根據(jù)生產(chǎn)的需要，依照國家對電網(wǎng)諧波和節(jié)能的要求以及經(jīng)濟性的角度出發(fā)，迫切需要對陳舊的以GTR為主要逆變器的變頻柜，用 IGBT進行升級改造

1 2250-VT型變頻柜簡介

2250-VT 型 變 頻 柜 輸 入 三 相 60Hz，（460 ± 46） VAC，輸出頻率 10～120Hz連續(xù)可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)精度 0.1Hz， 最 大 輸 出 功率 260kVA， 最 大 輸 出電 流 313A， 效 率 可 以 達 到 98% ， 功 率 因 數(shù) 達0.96，是貝克休斯專為海上小電網(wǎng)系統(tǒng)和潛油電泵設(shè)計的變頻柜，其結(jié)構(gòu)和控制思想是根據(jù)海上石油生產(chǎn)的具體情況而設(shè)計的，其中包括變壓器的各種保護，并可以與井下傳感器模塊通信，傳輸井下馬達溫度，泵進出口壓力等參數(shù)，以保證對電動機和泵的保護，變頻柜的框圖如圖2所示，該變頻柜包括三相橋式整流電路，LC濾波電路，逆變電路，數(shù)字控制電路板，整流控制板，逆變控制板，操作控制板等，三相橋式整流電路與普通的整流電路相同，采用 6塊 2500V絕緣的二合一 SCR封裝模塊，用兩個SCR并聯(lián)成三相橋式整流電路，可以對整流輸出電壓進行調(diào)節(jié)；整流輸出后經(jīng)過 LC濾波電路，得到比較平滑的電壓波形；逆變電路的開關(guān)器件采用GTR，輸出6脈波的三相橋式逆變器；數(shù)字控制電路板主要是接受HMI的給定并調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖和GTR的驅(qū)動信號，整流板和逆變板則是接收數(shù)字控制板的驅(qū)動信號，經(jīng)放大整形處理后分別發(fā)送給SCR和GTR。

圖2 2250-VT型變頻柜結(jié)構(gòu)框圖

2 GTR和 IGBT的比較

對 變 頻 柜 升 級 改 造 主 要 是 利 用 IGBT 更 換GTR，以及相 應(yīng) 的 控 制 組 件 ， IGBT 采 用 英 飛 凌2500V/300A 的 二 合 一 IGBT 模 塊 ， 并 聯(lián) 吸 收 電容，在安裝完成后首先檢查逆變器輸入的正負(fù)極是否連接正確，出發(fā)信號的連線是否連接正確，以防止短路或直通等故障的發(fā)生。

大功率晶體管 （GTR） 是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì) 70 年代，GTR就是兩個或多個三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管。逆變器中采用的 GTR具體接法如圖3所示，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極，用法跟三極管一樣，放大倍數(shù)是這三個三極管放 大倍數(shù)的 乘 積[1]。

圖3 改造前逆變器的 GTR模塊

GTR 在 70 年代因其既具 備晶 體管 的固 有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路 中 應(yīng) 用 廣泛[2]。

到 1983美國GE公司和 RCA公司研制成功了第一個復(fù)合型電力電子器件，絕緣門極雙極型晶體管（IGBT)， IGBT 可 視 為 雙 極 型 大 功 率 晶 體 管 與功 率場 效 應(yīng) 晶 體 管 的 復(fù) 合[3]。 通 過 施 加 正 向 門 極 電 壓 形成溝道、提供晶體管基極電流使 IGBT 導(dǎo)通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使 IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。IGBT 集 GTR 通 態(tài) 壓 降 小 、 載 流 密 度 大[4]、 耐 壓 高 和（功率 MOSFET） 驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET， 卻 明 顯 高 于 GTR； IGBT 的 通 態(tài) 壓 降 同GTR 相 近 ， 都 在 1.5～3.5V[5]， 但 比 MOSFET 低 得多，但是GTR的單管容量較小，在大電流場合并聯(lián)運行時開關(guān)損耗卻不一定??；IGBT 的電流、電壓等級與GTR接近，而比MOSFET高，見表1。

圖4 IGBT的結(jié)構(gòu)和電氣符號

也正是由于 IGBT 具有上述特點，且單管 IGBT 的容量比 GTR 大的多，所以在中等功率容量 （600V 以上） 的UPS、開關(guān)電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT 已逐步替代 GTR 成為核心元件。

表1 幾種全控型電力電子器件的比較[6]

3 功能測試

對改造后的變頻柜測試主要有空載測試和短路測試兩方面，空載測試主要目的是測量變頻柜的壓頻比設(shè)定精度和給定的差別，這是電壓型變頻器最主要的參數(shù)之一，在表2中列出了空載測試的相關(guān)數(shù)據(jù)，首先設(shè)定變頻柜的在 60Hz的電壓為 230V，也就是初始壓頻比設(shè)定為 3.833，啟動變頻柜，對每 3min 增加 50V 電壓，觀察壓頻比的變化，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出改造后，變頻柜的輸出頻率比以前更為穩(wěn)定，壓頻比也更接近給定值，這也會使?jié)撚碗姳玫膲勖兴娱L。

表2 空載實驗數(shù)據(jù)

短路測試主要測試變頻柜的帶載能力，為保護變頻柜，短路測試只需讓電流上升到限幅電流就可以停機，限幅電流設(shè)定為 313，也就是變頻柜的最大輸出電流。為了降低大電流對變壓器和變頻柜的沖擊，設(shè)定起始頻率為 5Hz，在變壓器高壓輸出端將輸出端子短路，啟動變頻柜，記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)如下，并和改造前做了相應(yīng)的對比。

表3 短路實驗數(shù)據(jù)

從這些數(shù)據(jù)可以看出，雖然電流不平衡度都滿足小于3%的要求，但輸出電源的質(zhì)量有了一定程度的提高，另外短路電壓可以反映出變頻柜在滿負(fù)荷時的損耗情況，包括變壓器的銅耗，改造前后短路輸出電壓有了明顯下降。

4 結(jié)束語

在實際應(yīng)用中，改造后的變頻柜因其高次諧波分量的減少，對控制系統(tǒng)的干擾也降低了很多，生產(chǎn)過程中因變頻柜故障而導(dǎo)致的意外生產(chǎn)關(guān)停的情況有很大程度的減少，由于輸出波形較好，絕大多數(shù) ESP系統(tǒng)效果比原來增加了許多，另外，雖然單管 GTR 比 IGBT 的壓降小一些，但是改造后采用的IGBT 模 塊 比 原 來 少 了 1/3， 使 得 開 關(guān) 損 耗 有 所 降低，提高了變頻柜的工作效率，所以用 IGBT 對舊的變頻柜升級改造是成功的，不僅節(jié)約了成本，降低了能源消耗，同時也提高了石油生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2005年版.

[2]陳 寧,周 繼 華,焦 振 宏.GTR、IGBT 在 RDCLI變 頻 調(diào) 速 裝 置中的應(yīng)用特點[J].電力電子技術(shù),1996(3):88-90.

[3]郭 紅 霞,楊 金 明.IGBT 的 發(fā) 展[J].電 源 世 界,2006(9): 82-87.

[4]彭端,彭珞麗.GTR和 IGBT動態(tài)特性測試的研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,2000(2):101-104.

[5]陳 俊 麗.與 GTR 通 用 的 IGBT 驅(qū) 動 保 護 電 路 的 設(shè) 計[J].儀表技術(shù),1998(4):27-29.

[6]陳其工,張紹德,凌有鑄.變頻調(diào)速中電力電子器件的應(yīng)用與感應(yīng)電機模型研究[J].安徽機電學(xué)院學(xué)報(綜合版),1995(2):1-10.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.016

2013-01-20）

張伊凡，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué) （電氣工程及其自動化專業(yè)），研究方向為大功率電能變換技術(shù)與電力傳動，E-mail：ZYF0806@yahoo.com.cn，地址： 陜西省西安市電子二路 東段18號西安石油大學(xué)182信箱，710065。