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中压三电平变频器在青海油田的应用

中压三电平变频器在青海油田的应用 2011年12月09日 来源： 摘 要 ：本文论述了三电平中压变频器在青海油田潜油电泵、抽油机上的应用，说明了青海油田应用变频器的难点，展示了其应用前景。

1 引言

青海油田，地处青海与新疆、甘肃的交界处，中国四大盆地之一的柴达木盆地上，海拔接近3000m，是世界上海拔最高的油田。这里地质、气候条件十分艰苦，头顶上是终年皑皑白雪的昆仑山脉，脚下是寸草不生的沙漠与盐碱滩，经常起沙尘暴，风沙肆虐。

在这种环境下应用变频器，对其要求就比较苛刻:（1）要能经受海拔高、高原缺氧的考验。一般规定变频器的海拔高度在1000m以下，现在是3000m，变频器要降级使用，要比电机高出一档，保证其器件的可靠工作。（2）高原气候，昼夜温差大，特别在冬天，可相差20～30℃，有可能凝露或结霜。（3）要能经受风沙的侵袭。在这里，特别是春秋天，经常起沙尘暴，狂风卷积着黄沙肆虐横行，刮起来几十米就看不清东西。（4）油田大部处于盐碱地，腐蚀性比较强。变频器内的元器件要能经受盐碱性气候的影响，防止生锈，造成接触不良而出现故障。

2 采取的应对措施

针对这些情况，笔者对变频器作了很多防护措施，保证其可靠的运行:（1）对野外工作的设备，作专门的铁皮房加以防护。铁皮房作成两层的，中间加保温材料。夏季防热，冬季保温，防止变频器因温差过大而结霜、凝露。（2）对变频器的冷却风扇采用温控仪控制，在温度低于设定温度时停止运行，既防止了低温下风扇冷却造成的温度下降，又延长了风机的使用寿命。（3）对盐碱地腐蚀性较强的问题，采取喷涂绝缘清漆的方法，使接线端子与外界腐蚀性气体隔绝，防止氧化、生锈，造成接触不良而工作不稳定。（4）针对1140V电压等级，采用三电平控制方式，改善了输出波形，对保护电机绝缘很有利，同时也降低了主电路成本。

3 中压三电平变频器的工作原理及特点

3.1 变频器的调速原理由三相异步电动机的转速公式告诉我们:n=60f（1－s）/p 式中，n－电动机的转速;　 F－供电频率;　 P－电机的极对数;　 S－电机的转差率。在该式中，若保持p（极对数）、s（转差率）不变，平滑的改变电机的供电频率f，则电机转速n=kf （k为比例系数），即可得到平滑的改变，这就是变频调速的工作原理。3.2 中压三电平电路由于现场工作电压比较高，为中压1140V,采用普通的变频器显然不合适，而采用高压模块，代价又较高，且对于高压电机而言，良好的波形，对其绝缘及耐压都是必须的，普通的两电平电路显然不能适应这一要求。为了适应电压等级及负载的要求，采用了三电平电路或称中点箝位电路，如图1所示。图1 三电平变频器主电路图其中主电路每相接有四只IGBT，串联承担全部的电压，三相交流电压经全波整流后变成直流电压，由单片机控制四只IGBT的导通与截止，形成SPWM的交变输出。为抑制IGBT交变过程中的电压突变，采用了中点箝位电路，有两只快恢复二极管串联组成箝位二极管，其中心点与滤波电容的中心点相连接，组成本电路的中心点（三电平的中心电平）。其输出波形如图2所示。图2 三电平波形图从图2中可看出，相电压为三电平，线电压为五电平，因此它不但能输出较高的电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本电路的特色。3.3 输入电压的稳定在变频器的主控板上，有一个给单片机供电的电源，从电网中取得电压经变压器变压后，经整流、滤波后得到直流电压，以U0表示，该电压正比于电网电压 ，在此装有一个分压器，其电压Ut正比于U0，将Ut值送单片机处理，令U0的额定值对应的Ut值为1，电网向上波动时，Ut>1,电网向下波动时，Ut<1,CPU在计算PWM波的脉宽时，要乘上因子1/Ut,这就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行当中，当电网侧电压波动+10%时，电机侧测不到电压的波动，说明Ut补偿效果明显。3.4 性能特点及应用场合（1）性能特点 主电路拓扑结构合理、先进，主电路采用的是三电平结构，用低压器件就可实现中压逆变，可靠性高;输出波形好，相对两电平电路而言，由于输出电平多，输出侧又接有LC低通滤波器，所以dv/dt小，电机运行无噪音、相对无振动，普通电机就能使用，且不必降额;对电网侧的电压波动有良好的稳压作用;启动电压可以补偿。若输出端接有长电缆，电缆上的电压损耗可得到最佳的补偿;内置PI调节器，可开/闭环运行;柜内设有工频/变频切换控制开关，二者之间有互锁功能。（2）适用场合本型号主要为泵类、风机类负载而设计，节能效果明显。其典型应用场合如:油

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