淺析惠州油田變頻柜升級改造

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

隨著科學技術的發展，利用現代技術和先進的器件對舊設備進行升級改造是企業節約成本的有效途徑，是提高設備可靠性的有效措施，是節約能源的有效方法。本文簡要闡述了電潛泵在海上石油生產系統中的工作過程，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在逆變器應用中各自的特點，惠州油田利用 IGBT 對變頻柜升級改造后節約了成本，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，我國在南海地區建立的第一個海上石油生產基地，目前有生產的油井近百口，在這些油井中，主要是利用變頻柜經升壓變壓器拖動水下 2000m 的潛油電泵，來舉升原油的，電潛泵井的結構框圖如圖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，經采油樹的接頭傳出給水下2000m 的潛油電泵 （ESP）。

圖1 ESP系統結構框圖

潛油電泵 ESP是靠貝克休斯 2250-VT電壓型變頻柜驅動的，當時因為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 還沒有大規模應用于變流器裝置，所以在逆變器部分采用三個 GTR并聯的形式，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，產生的諧波干擾和電磁干擾對油田的小電網系統有很大影響，有時甚至出現因為干擾而導致變頻 柜 （VFD） 誤 報 警 而 使 生 產 關 停 的情況。

隨著科技的發展，特別是大功率 IGBT 的產生和大規模應用，使得現代變頻柜具有功率因數高、諧波小等優良特點，但是從節約成本的角度考慮，對舊變頻柜的升級改造遠比購買新的高性能變頻柜經濟得多，所以惠州油田根據生產的需要，依照國家對電網諧波和節能的要求以及經濟性的角度出發，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連續可調，頻率調節精度 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 達0.96，是貝克休斯專為海上小電網系統和潛油電泵設計的變頻柜，其結構和控制思想是根據海上石油生產的具體情況而設計的，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，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并聯成三相橋式整流電路，可以對整流輸出電壓進行調節；整流輸出后經過 LC濾波電路，得到比較平滑的電壓波形；逆變電路的開關器件采用GTR，輸出6脈波的三相橋式逆變器；數字控制電路板主要是接受HMI的給定并調節晶閘管觸發脈沖和GTR的驅動信號，整流板和逆變板則是接收數字控制板的驅動信號，經放大整形處理后分別發送給SCR和GTR。

圖2 2250-VT型變頻柜結構框圖

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 的 控 制 組 件 ， IGBT 采 用 英 飛 凌2500V/300A 的 二 合 一 IGBT 模 塊 ， 并 聯 吸 收 電容，在安裝完成后首先檢查逆變器輸入的正負極是否連接正確，出發信號的連線是否連接正確，以防止短路或直通等故障的發生。

大功率晶體管 （GTR） 是一種電流控制的雙極雙結電力電子器件，產生于本世紀 70 年代，GTR就是兩個或多個三極管接在一起，極性只認前面的三極管。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，放大倍數是這三個三極管放 大倍數的 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、開關損耗小、開關時間短，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 用 廣泛[2]。

到 1983美國GE公司和 RCA公司研制成功了第一個復合型電力電子器件，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 晶 體 管 的 復 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斷，其結構如圖4所示。IGBT 集 GTR 通 態 壓 降 小 、 載 流 密 度 大[4]、 耐 壓 高 和（功率 MOSFET） 驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身，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的開關速度低于功率MOSFET， 卻 明 顯 高 于 GTR； IGBT 的 通 態 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，在大電流場合并聯運行時開關損耗卻不一定小；IGBT 的電流、電壓等級與GTR接近，而比MOSFET高，見表1。

圖4 IGBT的結構和電氣符號

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定精度和給定的差別，這是電壓型變頻器最主要的參數之一，在表2中列出了空載測試的相關數據，首先設定變頻柜的在 60Hz的電壓為 230V，也就是初始壓頻比設定為 3.833，啟動變頻柜，對每 3min 增加 50V 電壓，觀察壓頻比的變化，相關數據如表2所示，可以看出改造后，變頻柜的輸出頻率比以前更為穩定，壓頻比也更接近給定值，這也會使潛油電泵的壽命有所延長。

表2 空載實驗數據

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，記錄的相關數據如下，并和改造前做了相應的對比。

表3 短路實驗數據

從這些數據可以看出，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 結束語

在實際應用中，改造后的變頻柜因其高次諧波分量的減少，對控制系統的干擾也降低了很多，生產過程中因變頻柜故障而導致的意外生產關停的情況有很大程度的減少，由于輸出波形較好，絕大多數 ESP系統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 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，不僅節約了成本，降低了能源消耗，同時也提高了石油生產系統的穩定性。

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

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

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

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.016

2013-01-20）

張伊凡，2007年畢業于西安石油大學 （電氣工程及其自動化專業），研究方向為大功率電能變換技術與電力傳動，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182信箱，710065。