一种新型的节能发电机的研发

周 骥 边 倩

(1.西安建筑科技大学 陕西西安) (2.二炮学院 陕西西安)

一种新型的节能发电机的研发

周 骥1边 倩2

(1.西安建筑科技大学 陕西西安) (2.二炮学院 陕西西安)

节能发电机是石油钻机设备中一个常用设备,但目前配置的节能发电机和其控制系统不能动态的调节发电机的电压和频率。为解决这一问题,文章介绍了采用交流励磁双馈发电机理论研发的节能发电机,并对实际应用中需解决的问题进行探讨。同时,对实际应用进行了节能测算,以期做到更大的节能效果。

节能发电机;交流励磁双馈发电机;变速恒频;探讨;节能

0 引 言

石油行业的节能是一个永久的课题,在机械钻机中,由于负载的变化,柴油发动机的效率得不到有效地利用。传统的做法是配备一台无刷恒压同步发电机与柴油发动机的输出轴相连。这样,柴油发动机在某些工况能够以较高的效率运行,并在一定程度上提高钻机运行的节能效果。石油行业中习惯上将这台无刷恒压同步发电机叫做节能发电机。

现在的节能发电机在实际应用中存在诸多问题,节能效果不尽如人意。本文论及的是一种新型的发电机,他的设计和制造与目前使用的节能发电机有了根本的改变,以期对现存的问题进行根本解决。

1 存在问题的分析

目前使用的节能发电机存在的问题是显而易见的:一方面,由于钻井作业对泥浆泵泵冲的调整是通过柴油机的转速调整来完成的,所以,柴油发动机转速的变化是必然存在的;另一方面,由于井场负荷频繁的、剧烈的变化,柴油发动机的转速也会随之变化。目前配置的节能发电机和其控制系统不能动态的调节频率,电压的调整范围有限。因此,节能发电机提供的电源是一个电压和频率频繁波动的电源。这样的电源对电机等感性负载的危害大,容易造成电动机寿命的减少甚至烧毁。因此,在钻机作业复杂的工况时不能使用节能发电机组,造成节能发电机的实际使用率低,提高柴油发动机效率也变得十分有限。正因为如此,钻机必须配备辅助柴油发电机组为井场电气设备供电。同时,由于节能发电机电压和频率频繁波动,往往只能用于单机运行,无法和辅助柴油发电机组并联运行。这种情况下井场的供电系统结构复杂,给设备和施工安全带来不必要的隐患[1]。

2 性能优异的节能发电机的工作原理

本文介绍的这种性能优异的节能发电机是一种交流励磁双馈发电机。

2.1 交流励磁双馈发电机变速恒频运行原理

交流励磁双馈发电机在结构上与绕线型感应电动机相似,即定子、转子均为三相对称绕组,转子绕组通过滑环引入三相对称交流励磁电流,发电机的定子通过直接投入电网,转子通过四象限交直交变换器与电网连接实现交流励磁。通过对发电机转子交流励磁电流幅值 频率和相位可调的控制,可以实现变速下的恒频运行[2]。交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统原理示意图如图1所示。

图1 交流励磁双馈发电原理示意图

式(1)中,f1为定子电流频率,Hz;fr转子机械旋转频率,Hz;fs转子励磁电流频率,Hz;n为转子转速,r/min;p为电机的极对数。

当发电机的转速n小于定子旋转磁场的同步转速ns时,处于亚同步运行状态,此时变频器向发电机转子提供交流励磁,定子发出电能给电网,式(1)中fs取正号;当n大于ns时,处于超同步运行状态,此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网,变频器的能量逆向流动,式(1)中fs取负号;当n等于ns时,处于同步运行状态,此时发电机作为同步电机运行,fs=0,变频器向转子提供直流励磁。图中的变频器必须能够满足交流励磁发电机的运行要求,实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动。由式(1)知,当发电机转速n变化时,若控制转子供电频率fs相应变化,可使f1保持恒定不变,与电网频率保持一致,就实现了变速恒频控制,这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。

2.2 交流励磁双馈发电机功率调节简介

通过矢量变换控制策略还能实现输出有功和无功功率的控制,提高电力系统调节的灵活性和动 静态稳定性[3]。改变转子励磁电流的相位时,由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移,这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置,也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率,也可调节有功功率。当电机吸收无功功率时,往往由于功率角变大,使电机稳定度降低。如通过调节交流励磁的相位,减小机组的功率角,使机组的运行稳定性提高,从而可多吸收无功功率,克服由于负荷下降、电网电压

由交流异步发电机的基本原理可得下列关系:过高的不利局面。因此说,交流励磁双馈发电机较传统同步发电机有更优越的运行性能。可通过调节转子电流的频率,相位及功率来调节定子侧输出功率、电压、频率。

综上所述,交流励磁双馈发电机具有超越传统同步发电机的性能,简述如下:

1)采用交流励磁方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压(或电流)的频率、幅值、相位也不受转子速度和瞬时位置影响,即机电之间的刚性联系变为柔性联系。

2)改变励磁电流的幅度,可以调节机组发出或吸取的无功分量,以适应功率因数的调整,特别是可以吸收无功分量稳定运行。

3)改变励磁电流的相位,可以快速完成发电状态的电磁调节过程,从而保证发电机电压或无功的快速调节。

4)改变励磁电流的频率,可以适应发电机转速的变化,保证发电机输出交流电的频率恒定。

5)交流励磁发电机有功、无功的独立调节能力,将显著提高电力系统的静态和暂态稳定性。

3 节能发电机控制系统的设计

综上所述,交流励磁双馈发电机可以实现变速恒频的运行特性,因此,新型节能发电机选用交流励磁双馈发电机。新型节能发电机控制系统的设计采用频率双闭环控制系统,在变速恒频理论和矢量控制算法的指导下,对发电机励磁电流的频率和幅值进行有效的控制,实现对发电机输出电压和频率动态的调节,使其达到理想的恒频恒压的控制要求。图2是频率双闭环控制原理框图。

图2 频率双闭环控制原理框图

3.1 节能发电机控制系统的硬件设计

节能发电机控制系统采用一种全数字的新型发电机控制器,控制核心采用电机专用控制芯片TMS320LF2812DSP芯片,结合功率驱动单元、电机转子位置处理电路单元、直流母线电压检测单元、励磁电流信号检测单元等全隔离的功能单元电路,功率部分采用三菱公司1 200 V/400 A H桥逆变器来实现。图3是控制系统硬件及结构框图。

图3 控制系统硬件及结构框图

3.2 节能发电机控制系统的软件设计

整个控制系统的软件部分由主程序和中断服务子程序组成,中断服务子程序主要包括定时器中断程序(电机核心控制程序)和外部中断程序(故障保护程序)等。主程序完成CPU和各外部芯片的初始化、中断的设置、变量的初始化和电机的开环起动过程,之后主程序实际上进入一个查询过程,程序不断地查询中断设置,并根据中断信息调用对应子程序。程序流程图如图4所示。

目前节能发电机控制系统的运行试验已在实验室进行,并以完成了自并励空载实验,实现了变速恒频发电,变速范围35 Hz～65 Hz。

4 需解决问题的探讨

4.1 交流励磁双馈发电机的设计和制造方面

交流励磁双馈发电机设计和制造的关键技术也将是项目研制过程中的主要技术难点。主要表现在如下几点:

1)交流励磁双馈发电机电磁设计技术

由于发电机采用双馈方案,在额定运行时,定转子均处于发电状态,特别是当转子转速高于同步转速时运行在发电状态,低于同步转速时却运行在电动机状态,这就使得该发电机的设计既不同于同步发电机,又不同于异步发电机,在设计中需兼顾不同状态下运行时的电气性能。

2)交流励磁双馈发电机的绝缘技术

图4 程序流程图

双馈发电机工作原理为转子绕组与交—直—交双向变频装置相连,定子直接接入电网,通过调节供给转子侧电流的大小、频率、相位等控制定子侧电压、频率、有功和无功。因此转子绕组上所施加电压为脉冲电压,这就要求转子绕组的绝缘能长期承受高dv/dt的冲击,解决好这个问题,绝缘技术至关重要。

3)滑环

双馈发电机由于必须使用双绕组以及滑环,发电机成本较高,且无标准化设计方法。

4.2 双馈发电机控制系统方面

1)双馈发电机控制重点是励磁控制,并网过程中有较大的电流冲击和电压波动,需要细致的分析和解决,算法较复杂和繁琐。

2)转子侧变流器工作在低频段(通常为0～16.6 Hz),由于功率器件一般其有效值在50 Hz下标定,工作于低频段时IG BT等功率器件的热应力增加,功率器件必须留有足够的余量。

5 应用举例

新型节能发电机应用同时,可以实现节能发电机和其他电网的并网功能。结合自动并网功能使其在最大程度上有效利用发动机的功率,大幅度的降低生产成本,降低系统故障率,采用这种节能发电机可以真正实现石油钻机节能的目的。以下列举了几种典型的设备配置的方案,并根据方案的特点估算了节能效果:

推荐配置1:5 00 kVA节能发电机,400 kVA辅助柴油发电机组。

配置优点:可在任何工况使用节能发电机为转盘和MCC系统供电。在1台柴油发动机功率不够,2台太大的工况下,可以选择起动1台柴油发动机和辅助柴油发电机组,辅助发电机组与节能发电机并网运行,转盘和MCC系统功率不限制。

推荐配置2:1 000 kVA节能发电机。

配置优点:在任何工况使用节能发电机为转盘和MCC系统供电。省略辅助柴油发电机组的设备购买。

推荐配置3:1 000 kVA节能发电机,500 kVA辅助柴油发电机组。

配置优点:可在任何工况使用节能发电机为转盘和MCC系统供电,并可以考虑绞车也用电动控制。在1台柴油发动机功率不够,2台太大的工况下,可以选择起动1台柴油发动机和辅助柴油发电机组,辅助发电机组与节能发电机并网运行,转盘和MCC系统功率不限制。

6 结 论

新型的节能发电机使用效率远远高于老式节能发电机,使得柴油发动机的使用效率提高5%～10%,同时,辅助发电机组节约效率5%～10%,综合效率提高在10%～15%。按照保守计算,一台800 KW柴油发动机每日油耗2 t,可每天节约柴油0.2 t～0.3 t,按每年最短钻井时间150天计算,可以节约柴油30 t～45 t,按每升价格6元计算,可以节约成本约为18万～27万元,从而大大节约了钻井生产的成本。

[1] 孙松尧.钻井机械[M].北京:石油工业出版社,2006

[2] 李保来.双馈交流励磁无刷交流发电机的理论分析[J].中小型电机,1997,1(24)

[3] 邹旭东,赵 阳,柳 彬,等.独立运行双馈发电机矢量控制技术研究[J].中国电机工程学报,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 骥,男,1971年生,1998年于西安公路交通大学(现长安大学)信控系自动化专业毕业,目前在西安建筑科技大学攻读硕士学位,专业方向是控制自动化。邮编:710065

2011-07-13编辑刘雅铭)

PI,2011,25(5):18～21

·仪器设备·