浅析惠州油田变频柜升级改造

张伊凡 王乐（.西安石油大学电子工程学院；.惠州油田）

浅析惠州油田变频柜升级改造

张伊凡1王乐2（1.西安石油大学电子工程学院；2.惠州油田）

随着科学技术的发展，利用现代技术和先进的器件对旧设备进行升级改造是企业节约成本的有效途径，是提高设备可靠性的有效措施，是节约能源的有效方法。本文简要阐述了电潜泵在海上石油生产系统中的工作过程，以及利用 IGBT对电潜泵用GTR变频器的升级改造步骤，比较了 IGBT和 GTR在逆变器应用中各自的特点，惠州油田利用 IGBT 对变频柜升级改造后节约了成本，降低了能源消耗，对变频柜的改造具有重要价值。

变频柜 绝缘栅双极型晶体管 潜油电泵

引言

惠州油田始建于 1989 年，我国在南海地区建立的第一个海上石油生产基地，目前有生产的油井近百口，在这些油井中，主要是利用变频柜经升压变压器拖动水下 2000m 的潜油电泵，来举升原油的，电潜泵井的结构框图如图1 所示。三相 480 VAC电压输入变频柜变频送入升压变压器，将电压提高到 1800V 左右，经采油树的接头传出给水下2000m 的潜油电泵 （ESP）。

图1 ESP系统结构框图

潜油电泵 ESP是靠贝克休斯 2250-VT电压型变频柜驱动的，当时因为绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 还没有大规模应用于变流器装置，所以在逆变器部分采用三个 GTR并联的形式，2250-VT型变 频 柜 采 用 的 是 GTR （GiantTransistor）， 且 额 定 电流只有 200A，所以输出逆变器采用 3个 GTR 并联的方式，这样不仅需要可靠地均流，而且由于GTR工作频率不高，产生的谐波干扰和电磁干扰对油田的小电网系统有很大影响，有时甚至出现因为干扰而导致变频 柜 （VFD） 误 报 警 而 使 生 产 关 停 的情况。

随着科技的发展，特别是大功率 IGBT 的产生和大规模应用，使得现代变频柜具有功率因数高、谐波小等优良特点，但是从节约成本的角度考虑，对旧变频柜的升级改造远比购买新的高性能变频柜经济得多，所以惠州油田根据生产的需要，依照国家对电网谐波和节能的要求以及经济性的角度出发，迫切需要对陈旧的以GTR为主要逆变器的变频柜，用 IGBT进行升级改造

1 2250-VT型变频柜简介

2250-VT 型 变 频 柜 输 入 三 相 60Hz，（460 ± 46） VAC，输出频率 10～120Hz连续可调，频率调节精度 0.1Hz， 最 大 输 出 功率 260kVA， 最 大 输 出电 流 313A， 效 率 可 以 达 到 98% ， 功 率 因 数 达0.96，是贝克休斯专为海上小电网系统和潜油电泵设计的变频柜，其结构和控制思想是根据海上石油生产的具体情况而设计的，其中包括变压器的各种保护，并可以与井下传感器模块通信，传输井下马达温度，泵进出口压力等参数，以保证对电动机和泵的保护，变频柜的框图如图2所示，该变频柜包括三相桥式整流电路，LC滤波电路，逆变电路，数字控制电路板，整流控制板，逆变控制板，操作控制板等，三相桥式整流电路与普通的整流电路相同，采用 6块 2500V绝缘的二合一 SCR封装模块，用两个SCR并联成三相桥式整流电路，可以对整流输出电压进行调节；整流输出后经过 LC滤波电路，得到比较平滑的电压波形；逆变电路的开关器件采用GTR，输出6脉波的三相桥式逆变器；数字控制电路板主要是接受HMI的给定并调节晶闸管触发脉冲和GTR的驱动信号，整流板和逆变板则是接收数字控制板的驱动信号，经放大整形处理后分别发送给SCR和GTR。

图2 2250-VT型变频柜结构框图

2 GTR和 IGBT的比较

对 变 频 柜 升 级 改 造 主 要 是 利 用 IGBT 更 换GTR，以及相 应 的 控 制 组 件 ， IGBT 采 用 英 飞 凌2500V/300A 的 二 合 一 IGBT 模 块 ， 并 联 吸 收 电容，在安装完成后首先检查逆变器输入的正负极是否连接正确，出发信号的连线是否连接正确，以防止短路或直通等故障的发生。

大功率晶体管 （GTR） 是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪 70 年代，GTR就是两个或多个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。逆变器中采用的 GTR具体接法如图3所示，前面为三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面为三极管射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管射极为达林顿管射极，用法跟三极管一样，放大倍数是这三个三极管放 大倍数的 乘 积[1]。

图3 改造前逆变器的 GTR模块

GTR 在 70 年代因其既具 备晶 体管 的固 有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路 中 应 用 广泛[2]。

到 1983美国GE公司和 RCA公司研制成功了第一个复合型电力电子器件，绝缘门极双极型晶体管（IGBT)， IGBT 可 视 为 双 极 型 大 功 率 晶 体 管 与功 率场 效 应 晶 体 管 的 复 合[3]。 通 过 施 加 正 向 门 极 电 压 形成沟道、提供晶体管基极电流使 IGBT 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使 IGBT因流过反向门极电流而关断，其结构如图4所示。IGBT 集 GTR 通 态 压 降 小 、 载 流 密 度 大[4]、 耐 压 高 和（功率 MOSFET） 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET， 却 明 显 高 于 GTR； IGBT 的 通 态 压 降 同GTR 相 近 ， 都 在 1.5～3.5V[5]， 但 比 MOSFET 低 得多，但是GTR的单管容量较小，在大电流场合并联运行时开关损耗却不一定小；IGBT 的电流、电压等级与GTR接近，而比MOSFET高，见表1。

图4 IGBT的结构和电气符号

也正是由于 IGBT 具有上述特点，且单管 IGBT 的容量比 GTR 大的多，所以在中等功率容量 （600V 以上） 的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT 已逐步替代 GTR 成为核心元件。

表1 几种全控型电力电子器件的比较[6]

3 功能测试

对改造后的变频柜测试主要有空载测试和短路测试两方面，空载测试主要目的是测量变频柜的压频比设定精度和给定的差别，这是电压型变频器最主要的参数之一，在表2中列出了空载测试的相关数据，首先设定变频柜的在 60Hz的电压为 230V，也就是初始压频比设定为 3.833，启动变频柜，对每 3min 增加 50V 电压，观察压频比的变化，相关数据如表2所示，可以看出改造后，变频柜的输出频率比以前更为稳定，压频比也更接近给定值，这也会使潜油电泵的寿命有所延长。

表2 空载实验数据

短路测试主要测试变频柜的带载能力，为保护变频柜，短路测试只需让电流上升到限幅电流就可以停机，限幅电流设定为 313，也就是变频柜的最大输出电流。为了降低大电流对变压器和变频柜的冲击，设定起始频率为 5Hz，在变压器高压输出端将输出端子短路，启动变频柜，记录的相关数据如下，并和改造前做了相应的对比。

表3 短路实验数据

从这些数据可以看出，虽然电流不平衡度都满足小于3%的要求，但输出电源的质量有了一定程度的提高，另外短路电压可以反映出变频柜在满负荷时的损耗情况，包括变压器的铜耗，改造前后短路输出电压有了明显下降。

4 结束语

在实际应用中，改造后的变频柜因其高次谐波分量的减少，对控制系统的干扰也降低了很多，生产过程中因变频柜故障而导致的意外生产关停的情况有很大程度的减少，由于输出波形较好，绝大多数 ESP系统效果比原来增加了许多，另外，虽然单管 GTR 比 IGBT 的压降小一些，但是改造后采用的IGBT 模 块 比 原 来 少 了 1/3， 使 得 开 关 损 耗 有 所 降低，提高了变频柜的工作效率，所以用 IGBT 对旧的变频柜升级改造是成功的，不仅节约了成本，降低了能源消耗，同时也提高了石油生产系统的稳定性。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2005年版.

[2]陈 宁,周 继 华,焦 振 宏.GTR、IGBT 在 RDCLI变 频 调 速 装 置中的应用特点[J].电力电子技术,1996(3):88-90.

[3]郭 红 霞,杨 金 明.IGBT 的 发 展[J].电 源 世 界,2006(9): 82-87.

[4]彭端,彭珞丽.GTR和 IGBT动态特性测试的研究[J].武汉水利电力大学学报,2000(2):101-104.

[5]陈 俊 丽.与 GTR 通 用 的 IGBT 驱 动 保 护 电 路 的 设 计[J].仪表技术,1998(4):27-29.

[6]陈其工,张绍德,凌有铸.变频调速中电力电子器件的应用与感应电机模型研究[J].安徽机电学院学报(综合版),1995(2):1-10.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.016

2013-01-20）

张伊凡，2007年毕业于西安石油大学 （电气工程及其自动化专业），研究方向为大功率电能变换技术与电力传动，E-mail：ZYF0806@yahoo.com.cn，地址： 陕西省西安市电子二路 东段18号西安石油大学182信箱，710065。