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1、长距离电缆变频控制技术长距离电缆变频控制技术应用汇报应用汇报华北油田科达开发有限公司华北油田科达开发有限公司BZ34-3/5平台电潜泵平台电潜泵主要内容主要内容1 工程概况工程概况2 电潜泵长距离电缆变频控制技术方案电潜泵长距离电缆变频控制技术方案3 变频器现场调试变频器现场调试1工程概况工程概况1.1海上平台使用环境条件海上平台使用环境条件: 位 置： 东经1192811933,北纬38053808的海域 平台类型： 人工海上平台 环境温度： -17.234.6 海水温度： 11.9 大气温度： 11.1 平台水深： 20.22米 湿 度： 1) 最大相对湿度：94%； 2) 最小相对湿度
2、：10%1.2主要基础数据主要基础数据 1、平 台 电 泵 机 组 数 量：BZ34-3平台2口，BZ34-5平台2口 2、潜 油 电 泵 机 组 功率范围为：65KW - 100KW 3、潜油电泵机组 额 定 工作电流：90A 4、潜油电泵机组 额 定 工作电压：700-2000V 5、“一对一”变频控制系统电源为： 380V/50Hz1.3对电潜泵长距离电缆控制变频系统的技术要求对电潜泵长距离电缆控制变频系统的技术要求1、BZ34-3/5平台各分别采用2套“一对一”变频控制系统，共4套；2、变频器可以实现在0-50Hz内任一频率上对ESP进行变频启动，变频启动过 程中能够根据电泵的运转情况
3、进行频率的自动调节；3、变频器输出波形应该适应长距离电缆传输（海缆海缆5000米米+井下电缆井下电缆2000 米米）的需要4、设备要提供空载及满载时散发的热量及理论计算依据；5、中压变频器的噪声等级75DB，温升等级65K，中压变压器的噪声等级50DB，温升等级85K6、变频器输入/输出电流电压谐波必须满足国家电力部门规定的要求；7、变频器应满足射频干扰的要求，且不能对相同控制室内的其他设备产生射频干扰，变频器与变压器安装在同一房间内时，变压器对变频器本身的控制、数据读取与记录及数据传输应没有影响；8、要有电潜泵系统所要求的各种保护功能，如：短路、缺相、过载、欠 载、电流不平衡、启动过程保护等
4、；9、要有测量值显示及状态指示功能：如：三相电流、三相电压、过载、欠 载、电流不平衡等状态显示功能；11、要有数据记录功能，如：除要有正常的电流记录外（并能够根据电机的运行状态变化情况可自动更新取样频率），还应有重要瞬间参数的存储记忆功能。数据总存储量要求不小于256K；10、变频系统必须适应中央控制室的DCS系统要求，变频器内存储的参数必须能够满足计算机下载使用的要求，并留有计算机并预留通讯端口；11、某些需调整的参数要能够根据实际情况进行调整和重新设定，如，过载、欠载、延时等；12、中压变频器必须使用专用端子排预留“运行”、“停止”和“紧急关断”信号，供中控室引用（信号类型和端子排位置编号
5、必须满足甲方要求）；2电潜泵长距离电缆变频控制技术方案电潜泵长距离电缆变频控制技术方案2.1系统技术关键系统技术关键l 安全性、可靠性与稳定性的实现安全性、可靠性与稳定性的实现 根据海上平台的工艺技术要求，要使平台变频系统真正发挥作用，首先 务必保证运行设备正常运转，少出故障或不出故障；使系统安全可靠，稳定运行。这是海上平台生产管理与设备管理的第一原则。l 长距离电缆传输长距离电缆传输 海缆5000米，井下电缆2000米，共计7000米的长距离电缆传输，选用的变频器必需满足长距离电缆传输。2. 2技术实施方案技术实施方案1、 容量选择容量选择 根据技术要求与基础数据，该平台上电潜泵机组电流90
6、A，潜油电泵机组功率范围为60kW-100kW，额定工作电压为700-2000V。下面分别从电泵电压与电流方面加以说明。l 电压方面电压方面 电潜泵机组的额定电压为700-2000V。电缆总长度7000米，按每100m损耗10V电压计算，7000m电缆压降为700V，要求变频器输出电压大于2700V.（2000V+700V）l电流方面电流方面 根据技术参数中的功率和电压全覆盖情况下计算： 当电泵功率60kW-100kW，额定电压为700V时，电流为62-103A 当电泵功率60kW-100kW，额定电压为2000V时，电流为20-36A 根据给定功率和额定电压计算，在覆盖全范围情况下最小电流为
7、20A（电泵是60KW、2000V时），最大电流为103A（电泵是100KW、700V时）.根据实际工况和技术要求基本数据中给定的电潜泵机组电流小于90A。所以选用电流不小于90A的变频器即可。 此结果满足技术要求中的电泵功率、电压、电流三个参数的全部要求。2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案2、品牌选择、品牌选择 西门子-罗宾康品牌中压变频器电压等级在2.3KV-13.8KV，功率在200KW-12000KW 。变频器采用一体化设计，可最大限度地提高产品的功能、效率和可靠性，无电缆长度限制（见原理部分说明）。所以选用西门子公司的罗宾康完美无谐波系列高压变频器完全可以满足本项目的技术要求（
8、见图2-1中压变频主回路单线图、图2-2罗宾康VFD外形尺寸图）。 根据西门子-罗宾康品牌中压变频器选型规格，电流不小于90A时，可选PH-0.38-3.3-500。 主要参数：主要参数：18脉冲整流，额定输入电压380V，额定输出电压3300V，额定电流105A，额定功率500KW，防护等级IP31， 外形尺寸259410922624。3、罗宾康中压变频器原理及组成、罗宾康中压变频器原理及组成l原理原理 罗宾康完美无谐波中压变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联方式实现直接中压输出（见图2-3罗宾康VFD拓扑结构原理图）。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输入输出波形质量好，
9、不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以应用到普通的异步电机，包括国产电机上。 本项目选用输出电压为3.3KV中压变频器。每相由3个额定电压为630V的功率单元串联而成（见图2-4罗宾康VFD功率单元原理图），输出线电压最大可达3.3KV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于3.3KV电压等级变频而言，就是18脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波（图2-5罗宾康VFD的输入电压、电流波形图）。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入综
10、合功率因数可达到0.95以。2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案图2-4罗宾康VFD功率单元原理图图2-3罗宾康VFD拓扑结构原理图图2-5罗宾康VFD的输入电压、电流波形图 380V电网电压经过副边多重化的移相变压器升压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的中压直接输出，供给中压电动机。 逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，3.3KV输出相当于7电平，输出电压完美无谐波（见图2-6罗宾康VFD电流、电压输出波形）。 电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可
11、直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。 2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案3、罗宾康中压变频器原理及组成、罗宾康中压变频器原理及组成图2-5罗宾康VFD电压输出波形电流输出波形2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案3、罗宾康中压变频器原理及组成、罗宾康中压变频器原理及组成l组成组成 罗宾康变频器采用拓扑结构，从图2-3中可知，主要由移相变压器、功率单元及控制单元三部分组成。 与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均
12、压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。 功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。这一系列变频器目前正在全世界得到广泛应用。4、罗宾康中压变频器的主要性能特点、罗宾康中压变频器的主要性能特点l 全球中压变频器知名品牌，超过十年的安全运行经验，适合ESP应用。l 变频器采用18脉冲整流、7电平逆变方式，为直接高压结构，0-3.3KV直接 输出(输出电压可以设置)，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式，输出相电压至少为7电平，线电压至少为11电平。l 系统一体化设计，包括输入干式移相变压器，变频器等所有部件及内部连
13、线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。整套系统在出厂前进行整体测试。l 无需滤波器，变频器就可输出正弦电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，电机不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行。l 性能优异，输入和输出谐波小（18脉冲整流输入符合并优于IEEE519 1992及GB/T1451993标准对电压失真和电流失真5%最严格的要求），变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响。输出电缆长度无限制。2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案l 内部移相变压器为干式，绝缘等级为H级，可靠性高，
14、为免维护型。适应电网波动要求。当电网电压下降至55%时，变频器在降额时仍能继续工作l 输入功率因素大于0.95。在20100%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数(无需功率因数补偿装置)。l 体积(包括变压器在内)小，安装空间少。中文PC操作界面，给用户带来方便。具有紧急关断功能。l 控制系统采用全数字微机控制，具有自诊断功能。电机参数自动检测、自动优化。控制系统具有在线检测变频器输入电压、电流、输入有功功率、无功功率、输入功率因素、累计用电量、输出电压、电流、功率、频率、电机转速等功能。l 变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好。 2. 2
15、技术技术技术实施方案技术实施方案4、罗宾康中压变频器的主要性能特点、罗宾康中压变频器的主要性能特点2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案l 结构合理结构合理 变频器的功率单元为模块化设计，可以从机架上抽出，移动和更换，所有单元可以互换，更换单元不须专用工具，更换一个单元的时间一般小于10分钟逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形。 输入侧的移相变压器能保护电机不受共模电压的影响。 整个变频系统采用强制风冷。变频系统前面操作和维修，可靠墙布置。 变压器的防护等级为IP31，对变频器柜体及电气部分进行防腐蚀处理。l 保护功能强保护功能强 变频装置有过电压，过电流，欠电压，缺相，
16、变频器过载，变频器过热，电机过载，输出接地，输出短路等保护功能。 变频装置具有输入侧各种保护。变频器带转速跟踪再起动功能。 还具有潜油电泵要求的相关保护功能，如：短路、缺相、过载、欠载、电流不平衡、启动过程保护等。4、罗宾康中压变频器的主要性能特点、罗宾康中压变频器的主要性能特点4、罗宾康中压变频器的主要性能特点、罗宾康中压变频器的主要性能特点2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案l 长距离传输性能好长距离传输性能好 在控制上采用磁通电流和转矩电流双闭环控制方式，通过监测变频器负载的磁通在控制上采用磁通电流和转矩电流双闭环控制方式，通过监测变频器负载的磁通电流，通过软件调节变频器的输出电流环
17、与磁通环，达到与负载电感与电容的匹配，电流，通过软件调节变频器的输出电流环与磁通环，达到与负载电感与电容的匹配，从而提高了变频器的长距离带载能力。从而提高了变频器的长距离带载能力。 罗宾康高压变频器输入/输出电流、电压谐波完全满足国家电力部门规定的要求。 由于该变频器采用了上述控制原理，所以无输出电缆限制，特别适宜长输出电缆的应用场合。 输出波形适应长距离电缆传输的需要，ESP应用可长达35km的电缆。 因此罗宾康3.3kV VFD的输出电压完全可以满足技术协议要求的7000m长度，而不采用滤波器可达到的输出距离。 从目前在从目前在BZ34-5平台的实际应用情况看，其效果也是非常理想的。平台的
18、实际应用情况看，其效果也是非常理想的。l 高强抗干扰能力高强抗干扰能力 变频器采用多脉冲整流及多电平逆变，输出谐波含量较小，谐波对其它设备影响非常小。同时，通过柜体的屏蔽设计、系统的接地、输入输出电缆屏蔽等措施可以保证变频器对其它控制设备无影响。变压器对变频器本身的控制、数据读取与记录及传输没有任何影响。l 维护方便维护方便 罗宾康高压变频器采用单元模块化设计，前开门，维护方便。4、罗宾康中压变频器的主要性能特点、罗宾康中压变频器的主要性能特点2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案功率范围225k-120000k2300-13800设计多重化的脉宽调制输入入额定定输出功率出功率时为 ，降，降
19、额输出出时可达可达输出波形出波形脉脉宽调制正弦波，制正弦波，2.3kV-13.8kV输出出频率率0-50/60Hz(0-50/60Hz(可可选选到到330Hz)330Hz)输入功率因数在负载下均能达到.效率变频器效率高，达98.5%输入电源无相序敏感频率精度所有因数下（.）调速范围-连续的（依应用而定）加速时间.-秒，可调节（依负载而定）减速时间.-秒，可调节（依负载而定）过载能力过载能力标准标准110%，1分钟分钟控制电压控制电压3AC380V或单相或单相AC220V起动转矩可空载调试，控制采用无速度传感器矢量控制，起动转矩可达150%5、罗宾康中压变频器的主要技术参数、罗宾康中压变频器的主
20、要技术参数AI/AO2路420mA或010V模拟量输入, 4路420mA模拟量输出或010V用以输出电机电压，电流和频率等指示信号(可程序修改)DI/DO5路DI：自动起动/停止，手动起动/停止，紧停，复位等7路DO：变频器就绪，运行，故障等 (容量220VAC/5A)通讯变频器带有MODBUS485通讯接口和以太网接口，可以将功率因素、输出频率、输出电压等参数通过通讯接口传送至PLC或DCS发热发热量及量及噪音温升噪音温升 等等级级满载损满载损耗（包含耗（包含输输入入变压变压器）器）2%2%。变频变频器部分的器部分的损损耗主要取决于耗主要取决于选选定的定的IGBTIGBT、二、二极管等器件的
21、通极管等器件的通态损态损耗及开通耗及开通/ /关断关断损损耗。耗。中中压变频压变频器的噪音等器的噪音等级级75dB,75dB,温升等温升等级级65K65K，中，中压变压压变压器的噪音等器的噪音等级级50DB50DB，温升等，温升等级级85K85K。防护等级空冷为，水冷为环境温度境温度摄氏氏-度，度，95%95%相相对对湿度，（湿度，（有更高温度要求也可以，需和厂里接洽）有更高温度要求也可以，需和厂里接洽）海拔平均海拔米以下，再高也可，需和厂里接洽尘污染在.毫克立方升时小于微米气体污染抗电性氯化物和硫化物少于每十亿分之四抗振动变频器抗地震能力为7级，振动0.5G，临界速度可跳过(共3组，可任意设
22、定)。5、罗宾康中压变频器的主要技术参数、罗宾康中压变频器的主要技术参数6、数据显示与通讯、数据显示与通讯l 控制功能控制功能启、停控制：可控制VFD对电泵的启动和停止（见图2-9启停控制画面）。运行频率设定：在启动过程或运行过程中对变频器输出频率设定。参数设定：电泵额定电压、电泵额定电流（见图2-10参数输入画面）。保护参数设定：过压、欠压、过流、过载电流、欠载电流、过载延时、欠载 延时、短路电流、电流不平衡度等（见图2-11保护报警画面）。电泵运行数据显示：运行电压、运行频率。电流记录仪电流直观显示电泵运行状态显示：运行、停止、故障；。l 通讯：通讯：可向中控DSC系统上传变频器的全部参数
23、、电泵运行数据、电泵工况数据等等，也可接收中控DSC下传的电泵启动、停止、调频及急停等指令。l 数据存储：数据存储：可通过中控室计算机在电泵正常运行时一小时存储一个电流值， 当电泵运行电流有波动时，加密电流存储点。2. 2技术技术技术实施方案技术实施方案3 变频器现场调试变频器现场调试l BZ34-4EP第一次海上平台调试第一次海上平台调试l BZ34-4EP第二次海上平台调试第二次海上平台调试 4EP平台诲一次调试于2060年9月2日-9月6日，科达公司派专业技术工程师赴海上平台进行了空载调试。 调试过程中发现以下问题： 1）变频器的接地不符合要求； 2）变频器数据存储与上传存在与技术要求上
24、的差异； 3）触摸屏通讯与中控室通讯接口发生冲突。 经过与SIEMENS厂家协商，拟在4EP平台投产调试时予以解决。 4EP平台第二次调试于2006年11月23日-12月15日，科达公司派专业技术工程师赴海上平台进行了投产调试、现场技术培训及保运工作。 因为在4EP平台第一次调试发现了一些不足，因此在4EP平台第二次调试时这些问题均得到了妥善解决。接地问题厂家重新进行了设计，现场作了调整；变频器的运行参数及相关数据都可从中控室显示并存储下来，变频器柜门上重新安装了电流记录仪，可直接在变频控制室监测到变频器即电潜泵的工作电流。 11月27日投产， P1井变频器启动正常，到50Hz运行，电流11.5A，电压2050V，投产成功。S1#变频器启动正常，运行几分钟后，变频器故障关断，代码为IGBT A1，为功率单元损坏。晚9点从2EP平台上拆回一套功率单元模块，更换后再启动变频器正常，到11月30日，调整到60Hz运行，电流8.2A，电压2420V.从12月1日至14日保运行结束，2口变频器井一直稳定运行。 据了解，该平台从投产后至今，设备运行平稳，效果良较好。 建议买方考虑每个平台各配置一套功率单元备件箱，以备应急维修更换。建议买方考虑每个平台各配置一套功率单元备件箱，以备应急维修更换。
