摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，油田注水泵机组变频控制产生背景谐波电压，对泵机组、周边电子设备产生谐波干扰。通过测试现场在用变频设备谐波，分析负载改变时电压总谐波畸变率的变化、各分量谐波电压含有率分布情况，了解不同频段谐波干扰类型，为治理变频谐波积累经验。
关键词：注水泵；变频控制；谐波；干扰
引言
节能减排目前是国家较重视的问题，近年来在国家政策的支持下，我国电机能效水平逐步提高，但总体能效水平仍然较低。从电机系统看，由于运行年限长，运行工况与设计工况匹配不合理、调节方式落后等原因，电机系统运行效率比国外先进水平低10-20个百分点。低效电机运行方式造成巨大的用电浪费。变频器在工业生产和生活中的广泛应用为节约能源起到了较大作用。上世纪80年代，变频技术广泛应用于交流电机速度控制上，变频器具有良好的调速性能、节能、高效率等诸多优点。在水泵等流体机械上应用变频器可取代传统挡板、节流阀、回流阀而节省电费。本文通过对辽河油田公司机泵变频技术应用进行总结分析，对变频器应用后的节能效益进行估算。
1变频控制产生谐波现状
由于注水泵的实际流量比泵的额定流量小，因此节电潜力较大。现油田注水系统中变频控制已大量应用，在供水泵、喂水泵、注水泵控制上都有配套，部分变频控制技术节能改造同时更换变频调速电机，大部分是通过变频技术控制常规电机进行调速运行。通过近几年监测注水泵变频改造，计算对比发现变频器谐波干扰比较常见。针对长庆油田第六采油厂安五作业区胡一注水站3#注水泵机组进行典型分析，3#注水泵机组采用往复式柱塞泵，配套隔爆型变频调速三相异步电动机，应用F700系列变频器自动调节注水泵电机运行频率，控制注水泵输出流量，保证注水泵输出压力恒定。调节注水泵机组运行频率，同步测试变频控制柜输入、输出两端电参数及电力谐波电压，注水泵机组运行参数数据见表1。
表1注水泵机组运行参数数据表
2谐波电压随频率变化规律
2.1电机输入谐波电压
F700系列变频器输出端对注水泵电机产生谐波电压，电压总谐波畸变率随着运行频率提高呈现下降趋势，频率超过35Hz后明显下降；奇次谐波电压含有率在35Hz前呈上升趋势，超过35Hz后明显下降；偶次谐波电压含有率随着运行频率提高呈现明显下降趋势。运行频率与电机输入谐波电压变化曲线如图1所示。其原因是电机功率越接近额定功率，变频器逆变过程中的非线性成分越小，谐波电压越低。
图1运行频率与电机输入谐波电压变化曲线
2.2泵控泵（PCP）技术
PCP系统是以增加调节泵的形式实现油田注水泵节能降耗的，建立PCP的基础在于离心泵的串联和变频技术，当其应用于注水泵的满负荷运行中时，可以增加注水泵的原有注水压头，不断降低注水泵的负荷量。注水泵与增压调节泵之间是相辅相成的关系，最终共同完成同一作业过程。注水泵原有工作过程中，以憋压的方式控制干压、流量和电机的过高、过大、过载问题，具体操作是控制相关阀门不完全打开，最终导致处于憋压状态的流量白白浪费，而使用增压调节泵，可完全避免这一现象，阀门处于完全打开状态，调节泵从中平衡压力和能量，规避流量浪费的风险。
2.3电网谐波电压分量
调节F700变频器输出频率，使注水泵机组运行在不同频率下，测量变频器输入端谐波电压的各次谐波电压含有率。在平衡的三相系统中，由于负载对称，偶次谐波大多被消除了，以奇次谐波为主。不同频率运行时奇次谐波电压分量比例基本相同，奇次谐波电压含有率主要成分为3次、5次、7次谐波，其他奇次谐波电压含有率达到1.0%左右。电网25次内奇次谐波电压分量数据见表2。
表2电网25次内奇次谐波电压分量数据表
运行频率低于35Hz以下时，电压总畸变率全部大于60%，奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率都非常高。为了进一步分析谐波电压分量分布情况，测试了35.7Hz运行频率下电机输入端25次及以内谐波电压分量。此时谐波电压分量分布很广，偶次谐波电压含有率与奇次谐波电压含有率为同数量级，占有相当大比例。这将对电机运行产生影响，增大电磁噪声、增加电机发热、影响励磁改变电机出力，出现三相不平衡等。同时通过产生耦合干扰，对周边一定距离内的低压电气、电子仪器仪表产生影响。
2.4使用时间对电机能耗的影响
因受高压电机在油田中的使用时间和运行时间较长等因素的影响，在该批用于实验检测的电机中共有50台电机的报废年限设为13a，约占总检测数量的55.56%。该批电机的各项性能和指标均会受到程度不一的影响，同时也会加剧对能量的消耗。导致出现这一系列不良现象的原因主要有以下几点：（1）传统型和老式型电机的本身设计对能耗的需求较大；（2）电机的阻值会随着电机绕组的老化而不断增大，电机自身损耗增加，进而造成电机效率下降；（3）电机绕组、转子以及轴瓦等部件的振动随着其长期性的运行而不断加剧，在很大程度上加大了机械能耗。
2.5电机负载率对其发电效率产生的影响
经过一番专业性的测试发现，在该批电机实验样本中有2台电机的负载率低于60.00%，其发电效率分别为92.15%和93.27%，且平均发电效率能够保持在92.26%的高水平范围；有5台电机的负载率水平在60.00%~69.00%，电机效率为92.33%~94.35%，且平均发电效率能够保持在93.37%的优质范围；负载率处于70.00%~80.00%的电机共有10台，其发电效率为92.44%~95.58%，且平均发电效率能够保持在94.21%的良好范围；负载率处于81.00%~90.00%的电机共有8台，其发电效率为93.55%~95.77%，且其平均发电效率约为94.25%。除此之外，还有5台电机的负债率处于91.00%以上的状态，且其发电效率大约为94.11~96.41%，平均电机效率大约为94.82%。经过全面性的分析可知，当电机的负载率处于60.00%以上的状态时，负载对电机发电效率所产生的影响相对较小，但负载率会随时间的推移而不断上升，使得其对电机发电效率的影响也逐渐增大，两者可呈现出正比例关系，即负载率越高，对电机发电效率造成的影响越大。
结语
通过现场测试油田注水泵变频控制中的谐波数据，分析电流式变频器、不同变频状态运行时的谐波电压状况。分析了负载改变时电压总谐波畸变率的变化、各分量谐波电压含有率分布情况，不同频段谐波干扰类型，对治理变频谐波积累了实践经验。
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论文作者:王斯佳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/28
标签：谐波论文; 电机论文; 电压论文; 变频器论文; 负载论文; 效率论文; 频率论文; 《基层建设》2019年第4期论文;