Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Rekonstruktion der Stromversorgung einer 6000-V-1800-kV-Wasserpumpe im Ölfeld Liaohe mittels Frequenzumrichter. Er behandelt technische Aspekte der Konstruktion und Fertigung des Frequenzumrichters und vergleicht den Pumpenbetrieb vor und nach der Rekonstruktion. Schlüsselwörter: Wasserpumpe; Hochspannungsumrichter; Leistungseinheit I. Einleitung China ist ein bedeutender Energieerzeuger und -verbraucher , und die Entwicklung unserer Volkswirtschaft wird maßgeblich durch Energieerzeugung und -verbrauch beeinflusst. Öl, Kohle und Strom sind die wichtigsten Bestandteile des chinesischen Energiemixes. Ölfelder dienen der Ölförderung und sind gleichzeitig große Stromverbraucher. Ziel der Ölfelder ist es, die Ölproduktion zu steigern und den Stromverbrauch zu senken. Um die maximale Förderleistung jeder Ölquelle zu gewährleisten, ist die Wasserinjektion zur Aufrechterhaltung des Öldrucks eine gängige Methode. Wasserinjektionspumpen sind zu entscheidenden Anlagen in der Ölfeldproduktion geworden, und ihr reibungsloser Betrieb und ihre Effizienz wirken sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit des Ölfelds aus. Werden Wasserinjektionspumpen direkt vom Stromnetz angetrieben (d. h. mit voller Spannung und Netzfrequenz betrieben), leiden sie unter hohem Anlaufstrom, starken Motorbelastungen, großen Spannungsschwankungen im Ölfeldnetz und der Unfähigkeit, die Motordrehzahl an die spezifischen Bedingungen der einzelnen Ölquellen anzupassen. Diese Faktoren beeinträchtigen den normalen Betrieb der Wasserinjektionspumpen und führen zu häufigen Störungen, hohen Wartungskosten und geringer Betriebseffizienz. Daher ist die Nachrüstung von Wasserinjektionspumpen mit Frequenzumrichtern unerlässlich. Wasserinjektionspumpen arbeiten unter hoher Spannung und mit hoher Förderleistung in rauen Umgebungen, und ihr langfristiger Dauerbetrieb stellt hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit. Daher muss die Auswahl eines Frequenzumrichters äußerst sorgfältig erfolgen. Im August 2004 wurde der Motor der zweiten Wasserinjektionspumpe der alten Sanlian-Pumpe im Ölförderwerk Jinzhou der Ölfeldzweigstelle Liaohe mit einem 6000-V-, 1800-kW-Frequenzumrichter der Shandong Fengguang Electric Co., Ltd. ausgestattet. Nach vier Monaten Probebetrieb wurden hervorragende Ergebnisse erzielt. Dieser Artikel bietet Lesern relevante technische Informationen zum Frequenzumrichter und einen Vergleich der Betriebsbedingungen vor und nach der Installation, um den Austausch mit Kollegen zu erleichtern. Konstruktion und Fertigung eines zweistufigen Frequenzumrichters: Die wichtigsten technischen Spezifikationen des Kunden sind: 6000 V, 1800 kW, Nennstrom 230 A. Die Last ist ein Wassereinspritzpumpenmotor vom Typ YB1800S2-2 der Shenyang Explosion-proof Machine Factory. Der Frequenzumrichter ist als Reihenleistungsmodul ausgeführt. Dies bietet die Vorteile einer großen Anzahl von Ausgangspegeln, einer guten Wellenform, der Eignung für gängige Asynchronmotoren und der Tatsache, dass keine Leistungsreduzierung erforderlich ist. Obwohl eine große Anzahl von IGBTs benötigt wird, sind die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit gering. Der Eingangsgleichrichter arbeitet mit einer hohen Impulszahl, was zu geringeren Netzbelastungen und einem hohen Leistungsfaktor führt. Wie in Abbildung 1 dargestellt, befinden sich pro Phase 8 Einheiten, insgesamt also 24 Einheiten über drei Phasen. Die hohe Anzahl an Einheiten wurde aufgrund der hohen Kapazität, der hohen Spannung und der starken Störungen innerhalb der Einheiten gewählt. Durch eine geeignete Reduzierung der Zwischenkreisspannung der Einheiten lassen sich die Störungen innerhalb der Einheiten verringern, was die Zuverlässigkeit verbessert. Die Netzspannung beträgt 6000 V, die Phasenspannung 3464 V, und die acht Einheiten sind in Reihe geschaltet. Jede Einheit liefert 433 V, die Zwischenkreisspannung beträgt 612 V. Mithilfe eines optimierten SPWM-Designs kann die Zwischenkreisspannung auf ca. 530 V reduziert werden, und die Spannung jeder Wicklung auf der Sekundärseite des Transformators sollte 375 V betragen. Unter Berücksichtigung des Impedanzabfalls des Transformators von 5–6 % beträgt die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 395 V. Die Leerlauf-Zwischenkreisspannung der Einheit beträgt ca. 560 V, und ein 1200-V-IGBT-Modul wird als Schaltelement ausgewählt, um die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit zu erfüllen. Um übermäßig komplexe Transformatorwicklungen zu vermeiden, wird eine 18-Puls-Gleichrichtung eingesetzt. Die Oberwellenamplitude am Eingang entspricht bereits den nationalen Normen. Der Phasenverschiebungswinkel der Transformatorsekundärseite ist auf drei Werte beschränkt: -20°, 0° und +20°. Die Verbindung zwischen Transformator und den einzelnen Leistungseinheiten ist in Abbildung 2 dargestellt. Zur Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs werden zwei IGBTs mit einem niedrigen Sättigungsstrom von 400 A parallel geschaltet, wodurch eine ausreichende Stromreserve gewährleistet ist. Der Hauptstromkreis der Leistungseinheit ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Bypass-Zweig verwendet IGBT-Module anstelle der ursprünglichen Thyristoren. Dies vereinfacht die Ansteuerschaltung und erhöht die Zuverlässigkeit. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: 24 in Reihe geschaltete Leistungseinheiten. Abbildung 2: Verbindung zwischen Transformatorwicklungen und Leistungseinheiten. Abbildung 3: Hauptstromkreis der Leistungseinheiten.[/ALIGN] Die Gesamtstruktur des Wechselrichters ist in Abbildung 4 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Gesamtstrukturdiagramm.[/ALIGN] Das Wechselrichter-Steuerungssystem verfügt über ein unabhängiges Stromversorgungssystem. Bei Ausfall des Hauptstromkreises versorgt das Steuerungssystem den Wechselrichter weiterhin mit Strom und stellt so sicher, dass die Schaltsequenz der IGBTs nicht gestört wird. Wenn der Hauptstromkreis nicht eingeschaltet oder belastet ist, kann die gesamte Anlage getestet werden. In diesem Zustand sind die Wellenformen an jedem Punkt exakt dieselben wie im eingeschalteten und belasteten Zustand, lediglich die Ausgangsspannungsamplitude ist geringer. Dies vereinfacht die Fehlersuche, Wartung und Bedienerschulung erheblich. Bei plötzlichem Spannungsausfall im Hauptstromkreis stellt die im Elektrolytkondensator gespeicherte Energie und die Induktivität der Transformatorwicklung keine Gefahr für die IGBT-Röhren dar, da die Steuerstromversorgung und das gesamte Steuerungssystem weiterhin ordnungsgemäß funktionieren. Dieser Frequenzumrichter nutzt eine quasi-optimierte SPWM-Modulationstechnologie. Das Modulationssignal ist keine reine Sinuswelle, sondern eine Überlagerung der Grundwelle und der dritten Harmonischen. Der Wirkungsgrad der Spannung liegt nahe bei 1. Die dritte Harmonische löscht sich im dreiphasigen symmetrischen Ausgang automatisch aus, ohne die Ausgangsverzerrung zu erhöhen. Der Umrichter verwendet eine Trägerphasenverschiebungstechnologie, die die Oberwellenanteile in der Ausgangsspannung deutlich reduziert und eine nahezu perfekte Sinuswellenform gewährleistet. Die Glasfaserübertragung der Steuersignale verbessert die Störfestigkeit des Geräts erheblich. Die Benutzeroberfläche des Bedien- und Überwachungssystems ist benutzerfreundlich und umfassend. Das System besteht aus einem Host-Computer (handelsüblicher PC), einem Slave-Computer (Industrie-Steuerungscomputer) und einem Mikrocontroller. Der Mikrocontroller bietet dem Benutzer ein 4-stelliges LED-Display und eine 12-Tasten-Tastatur zur Bedienung des Frequenzumrichters, einschließlich Parametereinstellungen und verschiedener Betriebsbefehle. Der industrielle Steuerungsrechner bietet eine Bedienoberfläche mit Touchscreen und Universaltastatur und ermöglicht umfassende Funktionen wie Parameter- und Funktionseinstellungen, Bedienung, Drucken von Betriebsdaten, Fehlerabfrage usw. Der Host-Rechner (handelsüblicher PC) befindet sich im zentralen Kontrollraum und ermöglicht die Fernmessung und -steuerung mehrerer Frequenzumrichter. Bei nur einem Frequenzumrichter kann der Host-Rechner entfallen oder vom Kunden selbst installiert werden. III. Betriebszustand Die Verdrahtung der Anlage ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Umschalten zwischen Frequenzumrichter- und Netzfrequenzversorgung ist einfach. [ALIGN=CENTER] Abbildung 5: Verdrahtung der Anlage[/ALIGN] Alle Komponenten der Anlage sind im Schaltschrank untergebracht, wodurch zusätzliche Drosseln, Filter, Kompensationskondensatoren, Anlaufgeräte und andere externe Komponenten entfallen. Die Anlage ist daher kompakt, die Installation einfach, die Feldverdrahtung minimal und die Entwässerung unkompliziert. Der Motor läuft stets ruhig mit normaler Temperaturerhöhung. Geräuschentwicklung und Anlaufstrom sind sehr gering. Innerhalb des Motordrehzahlbereichs beträgt der maximal zulässige Temperaturanstieg des Rotorlagers 65 °C, die tatsächlich gemessene Temperatur liegt jedoch nur bei 10 °C. Feldtests ergaben, dass die Spannungs- und Stromverläufe des dreiphasigen Ausgangs sehr normgerecht sind, mit extrem niedrigem Oberwellengehalt und einem Wirkungsgrad von über 97 %. Seit der Inbetriebnahme hat das Betriebspersonal regelmäßig den Temperaturanstieg des Eingangstransformators und des Leistungsaggregats überprüft; die Ergebnisse waren stets unauffällig. Der Stromverbrauch vor und nach der Installation des Frequenzumrichters ist in Tabelle 1 bzw. Tabelle 2 aufgeführt. [ALIGN=CENTER]Tabelle 1: Stromverbrauch vor Inbetriebnahme des Frequenzumrichters im Mai 2004 Tabelle 2: Stromverbrauch nach Inbetriebnahme des Frequenzumrichters im August 2004[/ALIGN] Wie aus den Tabellen 1 und 2 hervorgeht, sank der Wasserverbrauch pro Volumeneinheit des Wassereinspritzmotors Nr. 2 von 6,79 kWh/m³ auf 5,38 kWh/m³ und der Stromverbrauch von 1.244.246 kWh/m³ auf 698.215 kWh/m³. Unter Vernachlässigung anderer Faktoren ergibt sich folgende Energieeinsparungsrate: [(Stromverbrauch vor der Installation - Stromverbrauch nach der Installation) / Stromverbrauch vor der Installation] * 100 % = [(1.244.246 - 698.215) / 1.244.246] * 100 % = 43,88 % IV. Fazit: Die Anlage hat die viermonatige Testphase erfolgreich bestanden. Der Kunde gab an, dass die Anlage reibungslos, zuverlässig, einfach und praktisch arbeitet und erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht. Sie habe das Arbeitsumfeld für die Mitarbeiter verbessert und die Arbeitsbelastung des Personals reduziert. Der Frequenzumrichter verfüge über eine Sanftanlauffunktion für den Motor, wodurch beim Anlauf kein Einschaltstrom entstehe und die Belastung des Stromnetzes verringert werde. Er vereinfache die Wartung der Anlage, senke die Wartungskosten erheblich und verlängere deren Lebensdauer, was ihn empfehlenswert mache. Die Produktions- und Anwenderbetriebe werden die Anlage Langzeittests unterziehen und hoffen, dass der Frequenzumrichter in Anwendungen wie Wassereinspritzpumpen eine bessere Leistung erbringt und eine breitere Anwendung findet. Referenzen: 1. Entwicklung von 10.000-Volt-Frequenzumrichtern, Shandong Science, 2003, Nr. 3, S. 91, Li Ruilai, Yin Pengfei, Han Wenzhao. 2. Entwicklung und Anwendung von Hochspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichtern, Frequency Converter World, S. 50, Zhou Jiasheng, Liu Xuecheng. Autorenbiografie: Yin Pengfei, männlicher Ingenieur, Absolvent der Northeastern University (1998), forscht derzeit im Bereich Leistungselektronik. Er ist Leiter der technischen Abteilung der Shandong Wind and Solar Power Company.