82012.11斩波内馈调速技术在注水系统中的应用
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注入压力13.0MPa，三元母液注入量4200m3/d ,注水量 5100m3/d，注水管网损失0.1MPa
区域内三元注入井破裂压力统计表
序号 1 2 3 4
合计
破裂压力范围（MPa） 13.0以下 13.0-13.5 13.5-14.0 14.0-14.5
井数 6
109 64 32 211
因此，我们将注水泵 压 设 定 到 14.8MPa，电机转速
弹性柱销式联轴器
膜片式联轴器
联轴器膜片
通过以上措施使电机振动控制在0.3mm的指 标以内，保证了电机平稳运行
时间
措施前
4月19日10： 40
5月10日15： 05
6月20日8：40
电机带载振动测试表
轴瓦 前端 后端 前端 后端 前端 后端 前端 后端
水平(mm) 0.50 0.45 0.11 0.06 0.14 0.09 0.12 0.07
控制在2700rpm左右，可满足生产需要
（3）取得的节能效果 杏十注水站5号机组应用斩波内馈调速技术后
取得如下节能效果：
水量
m3/d
5100
15.56
6.2
泵压
14.8 单耗
5.4
MPa
kWh/m3
应用前 应用后
应用前 应用后
应用前 应用后
从近期报表来看，在泵压为14.8MPa情况下，具体
改造为
滑环
滑环
采用垂直风道，使风道入口位于电机上端，使电机内
部三排碳刷都能均匀散热，延长了使用寿命
③碳刷的跳动 原碳刷支架为单侧固定，安装在末端的碳刷抖动大，
导致磨损量加大
对滑环支架进行改造
碳刷
滑环支架示意图
滑环
实施两侧固定以减少其端点抖动
经一系列的改进，碳刷更换周期由30天增加到90天左右
2、斩波内馈调速装置的调试
三元驱注水电机需要一个有效的调速技术，降低系统能耗
1、试验过程
该工程于2009年9月对5号电机进行改造 2009年10月底安装完毕，进行试运调试工作
电机振动大 在调试过程中出现了 碳刷使用寿命短 题
等问
对此
开展了相应技术改进，解决该技术平稳运行的问题
现场安装照片
（1）研究电机安装配套技术解决振动问题
逻辑控制 控制速度 顺序控制 灵活性可扩展性 可靠性可维护性 PLC控制方式均优于继电器控制方式
鉴于PLC控制的优势，系统控制上由PLC替代了继 电器控制方式，在PLC选择上我们采用
编制了人机界面交互系统程序 使控制操作清晰、简便、快捷 同时提高了稳定性
3、内反馈电机技术方案的确定
通常在内反馈电机上，采用外置式集电器进行电能采集 该设备在注水系统中应用有如下问题:
内置集电环内反馈电机
一、斩波内馈调速技术原理 二、现场试验情况 三、取得的认识
杏十注水站建于1993年 2019年为适应三元开发需要进行扩建
目前有三元注水电机2台 设计三元注水能力1.2×104m3/d
该区块三元注入井注水量在 0.57～1.06×104m3/d之间
在未采取措施前，采用阀门截流方式进行调节 平均泵水单耗为6.2kWh/m3 高于全厂平均单耗5.6kWh/m3
10 10 11 10
允许 圆周速度
81 35 35 41
为了使导电性能不下降，对碳刷的数量进行了增加 经计算将原来27组碳刷增加到现在的36组碳刷
②碳刷的温度控制 碳刷温度过高，会使其强度下降，加大了磨损量。因
此，为电机滑环增加了专用的冷却风道，由一台功率为 7.5kW的风机为其散热
水平风道
垂直风道
瞬时水量（m3/h） 270 265 250 222 210 180 150
泵压（MPa） 15.3 15.1 14.9 14.8 14.7 14.1 13.0
单耗（kWh/m3） 6.2 6.12 5.6 5.5 5.4 5.3 5.3
（2）运行参数的确定 该三元注水站所辖4个注入站，注入井211口，平均
82012.11斩波内馈调速技术在注水系统中的应用
而IGBT斩波器，属于全控器件，大大简化了电路，
节省了空间，使可靠性有很大的提高。同时具有以下方
面优势：
斩波频率高
调速范围宽
噪声低
结构简单
将斩波器件由传统的晶闸管替换为IGBT
2、系统控制方式的确定
对斩波内馈传统的继电器控制方式与PLC控制方式 在以下几个方面
当进行带载试验时，振动超过了0.3mm的振动标准
水平频谱
垂直频谱
水平
从检测频谱上分析
垂直
轴向
轴向频谱
低频振动超标
针对振动超标问题制定以下措施：
通过将原来的轨道式底座改造为框架式底座，解决 了水平振动大的问题
通过重新建设基础，调整固定螺栓数量，解决了垂 直振动大的问题
通过增加泵与电机之间轴向补偿量的方法，将原来 没有轴向补偿量的弹性柱销连轴器调整为膜片联轴器， 解决了轴向振动大的问题
天然石墨 树脂石墨 金属石墨 电化石墨
阻率
18 270
3 61
抗折 强度 5.2 20.5 29 19.3
肖氏 硬度 20 38 25 76
体积 密度 1.28 1.70 2.80 1.61
接触 压降 2.50 3.60 1.16 2.50
摩擦 系数 0.29 0.10 0.11 0.19
额定 电流密度
一是由于外置集电器采用滚动轴承安 装，注水电机在高速旋转时，轴承温 度迅速升高达到上限值，导致轴承烧 毁，无法稳定运行
二是集电器为连接设备， 无法与电机完全同心运行， 导致端点跳动，碳刷急剧 磨损
集电器与电机联接图
在电机设计上，采用内置集电环，即集电环置于电 机前、后轴瓦之间，集电环与电机转轴完全同心，碳刷抖 动小，使用寿命长。同时省去了外置的集电器，使内反馈 电机结构更加简单，机械设备连接点更少
（1）调速能力测试 斩波内馈调速系统正常运转后，进行了调速范围试验，
该装置可实现1850rpm~2960rpm范围内的无级调速
以5号注水机组在2019年5月10日的测试为例：
斩波内馈调速装置调速范围表
转速（rpm） 2960 2850 2800 2750 2700 2600 2500
电流（A） 180 174 151 137 122 102 86
轴向(mm) 0.41 0.41 0.06 0.06 0.13 0.18 0.11 0.22
垂直(mm) 0.62 0.55 0.05 0.06 0.12 0.21 0.17 0.16
（2）进行碳刷磨损原因研究，提出解决对策
①碳刷材质的优选
针对碳刷磨损快的问题，对其进行了优选及改进
碳刷参数表
碳刷材质
区域内三元注入井破裂压力统计表
序号 1 2 3 4
合计
破裂压力范围（MPa） 13.0以下 13.0-13.5 13.5-14.0 14.0-14.5
井数 6
109 64 32 211
因此，我们将注水泵 压 设 定 到 14.8MPa，电机转速
弹性柱销式联轴器
膜片式联轴器
联轴器膜片
通过以上措施使电机振动控制在0.3mm的指 标以内，保证了电机平稳运行
时间
措施前
4月19日10： 40
5月10日15： 05
6月20日8：40
电机带载振动测试表
轴瓦 前端 后端 前端 后端 前端 后端 前端 后端
水平(mm) 0.50 0.45 0.11 0.06 0.14 0.09 0.12 0.07
控制在2700rpm左右，可满足生产需要
（3）取得的节能效果 杏十注水站5号机组应用斩波内馈调速技术后
取得如下节能效果：
水量
m3/d
5100
15.56
6.2
泵压
14.8 单耗
5.4
MPa
kWh/m3
应用前 应用后
应用前 应用后
应用前 应用后
从近期报表来看，在泵压为14.8MPa情况下，具体
改造为
滑环
滑环
采用垂直风道，使风道入口位于电机上端，使电机内
部三排碳刷都能均匀散热，延长了使用寿命
③碳刷的跳动 原碳刷支架为单侧固定，安装在末端的碳刷抖动大，
导致磨损量加大
对滑环支架进行改造
碳刷
滑环支架示意图
滑环
实施两侧固定以减少其端点抖动
经一系列的改进，碳刷更换周期由30天增加到90天左右
2、斩波内馈调速装置的调试
三元驱注水电机需要一个有效的调速技术，降低系统能耗
1、试验过程
该工程于2009年9月对5号电机进行改造 2009年10月底安装完毕，进行试运调试工作
电机振动大 在调试过程中出现了 碳刷使用寿命短 题
等问
对此
开展了相应技术改进，解决该技术平稳运行的问题
现场安装照片
（1）研究电机安装配套技术解决振动问题
逻辑控制 控制速度 顺序控制 灵活性可扩展性 可靠性可维护性 PLC控制方式均优于继电器控制方式
鉴于PLC控制的优势，系统控制上由PLC替代了继 电器控制方式，在PLC选择上我们采用
编制了人机界面交互系统程序 使控制操作清晰、简便、快捷 同时提高了稳定性
3、内反馈电机技术方案的确定
通常在内反馈电机上，采用外置式集电器进行电能采集 该设备在注水系统中应用有如下问题:
内置集电环内反馈电机
一、斩波内馈调速技术原理 二、现场试验情况 三、取得的认识
杏十注水站建于1993年 2019年为适应三元开发需要进行扩建
目前有三元注水电机2台 设计三元注水能力1.2×104m3/d
该区块三元注入井注水量在 0.57～1.06×104m3/d之间
在未采取措施前，采用阀门截流方式进行调节 平均泵水单耗为6.2kWh/m3 高于全厂平均单耗5.6kWh/m3
10 10 11 10
允许 圆周速度
81 35 35 41
为了使导电性能不下降，对碳刷的数量进行了增加 经计算将原来27组碳刷增加到现在的36组碳刷
②碳刷的温度控制 碳刷温度过高，会使其强度下降，加大了磨损量。因
此，为电机滑环增加了专用的冷却风道，由一台功率为 7.5kW的风机为其散热
水平风道
垂直风道
瞬时水量（m3/h） 270 265 250 222 210 180 150
泵压（MPa） 15.3 15.1 14.9 14.8 14.7 14.1 13.0
单耗（kWh/m3） 6.2 6.12 5.6 5.5 5.4 5.3 5.3
（2）运行参数的确定 该三元注水站所辖4个注入站，注入井211口，平均
82012.11斩波内馈调速技术在注水系统中的应用
而IGBT斩波器，属于全控器件，大大简化了电路，
节省了空间，使可靠性有很大的提高。同时具有以下方
面优势：
斩波频率高
调速范围宽
噪声低
结构简单
将斩波器件由传统的晶闸管替换为IGBT
2、系统控制方式的确定
对斩波内馈传统的继电器控制方式与PLC控制方式 在以下几个方面
当进行带载试验时，振动超过了0.3mm的振动标准
水平频谱
垂直频谱
水平
从检测频谱上分析
垂直
轴向
轴向频谱
低频振动超标
针对振动超标问题制定以下措施：
通过将原来的轨道式底座改造为框架式底座，解决 了水平振动大的问题
通过重新建设基础，调整固定螺栓数量，解决了垂 直振动大的问题
通过增加泵与电机之间轴向补偿量的方法，将原来 没有轴向补偿量的弹性柱销连轴器调整为膜片联轴器， 解决了轴向振动大的问题
天然石墨 树脂石墨 金属石墨 电化石墨
阻率
18 270
3 61
抗折 强度 5.2 20.5 29 19.3
肖氏 硬度 20 38 25 76
体积 密度 1.28 1.70 2.80 1.61
接触 压降 2.50 3.60 1.16 2.50
摩擦 系数 0.29 0.10 0.11 0.19
额定 电流密度
一是由于外置集电器采用滚动轴承安 装，注水电机在高速旋转时，轴承温 度迅速升高达到上限值，导致轴承烧 毁，无法稳定运行
二是集电器为连接设备， 无法与电机完全同心运行， 导致端点跳动，碳刷急剧 磨损
集电器与电机联接图
在电机设计上，采用内置集电环，即集电环置于电 机前、后轴瓦之间，集电环与电机转轴完全同心，碳刷抖 动小，使用寿命长。同时省去了外置的集电器，使内反馈 电机结构更加简单，机械设备连接点更少
（1）调速能力测试 斩波内馈调速系统正常运转后，进行了调速范围试验，
该装置可实现1850rpm~2960rpm范围内的无级调速
以5号注水机组在2019年5月10日的测试为例：
斩波内馈调速装置调速范围表
转速（rpm） 2960 2850 2800 2750 2700 2600 2500
电流（A） 180 174 151 137 122 102 86
轴向(mm) 0.41 0.41 0.06 0.06 0.13 0.18 0.11 0.22
垂直(mm) 0.62 0.55 0.05 0.06 0.12 0.21 0.17 0.16
（2）进行碳刷磨损原因研究，提出解决对策
①碳刷材质的优选
针对碳刷磨损快的问题，对其进行了优选及改进
碳刷参数表
碳刷材质