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安装在2300伏潜油电泵上的专用变频器

论文摘要：本文在介绍了潜油电泵的传统供电方式的多种弊病之后，阐述了变频供电方式的优越性，进而给出了2300V潜油电泵变频器几个特殊要求和解决办法。

    Abstract： Several disadvantages of the traditional power supply methods for latent oil
electro-pump are given in this paper， and then some advantages of the inverting frequency power
supply methods are described. This paper describes the proper characteristics and their solutions
in 2300V inverter.

    Key words： inverter ， latent oil electro-pump ， low pass filter ，compensating voltage

    一、引言

    用现代高新技术改造现有的油田采油设备是大势所趋。用现代自控技术和变频调速技术来为油田潜油电泵（以下简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的一个重要组成部分。潜油电泵的电压等级多为1140V和2300V。潜泵按放在地平面以下1000～3000米处，工作环境极度恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。潜泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达五万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元。传统供电方式危害甚多。

    例如：
    * 潜泵全速运转，当井下液量不富余时，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，则损失惨重。
    * 全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，不但浪费了电，还对电机寿命有很大影响。
    * 油田供电电压常有波动，使电机欠激励或过激励，电机被烧时有发生。
    * 几千米的井下电缆带来了150伏左右的线路损耗，由于这部分损耗无法补偿，从而影响了电机的正常工作。

    由上可看出，潜泵的传统供电方式必须改造，比较理想的供电设备应具备如下特：

    ＊软启动
    ＊调速方便，即变频运行。启动时间和运行速度能根据工况任意设置。
    ＊不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。
    ＊电缆上传输的必须是正弦波，否则经电缆反射，电压脉冲叠加，容易烧毁电机。
    ＊各种保护功能齐全。
    ＊控制方便、操作简单、显示清楚。
    显而易见，满足这些要求非变频器莫属，但市场上容易买到的为风机、水泵服务的那些变频器不适合，因为电压等级不符、输出波形不是正弦、电缆的损耗电压无法补偿。我公司受油田委托成功地研制出了1140Ｖ、３０～１00KW潜泵专用变频器系列。现在又承担了2300伏潜油电泵专用变频器的研制任务。

    二、专用变频器的研制
    潜泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140伏和2300伏.业内有用380伏级变频器配合特制升压变压器的报导、本文认为这种高一低一高方案有先天不足，让升、降压变压器工作在低频下是很困难的，变压器的加入又增加了产品成本，现在的IGBT器件的耐压已经较高，3000伏以下的变频器没有必要求助于变压器，本公司1140V潜油电泵已在几个油田正常运转，效果很好。本文主要介绍2300伏潜油电泵专用变频器的性能和研制情况。

    该变频器的技术指标为：
    三相输入：2300V、50Hz
    三相输出：额定电压为2300V，容量110kW
    频率范围2HZ～50HZ连续可调
    电缆上的电压损耗能够得到合适补偿。
    输出波形：正弦
    控制功能、保护功能同于普通变频器。
    本文仅对该变频系统的技术特点简述如下：（与380V级通用变频器相同部分不再赘述）。

    1、主电路与功率器件的选择
    在PWM电压型380V级变频器中，一般采用两电平电路。若用两电平电路实现2300V的输出势必要用昂贵的高压管，为了降低对功率器件的耐压要求和降低输出电压的谐波成分，本设计采用三电平电路。
    其中主电路部分采用三电平电路或称中心点钳位(NeturalPointClamped—Npc)方式，它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（1700V、200A），整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电��）。用三电平电路结构、3300V的IGBT模块正好可以实现2.3KV的逆变输出，但我们熟悉的供应商3300V的IGBT模块无现货，只可预定，因为任务紧，只好用1700V的双单元模块串联当一个单元来用了，这样成本还会低些，正好借此机会研究一下器件串联的动态均压问题，图1．中的IGBT符号是双单元串联的简化表示。IGBT功率器件的直接串联主要要解决均压问题，稳态均压比较容易，相串的两支管子是同一模块内的器件，制造工艺和环境温度都基本相同，因而不必采取过多的措施，应把主要精力放在动态均压上。经过实验筛选，本设计采用的均压电路如图2.所示
    均压电路由电阻R1、R2、电容C、二极管D组成。电阻R1起到静态均压的作用，R2、C、D与普通的缓冲电路形式相同，这里主要目的是起动态均压的作用。
    均压过程主要是由电容C完成的。串联两只IGBT，开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容C上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫两只IGBT上的压降不会发生跳变。由于开关过程中两只IGBT中电流不一致所造成的影响由电容C的充放电补偿。
    由动态均压的过程可知，两只IGBT开关性能一致性越好，均压效果越好；电容C数值越大，均压效果越好。但过大的C值，将使R2上的功耗过大。 P=1/2CV2f， V为单只IGBT上的跳变电压，为限制R2上的功耗，应取尽可能小的电容C值及采取较低的调制频率f。

    2、载波频率的选择
    提高载波频率对改善波形、低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为3.4KHZ，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。

    3、对输入电压的稳定
    输入电压经整流、滤波后得直流母线电压，以Uo表示，在此装有一个电压传感器，其输出电压Ut正比于母线电压Uo ，将Ut值送单片机处理，令Uo的额定值对应的Ut值为1，电网电压向上波动时，Ut>1，电网电压向下波动时Ut<1，CPU在计算PWM波的脉宽时要乘上因子1/Ut 。这样就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行中，当电网侧电压波动+10%时，电机侧测不到电压的波动，说明Ut 补偿效果明显。

    4、输出端正弦波的获取
    电压型变频器输出的是三相SPWM波，即宽度按正弦规律分布的矩形脉冲波。这种波直接送给电动机，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦驱动电流。从变频器到潜油电泵存在有几千米的电缆线，若把PWM波直接加在电缆输入端，由于长线效应电机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击，电机很可能被烧坏。因此三相低通LC滤波器是必要的。

    5、电缆损耗的补偿
    潜泵对V/F曲线并无特殊要求，频率降到30HZ以下已经不出油了，为了实现软启动，本设备把启动频率设在2HZ，50HZ对应2300V的额定输出，电缆补偿电压Vb根据每口油井的具体情况调整。
    Vb的大小决定了电机启动性能的好坏，Vb大了，会使启动电流太大。引起损耗的增加，Vb过小，则起不来。Vb由小逐渐增大，输出电流也必然发生相应的变化，当电机开始运转的时刻，电流会有明显的不同。根据这个思路我们编写了一个软件，称其为补偿电压自适应程序。如果软件很成功，每次启动就不必手工调整了，目前软件还有待进一步的完善、优化，所以这次研制的样机仍保留着手工调整的电位器。

    三、运行情况
    2300V潜泵专用变频器已经研制成功，各项技术指标均满足设计值，带额定负荷运行良好。串联管的稳态均压不平衡度在10%以内，动态均压不平衡度在用示波器上看在15%之内。经过输出滤波器后的电压在潜泵的整个转数范围内任意调变，其波形均为正弦波（失真甚小），电机就是在低速、轻载时，运行也很平稳、均匀，无任何脉动现象，电机在整个频率范围内调速灵活方便。

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