變頻器-潛油電泵專用變頻器應(yīng)用分析器

1、潛油電泵專用變頻器應(yīng)用分析器一引言用現(xiàn)代高新技術(shù)改造現(xiàn)有的油田采油設(shè)備是大勢(shì)所趨。用現(xiàn)代自控技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)來為油田潛油電泵(以下簡(jiǎn)稱潛泵提供理想電源是這種技術(shù)改造過程中的一個(gè)重要組成部分。潛油電泵的電壓等級(jí)多為1140V和2300V。潛泵按放在地平面以下10003000米處,工作環(huán)境極度惡劣(高溫、強(qiáng)腐蝕等,傳統(tǒng)的供電方式全壓、工頻使它故障頻繁,運(yùn)行成本大增。潛泵損壞后提到地面上來修理,僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬元,價(jià)值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換,潛泵平均每10個(gè)月就須維修一次,維修費(fèi)用約8萬元。傳統(tǒng)供電方式危害甚多。例如:* 潛泵全速運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)井下液量不富余時(shí),容易抽空,甚至造成死井

2、,一旦死井,則損失慘重。* 全壓、工頻工作啟動(dòng)電流大,沖擊扭矩大,不但浪費(fèi)了電,還對(duì)電機(jī)壽命有很大影響。* 油田供電電壓常有波動(dòng),使電機(jī)欠激勵(lì)或過激勵(lì),電機(jī)被燒時(shí)有發(fā)生。* 幾千米的井下電纜帶來了150V左右的線路損耗,由于這部分損耗無法補(bǔ)償,從而影響了電機(jī)的正常工作。由上可看出,潛泵的傳統(tǒng)供電方式必須改造,比較理想的供電設(shè)備應(yīng)具備如下特性:*軟啟動(dòng)*調(diào)速方便,即變頻運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行速度能根據(jù)工況任意設(shè)置。*不受供電電壓波動(dòng)的影響,并能補(bǔ)償電纜的線路損耗。*電纜上傳輸?shù)谋仨毷钦也?否則經(jīng)電纜反射,電壓脈沖疊加,容易燒毀電機(jī)。*各種保護(hù)功能齊全。*控制方便、操作簡(jiǎn)單、顯示清楚。顯而易見,滿

3、足這些要求非變頻器莫屬,但市場(chǎng)上容易買到的為風(fēng)機(jī)、水泵服務(wù)的那些變頻器不適合,因?yàn)殡妷旱燃?jí)不符、輸出波形不是正弦、電纜的損耗電壓無法補(bǔ)償。我公司受油田委托成功地研制出了1140V、30100KW潛泵專用變頻器系列?，F(xiàn)在又承擔(dān)了2300V潛油電泵專用變頻器的研制任務(wù)。二、專用變頻器的研制潛泵雖有不同的電壓等級(jí),但在線運(yùn)行的多為1140V和2300V。業(yè)內(nèi)有用380V級(jí)變頻器配合特制升壓變壓器的報(bào)導(dǎo),本文認(rèn)為這種高一低一高方案有先天不足,讓升、降壓變壓器工作在低頻下是很困難的,變壓器的加入又增加了產(chǎn)品成本,現(xiàn)在的IGBT器件的耐壓已經(jīng)較高,3000V以下的變頻器沒有必要求助于變壓器,本公司1140

4、V潛油電泵已在幾個(gè)油田正常運(yùn)轉(zhuǎn),效果很好。本文主要介紹2300V潛油電泵專用變頻器的性能和研制情況。該變頻器的技術(shù)指標(biāo)為:三相輸入:2300V、50Hz三相輸出:額定電壓為2300V,容量110kW頻率范圍:2HZ50HZ連續(xù)可調(diào)電纜上的電壓損耗能夠得到合適補(bǔ)償。輸出波形:正弦控制功能、保護(hù)功能同于普通變頻器。本文僅對(duì)該變頻系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下:(與380V級(jí)通用變頻器相同部分不再贅述。1、主電路與功率器件的選擇在PWM電壓型380V級(jí)變頻器中,一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)2300V的輸出勢(shì)必要用昂貴的高壓管,為了降低對(duì)功率器件的耐壓要求和降低輸出電壓的諧波成分,本設(shè)計(jì)采用三電平電

5、路。其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點(diǎn)鉗位(NeturalPointClampedNpc方式,它不但能輸出較高電壓,而且能降低輸出諧波和電壓變化率(dv/dt,良好的波形正是本設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。圖中的功率開關(guān)器件選用西門子的雙單元IGBT模塊(1700V、200A,整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器,兩組電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)(三電平的中間電平。用三電平電路結(jié)構(gòu)、3300V的IGBT模塊正好可以實(shí)現(xiàn)2.3KV的逆變輸出,但我們熟悉的供應(yīng)商3300V的IGBT 模塊無現(xiàn)貨,只可預(yù)定,因?yàn)槿蝿?wù)緊,只好用1700V的雙單元模塊串聯(lián)當(dāng)一個(gè)單元來用了,這樣成本還會(huì)低些,正好借此機(jī)會(huì)研究一下器

6、件串聯(lián)的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}.中的IGBT符號(hào)是雙單元串聯(lián)的簡(jiǎn)化表示。IGBT功率器件的直接串聯(lián)主要解決均壓?jiǎn)栴},穩(wěn)態(tài)均壓比較容易,相串的兩支管子是同一模塊內(nèi)的器件,制造工藝和環(huán)境溫度都基本相同,因而不必采取過多的措施,應(yīng)把主要精力放在動(dòng)態(tài)均壓上。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)篩選,均壓電路由電阻R1、R2、電容C、二極管D組成。電阻R1起到靜態(tài)均壓的作用,R2、C、D與普通的緩沖電路形式相同,這里主要目的是起動(dòng)態(tài)均壓的作用。均壓過程主要是由電容C完成的。串聯(lián)兩只IGBT,開關(guān)速度不會(huì)完全一致,而會(huì)稍有差別。電容C上的電壓在靜態(tài)情況下數(shù)值相同,在開關(guān)過程中,由于電容上的電壓不能突變,強(qiáng)迫兩只IGBT上的壓降不會(huì)發(fā)生跳變。由

7、于開關(guān)過程中兩只IGBT中電流不一致所造成的影響由電容C的充放電補(bǔ)償。由動(dòng)態(tài)均壓的過程可知,兩只IGBT開關(guān)性能一致性越好,均壓效果越好;電容C數(shù)值越大,均壓效果越好。但過大的C值,將使R2上的功耗過大。P=1/2CV2f, V為單只IGBT上的跳變電壓,為限制R2上的功耗,應(yīng)取盡可能小的電容C值及采取較低的調(diào)制頻率f。2、載波頻率的選擇提高載波頻率對(duì)改善波形、降低噪聲大有好處,可是載波頻率提高,會(huì)使開關(guān)損耗增加,所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊,本設(shè)備中載波頻率選為3.4KHZ,選擇這個(gè)值時(shí)考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。3、對(duì)輸入電壓的穩(wěn)定輸入電壓經(jīng)整流、濾波后得直流母線電壓,以Uo

8、表示,在此裝有一個(gè)電壓傳感器,其輸出電壓Ut正比于母線電壓Uo ,將Ut值送單片機(jī)處理,令Uo的額定值對(duì)應(yīng)的Ut值為1,電網(wǎng)電壓向上波動(dòng)時(shí),Ut>1,電網(wǎng)電壓向下波動(dòng)時(shí)Ut<1, CPU在計(jì)算PWM波的脈寬時(shí)要乘上因子1/Ut 。這樣就達(dá)到了穩(wěn)定輸入電壓的目的。設(shè)備在油田的實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)+10%時(shí),電機(jī)側(cè)測(cè)不到電壓的波動(dòng),說明Ut 補(bǔ)償效果明顯。4、輸出端正弦波的獲取電壓型變頻器輸出的是三相SPWM波,即寬度按正弦規(guī)律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動(dòng)機(jī),由于電機(jī)是感性負(fù)載,所以能獲得近似的正弦驅(qū)動(dòng)電流。從變頻器到潛油電泵存在有幾千米的電纜線,若把PWM波直接加在電

9、纜輸入端,由于長(zhǎng)線效應(yīng)電機(jī)側(cè)會(huì)受到數(shù)倍于額定值的尖峰電壓的沖擊,電機(jī)很可能被燒壞。因此三相低通LC濾波器是必要的,濾波器電路如圖3.所示,在本設(shè)計(jì)中其截止頻率約為載波頻率的1/3。5、電纜損耗的補(bǔ)償潛泵對(duì)V/F曲線并無特殊要求,頻率降到30HZ以下已經(jīng)不出油了,為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),本設(shè)備把啟動(dòng)頻率設(shè)在2HZ,50HZ對(duì)應(yīng)2300V的額定輸出,電纜補(bǔ)償電壓Vb根據(jù)每口油井的具體情況調(diào)整。V/F曲線見圖4.。Vb的大小決定了電機(jī)啟動(dòng)性能的好壞,Vb大了,會(huì)使啟動(dòng)電流太大.引起損耗的增加,Vb過小,則起不來。Vb由小逐漸增大,輸出電流也必然發(fā)生相應(yīng)的變化,當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)刻,電流會(huì)有明顯的不同。根據(jù)這個(gè)思路我們編寫了一個(gè)軟件,稱其為補(bǔ)償電壓自適應(yīng)程序。如果軟件很成功,每次啟動(dòng)就不必手工調(diào)整了,目前軟件還有待進(jìn)一步的完善、優(yōu)化,所以這次研制的樣機(jī)仍保留著手工調(diào)整的電位器。三、運(yùn)行情況2300V潛泵專用變頻器已經(jīng)研制成功,各項(xiàng)技術(shù)