| 【全部正文】 | 摘要：本文在介紹了潛油電泵的傳統(tǒng)供電方式的多種弊病之后，闡述了變頻供電方式的優(yōu)越性，進(jìn)而給出了潛油電泵變頻器幾個(gè)特殊要求和解決辦法。風(fēng)光電子公司推出1140V潛油電泵變頻器并被油田認(rèn)可之后，現(xiàn)在又研制成功了2300V潛油電泵專用變頻器。
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 this kind of inverter . The company releases 1140 V inverter of latent oil electro-pump and after were approved by oil-fielding, again research to manufactured to succeeded now 2300V inverter of latent oil electro-pump .
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(lái)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(guò)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1000～3000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(lái)修理，僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬(wàn)元，價(jià)值10萬(wàn)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(wàn)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，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(guò)激勵(lì)，電機(jī)被燒時(shí)有發(fā)生。
* 幾千米的井下電纜帶來(lái)了150V左右的線路損耗，由于這部分損耗無(wú)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ǎ駝t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(jiàn)，滿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(wú)法補(bǔ)償。我公司受油田委托成功地研制出了1140Ｖ、３０～１00KW潛泵專用變頻器系列。現(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(méi)有必要求助于變壓器,本公司1140V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：2HZ～50HZ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)采用三電平電路。主電路原理圖如圖1．所示
圖１．整機(jī)主電路原理圖
其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點(diǎn)鉗位(NeturalPointClamped—Npc)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(kāi)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(wú)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(lái)用了，這樣成本還會(huì)低些，正好借此機(jī)會(huì)研究一下器件串聯(lián)的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，圖1．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(guò)多的措施，應(yīng)把主要精力放在動(dòng)態(tài)均壓上。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選，本設(shè)計(jì)采用的均壓電路如圖2.所示
圖2.均壓電路
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(guò)程主要是由電容C完成的。串聯(lián)兩只IGBT，開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)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。由于開(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)程可知，兩只IGBT開(kāi)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(guò)大的C值，將使R2上的功耗過(guò)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(kāi)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(shuō)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。
圖3.輸出低通濾波器
5、電纜損耗的補(bǔ)償
潛泵對(duì)V/F曲線并無(wú)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(jiàn)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(guò)小,則起不來(lái)。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(kāi)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。
圖4.V/F 曲線
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)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)值，帶額定負(fù)荷運(yùn)行良好。串聯(lián)管的穩(wěn)態(tài)均壓不平衡度在10%以內(nèi)，動(dòng)態(tài)均壓不平衡度在用示波器上看在15%之內(nèi)。經(jīng)過(guò)輸出濾波器后的電壓在潛泵的整個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)任意調(diào)變，其波形均為正弦波（失真甚小），電機(jī)就是在低速、輕載時(shí)，運(yùn)行也很平穩(wěn)、均勻，無(wú)任何脈動(dòng)現(xiàn)象，電機(jī)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)調(diào)速靈活方便。
引自《中國(guó)國(guó)際電源科技論壇論文集》
|
