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1140V潜油电泵专用变频器应用

1140V潜油电泵专用变频器应用 2011年12月09日 来源： 一、引言　　用现代高新技术改造原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。潜泵按放在地平面以下1000～3000米处，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），而传统的供电方式——全压、工频更使它故障频繁，运行成本大增。潜泵损坏提到地面上来维修，光工程费就有5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就得更换，潜泵平均10个月就得维修一次，维修费用约8万元，造成采油厂生产成本偏高。传统供电方式对潜泵的正常运行存在以下危害和不足：　　* 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，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150V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，理想的供电设备应具备哪些特性呢？　　1、软启动。　　2、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。　　3、不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。　　4．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。　　5、各种保护功能齐全。　　6、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、30kw～100kw潜泵专用变频器系列产品。现以55kw的产品为例说明其特点。　　　　二、潜油电泵专用变频器的研制成功及其特点　　潜泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140V、见过用380V级变频器配合特制升压变压器的报导，本文认为这种高---低---高方案有先天不足，让升压变压器工作在低频下是很困难的，现在的IGBT器件的耐压应付1140V绰绰有余，本文采用1140V变频器直接给潜泵电缆供电的方案。　　该变频器的技术指标为：　　三相输入：1140V、50Hz　　三相输出：额定电压为1140V　　频率范围：2HZ～50HZ连续可调 能提供合适的电缆补偿电压　　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1140V的输出势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，应尽量避免。　　本设计的整机方块图见图一。　　其中主电路部分采用三电平电路或称中点箝位(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的之一。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（三电平的中间电平）。　　　2、载波频率的选择　　提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，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9.5KHZ，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、输出端为正弦波　　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。在本设备中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，滤波器电路如图二.所示,在本设计中其截止频率约为载波频率的1/3。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1140V的额定输出，电缆补偿电压Vb设为100V，在实际应用中，Vb的大小还可调整。V/F曲线见图三。　三、运行情况　　本公司这类1140V潜泵专用变频器已经有十多台在油田运行近一年，运

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