潜油电泵1140V专用变频器

    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为油田潜油电泵（简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的重要组成部分。    潜泵安放在地平面以下1000m~ 3000m处，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），而传统的工频全压供电方式更易使潜泵故障频繁，运行成本大大增加。潜泵损坏提到地面上来维修，工程费需5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次更换，潜泵平均10个月维修一次，维修费约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：    (1)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。    (2)全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，对电动机寿命有很大影响。    (3)油田供电电压常有波动，使电动机欠激励或过激励，电动机被烧时有发生。    (4)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，从而影响了电动机的正常工作。    由以上可看出，潜泵如采用变频改造则可实现最为理想的运行。潜泵1140V专用变频器一般应具备以下特性：    (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进行设置。    (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，容易烧毁电动机。    (5)各种保护功能齐全。    (6)控制方便，操作简单，显示清楚。    潜油电泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140V。油田所使用的1140V潜油电泵专用变频器的容量通常都不很大，多为30kW~ 100kW，已成系列产品。    潜油电泵虽然也属平方转矩的负载类型，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，除了电压等级不符外，电缆的损耗电压也难以补偿。有用380V级变频器配合特制升压变压器的情况，但这种“中一低一中”的方案先天不足．加装变压器则增大系统损耗，特别是在变频器低频运行时，变压器的铁损尤其突出；另外，让升压变压器工作于低频下也是很困难的。现在的IGBT器件充分满足耐压1140V的要求，直接采用1140V变频器直接给潜油电泵电缆供电最为理想。    1．潜油电泵专用变频器的主要技术指标    (1)三相输入为1140V、50Hz；    (2)三相输出额定电压最高为1140V；    (3)频率范围为2Hz~ 50Hz，连续可调；    (4)能提供合适的电缆补偿电压，输出波形为正弦波；    (5)控制功能和保护功能与普通变频器相同。    2．潜油电泵专用变频器的主电路与功率器件    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的输出必须采用昂贵的高压管或低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，因此，各生产变频器的厂家尽量避免开发两电平的中压1140V变频器。    三电平形式的变频器主电路如图3-5所示，其中，主电路部分采用三电平电路（或称中点钳位）方式，这种方式不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率，输出良好的电压波形。三电平形式的变频电路的功率开关器件一般为双单元IGBT模块（1700V级），整流后由两组大电容器串联组成滤波器，两组电容器的连接点即为三电平形式的变频电路的中心点（三电平的中间电平）。    3．载波频率的选择    提高载波频率对改善波形，降低噪声很有好处，然而载波频率的提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊。载波频率的选择，应充分考虑到输出端LC低通滤波器电感铁芯的因素。
    图3-5    三电平形式的变频器主电路    4．变频器稳定输出电压的方法    输入电压经整流、滤波后得到直流母线电压，在直流母线侧装有一个电压传感器，其输出电压Ut正比于母线电压U0，将Ut值送微处理器(CPU)处理。令U0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波的脉宽时应乘上因子1/Ut，这样就达到了稳定输出电压的目的。设备在油田的实际运行中，当电网侧电压波动+10%时，从电机侧测不到电压的波动，说明Ut的补偿效果明显。    5．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，由于电动机是感性负载，所以能获得近似的正弦驱动电流。在到潜油电泵设备的过程中，往往存在有几千米的电缆，若把PWM波直接加在电缆输入端，由于长线效应，电动机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击，电动机很可能被烧坏。因此，需在变频器的输出端加装三相低通LC滤波器，如图3-6所示。    6．电缆损耗的补偿    潜油电泵对V/f曲线并无特殊要求，频率降到30Hz以下已经不出油。为了实现软启动，在实际应用中通常要把启动频率设在0以上（如2Hz或更高），50Hz对应1140V的额定输出。考虑到电缆的压降应对补偿电压进行设置（参考值为100V），在实际应用中，对补偿电压的大小还可调整。V/f曲线如图3-7所示。    7．运行情况    现已投入运行的1140V潜油电泵专用变频器运行良好，可以用示波器在变频器的输入侧观测，在潜泵的整个转速范围内任意调速，其波形均为标准或接近标准的正弦波，电动机即使在低速时也能保证如此，且运行平稳、均匀，无任何脉动现象；1140V潜油电泵专用变频器可使潜油电泵在整个工作允许的频率范围内调速灵活方便，且可杜绝死井现象；节电效果一般为10%～20%。
    图3-6    变频器常用的输出低通滤波器电路
    图3-7    V/f曲线