潛油電泵專用變頻器應用分析器
摘要：本文在介紹了潛油電泵的傳統供電方式的多種弊病之后，闡述了變頻供電方式的優越性，進而給出了潛油電泵變頻器幾個特殊要求和解決辦法。風光電子公司推出1140V潛油電泵變頻器并被油田認可之后，現在又研制成功了2300V潛油電泵專用變頻器。
一、引言
用現代高新技術改造現有的油田采油設備是大勢所趨。用現代自控技術和變頻調速技術來為油田潛油電泵（以下簡稱潛泵）提供理想電源是這種技術改造過程中的一個重要組成部分。潛油電泵的電壓等級多為1140V和2300V。潛泵按放在地平面以下1000～3000米處，工作環境極度惡劣（高溫、強腐蝕等），傳統的供電方式—全壓、工頻使它故障頻繁，運行成本大增。潛泵損壞后提到地面上來修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元。傳統供電方式危害甚多。例如：
* 潛泵全速運轉，當井下液量不富余時，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
* 全壓、工頻工作啟動電流大，沖擊扭矩大，不但浪費了電，還對電機壽命有很大影響。
* 油田供電電壓常有波動，使電機欠激勵或過激勵，電機被燒時有發生。
* 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償，從而影響了電機的正常工作。
由上可看出，潛泵的傳統供電方式必須改造，比較理想的供電設備應具備如下特性：
＊ 軟啟動
＊ 調速方便，即變頻運行。啟動時間和運行速度能根據工況任意設置。
＊ 不受供電電壓波動的影響，并能補償電纜的線路損耗。
＊ 電纜上傳輸的必須是正弦波，否則經電纜反射，電壓脈沖疊加，容易燒毀電機。
＊ 各種保護功能齊全。
＊ 控制方便、操作簡單、顯示清楚。
顯而易見，滿足這些要求非變頻器莫屬，但市場上容易買到的為風機、水泵服務的那些變頻器不適合，因為電壓等級不符、輸出波形不是正弦、電纜的損耗電壓無法補償。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。現在又承擔了2300V潛油電泵專用變頻器的研制任務。
二、專用變頻器的研制
潛泵雖有不同的電壓等級，但在線運行的多為1140V和2300V。業內有用380V級變頻器配合特制升壓變壓器的報導，本文認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品成本,現在的IGBT器件的耐壓已經較高,3000V以下的變頻器沒有必要求助于變壓器,本公司1140V潛油電泵已在幾個油田正常運轉,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。
該變頻器的技術指標為：
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連續可調
電纜上的電壓損耗能夠得到合適補償。
輸出波形：正弦
控制功能、保護功能同于普通變頻器。
本文僅對該變頻系統的技術特點簡述如下：（與380V級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級變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實現2300V的輸出勢必要用昂貴的高壓管，為了降低對功率器件的耐壓要求和降低輸出電壓的諧波成分，本設計采用三電平電路。
其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點鉗位(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計的目標之一。圖中的功率開關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組成濾波器，兩組電容器的連接點即本電路的中心點（三電平的中間電平）。用三電平電路結構、3300V的IGBT模塊正好可以實現2.3KV的逆變輸出，但我們熟悉的供應商3300V的IGBT模塊無現貨，只可預定，因為任務緊，只好用1700V的雙單元模塊串聯當一個單元來用了，這樣成本還會低些，正好借此機會研究一下器件串聯的動態均壓問題．中的IGBT符號是雙單元串聯的簡化表示。IGBT功率器件的直接串聯主要解決均壓問題，穩態均壓比較容易，相串的兩支管子是同一模塊內的器件，制造工藝和環境溫度都基本相同，因而不必采取過多的措施，應把主要精力放在動態均壓上。經過實驗篩選，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態均壓的作用。
均壓過程主要是由電容C完成的。串聯兩只IGBT，開關速度不會完全一致，而會稍有差別。電容C上的電壓在靜態情況下數值相同，在開關過程中，由于電容上的電壓不能突變，強迫兩只IGBT上的壓降不會發生跳變。由于開關過程中兩只IGBT中電流不一致所造成的影響由電容C的充放電補償。
由動態均壓的過程可知，兩只IGBT開關性能一致性越好，均壓效果越好；電容C數值越大，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，應取盡可能小的電容C值及采取較低的調制頻率f。
2、載波頻率的選擇
提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關損耗增加，所以選擇時必須權衡利弊，本設備中載波頻率選為3.4KHZ，選擇這個值時考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。
3、對輸入電壓的穩定
輸入電壓經整流、濾波后得直流母線電壓，以Uo表示，在此裝有一個電壓傳感器，其輸出電壓Ut正比于母線電壓Uo ，將Ut值送單片機處理，令Uo的額定值對應的Ut值為1，電網電壓向上波動時，Ut>1，電網電壓向下波動時Ut<1，CPU在計算PWM波的脈寬時要乘上因子1/Ut 。這樣就達到了穩定輸入電壓的目的。設備在油田的實際運行中，當電網側電壓波動+10%時，電機側測不到電壓的波動，說明Ut 補償效果明顯。
4、輸出端正弦波的獲取
電壓型變頻器輸出的是三相SPWM波，即寬度按正弦規律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動機，由于電機是感性負載，所以能獲得近似的正弦驅動電流。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，由于長線效應電機側會受到數倍于額定值的尖峰電壓的沖擊，電機很可能被燒壞。因此三相低通LC濾波器是必要的，濾波器電路如圖3.所示,在本設計中其截止頻率約為載波頻率的1/3。
5、電纜損耗的補償
潛泵對V/F曲線并無特殊要求，頻率降到30HZ以下已經不出油了，為了實現軟啟動，本設備把啟動頻率設在2HZ，50HZ對應2300V的額定輸出，電纜補償電壓Vb根據每口油井的具體情況調整。V/F曲線見圖4.。
Vb的大小決定了電機啟動性能的好壞,Vb大了,會使啟動電流太大.引起損耗的增加,Vb過小,則起不來。Vb由小逐漸增大，輸出電流也必然發生相應的變化，當電機開始運轉的時刻，電流會有明顯的不同。根據這個思路我們編寫了一個軟件，稱其為補償電壓自適應程序。如果軟件很成功，每次啟動就不必手工調整了，目前軟件還有待進一步的完善、優化，所以這次研制的樣機仍保留著手工調整的電位器。
三、運行情況
2300V潛泵專用變頻器已經研制成功，各項技術指標均滿足設計值，帶額定負荷運行良好。串聯管的穩態均壓不平衡度在10%以內，動態均壓不平衡度在用示波器上看在15%之內。經過輸出濾波器后的電壓在潛泵的整個轉數范圍內任意調變，其波形均為正弦波（失真甚小），電機就是在低速、輕載時，運行也很平穩、均勻，無任何脈動現象，電機在整個頻率范圍內調速靈活方便。
一、引言
用現代高新技術改造現有的油田采油設備是大勢所趨。用現代自控技術和變頻調速技術來為油田潛油電泵（以下簡稱潛泵）提供理想電源是這種技術改造過程中的一個重要組成部分。潛油電泵的電壓等級多為1140V和2300V。潛泵按放在地平面以下1000～3000米處，工作環境極度惡劣（高溫、強腐蝕等），傳統的供電方式—全壓、工頻使它故障頻繁，運行成本大增。潛泵損壞后提到地面上來修理，僅工程費一項就達5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，潛泵平均每10個月就須維修一次，維修費用約8萬元。傳統供電方式危害甚多。例如：
* 潛泵全速運轉，當井下液量不富余時，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
* 全壓、工頻工作啟動電流大，沖擊扭矩大，不但浪費了電，還對電機壽命有很大影響。
* 油田供電電壓常有波動，使電機欠激勵或過激勵，電機被燒時有發生。
* 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償，從而影響了電機的正常工作。
由上可看出，潛泵的傳統供電方式必須改造，比較理想的供電設備應具備如下特性：
＊ 軟啟動
＊ 調速方便，即變頻運行。啟動時間和運行速度能根據工況任意設置。
＊ 不受供電電壓波動的影響，并能補償電纜的線路損耗。
＊ 電纜上傳輸的必須是正弦波，否則經電纜反射，電壓脈沖疊加，容易燒毀電機。
＊ 各種保護功能齊全。
＊ 控制方便、操作簡單、顯示清楚。
顯而易見，滿足這些要求非變頻器莫屬，但市場上容易買到的為風機、水泵服務的那些變頻器不適合，因為電壓等級不符、輸出波形不是正弦、電纜的損耗電壓無法補償。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。現在又承擔了2300V潛油電泵專用變頻器的研制任務。
二、專用變頻器的研制
潛泵雖有不同的電壓等級，但在線運行的多為1140V和2300V。業內有用380V級變頻器配合特制升壓變壓器的報導，本文認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品成本,現在的IGBT器件的耐壓已經較高,3000V以下的變頻器沒有必要求助于變壓器,本公司1140V潛油電泵已在幾個油田正常運轉,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。
該變頻器的技術指標為：
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連續可調
電纜上的電壓損耗能夠得到合適補償。
輸出波形：正弦
控制功能、保護功能同于普通變頻器。
本文僅對該變頻系統的技術特點簡述如下：（與380V級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級變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實現2300V的輸出勢必要用昂貴的高壓管，為了降低對功率器件的耐壓要求和降低輸出電壓的諧波成分，本設計采用三電平電路。
其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點鉗位(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計的目標之一。圖中的功率開關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組成濾波器，兩組電容器的連接點即本電路的中心點（三電平的中間電平）。用三電平電路結構、3300V的IGBT模塊正好可以實現2.3KV的逆變輸出，但我們熟悉的供應商3300V的IGBT模塊無現貨，只可預定，因為任務緊，只好用1700V的雙單元模塊串聯當一個單元來用了，這樣成本還會低些，正好借此機會研究一下器件串聯的動態均壓問題．中的IGBT符號是雙單元串聯的簡化表示。IGBT功率器件的直接串聯主要解決均壓問題，穩態均壓比較容易，相串的兩支管子是同一模塊內的器件，制造工藝和環境溫度都基本相同，因而不必采取過多的措施，應把主要精力放在動態均壓上。經過實驗篩選，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態均壓的作用。
均壓過程主要是由電容C完成的。串聯兩只IGBT，開關速度不會完全一致，而會稍有差別。電容C上的電壓在靜態情況下數值相同，在開關過程中，由于電容上的電壓不能突變，強迫兩只IGBT上的壓降不會發生跳變。由于開關過程中兩只IGBT中電流不一致所造成的影響由電容C的充放電補償。
由動態均壓的過程可知，兩只IGBT開關性能一致性越好，均壓效果越好；電容C數值越大，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，應取盡可能小的電容C值及采取較低的調制頻率f。
2、載波頻率的選擇
提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關損耗增加，所以選擇時必須權衡利弊，本設備中載波頻率選為3.4KHZ，選擇這個值時考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。
3、對輸入電壓的穩定
輸入電壓經整流、濾波后得直流母線電壓，以Uo表示，在此裝有一個電壓傳感器，其輸出電壓Ut正比于母線電壓Uo ，將Ut值送單片機處理，令Uo的額定值對應的Ut值為1，電網電壓向上波動時，Ut>1，電網電壓向下波動時Ut<1，CPU在計算PWM波的脈寬時要乘上因子1/Ut 。這樣就達到了穩定輸入電壓的目的。設備在油田的實際運行中，當電網側電壓波動+10%時，電機側測不到電壓的波動，說明Ut 補償效果明顯。
4、輸出端正弦波的獲取
電壓型變頻器輸出的是三相SPWM波，即寬度按正弦規律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動機，由于電機是感性負載，所以能獲得近似的正弦驅動電流。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，由于長線效應電機側會受到數倍于額定值的尖峰電壓的沖擊，電機很可能被燒壞。因此三相低通LC濾波器是必要的，濾波器電路如圖3.所示,在本設計中其截止頻率約為載波頻率的1/3。
5、電纜損耗的補償
潛泵對V/F曲線并無特殊要求，頻率降到30HZ以下已經不出油了，為了實現軟啟動，本設備把啟動頻率設在2HZ，50HZ對應2300V的額定輸出，電纜補償電壓Vb根據每口油井的具體情況調整。V/F曲線見圖4.。
Vb的大小決定了電機啟動性能的好壞,Vb大了,會使啟動電流太大.引起損耗的增加,Vb過小,則起不來。Vb由小逐漸增大，輸出電流也必然發生相應的變化，當電機開始運轉的時刻，電流會有明顯的不同。根據這個思路我們編寫了一個軟件，稱其為補償電壓自適應程序。如果軟件很成功，每次啟動就不必手工調整了，目前軟件還有待進一步的完善、優化，所以這次研制的樣機仍保留著手工調整的電位器。
三、運行情況
2300V潛泵專用變頻器已經研制成功，各項技術指標均滿足設計值，帶額定負荷運行良好。串聯管的穩態均壓不平衡度在10%以內，動態均壓不平衡度在用示波器上看在15%之內。經過輸出濾波器后的電壓在潛泵的整個轉數范圍內任意調變，其波形均為正弦波（失真甚小），電機就是在低速、輕載時，運行也很平穩、均勻，無任何脈動現象，電機在整個頻率范圍內調速靈活方便。
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