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,?！ ?br />
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,。
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}．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,，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。
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(xiě)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)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?。?，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,。
