潜油电泵变频改造

1、得分： 电力电子技术 大作业作业题目：三电平变频器及在潜油电泵中的应用中国石油大学（华东）日期：2014年12月14日17摘 要针对潜油电泵存在稳定性差、使用寿命短、能耗高等问题,提出把变频技术应用到潜油电泵井上。根据井下不同工况,对电泵控制系统的性能进行优化,实现机组在最佳工作点工作,得到延长机泵使用寿命,提高运行效率,节能降耗的效果。关键词：变频器；PWM；三电平；调速目 录第1章 引言11.1课题设计的背景和意义11.2交流调速技术的分类21.2.1变转差率调速31.2.2变极调速31.2.3变频调速41.3课题的提出及主要研究内容5第2章 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术52.1正

2、弦波PWM调制原理62.2 SPWM信号的产生8第3章PWM变频调速系统的硬件设计93.1 系统介绍93.2整流滤波电路93.3逆变电路10第4章 电气接线及仿真波形134.1潜油电泵变频改造双主回路系统图134.2潜油电泵驱动电动机的测量及保护等电路144.3潜油电泵驱动电动机的控制系统144.4电动机电流波形15第5章 结论16参考文献18 第1章 引言1.1课题设计的背景和意义用现代高新技术改造原有的油田设备是大势所趋，用现代自控技术和变频调速技术为油田电泵（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1000-3000m处，工作环境非常恶劣（高温、强腐

3、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作业的线路损耗，由于这部分损耗无法补偿，从而影响了电动机的正常工

4、作。 由以上可看出，潜泵如采用高频改造则可实现最为理想的运行。潜泵1140V变频器一般应具有以下特性：（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，否则经过电缆反射，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。 潜油电泵虽然也属于平方转矩的负载类型，但在市场上容易买到的为风机、水泵服务的那些变频器不适合，除了电压等级不符合外，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“中低中”的方

5、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】1.2交流调速技术的分类异步电动机的转速可表示为: （1-1）式中:同步转速,r/min定子电源频率,Hz-一极对数转差率式（1-1）表明:异步电动机调速可以通过三条途径进行:改变电源频率,改变极对数以及改变转差率。1.2.1变转差率调速 由式(l-1)可知,保持同步转速不变,改变转差率,可以改变电动机转速。 根据电机学原理,异步电动机的电磁功率可划分为两部分

6、:一部分构成机械功率,另一部分则为转差功率其中: （1-2） （1-3） 变频、变极调速,都是设法改变同步转速以达到调速目的。他们共同的特点为,无论调到高速还是低速,转差功率仅仅由转子铜损构成,基本上不变。故从能量转换角度看,称为转差功率不变型,其效率最高。变转差率调速则不同,转差功率与转差率成正比地改变。根据转差功率是全面消耗掉了,还是能够回馈到电网,可分为转差功率消耗型和转差功率回馈型。转差功率消耗型有绕线转子串电阻调速、定子调压调速和电磁转差离合器调速,其全部转差功率都转化为热能白白消耗掉了,故效率最低。转差功率回馈型有串极调速和双馈调速。其转差功率大部分回馈到电网,效率界于消耗型与不变

7、型之间。1.2.2变极调速 由式(l-1)可知,改变异步电动机的极对数,同步转速随之变化,因而改变了电机转速。这种方法适用于笼型异步电动机,因为笼型转子的极对数能随着定子极对数的变化而变化,自动适应定子极对数,只须改变定子绕组极对数即可。通过变极,可以得到2:1调速,3:2调速,4:3调速以及三速甚至四速电机,但不管有多少种极对数,都只能一极一极地变化,因此属于有极调速,应用场所受到一定限制。1.2.3变频调速 改变供电电源频率同步转速随之变化,从而改变电动机转速。变频调速范围宽,平滑性好,效率最高,具有优良的静态及动态特性,是应用最广的一种高性能交流调速。 变频调速是以变频器向交流电动机供电

8、,并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变换过程中,没有中间直流环节的,称为交-交变频器;有中间直流环节的,称为交一直一交变频器。直流可以认为是频率为零的交流,由直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器,称为逆变器。因此,交-直-交变频器通常由整流器（AC-DC变换),中间储能电路和逆变器(DC-AC变换)构成。电压型 变频器有多种,常用的变频器分类如下:交-交变频器PAM方式电流型PWM方式电压型交-直-交变频器PAM（六拍方式）电流型六拍多重化方式PWM方式 其中,由于变频器所以半导体开关器件不断发展以及PWM控制技术的日臻完善

9、,电压型PWM方式交一直一交变频器发展最快。【2】1.3课题的提出及主要研究内容 本课题就是根据变频潜油电泵机组的现场应用情况,针对以发生的各种问题,进行理论上的分析并提出解决措施。本课题的主要研究内容为:(1)变频器的设计;(2)潜油电泵的变频改造方案的设计;(3)长线传输产生的电压反射现象的理论分析,以及正弦滤波器的设计。第2章 交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术 所谓脉宽调制技术(Pulse Width Modulation-PWM)是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,实现变压、变频控制并且消除谐波的技术,简称PWM技术。 目前PWM技术已经广泛

10、应用到变频调速系统中。利用微处理器实现PWM技术数字化后,PWM技术不断优化和翻新,从追求电压波形为正弦波,到电流波形为正弦波,再到磁通波形为正弦波;从效率最优,转矩脉动最小,再到消除谐波噪声等。 变频调速系统采用PWM技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求,而且更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动,提高了电机的工作效率和调速系统性能。 目前,实际工程中主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM),使变频器输出电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM方案多种多样,归纳起来可以分为电压正弦PWM、电流正弦PWM和磁通正弦PWM等三种基本类

11、型,其中电压正弦PWM和电流正弦PWM是从电源角度出发的SPWM,磁通正弦PWM(也称为电压空间矢量PWM)是从电机角度出发的SPWM。【3】2.1正弦波PWM调制原理 调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制(SPWM),产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列,脉宽调制的方法很多,从脉宽调制的极性上看,有单极性和双极性之分;从载波和调制波的频率之间的关系来看,又有同步调制、异步调制和分段同步调制。图2.1为PWM逆变器的主电路。 图2.1 PWM逆变器电路 图2.2所示为双极性脉宽调制波形,图中三角波为载波,正弦波为调制波,当载波与调制波曲线相交时,在交点的时刻产生控制信号,用来控制功率

12、开关器件的通断,就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时,脉宽随之改变,即可改变输出电压的大小;当改变调制电压的频率时,输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值,否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。 图2.2双极性脉宽调制波形 在实行SPWM脉宽调制时,同步调制和异步调制优缺点如下: (一)同步调制 在同步调制方式中,载波比N等于常数,变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变,因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N为3的倍数

13、,则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称,并能严格保证三相输出波形间具有互差120°的对称关系。当输出频率很低时,由于相邻两脉冲间的间距增大,谐波会显著增加,使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。(二)异步调制 异步调制是逆变器的整个变频范围内,载波比N不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变,因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加,相应的可减少电机的转矩脉动与噪声,改善了系统的低频工作性能。 异步调制方式的缺点是当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时,它不可能总是3的倍数,势必使输出电压波形及其相位都发生变化,难以

14、保持三相输出的对称性,因而引起电机工作不平稳。(三)分段同步调制 分段同步调制综合了上面两种方法的优点,把整个变频范围划分为若干频段,在每个频段内都维持载波比N恒定,而对不同的频段取不同的N值,频率低时,N取大些,一般大致按等比级数安排。2.2 SPWM信号的产生 产生SPWM调制信号主要有三种方法: l)采用分立元件的模拟电路法,缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等,该方法目前基本不用。 2)采用专用集成电路芯片产生SPWM信号,如常用的HE4752芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化,但由于这些芯片本身的功能存在不足之处,致使它们的应用受到限制。 3)单片机数字编

15、程法,其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机内,使单片机和SPWM信号发生器容为一体,从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题,并且可以产生多种SPWM波形,实现各种控制算法和波形优化,Intel公司推出的16位单片机SXCI96MC就是这样一种具有高性能的特别适用于PWM控制技术的单片机。第3章PWM变频调速系统的硬件设计3.1 系统介绍 变频调速系统原理框图如图3.1所示,本系统主要由整流器、滤波环节、逆变器组成。 图3.1 变频器主电路 系统主电路采用典型交一直一交电压源型变频器结构,整流环节采用三相桥式不控整流模块,逆变电路功率器件IGBT,中间直流环节加

16、大电容滤波以获得平滑的直流电压。3.2整流滤波电路 该电路采用三相桥式不可控整流，并且并联电容进行滤波。当交流侧某一线电压高于电容电压时，才有一对二极管导通，输出直流电压等于交流侧线电压中最高的一个波峰。当线电压低于电容电压时，没有二极管导通，电容向负载放电，按指数规律下降。 图3.3输出的直流电压3.3逆变电路 考虑到实际工作为中高压大容量场合，所以选择三电平逆变电路。 单极性正弦波脉宽调制过程中各逆变器的工作过程 （1）时，、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使U相、W相处正半周，V处负半周。 （2）时，、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使U相处正半周，V相、W相处负半周。 （3）时，、

17、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使U相、V相处正半周，W相处负半周。 （4）时，、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使V相处正半周，U相、W相处负半周。 （5）时，、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使V相、W相处正半周，U相处负半周。 （6）时，、及按单极性正弦波脉宽调制方式导通，使W相处正半周，U相、V相处负半周。 需注意的是，上面介绍的逆变器件的导通与逆变等效电路中的开关导通有所不同，在同一周期的任何一相正半周中，等效电路中的开关导通后是处保持纯导通状态（即等效电路中的开关在同一周期的任何一相的正半周中只导通一次），只到同一周期的正半周期结束。而逆变器件的导通则是按单极性正弦波脉宽调制

18、的算法在做高速“通-断”（即逆变器件在同一周期的任何一相的正半周中要“通-断”很多次），而非纯导通的；否则，逆变器输出的将是纯粹的方波而非正弦波。换句话说，逆变器输出的正弦波正是由逆变器件在同一周期的正（或负）半周里做高速“开-断”而等效实现的。【4】 每一相工作原理。 以U相为例，当V11和V12导通，V13和V14关断时，U点与O点间的电位差为Ud/2;当V13和V14导通，V11和V12关断时，U点与O点间的电位差为-Ud/2；当V12或V13导通，V11和V14关断时，U点与O点间的电位差为0（如图3.5，触发脉冲如图3.4）。实际上在最后一种情况下，V12和V13不可能同时导通，哪一

19、个导通取决于负载电流iu的方向。当iu>0时，V12和钳位二极管VD11导通；当iu<0时，V12和钳位二极管VD12导通。即通过钳位二极管VD11或VD12的导通把U点电位钳位在O点电位上。【5】 图3.4 U相触发脉冲 图3.5 U与O点之间电压波形 通过相电压之间的相减可得到线电压。两电平逆变电路的输出线电压共有Ud，-Ud和0三种电平，而三电平你变电路的输出线电压则有Ud/2，-Ud/2，Ud，-Ud和0五种电平（如图3.6）。因此，通过适当的控制，三电平逆变电路输出电压谐波（如图3.7）可大大少于两电平逆变电路。 图3.6 UV线电压波形 图3.7 UV线电压傅里叶分析第

20、4章 电气接线及仿真波形4.1潜油电泵变频改造双主回路系统图潜油电泵变频改造双主回路系统如图4.1所示。双头刀闸BK和隔离刀闸KS0、KS1是为了保证工频系统与变频系统之间实现绝对“联锁”而设置的，这样可做到在任何情况下，工频系统与变频系统之间不会出现“撞车”短路故障。 图4.1潜油电泵变频改造双主回路系统4.2潜油电泵驱动电动机的测量及保护等电路 潜油电泵驱动电动机的测量、保护电路设有两组电流互感器（LH1、LH2），其中LH1是用来测量的，实际使用中可接电流表、电度表，也可将功率表等的电流回路接入其中；LH2是用来接过载保护的，其功能与低压电动机的热继电器相同。4.3潜油电泵驱动电动机的控

21、制系统 潜油电泵驱动电动机的变频器接线如图4.2所示，潜油电泵工艺简单，其变频系统只需设启/停控制，其中，VC2为启动控制，K3为先停变频控制，SA为变频运行方式选定，用K2对变频器的故障信号进行扩展，以便多用。 图4.2中，潜油电泵的变频器的调速信号可采样出油压力，一般来说潜油电泵的变频驱动可采用模拟调速，模拟调速信号可以由潜油电泵专用控制系统提供，也可通过电位器及变频器操作面板上的键来进行人工调节，本装置中采用PID闭环调节。【6】 图4.2 潜油电泵驱动电动机的变频器接线4.4电动机电流波形 图4.3三相电流波形 图4.4 三相电流傅立叶分析第5章 结论 综上所述，随着电气工程以及电子技术的快速发展以及变频器技术的日趋成熟，使得变频器的研究进入了一个新的高度。本文着重研究了基于三电平变流器的 1140V 变频器主回路设计与仿真分析。首先介绍了变频器的结构特定以及工作原理，并且对三电平变流器变频器主回路的结构特点以及设计进行详细说明。然后通过 PSIM 进行仿真分