2300V潛油電泵專用變頻器幾個特殊要求和解決辦法
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摘要: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

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。潛泵損壞後提到地面上來修理,僅工程費一項就達五萬元,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,當井下液量不富餘時,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150伏左右的線路損耗,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:?

  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适合,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2300伏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1140伏和2300伏.業内有用380伏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産品成本,現在的IGBT器件的耐壓已經較高,3000伏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2300伏潛油電泵專用變頻器的性能和研制情況。

  該變頻器的技術指标為:

  三相輸入:2300V、50Hz
  三相輸出:額定電壓為2300V,容量110kW
  頻率範圍2HZ~50HZ連續可調
  電纜上的電壓損耗能夠得到合适補償。
  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。主電路原理圖如圖1.所示

  其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點鉗位(NeturalPointClampedNpc)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标之一。圖中的功率開關器件選用西門子的雙單元IGBT模塊(1700V、200A),整流後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,隻可預定,因為任務緊,隻好用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态均壓問題,圖1.中的IGBT符号是雙單元串聯的簡化表示。IGBT功率器件的直接串聯主要要解決均壓問題,穩态均壓比較容易,相串的兩支管子是同一模塊内的器件,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态均壓上。經過實驗篩選,本設計采用的均壓電路如圖2.所示

  均壓電路由電阻R1、R2、電容C、二極管D組成。電阻R1起到靜态均壓的作用,R2、C、D與普通的緩沖電路形式相同,這裡主要目的是起動态均壓的作用。

  均壓過程主要是由電容C完成的。串聯兩隻IGBT,開關速度不會完全一緻,而會稍有差别。電容C上的電壓在靜态情況下數值相同,在開關過程中,由于電容上的電壓不能突變,強迫兩隻IGBT上的壓降不會發生跳變。由于開關過程中兩隻IGBT中電流不一緻所造成的影響由電容C的充放電補償。

  由動态均壓的過程可知,兩隻IGBT開關性能一緻性越好,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,将使R2上的功耗過大。 P=1/2CV2f, V為單隻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、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、濾波後得直流母線電壓,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 ,将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,Ut1,電網電壓向下波動時Ut1,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,稱其為補償電壓自适應程序。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着手工調整的電位器。

三、運行情況

  2300V潛泵專用變頻器已經研制成功,各項技術指标均滿足設計值,帶額定負荷運行良好。串聯管的穩态均壓不平衡度在10%以内,動态均壓不平衡度在用示波器上看在15%之内。經過輸出濾波器後的電壓在潛泵的整個轉數範圍内任意調變,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,電機在整個頻率範圍内調速靈活方便。

作者:admin 來源:未知 發布于2019-07-19 10:55
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