潜油电泵专用变频器应用分析器
摘要：本文在介绍了潜油电泵的传统供电方式的多种弊病之后，阐述了变频供电方式的优越性，进而给出了潜油电泵变频器几个特殊要求和解决办法。风光电子公司推出1140V潜油电泵变频器并被油田认可之后，现在又研制成功了2300V潜油电泵专用变频器。
一、引言
用现代高新技术改造现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来为油田潜油电泵（以下简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的一个重要组成部分。潜油电泵的电压等级多为1140V和2300V。潜泵按放在地平面以下1000～3000米处，工作环境极度恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。潜泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元。传统供电方式危害甚多。例如：
* 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。
* 全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，不但浪费了电，还对电机寿命有很大影响。
* 油田供电电压常有波动，使电机欠激励或过激励，电机被烧时有发生。
* 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，从而影响了电机的正常工作。
由上可看出，潜泵的传统供电方式必须改造，比较理想的供电设备应具备如下特性：
＊ 软启动
＊ 调速方便，即变频运行。启动时间和运行速度能根据工况任意设置。
＊ 不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。
＊ 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，容易烧毁电机。
＊ 各种保护功能齐全。
＊ 控制方便、操作简单、显示清楚。
显而易见，满足这些要求非变频器莫属，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，因为电压等级不符、输出波形不是正弦、电缆的损耗电压无法补偿。我公司受油田委托成功地研制出了1140Ｖ、３０～１00KW潜泵专用变频器系列。现在又承担了2300V潜油电泵专用变频器的研制任务。
二、专用变频器的研制
潜泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140V和2300V。业内有用380V级变频器配合特制升压变压器的报导，本文认为这种高一低一高方案有先天不足，让升、降压变压器工作在低频下是很困难的，变压器的加入又增加了产品成本,现在的IGBT器件的耐压已经较高,3000V以下的变频器没有必要求助于变压器,本公司1140V潜油电泵已在几个油田正常运转,效果很好。本文主要介绍2300V潜油电泵专用变频器的性能和研制情况。
该变频器的技术指标为：
三相输入：2300V、50Hz
三相输出：额定电压为2300V，容量110kW
频率范围：2HZ～50HZ连续可调
电缆上的电压损耗能够得到合适补偿。
输出波形：正弦
控制功能、保护功能同于普通变频器。
本文仅对该变频系统的技术特点简述如下：（与380V级通用变频器相同部分不再赘述）。
1、主电路与功率器件的选择
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2300V的输出势必要用昂贵的高压管，为了降低对功率器件的耐压要求和降低输出电压的谐波成分，本设计采用三电平电路。
其中主电路部分采用三电平电路或称中心点钳位(NeturalPointClamped—Npc)方式,它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（1700V、200A），整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。用三电平电路结构、3300V的IGBT模块正好可以实现2.3KV的逆变输出，但我们熟悉的供应商3300V的IGBT模块无现货，只可预定，因为任务紧，只好用1700V的双单元模块串联当一个单元来用了，这样成本还会低些，正好借此机会研究一下器件串联的动态均压问题．中的IGBT符号是双单元串联的简化表示。IGBT功率器件的直接串联主要解决均压问题，稳态均压比较容易，相串的两支管子是同一模块内的器件，制造工艺和环境温度都基本相同，因而不必采取过多的措施，应把主要精力放在动态均压上。经过实验筛选，均压电路由电阻R1、R2、电容C、二极管D组成。电阻R1起到静态均压的作用，R2、C、D与普通的缓冲电路形式相同，这里主要目的是起动态均压的作用。
均压过程主要是由电容C完成的。串联两只IGBT，开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容C上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫两只IGBT上的压降不会发生跳变。由于开关过程中两只IGBT中电流不一致所造成的影响由电容C的充放电补偿。
由动态均压的过程可知，两只IGBT开关性能一致性越好，均压效果越好；电容C数值越大，均压效果越好。但过大的C值，将使R2上的功耗过大。 P=1/2CV2f, V为单只IGBT上的跳变电压，为限制R2上的功耗，应取尽可能小的电容C值及采取较低的调制频率f。
2、载波频率的选择
提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为3.4KHZ，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。
3、对输入电压的稳定
输入电压经整流、滤波后得直流母线电压，以Uo表示，在此装有一个电压传感器，其输出电压Ut正比于母线电压Uo ，将Ut值送单片机处理，令Uo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波的脉宽时要乘上因子1/Ut 。这样就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行中，当电网侧电压波动+10%时，电机侧测不到电压的波动，说明Ut 补偿效果明显。
4、输出端正弦波的获取
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，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦驱动电流。从变频器到潜油电泵存在有几千米的电缆线，若把PWM波直接加在电缆输入端，由于长线效应电机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击，电机很可能被烧坏。因此三相低通LC滤波器是必要的，滤波器电路如图3.所示,在本设计中其截止频率约为载波频率的1/3。
5、电缆损耗的补偿
潜泵对V/F曲线并无特殊要求，频率降到30HZ以下已经不出油了，为了实现软启动，本设备把启动频率设在2HZ，50HZ对应2300V的额定输出，电缆补偿电压Vb根据每口油井的具体情况调整。V/F曲线见图4.。
Vb的大小决定了电机启动性能的好坏,Vb大了,会使启动电流太大.引起损耗的增加,Vb过小,则起不来。Vb由小逐渐增大，输出电流也必然发生相应的变化，当电机开始运转的时刻，电流会有明显的不同。根据这个思路我们编写了一个软件，称其为补偿电压自适应程序。如果软件很成功，每次启动就不必手工调整了，目前软件还有待进一步的完善、优化，所以这次研制的样机仍保留着手工调整的电位器。
三、运行情况
2300V潜泵专用变频器已经研制成功，各项技术指标均满足设计值，带额定负荷运行良好。串联管的稳态均压不平衡度在10%以内，动态均压不平衡度在用示波器上看在15%之内。经过输出滤波器后的电压在潜泵的整个转数范围内任意调变，其波形均为正弦波（失真甚小），电机就是在低速、轻载时，运行也很平稳、均匀，无任何脉动现象，电机在整个频率范围内调速灵活方便。
一、引言
用现代高新技术改造现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来为油田潜油电泵（以下简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的一个重要组成部分。潜油电泵的电压等级多为1140V和2300V。潜泵按放在地平面以下1000～3000米处，工作环境极度恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。潜泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元。传统供电方式危害甚多。例如：
* 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。
* 全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，不但浪费了电，还对电机寿命有很大影响。
* 油田供电电压常有波动，使电机欠激励或过激励，电机被烧时有发生。
* 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，从而影响了电机的正常工作。
由上可看出，潜泵的传统供电方式必须改造，比较理想的供电设备应具备如下特性：
＊ 软启动
＊ 调速方便，即变频运行。启动时间和运行速度能根据工况任意设置。
＊ 不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。
＊ 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，容易烧毁电机。
＊ 各种保护功能齐全。
＊ 控制方便、操作简单、显示清楚。
显而易见，满足这些要求非变频器莫属，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，因为电压等级不符、输出波形不是正弦、电缆的损耗电压无法补偿。我公司受油田委托成功地研制出了1140Ｖ、３０～１00KW潜泵专用变频器系列。现在又承担了2300V潜油电泵专用变频器的研制任务。
二、专用变频器的研制
潜泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140V和2300V。业内有用380V级变频器配合特制升压变压器的报导，本文认为这种高一低一高方案有先天不足，让升、降压变压器工作在低频下是很困难的，变压器的加入又增加了产品成本,现在的IGBT器件的耐压已经较高,3000V以下的变频器没有必要求助于变压器,本公司1140V潜油电泵已在几个油田正常运转,效果很好。本文主要介绍2300V潜油电泵专用变频器的性能和研制情况。
该变频器的技术指标为：
三相输入：2300V、50Hz
三相输出：额定电压为2300V，容量110kW
频率范围：2HZ～50HZ连续可调
电缆上的电压损耗能够得到合适补偿。
输出波形：正弦
控制功能、保护功能同于普通变频器。
本文仅对该变频系统的技术特点简述如下：（与380V级通用变频器相同部分不再赘述）。
1、主电路与功率器件的选择
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2300V的输出势必要用昂贵的高压管，为了降低对功率器件的耐压要求和降低输出电压的谐波成分，本设计采用三电平电路。
其中主电路部分采用三电平电路或称中心点钳位(NeturalPointClamped—Npc)方式,它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（1700V、200A），整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。用三电平电路结构、3300V的IGBT模块正好可以实现2.3KV的逆变输出，但我们熟悉的供应商3300V的IGBT模块无现货，只可预定，因为任务紧，只好用1700V的双单元模块串联当一个单元来用了，这样成本还会低些，正好借此机会研究一下器件串联的动态均压问题．中的IGBT符号是双单元串联的简化表示。IGBT功率器件的直接串联主要解决均压问题，稳态均压比较容易，相串的两支管子是同一模块内的器件，制造工艺和环境温度都基本相同，因而不必采取过多的措施，应把主要精力放在动态均压上。经过实验筛选，均压电路由电阻R1、R2、电容C、二极管D组成。电阻R1起到静态均压的作用，R2、C、D与普通的缓冲电路形式相同，这里主要目的是起动态均压的作用。
均压过程主要是由电容C完成的。串联两只IGBT，开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容C上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫两只IGBT上的压降不会发生跳变。由于开关过程中两只IGBT中电流不一致所造成的影响由电容C的充放电补偿。
由动态均压的过程可知，两只IGBT开关性能一致性越好，均压效果越好；电容C数值越大，均压效果越好。但过大的C值，将使R2上的功耗过大。 P=1/2CV2f, V为单只IGBT上的跳变电压，为限制R2上的功耗，应取尽可能小的电容C值及采取较低的调制频率f。
2、载波频率的选择
提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为3.4KHZ，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。
3、对输入电压的稳定
输入电压经整流、滤波后得直流母线电压，以Uo表示，在此装有一个电压传感器，其输出电压Ut正比于母线电压Uo ，将Ut值送单片机处理，令Uo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波的脉宽时要乘上因子1/Ut 。这样就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行中，当电网侧电压波动+10%时，电机侧测不到电压的波动，说明Ut 补偿效果明显。
4、输出端正弦波的获取
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，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦驱动电流。从变频器到潜油电泵存在有几千米的电缆线，若把PWM波直接加在电缆输入端，由于长线效应电机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击，电机很可能被烧坏。因此三相低通LC滤波器是必要的，滤波器电路如图3.所示,在本设计中其截止频率约为载波频率的1/3。
5、电缆损耗的补偿
潜泵对V/F曲线并无特殊要求，频率降到30HZ以下已经不出油了，为了实现软启动，本设备把启动频率设在2HZ，50HZ对应2300V的额定输出，电缆补偿电压Vb根据每口油井的具体情况调整。V/F曲线见图4.。
Vb的大小决定了电机启动性能的好坏,Vb大了,会使启动电流太大.引起损耗的增加,Vb过小,则起不来。Vb由小逐渐增大，输出电流也必然发生相应的变化，当电机开始运转的时刻，电流会有明显的不同。根据这个思路我们编写了一个软件，称其为补偿电压自适应程序。如果软件很成功，每次启动就不必手工调整了，目前软件还有待进一步的完善、优化，所以这次研制的样机仍保留着手工调整的电位器。
三、运行情况
2300V潜泵专用变频器已经研制成功，各项技术指标均满足设计值，带额定负荷运行良好。串联管的稳态均压不平衡度在10%以内，动态均压不平衡度在用示波器上看在15%之内。经过输出滤波器后的电压在潜泵的整个转数范围内任意调变，其波形均为正弦波（失真甚小），电机就是在低速、轻载时，运行也很平稳、均匀，无任何脉动现象，电机在整个频率范围内调速灵活方便。
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