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。
一、引言
用現(xiàn)代高新技術(shù)改造現(xiàn)有的油田采油設(shè)備是大勢所趨。用現(xiàn)代自控技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)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(shù)改造過程中的一個(gè)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(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修理，僅工程費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)5萬元，價(jià)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(gè)月就須維修一次，維修費(fèi)用約8萬元。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)或過激勵(lì)，電機(jī)被燒時(shí)有發(fā)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(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?，否則經(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(fēng)機(jī)、水泵服務(wù)的那些變頻器不適合，因?yàn)殡妷旱燃壊环⑤敵霾ㄐ尾皇钦?、電纜的損耗電壓無法補(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?，F(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，但在線運(yùn)行的多為1140V和2300V。業(yè)內(nèi)有用380V級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。
本文僅對該變頻系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(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)單元來用了，這樣成本還會低些，正好借此機(jī)會研究一下器件串聯(lián)的動(dòng)態(tài)均壓問題．中的IGBT符號是雙單元串聯(lián)的簡化表示。IGBT功率器件的直接串聯(lián)主要解決均壓問題，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，因而不必采取過多的措施，應(yīng)把主要精力放在動(dòng)態(tài)均壓上。經(jīng)過實(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。
均壓過程主要是由電容C完成的。串聯(lián)兩只IGBT，開關(guān)速度不會完全一致，而會稍有差別。電容C上的電壓在靜態(tài)情況下數(shù)值相同，在開關(guān)過程中，由于電容上的電壓不能突變，強(qiáng)迫兩只IGBT上的壓降不會發(fā)生跳變。由于開關(guān)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(bǔ)償。
由動(dòng)態(tài)均壓的過程可知，兩只IGBT開關(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(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
提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關(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)測不到電壓的波動(dòng)，說明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，由于長線效應(yīng)電機(jī)側(cè)會受到數(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V/F曲線并無特殊要求，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曲線見圖4.。
Vb的大小決定了電機(jī)啟動(dòng)性能的好壞,Vb大了,會使啟動(dòng)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(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)刻，電流會有明顯的不同。根據(jù)這個(gè)思路我們編寫了一個(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（失真甚小），電機(jī)就是在低速、輕載時(shí)，運(yùn)行也很平穩(wěn)、均勻，無任何脈動(dòng)現(xiàn)象，電機(jī)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)調(diào)速靈活方便。
