關鍵字：變頻器、潛油電泵、低通濾波器、補償電壓
2300V inverter for latent oil electro-pump
The Shandong Phoenix electronics limited company
Li luilai He hongchen Han wenzhao
Abstract:Several disadvantages of the traditional power supply bbbbbbs for latent oil electro-pump are given in this paper, and then some advantages of the inverting frequency power supply bbbbbbs are described. This paper describes the proper characteristics and their solutions in this kind of inverter . The company releases 1140 V inverter of latent oil electro-pump and after were approved by oil-fielding, again rebbbbbb to manufactured to succeeded now 2300V inverter of latent oil electro-pump .
Key words: inverter , latent oil electro-pump , low pass filter ，compensating voltage
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。潛泵損壞后提到地面上來修理，僅工程費一項就達5萬元，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，當井下液量不富余時，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150V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性：
＊ 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適合，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?，F在又承擔了2300V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1140V和2300V。業內有用380V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產品成本,現在的IGBT器件的耐壓已經較高,3000V以下的變頻器沒有必要求助于變壓器,本公司1140V潛油電泵已在幾個油田正常運轉,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。
該變頻器的技術指標為：
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連續可調
電纜上的電壓損耗能夠得到合適補償。
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
圖１．整機主電路原理圖
其中主電路部分采用三電平電路或稱中心點鉗位（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計的目標之一。圖中的功率開關器件選用西門子的雙單元IGBT模塊（1700V、200A），整流后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，只可預定，因為任務緊，只好用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態均壓問題，圖1．中的IGBT符號是雙單元串聯的簡化表示。IGBT功率器件的直接串聯主要解決均壓問題，穩態均壓比較容易，相串的兩支管子是同一模塊內的器件，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態均壓上。經過實驗篩選，本設計采用的均壓電路如圖2.所示
圖2.均壓電路
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態均壓的作用。
均壓過程主要是由電容C完成的。串聯兩只IGBT，開關速度不會完全一致，而會稍有差別。電容C上的電壓在靜態情況下數值相同，在開關過程中，由于電容上的電壓不能突變，強迫兩只IGBT上的壓降不會發生跳變。
由于開關過程中兩只IGBT中電流不一致所造成的影響由電容C的充放電補償。
由動態均壓的過程可知，兩只IGBT開關性能一致性越好，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，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、降低噪聲大有好處，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、濾波后得直流母線電壓，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 ，將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，Ut>1，電網電壓向下波動時Ut<1，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。
圖3.輸出低通濾波器
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，稱其為補償電壓自適應程序。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著手工調整的電位器。
圖4.V/F 曲線
三、運行情況
2300V潛泵專用變頻器已經研制成功，各項技術指標均滿足設計值，帶額定負荷運行良好。串聯管的穩態均壓不平衡度在10%以內，動態均壓不平衡度在用示波器上看在15%之內。經過輸出濾波器后的電壓在潛泵的整個轉數范圍內任意調變，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，電機在整個頻率范圍內調速靈活方便。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
