（电机与电器专业论文）基于变频器供电的潜油电机的性能分析.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕t r 学位论文 p e r f o r m a n c e a n a l y s i so f t h es u b m e r s i b l em o t o r s u p p l i e db yc o n v e r t e r a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tm e c h a n i c a lf u r n i s h m e n ti nt h ee x p l o i t a t i o no ft h eo i l f i e l d ， s u b m e r s i b l em o t o r sh a v eb e e nu s e dw i d e l ya n db e c o m eo n eo ft h em a j o rm e a n s i nt h eo i l f i e l d p r o d u c t i o n t h es u b m e r s i b l em o t o r sp e r f o r m a n c eh a sb e e n m a t c h e dt ot h et h r o u g h p u to ft h eo i lw e l la d e q u a t e l yb yt h ea p p l i c a t i o no ft h e c o n v e r s i o np o w e rs u p p l y , s ot h ee f f i c i e n c yo ft h es u b m e r s i b l ee l e c t r i c a lp u m p h a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y a tt h es a m et i m e ，as e r i e so fn e g a t i v ep r o b l e m sh a s b e e nb r o u g h tb yt h ea p p l i c a t i o no ft h ev a r i a b l e f r e q u e n c ys o u r c e f o re x a m p l e ， t h eh i g h - o r d e rh a r m o n i c si nt h ec o n v e r s i o n p o w e rs u p p l yc a nc a u s e t h e i n e r e a s e m e n to fc o p p e rl o s sa n di r o nl o s s ，a n dt h ee n do v e r v o l t a g ew i l ll e a dt h e d a m a g et ot h ei n s u l a t i o ns y s t e mw h e nt h e r en e e d sal o n gc a b l et ol i n kt h e c o n v e r t e rt ot h es u b m e r s i b l em o t o r i no r d e rt oa n a l y z et h e s ep r o b l e m si na c t u a lp r o d u c t i o n ，t h es u b m e r s i b l em o t o r i sf e db ys i e m e n s6 s e 7 0i n v e a e r a ne m u l a t ec i r c u i tf o ri ti sb u i l t e a c hh i g h o r d e rh a r m o n i cc o m p o n e n t sd e g r e e ，d i r e c t i o na n dt h ep e r c e n t a g eo fi t sf u n d a m e n t a l c o m p o n e n th a v eb e e ng o tb yt h es i m u l a t i o n m e a n w h i l et h ei n c r e a s e m e n to fc o p p e rl o s s a n di r o nl o s sa r ec a l c u l a t e di nt h i st h e s i s t h ei n c r e a s e m e n tw i l ll c a dt ot h e d e s c e n to ft h ee f f i c i e n c ya n dt h ed e s c e n ti s0 7 2 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e h i g h o r d e rh a r m o n i cp l a y sa ni m p o r t a n t r o l eo ft h es u b m e r s i b l em o t o r s e f f i c i e n c y , s oi ts h o u l db ec o n s i d e r e dc a r e f u l l ya n ds h o u l dn o tb en e g l e c t e di nt h e p r o d u c t i o n w h e nt h es u b m e r s i b l em o t o ri ss u p p l i e db yt h ec o n v e r s i o np o w e r , t h e r en e e d s al o n gc a b l et ol i n kt h e m ，s oi ti se a s yt oc a u s et h ee n d o v e r v o l t a g e t h ea c a d e m i c a n a l y s i sa n dt h ee m u l a t i o nr e s e a r c ho fo v e r v o l t a g eh a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ： t h ei n c o o r d i n a t i o no fc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ef o rt h ec a b l ea n dt h em o t o rw i l l l e a dt ot h ee n do v e r v o l t a g e ，a n dt h em a g n i t u d eo ft h eo v e r v o l t a g ea n dt h e c o n c u s s i o nf r e q u e n c yw i l li n c r e a s ea l o n gt h ei n c r e a s e m e n to fc a b l e sl e n g t h ，s o i i - 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 t h ed a m a g et ot h es u b m e r s i b l em o t o r si n s u l a t i o ns y s t e mw i l lb ew o r s e i no r d e r t or e s t r a i nt h ee n do v e r v o l t a g e ，t h eh i g h o r d e rh a r m o n i c sc a l lb em i n i f i e db yt h e p a s s i v ef i l t e r , o ri t c a l lb ee l i m i n a t e db yt h ec h a n g eo ft h es u b m e r s i b l em o t o r s d e s i g np a r a m e t e r s ( s u c h 鹳s l o tl e a k a g er e a c t a n c e ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u b m e r s i b l em o t o rs u p p l i e db yt h ec o n v e r t e ri s g r e a t l yd i f f e r e n tf r o mt h ec o m m o ns i t u a t i o n ，h o w e v e r , s o m et e c h n i q u e sc a l l e l i m i n a t eo rm i n i f yt h ea d v e r s ei n f l u e n c e ，s ot h es u b m e r s i b l em o t o r se f f i c i e n c y c a nr e a c ht h eh i g h e s tp o i n tw h e ni tu s ec o n v e r s i o np o w e r s u p p l y k e y w o r d ss u b m e r s i b l em o t o r , c o n v e r s i o np o w e rs u p p l y , h i 曲一o r d e rh a r m o n i c ， 1 0 s s ，l o n g - l i n et r a n s m i s s i o n ，e n do v e r v o l t a g e - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于变频器供电的潜油 电机的性能分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：考皇 日期：2 。8 年够月 弓日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于变频器供电的潜油电机的性能分析系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：彦基 日期：2 0 0 8 年矿月 弓日 作者签名：谚蓼 日期： 年矿月弓日 翩等嗍枷川 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 1 1 潜油电泵系统概述 第1 章绪论 1 1 1 潜油电泵系统的发展概况 潜油电泵技术的发展经历了近一个世纪，发展到了今天，已经进入了一个 相当成熟的技术阶段，在其制造技术和应用技术方面，美国和俄罗斯处于绝对 领先地位。美国的电泵技术占领着国际市场的绝大部分，而俄罗斯的技术只局 限于国内和一些欧洲国家。 潜油电泵的研制及应用至今已经有8 0 年的历史，它是由美国雷达电泵公 司的总工程师白俄罗斯人奥特纳夫发明创造的心1 ，它在世界机械采油历史上做 出了很大的贡献。在潜油电泵应用的初级阶段，工艺技术水平极低，现场使用 寿命短，绝缘等级低，控制系统全部为手动控制，现场井一次投产成功率只有 2 0 ，3 0 引。 随着材料和电子工业技术的飞速发展，现今的潜油电泵技术已取得了巨大 的进步。在当今石油工业生产中，随着机械采油井所占比重的不断增加，潜油 电泵井近年来增长较快，自上世纪8 0 年代以来，潜油电泵的应用在世界范围 内迅速扩大，其配套的工艺技术也迅速发展，使其适应性有了很大提高，各方 面技术更加完善，成为当今最有效的机械采油方法之一h 1 。电机控制系统已经 发展成为集成电路组合式全自动控制装置5 1 ，并且配备了电泵井的测压、测温 系统，变频调速技术逐渐成为电机控制方面的主导哺1 。由于耐高温、高压材料 的发展，潜油电泵机组的耐温等级已由5 0 提高到2 0 0 以上，有些电泵机 组已经可以在超过2 3 0 的高温并中工作，排量范围可以在 l o m 3 3 0 0 0 m v d n l 。纵观潜油电泵发展的历史，它在沿着高适应性，高可靠性和 长寿命方向前进埔1 。随着世界范围内的油田逐步走向开采中、后期，沙漠、海 洋采油范围的日趋扩大，更加复杂的地质结构，更深的开采井深以及高昂的打 井、起井费用无不对潜油电泵的这三项指标提出了更高的要求归1 。这一方面要 求潜油泵须具有更好的耐磨、耐腐蚀和抗振动性能们，另一方面，对潜油电机 而言，更高的耐温、耐压等级以及基于变频调速等先进控制技术基础之上的更 大的转速、功率变化范围将成为我们下一步工作的目标n 。 哈尔滨理工大学工学硕：j ：学位论文 我国从1 9 6 4 年开始研制潜油电泵。1 9 8 1 年天津电机厂成功研制了排量 2 0 0 m 3 d 、扬程8 0 0 m 潜油电泵，这是我国真正自行研制成功的首台潜油电泵。 同年，我国开始大规模从美国引进潜油电泵，并逐渐吸收、消化美国的先进技 术，在大庆油田和胜利油田投产应用和逐渐推广，形成了我国从潜油电泵的引 进到现场应用、机组检修直至自行制造的发展历程。目前，已形成了设计、制 造、现场应用等比较完备的潜油电泵体系。 经计算，如果潜油电泵机组最高排量为3 0 0 m s d ，扬程为1 5 0 0 m ，电机外 径设定为l o o m m ，额定功率为l o o k w ，如果将电机的转速由目前的2 9 5 0 r m i n ( 5 0 h z ) 提高到5 0 0 0 - - 6 0 0 0 r m i n ( 1 0 0 h z ) ，那么电机的总长度只要6 - - 4 5 m ( 目前 按上述参数制造的电机长度要在1 0 m 以上) ，离心泵的总级数只需要1 0 0 - - , 7 0 级( 目前则需要1 7 0 级以上) ，这就极大地缩短了整个机组的几何尺寸n 羽。目 前在世界上处于领先地位的美国r e d a 和c e n t r i 公司的电机的工作频率都已 经能达到8 0 h z 以上n 射，而目前我国最先进的电机只能达到6 0 h z ，这是我们 目前跟世界领先水平的差距。然而，即使从5 0 h z 提高到6 0 h z 这样的进 步，我们也付出了相当大的努力。 1 1 2 潜油电泵系统的组成 潜油电泵系统的核心部件是潜油电机“钉。潜油电机同潜油离心泵、油管一 起下入井内，地面电源通过变压器、控制柜和动力电缆将电缆送给井下潜油电 机，使电机带动多级潜油离心泵旋转，将电能转变为机械能，同时离心泵利用 机械能把油井中的液体举升至地面。潜油电泵系统有三大部分七大组件组成， 同时与之配套的有电缆护罩、单流阀、泄油阀、扶正器和井下压力传感器等。 其系统结构示意图见图1 1 。 1 井下部分：潜油电机、保护器、分离器、潜油离心泵； 2 中间部分：动力电缆； 3 地面部分：控制柜和变压器。 潜油电泵的供电过程是：地面电缆一变压器一控制柜一动力电缆一潜油电 机。 潜油电泵抽油工作流程是：分离器一潜油离心泵一单流阀一井口一地面管 线。 潜油电动机是整个潜油电泵系统的心脏，也是整个系统中结构最复杂的一 部分，它驱动潜油离心泵抽去地下的原油n 射。目前应用的潜油电机为三相鼠笼 哈尔滨理1 = 大学t 学硕二e 学位论文 式异步电动机，两极，单节长度在2 5 1 0 m 之间，大功率采用多节串联连接方 式，直径由所下入油井套管所决定。潜油电机为立式悬挂结构，主要有定子、 转子、止推轴承和扶正轴承等组成。整个转子的重量由位于电机头内部的止 推轴承承担。电机定子、转子为等长度多段串联式，每两节转予之间有扶正轴 承，保证电机运转过程中挠度不超过限定尺寸。对应扶正轴承的定子部位为定 子铜片，用来支撑扶正轴承。潜油电机为密闭式，定子、转子之间的间隙内充 满电机油，起绝缘、润滑、散热作用。一般情况下，潜油电机的工作电压为 4 0 0 - 3 0 0 0 v ，工作电流为l 乳1 2 0 a ，其功率与长度成正比。 图1 1 潜油电泵系统示意图 f i g 1 - 1s k e t c hm a po f t h es y s t e mo f t h es u b m e r s i b l em o t o r 哈尔滨理t 大学下学硕 ：学位论文 1 2 异步电动机交流调速 作为一种接近恒速的驱动装置，异步电动机是一种性能良好的电机。但是 在许多实际场合，要求电动机具有几种转速，或者在一定的范围内可以连续的 迸行调速“钉。 由于异步电动机的转速可表示为 刀：吃( 1 一痧：盟( 1 一亩( 1 - 1 ) p 式中：几为同步转速，r m i r a 石为定子电源频率，h z , p 为极对数；s 为转差 率。 所以可从下列三个方面来调节异步电动机的转速：改变电源频率，改变极 对数，以及改变转差率。 1 2 1 改变转差率调速 由式( 1 1 ) 可知，保持同步转速疗。不变，改变转差率s ，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以划分为两部分：部分构成 机械功率，另一部分则为转差功率。其中 = q 曲己 ( 1 - 2 ) 只=蛾(1-3) 式中：为异步电动机的电磁功率；为异步电动机的机械功率；只为异步 电动机的转差功率。 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 点是无论调到高速还是低速，转差功率仅仅由转子铜耗构成，基本上不变。因 此从能量转换的角度来看，变频、变极调速也可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性和转差功率回馈 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自消耗掉了，因此效率最低。转差功率 回馈型有串级调速和双馈调速，其转差功率大部分回馈到电网，效率介于消耗 型与不变型之间。 哈尔滨理t 大学丁学硕士学位论文 1 2 2 变极调速 由式( 1 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，只需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，都只能一极一极的变化，因此属于有极调速，应 用场合收到一定限制。 1 2 3 变频调速 若改变供电电源频率石，同步转速刀。将随频率五正比变化，从而电动机的 转子转速也将随之变化。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，是应用最广的种高性能交流调速方式。 变频调速是以变频器向交流电动机供电，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化为可调电压、可调频率的交流电的变换 器。变频器有多种分类方法，通常按结构形式和电源性质可分成： 1 变频器按其结构形式可划分为交直一交型变频器和交一交型变频器两 类； 2 变频器按其中间直流环节的电源性质又可划分为电压源型变频器和电流 源型变频器两类。 在工业领域中，异步电动机常用的变频器是交一直一交型变频器，它把工频 交流电网的三相电压源通过整流环节变成直流电压( 电流) ，然后通过逆变环 节将直流电压( 电流) 变换成频率可变的交流输出电压( 电流) ，变频器的结 构如图1 2 所示。 图1 2 中的整流环节、中间直流环节和逆变环节就构成了变频器的主电 路。整流电路是由可调电压的晶闸管或不可控的二极管构成的三相桥式整流电 路，逆变电路的常用结构形式是由六只半导体主开关元件组成三相桥式逆变电 路，通过有规律地控制逆变器中主开关元件的开通和关断，就可以得到任意频 率和大小的三相交流输出电n 引。 中间直流环节由大电感或大电容构成。由于变频器的负载是感应电动机， 它是一种感性负载，因此对于电压源型变频器它的负载和直流电源之间会有无 功功率的交换，中间直流环节的储能元件大电容就是用来缓冲这种无功功率需 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 求的：而对于电流源型变频器它的直流环节是大电感，要想进行无功功率的交 换就必须在其输出侧并联电容使得整个负载呈容性的。 图1 2 变频器的基本构成 f i g 1 2b a s i cs t r u c t u r eo fi n v e r t e r 其中图1 2 中的控制电路是用来完成对逆变器的开关控制，对整流电路的 电压控制( 对晶闸管整流器而言) ，以及完成各种保护功能等。 1 3 课题来源、背景及主要研究内容 1 3 1 课题来源及背景 本课题来自于以下企业委托项目：“潜油电机c a d 系统研制 、“潜油电泵 专用电动机分段处磁场f e m 、“1 8 8 系列潜油电机电磁设计”和“基于涡流场 数值模拟的潜油电机隔磁段及扶正轴承附加损耗分析与计算 等。 如前所示，在一般情况下，潜油泵系统工作在一恒定转速，电机只须在固 定频率下运行n 射。潜油泵的排量是通过油嘴来人工调节，这样就必然增加管路 损失，并且调节范围也不大。对于地质条件复杂、环境恶劣，起、下井作业费 用高昂，油井参数不明的油田地区，电机具有变频控制性能，从而能够在省略 再次起、下井作业的情况下，自动调节潜油泵的排量，就成了解决这一难题的 有效方法。但伴随而来的，是电机由定频转变为变频调速而出现的一系列问 题，其根源即为变频调速采用的变频器所产生的高次谐波无法全部被消除的问 题1 。 变频器中的关键部分为逆变器。对于i g b t 等器件，有2 - 1 0 k h z 的开关 频率，可以显著改善p w m 逆变器的性能。但p w m 逆变器输出的脉冲在很 短的时间内电压快速上升，会反过来影响电动机，产生如高频漏电流、轴电 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 压、轴承电流以及轴承损坏等问题幢。在潜油电泵系统中，地面与井下电机之 间需要很长的电缆，p w m 逆变器的输出脉冲经过长线电缆传至电动机，会产 生电压反射现象，使电机端的电压近似加倍，从而造成了潜油电动机的绝缘损 坏啪1 。在现场应用上，具体主要表现为：传输动力电缆每隔一定间隔鼓胀、击 穿；电机头部引线易被击穿；电机止推轴承容易高温过热磨碎；通过动力电缆 传输的电机井下检测、控制信号消失，等等瞪副。 1 3 2 本文主要研究内容 在企业实际生产中，潜油电机由西门子公司生产的s i e m e n s6 s e 7 0 系列电 压源型变频器供电。本文根据潜油电泵机组的现场应用情况，针对已经发生的 各种问题，进行理论分析并提出解决措施。本文的主要研究内容包括以下几个 方面： 1 针对实际生产中使用的变频器进行电源谐波分析： 2 利用m a t l a b 仿真软件对实际使用的变频器进行重构仿真还原，并着重 分析了电源输出的高次谐波的次数、幅值、方向及其对潜油电机工作的影响； 3 计算出变频器输出的高次谐波引起的附加铜耗及铁耗； 4 分析变频器供电下的潜油电机采用长线传输时过电压现象产生的原因和 对潜油电机产生的影响，并针对此现象提出潜油电机本体结构的改进方案。 哈尔滨理工大学t 学硕j 学位论文 第2 章变频调速对潜油电机的影响 2 1 潜油电泵变频调速系统的整体设计 潜油电泵机组在5 0 h z 条件下的工作电压在2 0 0 0 3 5 0 0 v 之间，变频范围 在4 0 7 0 h z 之间，其最高电压可达到5 0 0 0 v 。因此在潜油电泵系统中使用的必 然是高压变频器。高压变频器根据高压组成方式，分为高一高型和高低一 高型。高一高型变频器直接输出高压，无需输出变压器，效率高、输出频率范 围宽，其中由于使用了高压元器件，所以价格相对较高。高一低一高型变频器 采用变压器实行输入降压，输出升压的方式，实质上还是低压变频器，只不过 从电网和电动机两端来看是高压，是受到功率器件电压等级技术条件的限制而 采取的变通方法，需要输入、输出变压器，存在中间环节电流大，效率低下、 可靠性下降，占地面积大等缺点。但应用在潜油电泵系统中，采用高低一高 方式还是相对经济的。 潜油电泵的地面设备基本组成部分为：降压变压器，变频器和升压变压 器。降压变压器是将电网高压降至变频器的工作电压，而升压变压器是将变频 器的工作电压变压至潜油电动机的工作电压。其中降压变压器要带有潜油电动 机工作电压抽头，以便变频器因故不能工作时，可以直接连接电动机工作。 另外，由于采用输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染问 题。根据国际上对电网谐波污染控制的标准i e e e 5 1 9 1 9 9 2 或国标g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波要求，还需采用网侧谐波滤波器已解决此问题。 由于油田区块一般位于沙漠、戈壁、荒原等比较偏僻的地带，其供电网不 很稳定，所以在潜油电泵变频调速系统中，一般还采用浪涌吸收装置，以防止 突变电压对电泵设备及变频器造成破坏。 由于变频器的输出谐波会引起电动机发热，绝缘损坏，并且还会产生较高 的d u d t 和共模电压。所以必须采用负载侧滤波器。这将在第3 、4 、5 章进行 详细讨论。 2 2 潜油电机结构详述 潜油电机为专门适用机械采油的特种电机乜射，为鼠笼式三相异步电动机， 哈尔滨理二r 入学工学硕士学位论文 因油井套管尺寸，形状的限制，该电机直径只能在9 0 2 0 0 m m 左右，但为保 证其输出功率，在长度方向必须设计得较长，一般在2 5 1 0 m ，且其内部设计 成分段的形式，分成长度为3 4 0 - 4 2 0 m m 左右的串联定一转子段的形式，相当 于几个小电机串联的形式。图2 1 所示为潜油电机的结构图，图2 2 为潜油电 机的外观示意图。 图2 1 潜油电机的结构不慈图 f i g 2 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho ft h es u b m e r s i b l em o t o r 1 电机定子由f 面投影为带1 8 个半闭口槽孔或闭口槽孔的环状硅钢片和 铜片，经叠压在定子壳体内形成。硅钢片和铜片的厚度均为0 5 m m ，外径则 基本与定子壳体内径相当。硅钢片叠压段的长度，即为“串联小电机”的小定 子长度，而每节小电机之间则为铜片叠压段，叠压长度为4 0 m m 左右，该段 哈尔滨理丁大学工学硕： ：学位论文 即为隔磁段，而该位置与下面将要介绍的电机扶正轴承的位置相对应。 2 电机的能量由从井口( 地面) 延伸至井下、长度与潜油泵沉没深度( 泵 挂深度) 基本相同的电缆提供，其长度大致在1 0 0 0 3 0 0 0 m 左右。电缆和电 机的连接设计了专门的联接接头，以避免井液从连接处同电缆和电机内部接 触。电缆则由电缆卡子固定在油管和机组的外壁上，以防止在下井及运行过程 中电缆的机械损坏。 图2 - 2 潜油电机的外观图 f i g 2 - 2o u t s i d ev i e wo f t h es u b m e r s i b l em o t o r 3 电机的动力( 机械能) 通过电机轴传递给处在其上部的潜油泵的泵轴 ( 中间经过保护器轴的传递) 。而电机轴，保护器轴和泵轴都用花键套连接在 一起。 4 电机轴为长度与电机相当，直径在3 0 3 5 r a m 左右的中间有轴孔的蒙 乃尔合金钢轴。 5 电机转子通过锁紧块( 环) ，固定在电机轴上，转子与转子之间为电机 扶f 轴承，也即电机转子上每隔3 0 0 左右都有一个扶正轴承，该轴承为衬套 轴承，j 下面投影呈环状，而其侧面厚度在3 0 - - 4 0 m m ，其外圆的直径略大于转 子直径( 组装时其位置正好处于每节“小电机 的铜片段上) ，在电机运转 时，其外圆壁紧贴定子内腔，内圆壁则与固定在电机轴上的铜套构成一对摩擦 副，它的作用是防止电机在运行过程中的径向振动( 因电机为细长形状) ，同 时又能起到保证气隙尺寸的作用。轴承与转子之间由厚度为0 2 m m 左右的有 机材质的小挚片( 分厚、薄两种，以利于调整尺寸) 来调整问隙尺寸。 6 在转子的上部，固定安装了电机止推轴承动块，它在电机运行时与转子 一起转动，并与固定在电机头部接头内的电机止推轴承静块形成一对摩擦副， 当电机竖直悬挂在井底运行时，转子的全部重量就落在了这对摩擦副上，类似 于将电机转子悬挂在电机内腔中转动一样。 7 定子经绝缘灌注处理后，即可与转子装配起来，成为整机。在将其下入 哈尔滨理_ t 大学工学硕：卜学位论文 井底前，须注入电机润滑油。 8 潜油电机润滑油的作用有以下四点。 1 ) 在电机运行时，内腔形成冷热循环，避免局部高温； 2 ) 起到绝缘介质的作用； 3 ) 保证电机止推轴承在工作状态下的润滑； 4 ) 消除电机内腔与外部井底之间的压差。 电机油充满电机和保护器的内腔，并在保护器上部的胶囊处与井液相隔 离，这样在内腔与外部环境存在压差时，胶囊便收缩或膨胀，压差因此得到消 除。 9 电机的散热主要依靠油井中的液体。 在井下，电泵系统都沉没于井液中，而电机又处于整个系统的最下部，井 液在被吸入潜油泵前，要流过电机表面，从而将电机运行产生的热量带走。这 里，井液的流速对电机的散热起到决定性的作用。流速过低，电机急剧温升， 直至烧毁。 2 3 变频变压调速的基本控制方式 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。如 果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转予电流下，电磁转矩小，电动机的负 载能力下降；磁通太强，则处于励磁状态，使励磁电流过大，限定了定子电流 的负载分量，严重时会因绕组过热而损坏电机，为使电动机不过热，负载能力 也要下降。在交流异步电动机中，气隙磁通( 主磁通) 是定子和转子磁动势合 成产生的。下面讨论如何使气隙磁通保持恒定。 如忽略定子的漏阻抗压降，则三相异步电机定子一相电动势的有效值为汹1 e l = 4 4 4 f l n l k l 驴辨 ( 2 1 ) 式中：e 为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，v ；石为定子频率， h z ；l 为定子每相绕组串联匝数；k ，为基波绕组系数；丸为每极气隙磁通 量，w b 。 由上式可知，九的值是由e 1 和石共同决定的，只要对五和石进行适当控 制，就可以使气隙磁通矽。保持额定值不变，对此，需要考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况。 下面对这两种情况分别进行分析。 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 2 3 1 基频以下调速 当频率从额定值向下调节时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁 通丸不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持巨f = 常 数，最口保持电动势与频率之比为常数进行控制。然而，绕组中的感应电动势是 难以直接检测和直接控制的。当电动势和定子频率值较高时，定子绕组的漏磁 阻抗压降相对较小，可以忽略不计，可以近似地认为定子相电压与感应电动势 相等，则可以近似地保持定予相电压u 和频率斤的比值为常数即可。这就是恒 压频比的控制方式，是近似的恒磁通控制。 当频率较低时，u 和石都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不 能再忽略。这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。如 图2 3 中的所示，其中1 为u f , - - c 时电压、频率的关系，2 为有定子压降补 偿时( 近似的互, = c ) 电压、频率的关系。 b o l ih z 图2 - 3u 与厂关系 f i g 2 - 3r e l a t i o n s h i po fua n d 厂 2 3 2 基频以上的弱磁调速 频率由基频向上增大时，电压受额定电压的限制不能再升高，只能保持电 压不变，这就必然会使主磁通随着频率的上升而减小，这就属于近似的恒功 率。 对于潜油电泵变频调速系统，配套的基本原则就是要合理地控制潜油电泵 的最高使用频率。这是由于，一方面频率过高，机组转速过大，局部摩擦加 剧，会缩短使用寿命；另一方面，电流、电压提高过大，不利于变频器和电动 机的可靠使用，而且动力电缆型号也要增大，配套成本也会增加。 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 2 4 变频调速下潜油电机的负载特性 异步电动机在正弦电源下的稳态等效电路见图2 - 4 。在这个等效电路中电 抗x 与频率有关。在潜油电机变频调速过程中，采用的是恒压频比的变频调速 方式。我们可设 器= 丢靠 肩 、7 rx lx t l 。厂一 ，雾c 。 1 r1 k | s 图2 - 4 异步电动机( 潜油电机) 正弦稳态等效电路 f i g 2 - 4s i n u s o i d a ls t e a d y s t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r ( s u b m e r s i b l em o t o r ) 通常情况下r 。“x 。，故可忽略心。由式( 2 - 2 ) 可知等效电路中电抗可表 示成额定频率时的电抗值乘以k ，见图2 - 5 a ) 。如果把图2 - 5 a ) 中各项参数均除 以比值七，则得到异步电动机变频运行的等效电路，见图2 - 5 b ) 。 r醢醢： - 1 广一 ， 以一号 ，i _ ，- r 1 0 。k a ) g kx tx t 溆 1 广一 ，事丘一已 一 ，i r 1 醚 k s l b ) 图2 5 异步电动机变频运行时的等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f a s y n c h r o n o u sm o t o rs u p p l i e db yi n v e r t e r 在图2 5 中 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 自目穹目 ! ! 穹自i i一 1 自_ _ l l 毫| _ | e = = 目目= ! = 自 l = 砜 (2-3)k 一、， 墨七：盘兰) 毒：( 竺型) 堕：n - - n( 2 4 ) 惕a 啊 。 式中：u 为电源频率为z 时定子相电压，v ；n 。为电源频率为z 时潜油电机的 同步转速，r m i n ；砜为电源频率为额定频率 时定子相电压，v ：为电源 频率为额定频率瓜时潜油电机的同步转速，r r a i n 。 可设 = n i - n( 2 5 ) 为频率石下的实际旋转磁场对转子的相对速度与额定频率下的旋转磁场 转速之比。的大小直接表示了气隙旋转磁场对转子的转速之差。在变频运行 条件下，异步电机的运行工况完全由所决定。 c 7 n = ( 譬+ 瞄) 五+ 睁p ， 矾噼p 2 睁玛弘 ( 2 7 ) s ：譬( 2 - 8 ) 异步电动机转矩公式为 r = 鲁( 印迅 ( 2 9 ) 2 万一 s 、7 将式( 2 6 ) - 式( 2 - 9 ) 与式( 2 - 3 ) 联立，则恒压频比异步电机变频运行时的电磁 转矩可以用u 、七、 表示，其表达式为 最大转矩为 t = 瓦= ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 根据图2 - 5 ，并将式( 2 3 ) 代入上式，得到 互=( 2 - 1 2 ) 在正常运行时，由于转差率s = p k 之值很小，斌通常可以忽略，则对应 一定转矩下的值不变，即旋转磁场对转子的相对运动不变，因此在恒压频比 的情况下，转矩特性的稳定运行段的机械特性曲线大致是平行的，并保持了较 硬的机械特性，如图2 6 。从式( 2 1 2 ) 可以看出，由于定子电阻的影响，当运行 频率下降时，最大频率将逐渐减小，这从图2 6 中也可以看出。也就是，恒压 频比运行方式，随着转速的降低，其过载能力逐渐下降。 图2 - 6 恒压频比调速时异步电动机的转矩特性 f i g 2 - 6t o r q u ec l l a r a c 瞬殉co fa s y n c h r o n o u sm o t o rw h e nu f , 2c 由于潜油离心泵等这类负莪j 其转矩是与转速的平方成正比的，它的转矩 特性如图2 - 6 中虚线所示。采坍愕压频比控制方式虽然电动机的过载能力随着 转速逐渐下降，潜油离心泵台勺也下降了，其过载能力完全能满足要求，使 电动机始终工作在同步点到磁转矩点的一段，即随着转速逐渐下降，潜 油离心泵的转矩也下降了，力完全能满足要求，使电动机工作在稳定 工作区内。 2 5 本章小结 本章首先对潜油电机的结构进行了详细地介绍。在现代生产过程中，潜油 电机采用变频控制方式可极大的节约生产成本，因此变频调速方式应用日加广 泛。目前潜油电机多采用恒压频比的控制方式。当电动势值和定子频率值较高 哈尔滨理丁大学t 学硕1 j 学位论文 时，定子绕组的漏磁阻抗压降相对较小，可以忽略不计，可以近似地认为定子 相电压与感应电动势相等，则可以近似地保持定子相电压u 和频率的比值为 常数即可。这就是恒压频比的控制方式，是近似的恒磁通控制。 在恒压频比的情况下，潜油电动机转矩特性的稳定运行段的机械特性曲线 大致是平行的，并保持了较硬的机械特性。但是，随着转速的降低，潜油电动 机其过载能力逐渐下降。对于潜油离心泵等这类负载，其转矩与转速的平方成 正比，随着转速逐渐下降，潜油离心泵的转矩同时下降，因此其过载能力完全 能满足要求，故潜油电机能始终工作在稳定工作区内。 哈尔滨理- t 大学t 学硕士学位论文 第3 章s p w m 逆变电路电源谐波频谱分析 3 1 谐波及谐波分析 “谐波 一词起源于声学。在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐 波源。目前变压器谐波已经退居次要的地位，各种电力电子装置成为最主要的 谐波源。 在当代电力电子技术中，s p w m 控制方式已经渗透进生活的各个角落，但 其最典型的应用在于逆变电源和变频器。在这两种典型应用中，工程师们对整 流过程所产生的谐波，已有过大量的分析和计算，并且研究出了精确的滤波方 法，使整流部分输出电压近似为直流电压乜 。而对于逆变过程产生的谐波，大 多只是定性分析，很少有定量计算的文献出现。因此，分析逆变过程产生的谐 波是当前急需解决的问题。 变频调速是通过改变定子供电频率来调节交流电机转速的。为了使电机有 良好的运行特性，在变频同时必须改变定子的供电电压，即给电机供电的变频 器必须兼有调压调频两个功能，以保证v f = 常数，这就是w v f 调速啪1 。变 频器所提供的变频电流，含有大量的高次谐波，使电机处于非正弦波和非工频 运行状态。而以往的电机是按正弦波工频电源设计的，因此在变频器供电情况 下运行的电机就容易出现问题1 。 众所周知，谐波会使电机、变压器、谐波电抗器产生噪声，同时谐波分量 的存在也直接影响着输出波形的质量，严重时还会产生电磁干扰，影响自身和 其它电子设备的正常工作。在三相电机控制中，对系统的性能稳定性和有效控 制谐波电压等方面有很高的要求，而载波比的选择、调制系数的大小、相位的 连续性等问题正是解决这些问题的关键所在啪1 。 当变频器输出的谐波过大时，不仅会使负载的机械振动加大、仪表的测量 误差增加，而且还会对计算机和通信产生干扰、增加谐波损耗、降低效率，以 致严重影响整个系统的控制性能阳1 。特别是对于潜油电泵系统，在变频电源高 次谐波的作用下，潜油电机的铜耗和铁耗会增加从而导致温升加剧，同时高次 谐波作用在潜油电缆上也会导致铠装电缆的爆裂。因此，要提高s p w m 逆变 装置的性能，必须对其输出波形的谐波进行准确分析，才能更好的解决谐波带 来的严重影响。 哈尔滨理丁大学丁学硕士学位论文 3 2s p w m 逆变电路 3 2 is p w m 控制 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术池1 。 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要波形( 含形状和幅 值) 。利用p w m 控制技术，既可以控制逆变器输出电压的频率，又可以控制 输出电压的波形及其基波的幅值。 为使逆变器输出电压波形趋于正弦波，常采用正弦脉宽调制 s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式。图3 1 是s p w m 变频器的原理 框图，本图采用的是二极管组成不可控整流器及由自关断器件组成逆变器的主 电路方案。图3 - 2 为s p w m 变频器的控制电路图，其逆变器开关模式信号， 通常情况下利用三相对称的正弦波参考信号与一个共用的三角波载频信号互相 比较来生成。 电源 _ _ 唾味 3 zlz土2e d 2 = v k 一 i l 一 n u 、 、 上 v 1 孑_ 薯 一 _ _- = v 工辛t 2 l 2土2i e d 2 = 462 图3 - 1s p w m 变频器 f i g 3 - 1m a i nc i r c u i to f s p w mi n v e r t e r 通用变频器常用全数字控制方式实现s p w m 。图3 1 所示的电压型s p w m 变频器有如下优点： 1 可以实现由逆变器自身同时完成调频和调压的任务，与普通变频方式相 比省掉了为调压而设置的一个功率控制级，使线路简化，可实现小型化并降低 成本。 2 输出电压的谐波含量可以极大地减少，特别是可以减小和