（信号与信息处理专业论文）潜油电泵中压变频调速系统硬件设计.pdf

摘要 潜油电泵在油田原油开采过程中被广泛应用，成为油田重要的采油方式之一。目前 与之配套的驱动系统以工频驱动为主，潜油电机存在启动电流大、电缆易击穿等弊端， 潜油电泵采油系统不能根据地质情况调节抽油量。本文在充分调研基础上，应用现代交 流调速技术，设计了一种单元串联多电平变频器来驱动潜油电泵，解决了当前潜油电泵 采油系统存在的问题。 本文首先对潜油电泵和交流调速技术应用现状及存在的问题进行简要分析，对比潜 油电泵系统不同驱动情形下的负载特性，设计出适合当前潜油电泵系统的驱动方案 单元串联多电平变频器。借助当前中高压变频器产品中使用的成熟技术理论，对单元串 联多电平变频器进行了分析，确定了本课题设计的变频器主电路拓扑和控制电路结构。 在此基础上，设计并实现了整个单元串联多电平变频器的主电路和控制电路，在硬件电 路设计过程中较全面地考虑了系统的电磁兼容性和抗干扰能力。 单元串联多电平变频器主电路采用低压功率单元串联叠加形成中压输出形式。每相 由三个功率单元串联组成，整个变频器共9 个功率单元，单元采用模块化设计，结构完 全相同。控制电路分主板控制电路和单元板控制电路两部分，每个功率单元有独立的 c p u ，整个系统的运行由主控制板c p u 集中控制。 在实验室内，对原理样机进行了实验，验证了硬件系统的正确性。实验证明，本课 题所设计的单元串联多电平变频器满足油田潜油电泵采油系统的基本要求，达到了预想 的设计目标。 关键词：潜油电泵，单元串联，p w m ，数字信号处理器( d s p ) h a r d w a r ed e s i g no fm i d - - v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l es p e e d s y s t e mf o re l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p x ul e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm ax i g e n g a b s 仃a c t a se l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pi sw i d e l yu s e df o rt h eo i le x t r a c t i o ni no i lf i e l d s ，i t b e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to i le x t r a c t i o nm e t h o d s b u t ，t h ed r i v es y s t e m sp r e s e n t l y e q u i p p e df o re l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p a r em a i n l yw o r k i n ga ti n d u s t r i a l 行e q u e n c y , w h i c h l e a d st om u c hd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl a r g es t a r t i n gc u r r e n ta n ds e r i o u sw a s t i n go fp o w e r , e t c b a s e do nt h es u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o n , t h i sp a p e r , u s i n gt h em o d e ma cs p e e dr e g u l a t i n g t e c h n o l o g y , d e s i g n sak i n do fc e l l sc a s c a d e dm u l t i - l e v e li n v e r t e rt od r i v et h ep u m p ，w h i c hc a n s o l v em o s to ft h ep r o b l e m se x i s t i n gi n t h ep r e s e n ta p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p f i r s t ，t h ep a p e rb r i e f l ya n a l y z e st h ep r e s e n ta p p l i e ds t a t u sa n de x i s t i n gp r o b l e m so ft h e e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m pa n da cs p e e dr e g u l a t i n gt e c h n o l o g y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f l o a dc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n td r i v i n gs i t u a t i o n so fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m ps y s t e m ，w e g i v eo u tt h es u i t a b l es o l u t i o n ，w h i c hi sc a l l e dc e l l sc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r t h e n , t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sc a r r i e do n , a n dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft e c h n o l o g i e s c u r r e n t l yu s e di nm i d - v o l t a g ei n v e r t e r s ，t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o l l i n gc i r c u i t s t r u c t u r ea d o p t e di nt h i sp a p e ra r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ea b o v e ，t h ep r a c t i c a lm a i nc i r c u i t a n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h ec e l l sc a s c a d e dm u l t i - l e v e li n v e r t e ra l ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d a l s o ，t h ee m c ( e l e c t r o - m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) a n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a r ef u l l yc o n s i d e r e dt h r o u g ht h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g np r o g r e s s t h em a i nc i r c u i ti sf o r m e db ys e v e r a ll o wv o l t a g ep o w e rc e l l s ，w h i c ha l ep u ti ns e r i e st o o u t p u tm i d - v o l t a g e t h a ti s ，e a c hp h a s ec o n s i s t so f3c e l l sa r r a n g e di ns e r i e s ，a n dt h ew h o l e i n v e r t e ri n c l u d e s9o n e s f o rt h er e a lm o d u l a r i z a t i o n , a l lt h ec e l l sa r ed e s i g n e dt oh a v et h e s a m es t r u c t u r e t h ec o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e st w op a r t s ，t h em a s t e rc o n t r o lb o a r da n dt h es l a v e c o n t r o lb o a r d ，w h e r et h es l a v eb o a r d sh a v et h e i ro w nc p ua n da l lw o r ki nt h ec e n t r a l i z e d c o n t r 0 1o ft h em a s t e rb o a r d sc p l j n a tl a s t , t h ep a p e rc a r r i e so u tt h ee x p e r i m e n tw i t hl o a dt oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f t h e h a r d w a r e s d u r i n gt h ee x p e r i m e n tw em a d em u c ha d j u s t m e n t sa n do p t i m i z a t i o n ，a n d a l s o g a v eo u tt h ep r o s p e c to nm o r ea c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d s i ts h o w s ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n , t h a tt h ec e l l sc a s c a d e dm u l t i - l e v e li n v e r t e r d e s c r i b e di nt h i sp a p e rb a s i c a l l ys a t i s f i e st h ed e m a n do fe l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m po i l e x t r a c t i o ns y s t e m i ts o l v e st h ep r o b l e m sw h e nt h ep u m ps y s t e mw o r k s a ti n d u s t r i a lf r e q u e n c y a n da t t a i n st h eg o a le x p e c t e d k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep u m p ，c e l l sc a s c a d e d ，p w m ，d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：即芳年 多月，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。， 学位论文作者签名：边私 指导教师签名：二兰墓琵孕l 日期：洳8 年占月j ，1 7 1 日期： 多j 璋多月6 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 潜油电泵系统概述 第1 章引言 潜油电泵全称为电动潜油离心泵，它有排量大、适应性强、地面工艺流程简单、机 组工作寿命长、自动化程度高等特点。随着油田开采时间的延长和含水率的不断上升， 潜油电泵被广泛应用于原油生产，是目前重要的采油方式之一。 1 1 1 潜油电泵系统构成 目前广泛应用的潜油电泵系统主要由三部分组成【1 】： 地面部分，包括变压器、控制屏、接线盒及特殊井口装置等； 中间部分，包括油管和电缆等； 井下部分，包括潜油电机、离心泵、油气分离器及保护器等。 潜油电机是整个系统的核心。目前应用的潜油电机多为三相鼠笼式异步感应电动 机，每节长度为5 l o m ，采用多节串联实现大功率输出。电机转子之间要增加扶正轴承， 用于消除电机启、停或负载突变时引起的冲击磨损。 潜油多级离心泵由多级叶轮、导轮多节串联组成，依靠电机转轴带动离心泵叶轮产 生的离心力工作。 油气分离器是潜油电泵系统的重要组成部分。混气液体进入离心泵以前，先通过分 离器把游离气体从井液中分离出来，然后井液进入多级离心泵吸入口，使离心泵正常工 作。 保护器主要作用是将井液和电机润滑油进行分离，防止井液进入电机；补充存储电 机油；平衡电机内外压力；承受泵的轴向负荷等。 潜油电缆通常由圆形和扁平两种，表层为耐酸、碱的绝缘材料，通常为镀锌钢带铠 装或不锈钢带铠装的三芯结构。电缆护罩与电缆一起通过绑带固定在油管外表面，防止 电缆在下井过程中受到机械损坏。 工作时，地面电源通过变压器提供潜油电机所需的工作电压，潜油电机带动潜油离 心泵旋转，把井液通过分离器抽入泵内，进泵的液体由泵的叶轮逐级增压，经油管举升 至地面。潜油电泵系统构成如图1 - 1 所示。 1 1 2 潜油电泵发展概况 最早的潜油电泵由前苏联艾鲁托诺夫发明，1 9 2 3 年美国第一台潜油电泵问世，1 9 2 6 第1 章引言 年美国开始在鲁塞尔油田使用潜油电泵采油。当前美国在潜油电泵的制造工艺和应用技 术方面都居世界领先地位【2 】。 图1 - 1 潜油电泵系统结构 f i g1 - 1 s u b m e r s i b l ee l e c t r i c a lp u m ps y s t e ms t r u c t u r e 我国从1 9 6 4 年开始进行潜油电泵的研制和采油试验，1 9 8 1 年开始大规模使用。据 不完全统计，1 9 9 6 年，潜油电泵井近3 7 0 0h ，其中大庆油田1 7 0 0 多口，胜利油田1 2 0 0 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 多口。同时，潜油电泵的制造和应用技术也有一定发展，出现了众多潜油电泵和相关配 套产品的研发制造厂家。近年来，国内外潜油电泵采油技术发展很快，电潜泵采油在井 下机组设计制造、油井选择、机组选型成套、工况监测及保护、分层开采和测试等配套 工艺等方面日臻完善。据统计，目前国外潜油电泵井的系统效率已达4 2 ，潜油电泵适 用温度已达1 5 0 0 c ，潜油电泵采油的最大井下深度已超过4 5 0 0 m ，平均寿命达6 0 0 d 以 上。 随着潜油电泵应用量不断增加，国内外潜油电泵采油工艺技术与应用水平不断提 高，同时，高温电机、开关磁阻电机等新产品不断涌现，应用领域不断扩展，交流调速 技术、微机控制技术等水平不断提高，为潜油电泵采油技术研发和应用提供了更大机遇。 潜油电泵已成为国内外各大油田采油的主要手段之一，是油田持续高产、稳产的重要保 证。 1 2 交流调速技术概述 过去，由于电力电子技术和控制技术等方面的局限，直流调速一直在调速领域内占 主要地位。集成电路技术和现代控制技术的发展，尤其是高频化、全控型电力电子器件 的出现，使得高性能交流调速技术应运而生。加之交流电动机本身具有结构简单、运行 可靠等优点，交流调速在电气传动领域中占有越来越重要的地位。 1 2 1 交流调速技术分类 交流电动机有异步电动机( 即感应电动机) 和同步电动机两大类，每种电动机又有 不同类型的调速方法。 异步电动机主要的调速方法【3 】：变压调速；转差离合器调速；转子回路串电阻调速； 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速；变压变频调速等。 变压调速、转差离合器调速、转子回路串电阻调速属于转差功率消耗型调速方法。 这类系统效率最低，而且转速越低，效率越低，是以转差功率的消耗来换取转速的降低 的。此类系统结构较为简单，成本较低，有一定的应用价值。 绕线转子电动机串级调速和双馈电机调速属于转差功率馈送型调速方法。除转子铜 损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，馈送的供率越多， 因此系统效率较高，但需增加设备。 变极对数调速和变压变频调速属于转差功率不变型调速方法。转差功率只有转子铜 第1 章引言 损，而且无论转速高低，转差功率基本不便，系统效率更高。而变极对数调速因极对数 有限，应用场合有限。变压变频调速应用最为广泛，可构成高性能交流调速系统。但需 配备变压变频器，相比之下，设备成本最高。 对于同步电动机，因为没有转差，也就没有转差功率，属于转差功率不变型调速方 法。然而其极对数固定，只能靠变压变频调速。 本课题设计的潜油电泵调速系统采用变压变频调速方法，以下讨论仅针对变压变频 调速。 对异步电动机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电 源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应通过变频器实现。通常变频器按拓扑结构 可分为两大类：交一交变频器和交一直一交变频器【4 】。 交一交变频器是将电网的工频交流电直接变成电压和频率都可调的交流电，没有中 间直流环节，属于直接型变频器，也称为周波变流器( c y c l o c o n v e r t e r ) 。 结构示意图如图1 2 所示： a c a c 、 变频器 图l - 2 交交变频器示意图 f i g1 - 2 a c - a ci n v e r t e rs c h e m e f i cd i a g r a m 交一交变频器输出的每一相都是一个由正、反向两组晶闸管可控硅整流装置反并联 的可逆线路，正、反两组按一定周期相互切换，在负载上获得交变的输出电压。电压幅 值取决于各组可控整流装置的触发延迟角，输出频率取决于正、反两组整流装置的切换 频率。 交一交变频器的优缺点： 一次变流，效率较高：可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波；装置 所用器件较多，接线复杂，且利用率较低；受电网频率和交流电路脉波数的限制，输出 频率范围较窄，仅为电网最高频率的1 3 1 2 ；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大， 频谱复杂，必须配备滤波和无功补偿装置。一般主要用于轧机主传动、球磨机等低转速、 大容量系统的拖动。 交一直一交变频器是先将电网的工频交流电整流成直流电，再将直流电逆变成频率可 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调的交流电，属于间接变频器。 具体的整流和逆变电路类型很多，最为常用的是由二极管组成的不可控整流器和由 全控型功率器件( 如：i g b t 等) 组成的脉宽调制( p w m ) 逆变器，简称p w m 变频器。 结构示意图如图1 3 所示： d c d c a c a c 、 整流滤波逆变 i | 、 图1 - 3 交一直一交变频器示意图 f i g1 - 3a c - d c - a ci n v e r t e rs c h e m e t i cd i a g r a m 交一直一交变频器应用广泛，其优缺点有： 二次换能，效率较低；所用器件较少，且利用率较高；频率调节范围宽，且在恰当 的p w m 调制方式下输出电压波形谐波含量低，脉动转矩小；采用全控型功率器件，驱 动电路简单；电源侧功率因数较高。既适用于各种交流电机系统的拖动，也可以用于稳 压电源以及不间断电源( u p s ) 等。 1 2 2 交流调速发展概况 交流调速技术是一门横跨电力、电子、电机、计算机以及现代控制理论的新兴综合 技术。人们对交流变频调速技术的研究，是从2 0 世纪3 0 年代开始的，但其快速发展是 从新型电力电子器件的出现和先进控制技术的迅速发展开始的。 电力电子器件从最初的晶闸管( t h r i s i s t o r ) ，到新一代的高频化、全控型、采用集 成电路工艺电力电子器件，如门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、电力场 效应管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 等。尤其是i g b t ，它是一 种复合型功率开关器件，既有单极型电压驱动m o s f e t 的优点，又结合了双极性开关 器件b j t 耐压高、电流大的特点，控制电路简单、稳定性好，工作频率高，开关频率特 性好，广泛应用于中大型变频器中。新型全控型功率器件的发展极大地促进了交流调速 技术的发展和应用。 另一方面，交流调速控制技术的迅猛发展为交流调速的推广应用起到了极大的促进 作用。1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制( p w m ) 变频的思想， 他们把通信系统中的调制技术应用于变频器【5 1 。以这种技术组成的p w m 型逆变器，调 第1 章引言 压和调频同在逆变器内部完成，二者始终配合一致，因而加快了调节速度，改善了动态 性能；由于输出等幅不等宽的脉冲只需恒定直流电源供电，可用不控整流取代相控整流， 电网侧的功率因数大为改善；采用p w m 逆变器，能够抑制甚至消除低次谐波，加之使 用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形逼近正弦波。也正是因为其输入功率因 数高、输出波形好的特点，才为近代交流调速技术开辟了新的发展领域。近年来，各种 不同的p w m 技术相继涌现，如注入三次谐波p w m 、空间矢量调制、随机p w m 、电流 滞环p w m 等，成为高速开关器件变频器的主导控制方式。 随着技术发展和实际问题的提出，出现了用以解决转矩控制的矢量控制理论以及后 来的直接转矩控制( d t c ) 。矢量控制应用坐标变换将三相系统等效为二相系统，再经 过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从 而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。直接转矩控制是把电机与逆变器看 作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通 跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩，而且采用在转速环内设置转矩内环的方 法抑制磁链变化对转速子系统的影响。无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复 杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。 变频器采用p w m 控制技术，功率开关器件的开关频率较高，而且朝着更加高频化 方向发展，使得开关损耗增加，电磁干扰增大。于是软开关技术得到重视并成为当前研 究热点，即用谐振或准谐振的方式使逆变器功率开关工作在软开关状态。所谓软开关技 术即是用l c 与开关器件共同组成一个串联或并联谐振回路，利用回路在一个开关周期 中的半谐振或部分谐振使器件工作在零电流转换( 并联谐振) 或零电压转换( 串联谐振) 的开关状态，从而把开关损耗减到最小。p w m 软开关逆变技术对变频器性能的提高和 进一步推广应用，以及对电力电子技术的发展，都有十分重要的意义，是当前变频器发 展方向之一。 总之，交流变频调速技术迅猛发展至今，已经融合了计算机、超大规模集成电路、 电力电子器件制造以及现代控制理论等多学科先进技术，变频器的研究正朝着高频化、 小型化、智能化和高精度化方向发展。 目前，国外已普遍采用交流调速节能技术。纵观我国变频调速技术的应用，总的说 来走的是一个由试验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节 能到全面改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由低压中小容量到高压大容量的发展 之路。我国是一个能耗大国，6 0 的发电量被电动机消耗掉。据有关资料统计，我国大 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 约有风机、水泵、空气压缩机4 2 0 0 万台，装机容量约1 1 亿万千瓦，然而实际工作效率 只有4 0 - 6 0 ，损耗电能占总发电量的4 0 。已有经验表明，应用变频调速技术，节 电率一般可达1 0 - 3 0 ，有的甚至高达4 0 ，节能潜力巨大。 1 3 本课题的目的和意义 目前，油田使用的潜油电泵泵挂深度约为1 0 0 0 - - 一2 0 0 0 m ，采用扁平电缆输电，基本 为工频全压运行和直接启动，生产过程中受井下高温、高压、腐蚀、气蚀和地层能量等 恶劣环境影响，使得潜油电泵应用过程中存在一些不足 67 1 ： ( 1 ) 启动电流大( 约为额定电流5 8 倍) ，产生巨大冲击扭矩，对潜油电泵造成较 大机械冲击损害，甚至可能造成砂卡和电缆击穿。另外，大启动电流使得电动机电缆压 降大，电缆在电机启动过程中反向电压较高，电缆绝缘性能降低，影响潜油电机寿命； ( 2 ) 潜油电泵处于全速运行状态，无法根据地质情况调节抽油量，既造成能量损 失又不能精确控制，而且当井下液量不富余时容易抽空，造成“死井 ； ( 3 ) 电机两端电压随油田供电电压波动变化，容易产生欠激励或过激励，烧毁潜 油电动机； ( 4 ) 井下几千米电缆造成1 5 0 v 左右线路损耗，不易补偿，影响电机正常工作； 变频器驱动潜油电泵是解决潜油电泵应用过程中不足的合理方案。但是，由于目前 变频器市场以及经济因素的制约，驱动潜油电泵的变频器基本上为低压通用变频器，并 不能完善解决潜油电泵使用过程中存在问题，如：电压等级不符、输出较大谐波、电机 温升、脉动转矩、机械振动、噪声等加大，电机效率和功率因数降低，对电网谐波污染 较大等。 根据潜油电泵的特性、额定参数、工作环境以及目前使用过程中存在的问题，研究 设计一种满足潜油电泵特性要求的中压变频器产品具有重要意义： ( 1 ) 变频器装置输出电压谐波含量低，功率因数高，对电网基本无污染； ( 2 ) 实现软启动和软停车，保护电机和电泵不受损坏，延长电机、电缆和电泵的 使用寿命： ( 3 ) 根据油井实际地质状况，通过变频调速调节出油量，使潜油电泵采油系统工 作在最佳状态； ( 4 ) 节能效果显著，市场需求量大，符合国家节能减排、可持续发展战略，应用 前景广阔。 7 第1 章引言 1 4 本课题的主要工作 本课题主要根据油田潜油电泵应用过程中存在的问题，结合现代电力电子技术，以 数字信号处理器( d s p ) 为核心的异步电动机传动控制技术及高压隔离和电磁兼容技术， 对单元串联多电平变频器系统结构进行分析，研究设计一种稳定运行且具有高性价比的 中压变频器，满足油田潜油电泵需要。 本论文主要工作： ( 1 ) 中压变频器拓扑结构分析及方案设计 分析比较当前应用广泛的中压变频器拓扑结构，借助较为成熟的变频器技术，设计 出满足潜油电泵特性要求的中压变频驱动装置系统方案。 ( 2 ) 主电路和控制电路的硬件设计 详细分析单元串联多电平变频器的结构原理和控制策略，在此基础上，通过器件合 理选型设计出变频器的主电路和控制电路，并对原理样机进行了软硬件联调实验。 ( 3 ) 硬件系统电磁兼容分析和抗干扰设计 分析了单元串联多电平变频器的电磁兼容性，重点进行硬件电路的抗干扰设计，保 证控制系统在复杂的电磁环境中可靠运行。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章潜油电泵中压变频调速系统方案设计 2 1 潜油电泵系统特性分析 2 1 1 工频条件下潜油电泵系统特性 潜油电泵在出厂时都给出了特性曲线，即排量与扬程、功率、泵效随排量变化的关 系曲线。通过特性曲线，可计算出不同排量下，电泵的有功功率和效率。由电潜泵的特 性可知【8 】：泵的排量随压头增大而减小，泵的输入功率随泵的排量增大而增大。排出阀 门关闭，泵排量为零，此时泵功率一般比额定功率小。因此，在开泵时，为减小电机的 启动负荷，应将排出阀门关闭。在电泵特性曲线上的最高效率点，即额定工作点。最高 效率点附近有- - f l 量范围，效率随排量的变化降低很少，即最佳排量范围。所以，电泵 工作时，尽可能在额定工作点附近，且在最佳排量范围内，使电泵的工作特性达到最优。 而现阶段控制流量的方法主要采用调节阀门的方法，即在泵的出口管路上装闸阀， 改变闸阀的开度，即会改变泵的扬程，从而达到改变工况点的目的。但存在以下弊端： ( 1 ) 闸f - j c b 壳及闸芯磨损较快，投入费用相对较高； ( 2 ) 需人工调节，操作不够灵活，生产效率较低； ( 3 ) 电机输出功率很大部分消耗在阀门阻力损失上，电能浪费严重。 2 1 2 变频条件下潜油电泵系统特性 潜油电泵既需实时流量调节，又需克服当前控制方式下存在的弊端，因此潜油电泵 采油系统急需一种能较好解决上述问题的驱动系统。 ( 1 ) 潜油电泵变频节能原理分析 潜油电泵是一种平方转矩负载，泵速改变时，泵的基本参数的变化关系如下【9 】： 盟：丑 ( 2 1 ) q 21 1 2 鲁= 0 2 协2 ， 惫= c 挈3 协3 ， 式中，q l 、h j 、n , 1 分别是转速为n l 时的排量、扬程和轴功率； q 2 、h 2 、n z 2 分别是转速为n 2 时的排量、扬程和轴功率。 第2 章潜油电泵中压变频调速系统方案设计 可以看出：潜油电泵排量与其转速成正比，扬程与转速平方成正比，轴功率与转速 立方成正比。 潜油电泵q h 曲线如图2 - 1 所示： hj l k q 三 h 2一一一一一一二二二： | h 1一_ a 朋； h 3 一一一二二三三三一2 、n 。 八 。l 管路阻抗 r h p - jl i i ii 实际扬程 ii ii ! ，r - l o q 2 q 1 q 图2 - 1 潜油电泵q - h 曲线 f i g2 - 1 s u b m e r s i b l ee l e c t r i c a lp u m p q hc u r v e 初始工况下，潜油电泵运行于a ( q 1 ，h 1 ) ，若需要调节实际流量q l 到q 2 时，转速不 变，旋紧阀门后，管路系统的阻抗曲线变为k q ；，与n 。的q - h 曲线交于新的稳定运行 工作点b ( q 2 ，h 2 ) 。由图可知，实际扬程为h p ，多余部分所对应的能量全部消耗在增大 了的管路阻抗k q ；。若由变频器调速调节流量到q 2 ，则电机转速从i l l 下降到1 1 2 ，此时 r 1 2 下的q h 曲线与管路阻抗曲线k q ；交于c ( q 2 ，h 3 ) ，c 为调速调节流量后新的稳定工作 点。显然，消耗在管路阻抗上的能量大大降低，据实际有关数据可知，变频调速下的潜 油电泵节电率在2 0 以上。 ( 2 ) 变频条件下潜油电机机械特性 由异步电机转速和频率关系公式：n 。：( 1 一s ) 6 0 f ，改变异步电动机转速的理想 p 方式是改变交流供电频率，即变频调速。任何电机铁芯的额定工作磁通m n 一般处于临 界值附近，西n 太小意味着铁芯没有充分利用，是极大浪费；m n 太大意味着铁芯饱和， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 导致励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。所以，在变频调速过程中应尽量 保持磁通恒定且处于额定值附近。由异步电机绕组定子电压u = e = 4 4 4 f k n t i m 可知。 若保持e f 恒定，则磁通恒定。对此，需考虑基频以下和基频以上两种情况。 tt 基频以下调速时采用恒压频比的控制方式，即_ i a = 常值。在低频时，u 和e 都较小， l 定子漏磁阻抗压降所占分量较显著，不能忽略。这时可以人为将u 抬高，以便近似补偿 定子压降，如图2 1 的直线2 所示( 直线1 为无补偿控制特性) 。实际应用中，根据具 体负载大小，需要补偿不同定子压降值。基频以上调速时，频率应从f 向上升高，但定 子电压u 却不能超过额定电压u s ，这将迫使磁通与频率成反比下降。两种情况下的控 制特性曲线如图2 1 所示【l o 】： u u s o 图2 - 2 异步电机变频调速控制特性 f f i g2 - 2 v v v i rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so f a s y n c h i o n o u sm o t o r 按照电气传动原理，基频以下磁通恒定时，转矩也恒定，属于峨叵转矩调速”，在 基频以上时，转速升高，转矩降低，属于“恒功率调速”。 本课题设计的变频调速装置驱动潜油电泵，工作在基频以下，属于恒转矩调速。 异步电机机械特性表达式： n 丽 协4 ， 2 兀f ( 毛+ 乏s ) 2 + x ：】 、。“ 令孥：0 ，则最大转矩为： 2 丽鬻丽，s m2 志 协5 ) 4 兀f ( 毛+ f + x ：) 。“f + x ： 在f 较高时，x k 毛，t m 简化为： 第2 章潜油电泵中压变频调速系统方案设计 罄= 杀= 瓦3 p 8 nl ( 旦f ) 2 协6 ) 4 兀仅k4 7 c f 2 兀f i 飞 2 kl 可知，当f 较高时，t m ( 盯若孚= c o n s t 保持械则t m 近似虢在f 较低时，毛 x k ，则x k 可忽略，此时最大转矩： t m 立生：翌f ，堕1 2 f ( 2 - 7 ) 4 x f 2 r t8 码lf 在恒压频比控制下，t m 随f 下降而减小。即机械特性在低频区下降，欲保持、壬，m 恒定，应对其补偿，随f 下降，适当提高u f , 从而使e f 基本恒定。 总之，采用变频调速后，对于富油油井可以提高整体性能，实现增产；对于贫油油 井可以做到连续生产、减少停机次数，并且节能显著；对于含砂油井可以减少砂卡次数， 并可反转排砂，延长电泵使用寿命；对于含气油井，可提高转速以减少油气分离不佳所 致的气锁现象，达到增产增效目的；对于稠油油井，可低速大功率运行，减少停机次数， 并且节能效果显著。采用变频调速方式驱动潜油电泵是目前合理而且意义重大的增产增 效的合理方案。 2 2 中压变频器拓扑结构 中高压变频器还没有形成统一的拓扑结构。据电压组成方式，可分为直接高压型和 高一低一高型；据有无中间直流环节，可以分为交一交变频器和交一直一交变频器；据中间 直流滤波环节的不同，又可分为电压源型和电流源型。下面介绍几种典型拓扑结构【1 1 。1 2 1 ： 2 2 1 高低高变频器 高一低一高型变频器采用变压器输入降压、输出升压的方式，实质上还是通用变频器， 只不过从电网和电动机两端来看是高压的。其结构示意图如图2 3 所示： 降压变压器低压变频器升压变压器电动机 图2 - 3 高低一高型变频系统 f i g2 - 3h i g h l o w - h i g hv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m 该种结构变频装置的优缺点【1 3 1 ： ( 1 ) 价格便宜，约为直接中高压变频器的7 0 左右； 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 简单易行，可靠性高。因通用变频器技术和配套设备技术已较为成熟，整个 系统的可靠性较高，实践也证明了这一点； ( 3 ) 对电机的绝缘要求低。可适用原有老电机的运行要求，不需要更换新电机； ( 4 ) 效率低。与直接中高压变频系统相比，多出一个输出变压器，使得系统效率 降低1 5 之，占地面积大，系统笨重； ( 5 ) 容量范围有限。受中间变频器容量限制，仅用在3 0 0 0 k w 以下中压变频场合。 2 2 2 交交变频器 交一交变频器是采用晶闸管实现无直流环节的直接交流到交流的变频器，也称周波 换流器( c y c l o c o n v e r t e r ) 。三相交一交变频器电路主要有两种接线方式：公共交流母线进 线方式和输出星型联结方式。 此处给出输出星型联结方式交一交变频器电路结构，如图2 4 所示： 图2 - 4 交一交变频器主电路结构 r i g2 - 4c y c l o c o n v e r t e rm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e 当电压在3 k v 以下时，每相需1 2 只晶闸管，三相共3 6 只；当电压超过3 k v 时， 晶闸管须串联使用，所用晶闸管数量要成倍增加1 1 4 - 1 5 。 交一交变频器特点： ( 1 ) 一次换能，效率较高，可四象限运行； ( 2 ) 低速性能较好，转矩质量高，动态过载能力强，可用于驱动同步和异步电机； ( 3 ) 功率因数与速度有关，低速时功率因数低； ( 4 ) 输出频率较低，最大输出频率为电源频率的1 n ，最大转速 5 0 0 r m ； 1 3 第2 章潜油电泵中压变频调速系统方案设计 ( 5 ) 网侧谐波大，器件较多，接线复杂。 2 2 3 二极管钳位多电平变频器 二极管钳位多电平变频器又可分为：三电平和多电平两种。 二极管钳位三电平变频器电路图如图2 5 所示： 图2 - 5 二极管钳位三电平变频器 f i g2 - 5 d i o d ec l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 如图2 5 中，每相桥臂第一个和第三个i g b t 开关状态互补，第二个和第四个i g b t 开关状态互补。钳位二极管的作用有两个：一是把桥臂上与其连接点的电位钳到零电位； 二是当功率开关管导通时提供电流通路，并防止直流分压电容上的电压被短路。 二极管钳位多电平就是：用多个二极管对相应的功率开关管进行钳位，同时利用不 同的开关组合得到不同电平数的输出电压。假定相电压的电平数为m ，则直流分压电容 的个数为m 1 ，每一相桥臂的主功率开关管串联个数为2 ( m 1 ) ，每一相桥臂的钳位二极 管个数为2 ( m 2 ) ，线电压的电平数为2 m 1 。可以看出，当要求输出电平数较多时( m 较 大) ，需要器件个数太多，实际电路的实现就相当困难。 二极管钳位多电平变频器特点【1 6 】： ( 1 ) 每个开关器件所承受直流电压较两电平减少了一半，有利于采用低压器件实现 高压输出，且各开关器件无均压问题，简化了产品设计，提高了设备可靠性； ( 2 ) 输入侧由交流电压直接6 脉波整流得到，对电网的干扰较大，如要改善输入侧 干扰，需加隔离移相变压器进行多重化整流； ( 3 ) 输出电压、电流谐波较两电平好，仍较大，需配专用电机或加输出滤波器； ( 4 ) 存在中性点电压平衡问题，需在控制算法中弥补，系统控制较复杂；且电源侧 和负载侧两个中性点间电压波动，严重时会引起较大的电机轴电压和轴电流。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 4 飞跨电容钳位多电平变频器 飞跨电容钳位多电平变频器可分为三电平和多电平两种。即是用飞跨电容钳位取代 了二极管钳位，直流分压电容不变，其工作原理与二极管钳位多电平变频器类似。 电容钳位三电平电路如图2 6 所示： 图2 - 6 电容钳位三电平电路原理图 f i g2 - 6c a p a c i t o rc l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 钳位电容的主要作用：将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容上的电压，从 而实现三电平输出。 与二极管钳位多电平变频器相比，飞跨电容钳位多电平变频器有如下特点： ( 1 ) 省去六个钳位二极管，增加三个钳位电容，电容耐压与主开关器件相同； ( 2 ) 用输出相同电压、不同开关组合对电容进行充放电，以维持电容电压的平衡； 开关组合的选择比较复杂，并要求较高频率，控制复杂，实现困难： ( 3 ) 电容体积大，可靠性和寿命较低，封装困难等。 三相飞跨电容钳位多电平变频器，需采用多个电容对相应的功率开关管进行钳位， 利用不同的开关组合得到不同电平数的输出电压。假定相电压的电平数为m ，则直流分 压电容的个数为m 1 ，每一相桥臂的主功率开关管串联个数为2 ( m 1 ) ，每一相桥臂的钳 位电容个数为( m - 1 ) ( m 2 ) 2 ，线电压的电平数为2 m 1 。目前，此种结构变频器由于其自 身的复杂和缺陷，还没有达到实用化阶段。 2 2 5i g b t 直接串联变频器 世界上只有成都佳灵电气公司声称掌握了i g b t 直接串联技术并研制出此类产品， 变频器主电路结构如图2 7 所示。系统由电网经高压断路器直接进入变频器，经过高压 二极管不可控整流，电容滤波，逆变，输出滤波器，实现高压变频输出，供给高压电机。 第2 章潜油电泵中压变频调速系统方案设计 一卜一 l- z王2 一 _ 一 j 2 王 _ j 2 一 一 2l _ j 之2 s _ j e2sj ( 2 2 王 2王2 l 高 压 l 断 路 广i 二； i ji 一 - 器 lj j kz j k z l_ 一 卜 - j 2 s _ j 【2 + _ 一 2王2【2王 - j l _ 一l 一 一 z王2s 2l 图2 - 7