（电工理论与新技术专业论文）潜油电机端过电压的分析研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕+ l j 学位论文 t h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs u b m e r s i b l em o t o r t e r m i n a lo v e r v o l t a g e a b s t r a c t a so n eo ft 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 e o 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 e m a jo rm e a n si nt h eo i l - f i e l dp r o d u c t i o n s u b m e r s i b l em o t o r st e c h n o l o g yh a v et h e s t r o n g p o i n t so ft a k i n gf e w e re x p o i t i n ga r e a ，c o n s t r u c t i n gs i m p l i l ya n dh i g h e f f i c i e n te x p l o i t a t i o n b u ta tt h es a m et i m e ，s u b m e r s i b l em o t o r sh a v eas e r i e so f d i s a d v a n t a g e sw h e nr u n i n ga tu s u a lf r e q u e n c y s u c ha st a k i n gag r e a ts t a r t c u r r e n t ，as e r i o u sm e c h a n i s mi m p a c td a m a g et ot h ep u m p ，a n dc a n tc o n t r o lt h e f l u xa n dw o r ks t a t ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h el i q u i ds u r f a c ea u t o m a t i c a l l y s o m a n ys u b m e r s i b l em o t o r sh a v et ob ec o n t r o l l e db yv a r i a b l e - f r e q u e n c yt e c h n o l o g y 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 nm a t c h e dt ot h et h r o u g h p u t o 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 ec o n v e r s i o np o w e rs u p p l y ，s o t 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 ph a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y a t t h es a m et i m e ，as e r i e so f n e g a t i v ep r o b l e m sh a v e b e e nb r o u g h tb yt h e a 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 t h es u b m e r s i b l em o t o rw o r k s10 0 0 - 3 0 0 0m e t e r si nt h eo i lw e l lu n d e r g r o u n d ，s oi tn e e d sal o n gc a b l et o s u p p l y e l e t r i c i t y ，w h e na d o p tp w m ( p l u s ew i d t hm o d u l e ) t oc o n t r o lt h em o t o r ，t h eo u t p u t v o l t a g e o fp w mw i l lg ou pa n dd o w nq u i c k l yw h i c hi sd v d th a sar a p i d t r a n s f o r m b e c a u s eo ft h ec a b l eh a v ei n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c e ，s ow h e nt h e i 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 dl o a d b r i n g i n gt o r e f l e c t e dw a v eo fv o l t a g e ，p r o d u c t i n gag r e a tt e r m i n a lo v e r v o l t a g ew h i c hw i l l m a k et h ei n s u l a t i o no fc a b l ea n dm o t o rb r e a k d o w na n dd a m a n g e s p a c ev e c t o rp l u s ew i d t hm o d u l eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hu t i l i z a t i o no f d c ，g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n de a s yt or e a l i z eb yd i g i t a lt e c h n o l o g y a n d h a v eb e e nu s e d w i d e l y t h i sp a p e ra d o p ts v p w mt oc o n t r o lt h es u b m e r s i b l e m o t o r s v a r i a b l e - f r e q u e n c y , b a s e o nm a t l a b s i m u l i n kt ob u l i dac o n t r o l s y s e m ss i m u l i n km o d e l b u l i d i n gt h em o d e l so fs u b m e r s i b l em o t o r sc o n t r 0 1 i i s v s e mw h i c hi s s u p p l i e db y s v p w m i n v e r t e r 0 nt h eb a s i co fm o d e l ，t h e t h e o r e t i c sa 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 n t 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 e m o t o rw i l ll e a dt ot h et e r m i n a lo 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 e a n dt h ec 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 ew i t ht h ei n c r e a s e m e n to fc a b l e s l e n g t h af i l t e ri sf i x e da f t e rt h ei n v e r t e r ，a n dt h es i m u l i n ki n d i c a t e si t c a nr e s t r a i n o v e r v o l t a g ee f f i c i e n c i l y t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h i sp a p e r ，s o m e t e c h n i q u e sc a ne 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 e s u b m e r s i b l e m o t o r se f f i c i e n c yc a nr e a c ht h eh i g h e s tp o i n tw h e ni tu s e sc 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 s s u b m e r s i b l em o t o r , v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e ，t e r m i n a lo v e r v o l t a g e ， s p a c ev e c t o rp l u s ew i d t hm o d u l et e c h o n o l g y ，l o n g 。c a b l e t r a n s m i s s i o n 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潜油电机端过电压的分 析研究，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： 日期：2 0 0 9 年 月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 潜油电机端过电压的分析研究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，可以公稚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。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 壬删掷 日期： 2 0 0 9 生 z 竽月扩r 导师签名： 漫袁斌 日期： 2 0 0 9 年月p 同 哈尔滨理工人学丁学硕一i ：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【2 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 【3 】o 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幅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m 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 的高温井中工作，排量范围可以在 1 0 m 3 3 0 0 0 m 3 d 1 。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。随着世界范围内的油田逐步走向丌采中、后期，沙漠、海 洋采油范围的同趋扩大，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憎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，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。 哈尔滨理t 火学t 学硕i 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 ，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 v d ，扬程为15 0 0 m ，电机外 径设定为1 0 0 m m ，额定功率为1 0 0 k w ，如果将电机的转速由目前的2 9 5 0 d 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 引。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u 引，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1 。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5 。目前应用的潜油电机为三相鼠笼 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 式异步电动机，两极，单节长度在2 5 l o 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引。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，每两节转子之间有扶正轴 承，保证电机运转过程中挠度不超过限定尺寸。对应扶j 下轴承的定子部位为定 子铜片，用来支撑扶j 下轴承。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1 0 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 ft h es y s t e mo ft h es u b m e r s i b l em o t o r 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 1 1 3 潜油电泵变频调速系统发展现状 随着潜油电泵应用量的不断增加，国内外电泵采油工艺技术与应用水平不 断提高，在机组的耐温防腐、节能增效等方面积累了丰富的经验。同时由于高 温电机、开关磁阻电机、磁悬浮无轴承电机、直线电机等新型驱动器技术的深 入研究丌发，应用领域不断扩展，变频技术、现代控制技术水平不断提高，为新 的潜油电机驱动采油系统的研发提供了机遇。 目i j ，潜油电泵工艺作为油田开采中重要的机械采油技术，在各大油f f l 得 到了广泛的应用，已经成为油田长期稳产的重要手段之一，潜油电泵技术具有 采油作业面占地少，施工简单，才有效力高等优点。但同时它在工频电压下也 具有电流过大，对泵的机械冲击损害严重，无法根据井下液面变化自动控制排 量及工作状态等系列问题，因此对许多潜油电泵采用了变频驱动，通过采用变 频驱动潜油电机组，可以实现软启动，消除了井下机械和电力冲击，有利于延 长潜油电泵机组的寿命，同时，还可以扩大前有电泵排量的调整范围，使泵工 作在最佳工矿点。可以保证严重供液不足井的连续运转及减少启动次数。降低 电机功率，减少能耗。因此变频技术的应用可以是充分使潜油电泵的特性和油 井生产能力相匹配，提高了整个潜油电泵机组的运转效率。随着变频技术的逐 渐成熟和成本的降低，变频控制在潜油电机采油控制系统中的应用变得越来越 普遍。 应用潜油电泵专用变频器对潜油电泵有以下益处： 1 可实现电泵软启动、软停机，延长电泵的使用寿命，保护电机、电缆， 节约维修费用； 2 提高电泵系统的功率因数，节电效果明显； 3 提高管网的品质，可实现电泵系统的闭环控制，增加电泵系统的工作安 全性； 4 可靠性高，操作方便，可以实现输出电压、电流的连续调节，以达到输 出功率连续可调的目的，使电泵采油系统处于最佳工况状念； 5 提高生产效率，便整体管理及调度，可实现电泵系统的集散控制； 6 采油技术涉及多学科领域，目前的潜油电泵用变频器已从原先的高一低 高方式转变为直接高一高变频，体积更小、操作更加方便。 哈尔滨理- t 人学t 学硕i ：学位论文 1 2 交流调速系统概述 1 2 。1 交流调速的调速方式 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 进行调速8 。 由于异步电动机的转速可表示为 刀：刀。( 1 - s ) = 6 0 j i ( 1 - s )( 1 1 ) 。p 式中：n s 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 1 改变转差率调速由式( 1 1 ) 可知，保持同步转速n 。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：一部分构成机械功率，另一部分则为转差功率。其中 己。= ( 1 一s ) 己 ( 1 - 2 ) = 以 ( 1 3 ) 式中：为异步电动机的电磁功率；匕。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白消耗掉了，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。 1 2 1 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 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 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 ：l 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，应用场合受到一定限制。 1 2 1 3 变频调速若改变供电电源频率石，同步转速甩。将随频率万j 下比变 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，是应用最广的一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。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一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n 9 。 图卜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。 哈尔滨理t 大学t 学硕一l ：学位论文 1 2 2 交流调速的控制技术的发展 由于科技的发展限制，交流调速系统的发展长期处于调速性能差、低效耗 能的阶段。2 0 世纪6 0 年代后，由于生产发展的需要和能源的同趋紧张，对调 速及节能的需求日益增长，世界各国都开始重视交流调速技术的研究与开发。 2 0 世纪7 0 年代后，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极有利 的技术条件和物质基础1 。交流调速理论和应用技术有以下几个方面的发展： 1 电力电子器件的发展换代为交流技术的迅速发展提供了物资基础。2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用的是晶闸管，装置的效 率、可靠性、成本、体积等均无法与同容量的直流调速装置相比。8 0 年代中后 期开始用第二代电力电子器件g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u mo f f t h y r i s t o r ) 等制造的变频装置可以在性价比上与直流调速装置相媲美。随着大电 流、高电压、高频化、集成化、模块化的电力电子器件的出现，第三代电力电 子器件成为9 0 年代制造变频器的主流产品。2 0 世纪9 0 年代术开始进入电力电 子第四代的发展时期其主要代表器件有高压i g b t ( h v i g b t ) 。 2 脉宽调制( p w m ) 技术发展和应用优化了变频器装置的性能，适用于各 类交流调速系统。为交流调速技术的普及发挥了重要的作用。脉宽调制技术种 类很多，并且还在不断地发展中，现有的这些技术可以基本分为四类：等宽 p w m 法、正弦p w m 法s p w m 、磁链追踪型p w m 法和电流跟踪型p w m 法。p w m 技术克服了相控技术的所有弊端，使得交流电动机定子得到了接近 正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因数和输出效率。 3 现代计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展为交流电动机调速系 统的应用提供了技术手段和保证他1 1 。交流调速技术最开始应用多为模拟电子电 路组成，近些年由于微机控制技术的发展，特别是以单片机和数字信号处理器 d s p 为控制核心的微机控制技术的发展以及大规模集成电路的应用，促使交流 电机控制系统快速走向数字化控制时代。在现在的许多领域，全数字化的变频 调速系统己经在大量应用。数字化的控制方式为交流调速系统带来了许多优 点。现在以单片机、数字信号处理器( d s p ) 、精简指令集计算机和高级专用集 成电路为主要代表的微处理器正在快速发展，并且不断推动交流调速技术的发 展和应用。 4 矢量变换控制技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论 基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，实现了将交流 电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。它是从电动机的角度出发， 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论义 着眼点在于如何使电动机获得圆磁场。它是以三相对称正弦波电压供电时交流 电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来 追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波这就使 得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取 代直流调逮系统成为可能。电压空间矢量p w m 法应用于整流控制系统中，系 统具有良好的动态性能，易于数字化实现，既能实现高功率因数，又能使能量 双向流动。其最突出的优势是直流利用率较之常规的s p w m 控制方法提高了 约1 5 4 7 幢引，而且，不同的调制方法将使开关损耗得到不同程度的减小。f 是 基于上述优点，空间矢量p w l v l 法越来越广泛地应用于整流控制系统中。 1 3 课题研究背景和主要研究内容 1 3 1 课题来源与背景 本课题来源于黑龙江省科技攻关项目，项目标号为( g c 0 7 a 5 0 1 ) 。 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f f l 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，当其用于长 距离供电工况时，因为潜油电机在地下1 0 0 0 3 0 0 0 m 深井内工作他引，需要采用 长输电缆给潜油电机提供电源，由于长线电缆存在分布电感和分布电容，当电 缆的波阻抗与负载电动机的等效电阻抗不匹配时，将产生电压行波反射现象， 在电缆及电动机端产生过电压，造成电缆及电动机的绝缘击穿或烧毁。 现在，由于电力电子技术正朝着高频、高灵敏度、高可靠性，多功能和小 型化方向发展，致使产生负面影响的增加，因此研究潜油电机变频控制产生的 负面影响变得很重要。 1 3 2 研究内容 本文根据实际生产当中的问题和相关的理论知识，主要的研究内容为： 1 变频器的模型建立根据相关的知识和设计原理，对电网输出的工频电 源进行整流和逆变，本课题中采用目前应用广泛的s v p w m 技术来控制逆变器 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学化论文 的供电，对s v p w m 控制的逆变器建立仿真模型，并在变频器上进行模拟实 验。 2 仿真模型的建立主要是对潜油电机参数模型的建立和长输电电缆的模 型的建立，其中电机模型根据电机设计的相关知识进行设计；而长输电电缆的 模型建立由均匀传输线模型建立的方法进行建立。在m a t l a b 软件环境下再 进行数据建模和s v p w m 控制系统的仿真。 3 对过电压仿真分析对过电压的产生机理进行分析。潜油电机端的过电 压是由于长线电缆存在分布电感和分布电容，当电缆的波阻抗与负载电动机的 等效电阻抗不匹配时，将产生电压行波反射现象，在电缆及电动机端产生过电 压，造成电缆及电动机的绝缘击穿或烧毁。 建立过电压的仿真模型，之后应用m a t l a b 进行仿真分析，设计出一定 的补偿措施。 哈尔滨理t 入学t 学硕i ：学位论文 第2 章s v p w m 的理论基础 s v p w m 空间矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o r p w m ) 技术是7 0 年代前西德 b l a s c h k e 等人首先提出来的，这是对交流电动机提出的一种新的控制思想和控 制技术，并且是交流电动机的一种理想调速方法| 2 引。它是从电动机的角度出 发，其着眼点是如何使电机获得圆磁场。传统的s p w m 控制技术主要着眼于 使逆变器输出电压尽量接近正弦波，对电流波形一般只能采取间接控制。而在 实际应用中，异步电机需要输入电流尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形 旋转磁场，产生稳定的电磁转矩。如果对准这一目标，按照跟踪圆形磁场来控 制p w m 电压，那么控制效果就会更直接；这就是“磁链跟踪控制 的基本思 想。磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以这种方法又叫做“电压空 间矢量调制 ，即s v p w m 心剔。本章主要介绍两电平的s v p w m 的调制原理和 调制方式等理论基础，并将s v p w m 与s p w m 进行比较分析。 2 1 电压空间矢量的概念 电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相 定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图2 1 所示。 a 图2 - 1 电压矢量平面坐标 f i g 2 - 1p l a n ec o o r d i n a t eo fv o l t a g ev e c t o r 这是一个特殊的坐标系，a 、b 、c 分别表示在空问静止不动的电机定子 三相绕组的轴线，它们在空间互差1 2 0 。，三相定子相电压虬、虬分别加 在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量吃。、。、u c 。，它们的方向始终 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差1 2 0 。假设 设为相电压的有效值，厂为电源频率，d 一为合成电压矢量。 逆变器输出的三相相电压为 叽( t ) = x 2 u ac o s ( 2 r c f ) u 疗( f ) ( t ) 芝讥c o s 帆c o s 2 矿等 2 冗 七了2 7 ( 2 - 1 ) 假设单位方向矢量为p = = 万，则三相电压空间矢量的合成矢量电压 一2 3l u ( f ) + p ( f ) + p 2 叭) ( 2 2 ) = 4 互u a e j - a | 可见0 。，是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值；当频率 不变时，以电源角频率c o = 2 n f 为电气角速度做恒速同步旋转，哪一相电压为 最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。 2 2s v p w m 的基本电压矢量 位3 t 2 移i l i - 巳1 ：jl 义雎，义刎啁述尔钒h - ， - - - t b 吧雎型逻，义嵛u j1 5 ：t 图么。z l 衣不h u 6 个开关元件来等效表示心5 。，电机的相电压和线电压依赖于它所对应的逆变器 圣 = 吾蚴 三三； 至 c 2 - 3 ， 睁d 雕潮 仁4 ， 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 【叱，u c 7 间的关系可分别用式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 表示，其中u d 是逆变器输入的直 流电压。 图2 2 三相电压型逆变器 f i g 2 - 2t h r e e - p h a s e sa d j u s t a b l e - v o l t a g ei n v e r t e r a = l 表示a 相上桥臂导通，a = 0 表示a 相下桥臂导通；同理，b 、c 值表示另两相桥臂的通断。图2 2 所示的功率开关共有8 种工作状态，并依 a b e 相序依次排列，则这8 种工作状态可相应表示为u ( 0 0 1 ) 、u 2 ( 0 1 0 ) 、 虬( 0 1 1 ) 、u 4 ( 1 0 0 ) 、虬( 1 0 1 ) 、u 6 ( 11 0 ) 与u 7 ( 1 l1 ) 、u o ( 0 0 0 ) 8 组情况。其 中前六个状态是有效状态，后两个是零矢量。这8 种状态用矢量的概念来表 示，根据电机模型，把该矢量从三相坐标系变换到口p0 两相平面坐标系，则 矢量在口平面上的表示，如图2 3 所示。 职( 0 1 1 ) u 2 ( 0 1 0 ) 。 。尸u 6 ( 1 1 0 ) 妖。 蕊巴 2 。 u 7 ( 111 ) u o ( 0 0 0 ) t _ oi , v v u ) y - u l t o o i j 虬( 1 0 1 ) 图2 - 3 三相逆变器在复平面卜的基本电压久量图 f i g 2 - 3b a s i cv e c t o ro ft h r e e p h a s e sa d j u s t a b l e - v o l t a g ei n v e r t e ri n0 【- 1 3p l a n e 图2 - 3 可以看出，u 一玑是6 个非零矢量，砜、是2 个位于原点的零 矢量。电压空间矢量脉宽调制的目的就是通过控制6 个功率开关的8 种工作状 哈尔滨理丁人学t 学硕l ：学位论文 态来逼近电机工作所需要的任意时刻电压矢量，从而达到较高的控制性 能。 其中从a b c 平面坐标转换到q b 平面坐标系的变换公式为 阱信 1一三一1 22 o 笪一笪 22 降 l u b j q 。5 由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式可以得出开关状态与相电压和线电压的对应关系为表2 1 表2 1 开关状态与相电压和线电压的对应关系 t a b l e 2 - 1t h er e l a t i o n s h i po f s w i t c ha n dp h a s e v o l t a g e abc u bu cu a bu 叱1 0 0 o0 o oooo 00l 1 ， 1r r2 ， o 一 一i u d 一：u d 了u dj， o 1o1 rr 詈 1 ， 砘du d o 一：u d一二ud jj 0l12 rr 1 一 o i u d 言j 1002 r ， 1 rr 1 ， u d o_ u a ：u di u d一：u d jjj 101 三 2 ， 三 u d一 o 一：ud j 110 三 1 1 2 ， o u d u d j u d一= u f j 1 11 0 oo 0 oo 将开关状态与相电压和线电压的对应关系用式( 2 5 ) 变换到复平面的对应关 系如表2 2 。 表2 - 2 开关函数与相电压在仅胡坐标系的分量的对应关系 t a b l e 2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w i t c ha n dp h a s e v o l t a g ei n 伐一8p l a n e abc u 。 u b 久量符号 ooo0o 砜 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 续表2 2 o01 _ _ r - 1 一、j u f ， 6 o1o 厅 一 l 一、if 2 0l1 压 、了 0 u lo0 2 - 0 以 f3 1ol 店 厅 一、三 u 5 110 后 厅 、i 1110o u ， 2 3 s v p w m 调制算法 在式( 2 - 4 ) q 瞰u a 、的角频率为缈，相电压峰值为1 i 得出三相 对称的三相正弦波方程式( 2 6 ) u 月= 1 0 叫l c 。s ( c o t ) u 口= i | c o s ( c o t - 2 3e r)(2-6) u c = i l c 。s ( c o t + 2 3 n ) 那么，矢量u 。，模长等于相电压峰值，以角速度彩( 0 = c o t ) 按逆时针方向 匀速旋转的空间矢量。利用逆变器的八个基本矢量可以合成任意角度和模长的 参考矢量0 。，。但是由于逆变器实际所能产生的矢量( 有效矢量和零矢量) 有 限，不可能输出角速度连续变化的空间矢量。为获得旋转的空间矢量，只能利 用各矢量的作用时间不同来等效地合成所需要的矢量。一个正弦周期内发出的 合成矢量越多，意味着开关频率越高。从图2 3 可以看出，将6 个非零矢量整 个平面分成6 个扇区。以扇区6 。为例，利用最近的两个相邻有效矢量乩、以 和零矢量合成参考矢量d “，等效矢量按伏秒平衡原则合成。于是有 哈尔滨理1 = 人学t 学硕i ：学位论义 瓦虬+ 瓦玩+ r o u o = c d 可= z i d 可i v 归 ( 2 7 ) 式中：瓦、瓦和r o 分别为电压矢量虬、乩和砜在一个采样周期内的作用时 间，e 为采样周期，t o = 巧( 以下同) 。式( 2 - 7 ) 的意义是：矢量d 埘在z 时i b j 内所 产生的积分效果( 在电机调速中，电压的积分就是磁链) 和乩、以及零矢量作 用时间五、瓦、t o 的积分效果相同。将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 7 ) 得出式( 2 8 ) 五( 引+ 瓦孚) ( ；) 椰= 正1 l p 8 ， 由式( 2 8 ) 可求出式( 2 9 ) 瓦= 华 t o = c 一瓦一瓦 0 乡 - - 万 ( 2 9 ) 3 、 虽然用两个矢量、眈可以合成口。，但是( 瓦+ 瓦) 不一定会和瓦相等， 若不相等，则磁链追踪的速度，也就是p w m 波的基波频率也就不等于所要求 的频率厂。由于零矢量的作用不会改变磁链圆形轨迹的形状，只是使磁链停止 不前，改变的是磁链的变化速度。因此可以用零矢量来调节作用时间，以使 乩、玑矢量作用产生的磁链的角速度正好等于国= 2 z 厂。 在式( 2 9 ) 中，五，瓦不足时，插入零矢量补足，有 t t l 个 1 0 0 一t l 0 0 s k l ( 2 一l o ) 【r 0 7 = ( 1 一k ) t o 、 式( 2 - 1 0 ) 中t o 。、t o ，分别代表零矢量、u 7 的作用时间。其他扇区的调制 算法完全相同。定义幅度调制比m 为 聊= 渤 p u 、l | 心3 从式( 2 9 ) 和( 2 - 1 0 ) n - 以看出，电压空间矢量调制的线性约束条件是 l l 五 哈尔滨理t 人学下学硕i - q ：位论文 瓦+ 瓦c 将式( 2 9 ) 代入式( 2 - 12 ) 可得 m s 瓦老面 将式( 2 9 ) 、( 2 11 ) 代入式( 2 1 2 ) 有 胚硐1 c o s l 一一i ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 对于任何秒都应成立，而等c o s f 要一口l 1 ，因 z o 而幅度调制比m 的最大值为l 。也就是说逆变器输出相电压的极限峰值是 以3 。反应在矢量图上，最大电压空间矢量的轨迹就是图2 3 所示的正六边 形的内切圆。 传统的s p w m 最大相电压峰值是u ，2 ，因而s v p w m 的直流电压利用率 比s p w m 提高了约1 5 4 7 。因此直流电压利用率高是s v p w m 的本身特性。 无论以何种方式产生s v p w m 波形，只要满足式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) ，它们的电压利 用率都是一样的。进一步计算可知，若m 取l ，也就是s v p w m 输出最大时， 线电压峰值等于，已经达到直流母线电压；再增加就不是线性调制了，所 以s v p w m 的直流电压利用率是最高的。 2 4s v p w m 与s p w m 的比较 在交流电机变频调速中p w m 控制已经得到了日益广泛的应用，其中经典 的正弦脉宽调带t j ( s p w m ) ，它主要着眼于使逆变器输出的电压尽量接近j 下弦 波，使p w m 电压波的基波成分尽量大，谐波成分尽量小，但是该方法仅仅是 一种近似，抑制谐波的能力有限他6 1 。而电压空间矢量脉宽调锘t j ( s v p w m ) 是把逆 变器和电机视为一体，控制电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。它能够明显的 减少逆变器的输出电压的谐波成分及电动机的谐波耗损，降低了转矩的脉动， 而且逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压，这比f 弦脉宽调制逆变器 输出电压高出1 5 。 对此我们分别用