潜油电泵的变频改造

i《电力电子技术大作业》作业题目：三电平变频器及在潜油电泵中的应用中国石油大学（华东）日期：2014年12月14日得分：i摘要针对潜油电泵存在稳定性差、使用寿命短、能耗高等问题,提出把变频技术应用到潜油电泵井上。根据井下不同工况,对电泵控制系统的性能进行优化,实现机组在最佳工作点工作,得到延长机泵使用寿命,提高运行效率,节能降耗的效果。关键词：变频器；PWM；三电平；调速ii目录第1章引言...................................................................................................................................11.1课题设计的背景和意义.....................................................................................................11.2交流调速技术的分类........................................................................................................21.2.1变转差率调速........................................................................................................31.2.2变极调速................................................................................................................31.2.3变频调速................................................................................................................41.3课题的提出及主要研究内容............................................................................................5第2章交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术...........................................................................52.1正弦波PWM调制原理........................................................................................................62.2SPWM信号的产生..............................................................................................................8第3章PWM变频调速系统的硬件设计...........................................................................................93.1系统介绍...........................................................................................................................93.2整流滤波电路....................................................................................................................93.3逆变电路..........................................................................................................................10第4章电气接线及仿真波形.......................................................................................................134.1潜油电泵变频改造双主回路系统图..............................................................................134.2潜油电泵驱动电动机的测量及保护等电路..................................................................144.3潜油电泵驱动电动机的控制系统..................................................................................144.4电动机电流波形..............................................................................................................15第5章结论...................................................................................................................................16参考文献.........................................................................................................................................181第1章引言1.1课题设计的背景和意义用现代高新技术改造原有的油田设备是大势所趋，用现代自控技术和变频调速技术为油田电泵（简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的重要组成部分。潜泵安放在地平面以下1000-3000m处，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），而传统的工频全压供电方式更易使潜泵故障频繁，运行成本大大增加。潜泵损坏提到地面上来维修，工程费需5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次更换，潜泵平均10个月维修一次，维修费约8万元，造成采油厂生产成本偏高。传统供电方式对潜泵的正常运行存在以下危害和不足：（1）潜泵全速运转，当井下液量不富余时，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，则损失惨重。（2）全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，对电动机寿命有很大影响。（3）油田供电电压常有波动，使电动机欠激励或过激励，电动机被烧时有发生。（4）几千米的井下电缆带来了150V作业的线路损耗，由于这部分损耗无法补偿，从而影响了电动机的正常工作。由以上可看出，潜泵如采用高频改造则可实现最为理想的运行。潜泵1140V变频器一般应具有以下特性：2（1）软启动。（2）调速方便（即变频运行），启动时间和运行速度能根据工况进行设置。（3）不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。（4）电缆上传输的必须是正弦波，否则经过电缆反射，电压脉冲叠加，容易烧毁电动机。（5）各种保护功能齐全。（6）控制方便，操作简单，显示清楚。潜油电泵虽然也属于平方转矩的负载类型，但在市场上容易买到的为风机、水泵服务的那些变频器不适合，除了电压等级不符合外，电缆的损耗电压也难以补偿。有用380V级变频器配合特制升压变压器的情况，但这种“中——低——中”的方案先天不足，加装变压器则增大系统损耗，特别是在变频器低频运行时，变压器的铁损尤其突出：另外让升压变压器工作于低频下也是很困难的。现在的IGBT器件充分满足耐压1140V的要求，直接采用1140V变频器直接给潜油电泵电缆供电最为理想。【1】1.2交流调速技术的分类异步电动机的转速可表示为:)1(60)1(11SPfSnnN（1-1）式中:1n——同步转速,r/min1f——定子电源频率,HzNP-一极对数3S——转差率式（1-1）表明:异步电动机调速可以通过三条途径进行:改变电源频率,改变极对数以及改变转差率。1.2.1变转差率调速由式(l-1)可知,保持同步转速1n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mP可划分为两部分:一部分构成机械功率mccP,另一部分则为转差功率vP其中:mmccPSP)1(（1-2）mvSPP（1-3）变频、变极调速,都是设法改变同步转速以达到调速目的。他们共同的特点为,无论调到高速还是低速,转差功率仅仅由转子铜损构成,基本上不变。故从能量转换角度看,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型和转差功率回馈型。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,故效率最低。转差功率回馈型有串极调速和双馈调速。其转差功率大部分回馈到电网,效率界于消耗型与不变型之间。1.2.2变极调速由式(l-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4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,只须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,都只能一极一极地变化,因此属于有极调速,应用场所受到一定限制。1.2.3变频调速改变供电电源频率1f同步转速1n随之变化,从而改变电动机转速。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。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换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变换过程中,没有中间直流环节的,称为交-交变频器;有中间直流环节的,称为交一直一交变频器。直流可以认为是频率为零的交流,由直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器,称为逆变器。因此,交-直-交变频器通常由整流器（AC-DC变换),中间储能电路和逆变器(DC-AC变换)构成。变频器有多种,常用的变频器分类如下:交-交变频器交-直-交变频器电压型电流型电压型电流型PAM方式PWM方式PAM（六拍方式）六拍多重化方式PWM方式5其中,由于变频器所以半导体开关器件不断发展以及PWM控制技术的日臻完善,电压型PWM方式交一直一交变频器发展最快。【2】1.3课题的提出及主要研究内容本课题就是根据变频潜油电泵机组的现场应用情况,针对以发生的各种问题,进行理论上的分析并提出解决措施。本课题的主要研究内容为:(1)变频器的设计;(2)潜油电泵的变频改造方案的设计;(3)长线传输产生的电压反射现象的理论分析,以及正弦滤波器的设计。第2章交流调速的脉宽调制（PWM）控制技术所谓脉宽调制技术(PulseWidthModulation-PWM)是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列,实现变压、变频控制并且消除谐波的技术,简称PWM技术。目前PWM技术已经广泛应用到变频调速系统中。利用微处理器实现PWM技术数字化后,PWM技术不断优化和翻新,从追求电压波形为正弦波,到电流