潜油电泵的变频改造詳解.docVIP

《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 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 目 录 第1章 引言 1 1.1课题设计的背景和意义 1 1.2交流调速技术的分类 2 1.2.1变转差率调速 3 1.2.2变极调速 3 1.2.3变频调速 4 1.3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 5 2.1正弦波PWM调制原理 6 2.2 SPWM信号的产生 8 第3章PWM变频调速系统的硬件设计 9 3.1 系统介绍 9 3.2整流滤波电路 9 3.3逆变电路 10 第4章 电气接线及仿真波形 13 4.1潜油电泵变频改造双主回路系统图 13 4.2潜油电泵驱动电动机的测量及保护等电路 14 4.3潜油电泵驱动电动机的控制系统 14 4.4电动机电流波形 15 第5章 结论 16 参考文献 18 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： 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。 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。 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。 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： 软启动。 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。 不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。 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。 各种保护功能齐全。 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: （1-1） 式中:——同步转速,r/min ——定子电源频率,Hz -一极对数 ——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,保持同步转速不变,改变转差率,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: （1-2） （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