潜油电泵变频控制技术原理

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1、潜油电泵变频控制系统技术N M f 誹奎空糜）- * 4 罄.g ;汇报人：顾根堂中海油能源发展采油技术服务公司二00年一月汇报内容車变频器 牟工作原理 傘通用变频器的组咸鸟控制 車潜油电泵变频器綸出谐波问龜 傘正脈滤波器原理鸟殺针 傘变频器綸入谐波鸟处理傘电网谐波箔理2变频器基本工作原理应油井生产中，应用变频麥进行调 /,可使电泵的效能提富，与油井20040060080010001200140016004 bMiM3伞疝用变频器（VSD或VFD丿 施刼潜油电机，调节無速和 工作电巫。尊调产、节电、廷安寿命，方 便或产盜用。实验表明，通过频率的调整， 产量增加明显，因此在许多情 况下不需要换大

2、泵。Qcc / IIoz f2 . poc/3.由于变频调产的优势，在平台 大量使用。泵工作范围宽cnaoc变频器的由来辱变频器是电力电子的具体体现，是在可控硅发明后，将半导体技术应 用于电能转化的一种控制装置。車工业电网为固定电压与频率，在变频器出现之前，要实现工业上的调速驱动与控制，通常需要用机械方式实现；如减速器、皮带轮、液压等，体积大，效率低、控制难度大，可靠性低等，变频器出现之后则很快在各个工业领域得到大量应用O車变频器基本过程为交直交，首先将交流变为直流（简称整流），再将 直流转化为交流（称为逆变）。逆变的过程可控，则形成频率和电压可调的新电源。THYRISTORAno-deCat

3、hodeGateTHYRISTOR GTOAnodeCathodeI.GB.T.CollcctcurGj|LEmetteurLGC.T.AnodeL-kGateCathode1S, GCTAnode*L-LGateCathode1可关断晶闸管双极性晶体管集成口扱撰向晶闸管匪豳II诛舸邮冏cnooc：12旷 120a的输出形成了带一定的谐波的直流电整流：应用二极管的单向导通性，使 得电压在正向时通过，反向时截止。 形成了交流向直流的转化。单个二极管为单相半波整流，两个二 极管为单相全波整流，工业应用通常 为三相全波则为六脉冲整流。三相交流电经过整流后，即在二极管 源，通过与电容、电抗等储能元件的

4、 组合，则形成比较稳定的直流源。随着大功率可控硅的出现，可以通调 节导通角实现整流，整流的效率更高N辱逆变：将直流转化为交流的过程称为 逆变。最常见的直流转为交流的方法 为双刀双掷开关。变频器的开关是通过IGBT （绝缘栅双极性晶体管）的通断来实现的，随着电力电子技术的发展，IGBT的导 通电阻小，耐高压，在整个从开到关 的过程中都可以进行控制。新型IGBT导通速度更快，自身发热量更小。效率高。IGCTs for Static Breakers用于翳开关的IGCT車功率集成电路将大功率器件与控制电 路集成到同一芯片上，可靠性更高， 体积更小，集成度更高。进线端子 EMC滤波器整流桥储能电容 预

5、充电回路制动晶体管制动电阻及其保护逆变桥电流互感器cnooc出线端子+oV3_JVD| UVN丄鱼丁2ny4IFny2(ZT 111 LK1-AC 恥(T1112DCMCIbUVN311Ltm!A-丿、JFK-AC in insmN11 +厂0尺叭IT2脚骡动电WlB -1/瞅动电时村辱早期的变频器由于元件技术水平的限 制,输出波形为方波，谐波含量较大 ,/为单阶梯的变频器，谐波含量大于 30%,需加上较大的LC滤波。辱通过移相多重叠加阶梯方式，合成多 阶梯波输出，谐波含量大大减小。但 相对电路结构复杂。莎总体上存在谐波分量大，稳定性差、 故障率髙等问题。辱通过改变脉冲宽度控制输出电压，改变调

6、制周 期改变输出频率的一种控制方式。辱纠正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率 比期望波高得多的等腰三角波作为载波，按 波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与 相应位置的正弦波面积相等，从而得到两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，这个序 列的矩形波与期望的正弦波等效。恋这种调制方法称作正弦波脉宽调制(Sinusoidal pulse width modulation,简称 SPWM),这种序列的矩形波称作SPWM波 o相对于其输出波形，也叫PWM波输出。cnaoc/JPWM逆变电路由于&WM变压变频器的应用 非常广泛，已制成多种专用 集成电路芯片作为SPWM信VT=c 1号的发生器，后来

7、更进一步U 严J亠J u-vt4Vvt6VD,把它做在微机芯片里面，生 产出多种带PWM信号输出口 的电机控制用的8位、16位微 机芯片和DSP。/ Zvd2调制电路三角波发生器O1 1WtUUcMrVutw二 f L f I.-J、v v V n iirnUAAV V n n ri kU u LI n n n rL1 ll 1n rfi kIfJ 1 Ll=kFtFHEfczRzFH=F r=tf-TU功5C Oo差异：无功能量的缓冲 能量的回馈驱动元件：IGBT,分易电压源型和电流源型。其逆 变器听器件也相应不同。睜电压源型逆变器:直流环节采用 大电容滤波，直流电压波形比较 平直，在理想情

8、况下是一个内阻 为零的恒压源，输出交流电压是 矩形波或阶梯波.辱电流源型逆变器:直流环节采用 大电感滤波，直流电流波形比较 平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波.鈕9亠二GCT伺&曲眾一GBT(300A/mown SQOn功率单元隔离变压器1个功率单元输入三相交流电源（任竜电压移相二次絨圈1个单元输出电压波形单元B1单元即I :M单元A3单元血单兀A1单元B2U本王本“ 控制单元0_2Edccnaoc汇报内容車变频器 牟工作原理 傘通用变频器的组咸鸟控制 車潜油电泵变频器綸出谐波问龜 傘正脈滤波器原理鸟殺针 傘变频器綸入谐波鸟处理傘电网谐波箔理14通用变频器的结构与组成雀电路由

9、二极管整流器UR、PWM逆变器UI 和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型 的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换 的作用。限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过 大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回 路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先 限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长 期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损泵升限制电路由于二极管整流器不能为 异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所 以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸 收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电 状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高

10、到一定的限制值时，通过泵升限制电路使 开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动 电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附 件单独装在变频器机箱外边。kS$c ；2、壬:二 k*壬g y j&K _一 *-,* * - * 二 r 通用变频器的结构组成进线电抗器一一二极管整流器虽然 是全波整流装置，但由于其输出端 有滤波电容存在，因此输入电流呈 脉冲波形，如图所示。这样的电流波形具有 较大的谐波分量，使 电源受到污染。为了抑制谐波电流, 对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器,有时也可以在整流器和电容器之间串接直 流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。控制电路现代P

11、WM变频器的控制电路大都是以微处理 器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和 指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号, 微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP, 现在已有应用RISC的产品出现。变频器启停以及与负载之间的控制关系可分为两种：專一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U/函数, 由用户根据需要选择最佳特性；導另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流 回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何 都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不 足之处。-二二仝控制电路（续）给定积分由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用， B

12、itt,频定设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择工作频丨升降速率设定：时间设定=II斜坡函数电压补偿设定PWM产生U/曲线脉冲发生器 f驱动PWM变压变频器的基本控制作用辅助电源150mA变频器与外部信号的接口模拟量输入 模拟量输出 开关量输入 开关量输出 辅助电源 数字通讯 参考电源人机操作 温度传感器速度传感脉冲计数用户可根据实际要求构建各种控制模型数字责输入粘行按口 2USS(RS485)出0 双向散宁输 n 入和输出Pl 匚/： 20 mA 厂j参考电位RS485 12移考电压P1OV/N 10 V135 mA14模

13、拟玉输人1P5（非电晰离）11 S+符号位16 U：Rp60M2 ? /：Am=250 i 17（S3阖合）桎嘏址输入2w俳电位隔闯U8Gg 模拟A输旳1,010应时符号位1U:75mA YJ：fl500Q模飙量输出222入RS455PUARTRS435N调H器?P24YM?424VU5枱人 c=c V傑=，EE 林U二二 檀 GPMU4牛反冋?rr翰人和硼用Fuss总块的斧关P10AUXNSOAUX人AI1入斗1IL.10Y0.20rTlA-10.10VD.20EA15 爲 |S1用于USSJB銭的开关 X103材速MAQ通道A週道BO1雾脉冲C?岀連円5电机温度BS电机眾盛曲冲塢 曰器1&

14、0mACA6&-M1测速初於入：15M时 3.5 mA4,400 kHz23J刃电机济器KTY84或 热敏电 隔PTC变频器开/关控制 增加设定点 减少设定点 晌应故障通过终端或Po bus选择操作互锁本地操作选择固定设定点位O 选择固定设定点位1 设定点速度模拟量 输入10模拟量输入（预留）T实际速度值模拟量 输出12 实际电机电流值模 拟量输出13 KTY84温度传感器 或PTC热敏电阻连 接14 准备启动（数7量 输出为出厂设置）15 本地/述程状态显J （数了量输出为出厂 设置）16 数了量输入17 可任意参数化输出18 “逆变器脱扣”回检 信号19 “变频器无故障”回检信号口2345

15、1J 1 1J n6 7 8 9 rL rL -X524-A601ZLJbx_-X520-X5/5O+ 7A V+ 74 V4 74 V十24 V+ 24V8N 10Av 1 2 3DIDIDIDIWM&IP24V 匚二!DOA M卜24 V-X530卄匚2 0V+-25;gG Io lx 、I A IV /DI/DO 3DI/DO 9 DI/DO 10 DI/DO 11 OuVInDCO00 113IrAMd心p-XI ASMExt 9) (UPS2AF1*Al.11EUER3&CYCFF.CXC-5PPteflK15：artEWER3&CYCFF. 1-5tXLjruaaJMOOAIP9*

16、XM* A! -Q1A1*1-01 F1.F8A1-21 Ita-*A14J1-XXOPHas 0 mese dsgpg:verve* 3r-匕 Pexe E t* ：wa 3rut* ne asi cabre .mg a mnenai aeons.EMERG. OFF K aw.t(lA1-KWW八工 34 ifnsm 1X3HFwll：到M ACZDr工匸Q A-A101 0HQ l16 _in&uxoi no-3rV II M 2 ?1 314, 匚A31 口口；VAOPOOpntixLOCAL operatcnntr-*i giAt2CiI:nx2i25 尸A1-U122A14JH0M

17、Hl:omec terminal blocku620叶CU320wiQ nuor *gO wcmiB cw *0二OU严 Y0*：(Um rrciF127KB.ffl 畑DIBrake chopper0*df QSP如；K 舸j.gAnsogoUpvtol*JtcrHODr*woPTCncfTYcrrC4amVvBoar rwatlQ3nkroct9rDOOM*rcrii)n30：A 013-d K1 e poc ty i craee*. si-23rexfltha 2 .n E 3CAK*-K3 W 3)OrlylorL1112680C A LS7. L5S. 15C. L31134 L5

18、LS7Wctcr tMrpertLreonezrTFe corrector pcnbEecgnc on heurs：书 co：yi 5.ttxaanvt单幷自动桂制方武系统框图4-20mAd .PID频率泵压力/频率曲线BP“熄妙受魏宙IB iR“如”讹丘力计妄迢tXu2IS7 娈砂竝疫统、愛皐鷄裁厂凶讯agKax;圄隠斟曲老珈他11紙仙：C 血?职 压为计畑 磁狗i厂内炫炳一 个乐力计藏至ME力计K祜洪ad一时何1A31BLnB “1爻丹机单井控制多井控制24汇报内容車变频器 牟工作原理 傘通用变频器的组咸鸟控制 車潜油电泵变频器綸出谐波问龜 傘正脈滤波器原理鸟殺针 傘变频器綸入谐波鸟处理傘

19、电网谐波箔理25cnaoc其中：ZS为电源阻抗，ZC为电缆阻抗, ZL为负载（电机）的阻抗产生三个波，即ZC传输的入射波，进 入ZL的折射波和从ZL中反射出来班电缆可等效为分布电容、电感和电 阻，传送过程中各点信号不能同时 建立，存在一定的滞后。从而形成 传输的行波。Figure 8.10 Equivalent transmission line circuits*26电缆中信号传送的等效电路的反射波电信号沿长线电缆传送因多次 的反射、折射形成振荡波，重 复性的信号可形成叠加，从而 产生驻点。專驻点的长度为输入信号行波的1/4 +n/2波长而波长决定于频率、电 缆分布电容、电阻、电感等因素。c

20、naocInve-rle-refMotor从长线电缆的一端输入 一阶跃信号，同时在另 一端测输出，则信号延 迟并出现振荡波，说明 信号在电缆中出现过多 次反射。）_ erxCA 7 f f車其中：入为波长車c为光在电缆中的速度車C为光速車e为介电常数康f为频率班在驻点处，高频信号（也就是高次 谐波）将对电缆及绝缘护套产生热 效应，其能量的大小与高次谐波的 电压跳变（dv/dt）平方成正比。辱如电缆长度小于谐波波长的1/2, 别不产生这种问题。输出谐波问题一过电压当电机和电缆阻抗不匹配时,谐波在电缆中不断反射，并使电压升高。其 反射系数是：Y-引 _牝zm + PZm电机阻抗,Zc电缆阻抗高频脉

21、冲波在进行长 线传送时产生过由压。从电缆一端输入一脉 冲，在电缆另一端测 试信号波形。 A心-S输出谐波问题一来源SCOPEV2AUT0 2車长线电缆对传送电力波形要 求变频器的输出波形为正弦 波，不能有高次谐波。.sP.J ) a iW . k-Y : A二 /变频器输出波中含有三个频段的波形及能量:1、基波频率2、载波频率3、谐波频率#cnaoc输出谐波问题-谐波影响距离31cnaoc#cnaoctime insFig. 3Inverter voltage （leading） and motor voltage in pu变频器所带动的电缆长 度因不同的电缆介质、 输出IGBT的控制方式有

22、 所变化。变频器高频谐波的频率：f = 2n/2t = n/t其中：t为IGBT的电压上升和下降的平均值 ,取2.5微秒，则高频谐波的频率约为/ 1.256M Hz.由：）_ erxCA f f得，如电缆中介电常数为05，波长约 为119米。则驻点为30米左右。则电缆最长不大于110米。（JZ9-3 ）对于低频信号，因波长远大于电缆长度而不产生影响32cnaocSIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control设计指南变频柜系统元件负载侧兀件和&线输岀滤波电抗器电抗器用于补偿在长导线时的电容再充电电流在标椎,无电抗器情况下, 报大允许导线长度见本页第 10较长的导线应按裘

23、2没有输出滤波电抗器的最大 导线长度功率4kW额定电压200 V 600 V非屏蔽导线和 PROTOFLEX EMV50 m屏蔽导线35 m5.5 kW200 V-600 V70 ill50 m7.5 kW200 V 600 V100 m67 m11 kW200 V 600 V110m75 m15 kW200600 V125 m85 m18.5kW200 V-600V135 m90 m22 kW200 V-600 V150 m100 m30kW-200kW380 V 690 V150 m100 mLH1-仙田严）z潜油电泵鸟地而说备鬲g电覆飓SBip.c/丿C彳学二-/cY? 輛,宴拓地而麦頻

24、糸短适用于g 钱电獲。&樹于*规麦頻鬼用。早期受逆变器元件的限制， 输出都是六拍阶梯波或矩形波, 逆变器关断的不可控性和开关 频率低，导致逆变器的输出波 形不可能近似按正弦波变化， 从而会有较大的低次谐波，使 电机输出转矩存在脉动分量， 影响其稳态工作性能，在低速 运行时更为明显。但由于其高 频谐波分量较小，反而可应用 于长电缆的驱动，因此被用作 潜油电泵变频器。波形代衣性的高次萨波rm -5次VpAMi ?* VfAMUom-7次V lAMCf ) VrM 11(A)PAM方式Kw-11 次| 门: -pj-VPAMf 11=13 次7l*AM - lyVpAMi 1 9脉冲z次Vrw.M

25、八 * 0. 3V|-wmV1 -X0.8X2j2次Vy() 3V|wm(B)nnnnniiui , OTCT刃=17次VpMMd/IO. 4V|*U-V|)9脉冲 PWM方式m19 次VpMAKItJIO. WPWM I )cnaoca. Voltage Wave FormVrms: 380.63 VFreq: 50HzIrms: 330.4 A VTHD: 28.6%班六阶梯波输出：减小输出的高频谐波，可用于长线电缆传送。專优点：解决了电潜泵变频拖动问题，结构简单。專缺点：含大量低次谐波，不是正弦波，引起电机脉动和变压器 拳热等问题。是初级变频应用方法。a 0.07、 f、* . 3 j*

26、 二r 解决衣电覆输出波的方旗升压变压器二次侧电压波形升压变压器二次侧电流波形36六阶梯波变频器虽然解决了拖动，但效能低，成本高；产品通用性差。#cnaoca硕OF/ 1 X./X/i/%叫1萨，适用于 大功率。代表产品： 罗明康、安伞多级联结构：将输 出分成多级叠加 PWM,减小谐波能 量。可用于长线传 送。辱优点：同时解决了 输岀与输入两方面 的问题。辱缺点：体积大、结 构复杂、成本高。cnaoc输出谐波的处理一国产中压0nd u- M5OA两电平波形time In sInverter voltage (leading) and motor voltage in pu3.三电平波形国产中压

27、变频器通常在输出端加电抗器进行钝化，并釆SPWM方式进行改进，使输出谐波分量减小。多应用于小功率、低 压、短电缆的场合。（如1100V、1000米 以内，标称功率100KW以内等），但没有从根本上解决问题。（冀东）（检泵周期 短）原因:体积大,载波频率低,dv/dt值大。解决长电缆输出的方法一正弦滤波器HfiRNOHICSUOLTS 讥胡1 550.Q0 Hz 95.Su 100%r0。WATTSQi車在变频器的输出端加专门的正弦滤波器，使变频器输出近 似正弦波，适用于电潜泵的长线电缆拖动，传送距离没有 限制。这是目前长电缆变频驱动常用的方法。Il_rrvv传动DMI正弦波浦波器升压变压器39

28、电缆数据： 总扶：20400米 截面：20mm2序号设备名称型号规格数量1潜油电机电缆4号圆电缆1.8/3KV 3 X 20mm2 2500米32潜油电机电缆4号圆电缆1.8/3KV 3 X 20mm2 2000米23潜汕电机电缆4号圆电缆3.6/6KV3X20mm2 1900米14潜油电机电缆4号圆电缆1.8/3KV 3 X 20mm2 2300米25潜油电机电缆4号圆电缆L8/3KV 3 X 20mm2 2400米1cnooc汇报内容車变频器 牟工作原理 傘通用变频器的组咸鸟控制 車潜油电泵变频器綸出谐波问龜 傘正脈滤波器原理鸟殺针 傘变频器綸入谐波鸟处理傘电网谐波箔理41正弦滤波器原理S

29、COPE伞变频器PWM波输出的主要成分:V2AUT0 2伞基波：期望的变频器输出频率, 通常为20100HZoiL伞载波：计量PWM波最小脉冲宽度 单位，通常为2KHz16KHzo復高频谐波：由于IGBT开关通断产 生的上升或下降沿产生的边沿对 应的频率，通常为1MHz10MHz 之间。对电缆绝缘影响最大。 、尹广币2丽U人41B3U!JT. V2AUT0 2- - - 1卞.套“HAi | 11Arft杵I r ? ；7:4 ,冷 Be .变频谐波产生的机理6脈波整流器電流波形傅立叶级数Rt) - Ao+A)sin(wt+6|)+A2sin(2wt+02)+A3sin(3wt+65)变频谐波

30、的机理变邂器谐波分量是用谐波值和基波的百分比 表示的：G = Pxl00% 匕 d71EK2X100%匕05010C150282503003504035060CPhD H3 H5 H7 H11H13 SAii05010C150282503003504035060CPhD H3 H5 H7 H11H13 S不同生产厂家变频谐波分量有所不同,但总的谐波分量都大于40% oam2001501005030 100 -150 200-20-0D80604020010005010C150282503003504035060CPhD H3 H5 H7 H11H13 S * - -d -f ：rXrm AX.

31、 1=1丄W#-i和天四豕标准一电漩标谁电压短路容量谐波汶数及谐波电流允许值(KV)(MVA)23456789101112130.38107862396226441921 162813246100433421341424111 18.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.9352 5015 127.6125.18.83.84.13.15.62.64.7Table 10.3, p78CuiTent Distortion Limits for General Distribution Systems (120 V Tliiough 69.000 V)

32、Maximum Harmonic CTurirent Distortion in Puircent of 1匸Tndividudl Harmonic Order (Odd Harmonics)Is&Il1111h 717h2323h3535hTDD20*4.02.01.50.60.35.020507.03.52.51.00.58.05010010 04.54.01.50.712.0100100015.07.06.02.51.420.0Where:Isc = maximum shortcircuit cxiiTent at PCCIL = maximum demand load current

33、(fundamental frequency comionent) at PCC Figure 2: Table of current distortion limits in IEEE Std 519各级电网谐波电压限值（）电压（KV）THD奇次偶次0.385.04.02.06-1043.21.635-6632.41.2110以上21.60.0SpecialApplications1GeneralSystemDedicatedSystem2Notch Depth10%20%50%THD (voltage)3%5%10%Notch Area (An)316 40022 80036 500Table 10.2,