潜油电泵变频控制技术原理

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
单击此处编辑副标题 汇报人:顾根堂
二O一O年十一月
汇报内容
变频器基本工作原理 通用变频器的组成与控制 潜油电泵变频器输出谐波问题 正弦滤波器原理与设计 变频器输入谐波与处理 电网谐波治理
2
变频器基本工作原理
在油井生产中,应用变频器进行调 产,可使电泵的效能提高,与油井 产能匹配好,调产范围大,泵的合 理工作范围宽,延长检泵周期,减 小作业费用,有效提高产量。
通用变频器的结构与组成
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。
对于低频信号,因波长远大于电缆长度而不产生影响
31
输出谐波问题—电缆长度
32
电潜泵驱动方式要求
LH1-1油田
14Km
潜油电泵与地面设备为长电缆驱 动,要求地面变频系统适用于长 线电缆。区别于常规变频应用。
33
水下井口
解决长电缆输出波的方法
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 N' 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。
23
闭环控制原理
系统框图
4-20mA
PID
频率
压力 反馈

单 井 控 制
压力/频率曲线
多 井 控 制
24
汇报内容
变频器基本工作原理 通用变频器的组成与控制 潜油电泵变频器输出谐波问题 正弦滤波器原理与设计 变频器输入谐波与处理 电网谐波治理
25
输出谐波与长线电缆传送
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。 驻点的长度为输入信号行波的1/4 其中:ZS为电源阻抗, ZC为电缆阻抗, +n/2波长,而波长决定于频率、电 ZL为负载(电机)的阻抗 缆分布电容、电阻、电感等因素。 产生三个波,即ZC传输的入射波,进
变频器基本原理
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。 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。
0
R R1
1
Rb
b
R
UI M 3~
~
R R2
2
VT
b
显示
设定
接口
单 片 机
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
PWM 发生器
驱动 电路
通用变频器结构组成
主电路——由二极管整流器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 耗。
C1 N B1 C2 C3 B2 B3
C
100% 电压输出
-Edc -2Edc
B
VCB
1个单元输出电压波形
汇报内容
变频器基本工作原理 通用变频器的组成与控制 潜油电泵变频器输出谐波问题 正弦滤波器原理与设计 变频器输入谐波与处理 电网谐波治理
14
通用变频器的结构与组成
K UR R R0
f *
t
电压补偿设定
U / f 曲线
u
f f u
PWM产生 脉冲发生器 驱动 电路
PWM变压变频器的基本控制作用
变 模拟量输入 频 模拟量输出 器 开关量输入 与 开关量输出 外 辅助电源 部 数字通讯 信 参考电源 号 人机操作 的 温度传感器 接 速度传感 口 脉冲计数
用户可根据实际要求构 建各种控制模型
应用变频器(VSD或VFD) 拖动潜油电机,调节转速和 工作电压。 调产、节电、延长寿命,方 便生产应用。
实验表明,通过频率的调整, 产量增加明显,因此在许多情 况下不需要换大泵。
由于变频调产的优势,在平台 大量使用。
3
泵工作范围宽
3
变频器的由来
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。
R
L
2
V
+
3
Vin
V
-
7

8
1
V
2
V
c
6
4
o
变频器基本结构原理

进线端子 EMC滤波器 整流桥 储能电容 预充电回路

制动晶体管 制动电阻及其保护 逆变桥 电流互感器 出线端子
变频器基本原理--输出方式
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。
通过改变脉冲宽度控制输出电压,改变调制周 a) 期改变输出频率的一种控制方式。
以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,按照 波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与 b) 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。 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 。相对于其输出波形,也叫PWM波输出。
入ZL的折射波和从ZL中反射出来 的反射波
26
电缆中信号传送的等效电路
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。
输出谐波问题-高次谐波热效应

其中: λ为波长 Cr为光在电缆中的速度 C为光速 er为介电常数 f为频率
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。 如电缆长度小于谐波波长的1/2, 则不产生这种问题。 27
28
输出谐波问题—来源
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。 电机的运行特性要求其供电 电源为正弦波,而不是其它 不规则的波形。 变频器输出的控制是通过开 关IGBT的导通实现的,不可 避免会产生高频谐波,因而 影响到变频器的使用。
29
变 频 器 输 出 含 有 大 量 的 高 频 谐 波
+
V1
Ud 2
V3 VD 1 U V VD 4 V6 图5-9
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。 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。
快速晶闸管
可关断晶闸管
双极性晶体管
集成门极换向晶闸管
对称门极换向晶闸管
变频器基本原理
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 的输出形成了带一定的谐波的直流电 源,通过与电容、电抗等储能元件的 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 。
Ud
Cd
逆 变 器
Ld Ud Id
逆 变 器
差异: 无功能量的缓冲 能量的回馈 驱动元件:IGBT,IGCT
变频器基本原理—电流源型
单个小IGCT驱动电路
IGBT(300A/1700V)
多重化变频器—大功率高压变频器
1个功率单元
A
A3 A2 VAC A1 120 o VBA
控制单元
2Edc Edc
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。
输出谐波问题—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:
Zm 电机阻抗, Zc 电缆阻抗
高频脉冲波在进行长 线传送时产生过电压。 从电缆一端输入一脉 冲,在电缆另一端测 试信号波形。
输出谐波问题—组成
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
30
输出谐波问题-谐波影响距离
变频器高频谐波的频率:
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 1.256MHz.
由:
变频器所带动的电缆长 得,如电缆中介电常数为0.5,波长约 度因不同的电缆介质、 输出IGBT的控制方式有 为119米。则驻点为30米左右。 则电缆最长不大于110米。(JZ9-3) 所变化。
通用变频器结构组成
控制电路——现代PWM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:
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。
+
V1
Ud 2
V3 VD 1 U V VD 4 V6 图5-9
V5 VD 3 W VD 6 V2 VD 5 N VD 2
N'
Ud 2
-
V4
总体上存在谐波分量大,稳定性差、 故障率高等问题。
变频器基本原理—SPWM输出
通用变频器的结构组成
进线电抗器 ——二极管整流器虽然 这样的电流波形具有 是全波整流装置,但由于其输出端 较 大 的 谐 波 分 量 , 使 有滤波电容存在,因此输入电流呈 电源受到污染。 脉冲波形,如图所示。 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。
u
O u
t
O
u uc ur
t
图6-3
O
t
uo uof
uo Ud
O -Ud 图6-5
t
PWM逆变电路
由于PWM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 号的发生器,后来更进一步 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。
一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函数, 由用户根据需要选择最佳特性; 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。
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, 因此,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 升降速 率设定 时间设定 斜坡函数
Tc u uc A D B O tA tD tB t ur

2

2
uo
'

'
t
O
图6-12
变频器基本原理—直流类型
根据直流部分滤波方式的不同, 分为电压源型和电流源型。其逆 变器听器件也相应不同。 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. 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.
相关文档
最新文档