潜油电泵中压变频调速系统硬件设计

论文摘要

潜油电泵在油田原油开采过程中被广泛应用,成为油田重要的采油方式之一。目前与之配套的驱动系统以工频驱动为主,潜油电机存在启动电流大、电缆易击穿等弊端,潜油电泵采油系统不能根据地质情况调节抽油量。本文在充分调研基础上,应用现代交流调速技术,设计了一种单元串联多电平变频器来驱动潜油电泵,解决了当前潜油电泵采油系统存在的问题。本文首先对潜油电泵和交流调速技术应用现状及存在的问题进行简要分析,对比潜油电泵系统不同驱动情形下的负载特性,设计出适合当前潜油电泵系统的驱动方案——单元串联多电平变频器。借助当前中高压变频器产品中使用的成熟技术理论,对单元串联多电平变频器进行了分析,确定了本课题设计的变频器主电路拓扑和控制电路结构。在此基础上,设计并实现了整个单元串联多电平变频器的主电路和控制电路,在硬件电路设计过程中较全面地考虑了系统的电磁兼容性和抗干扰能力。单元串联多电平变频器主电路采用低压功率单元串联叠加形成中压输出形式。每相由三个功率单元串联组成,整个变频器共9个功率单元,单元采用模块化设计,结构完全相同。控制电路分主板控制电路和单元板控制电路两部分,每个功率单元有独立的CPU,整个系统的运行由主控制板CPU集中控制。在实验室内,对原理样机进行了实验,验证了硬件系统的正确性。实验证明,本课题所设计的单元串联多电平变频器满足油田潜油电泵采油系统的基本要求,达到了预想的设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 潜油电泵系统概述
• 1.1.1 潜油电泵系统构成
• 1.1.2 潜油电泵发展概况
• 1.2 交流调速技术概述
• 1.2.1 交流调速技术分类
• 1.2.2 交流调速发展概况
• 1.3 本课题的目的和意义
• 1.4 本课题的主要工作
• 第2章 潜油电泵中压变频调速系统方案设计
• 2.1 潜油电泵系统特性分析
• 2.1.1 工频条件下潜油电泵系统特性
• 2.1.2 变频条件下潜油电泵系统特性
• 2.2 中压变频器拓扑结构
• 2.2.1 高-低-高变频器
• 2.2.2 交-交变频器
• 2.2.3 二极管钳位多电平变频器
• 2.2.4 飞跨电容钳位多电平变频器
• 2.2.5 IGBT 直接串联变频器
• 2.2.6 单元串联多电平变频器
• 2.2.7 混合级联式多电平变频器
• 2.3 潜油电泵中压变频调速系统方案
• 第3章 单元串联多电平变频器硬件设计
• 3.1 单元串联多电平变频器电路分析
• 3.1.1 主电路分析
• 3.1.2 控制方式分析
• 3.2 主电路设计
• 3.2.1 主电路拓扑结构参数
• 3.2.2 电力电子器件选型
• 3.2.3 缓冲保护电路
• 3.2.4 预充电电路
• 3.3 控制电路设计
• 3.3.1 控制系统结构
• 3.3.2 DSP 最小系统
• 3.3.3 光纤通信电路
• 3.3.4 检测保护电路
• 3.3.5 PWM 隔离输出电路
• 3.3.6 OLED 显示电路
• 3.4 驱动电路设计
• 3.4.1 驱动器结构特点
• 3.4.2 欠压保护电路
• 3.4.3 输入保护电路
• 3.4.4 状态输出及复位电路
• 3.4.5 电源保护电路
• 3.4.6 驱动器与IGBT 接口电路
• 第4章 电磁兼容与抗干扰设计
• 4.1 电磁兼容性和电磁干扰概述
• 4.2 主电路电磁干扰分析
• 4.3 控制电路抗干扰设计
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢