基于变频器供电的潜油电机的性能分析

论文摘要

目前,潜油电机作为油田开采中重要的机械装备,已经在各大油田得到了广泛的应用,成为油田长期稳产的主要手段之一。而变频技术的应用则使潜油电机的特性和油井生产能力充分匹配,从而极大的提高了整个潜油电泵机组的运行效率。但是同时它也带来了一系列负面问题,如逆变器电源中存在的高次谐波会引起附加铜耗、铁耗的增加从而导致潜油电机温升的增加,以及使用长线电缆传输时由于端部过电压现象导致绝缘系统的损坏。本文针对实际生产中所遇到的上述问题,对为潜油电机供电用的Siemens 6SE70变频器进行重构建模,通过仿真分析,得到了各高次谐波的次数、方向及其占基波的百分比含量。利用上述数据,计算出了变频供电时潜油电机铜耗、铁耗的增量,此损耗的增加直接导致潜油电机的效率下降了0.72%,由此可见高次谐波对潜油电机效率的影响很大,不可忽略,在实际生产过程中应给予充分考虑。同时,本文也对变频供电时潜油电机采用长线传输出现的过电压问题进行了理论分析及仿真研究。长线传输时,由于电缆和电机特性阻抗的不匹配导致了电机端过电压现象的发生;并且随着电缆长度的增加,过电压幅值增大,振荡频率增高,从而加重了对潜油电机绕组绝缘的损坏。为抑制端部过电压现象,可在变频器端利用无源滤波技术进行滤除高次谐波的方法,亦可采用改进潜油电机设计参数方法(如增加槽漏抗)来减小高次谐波。较之工频供电时,变频供电时潜油电机的性能发生了较大的变化,通过本文的分析研究,可通过一些技术手段来抑制或减小其不利影响,从而使变频供电时潜油电机的效率达到最高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 潜油电泵系统概述
• 1.1.1 潜油电泵系统的发展概况
• 1.1.2 潜油电泵系统的组成
• 1.2 异步电动机交流调速
• 1.2.1 改变转差率调速
• 1.2.2 变极调速
• 1.2.3 变频调速
• 1.3 课题来源、背景及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源及背景
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第2章 变频调速对潜油电机的影响
• 2.1 潜油电泵变频调速系统的整体设计
• 2.2 潜油电机结构详述
• 2.3 变频变压调速的基本控制方式
• 2.3.1 基频以下调速
• 2.3.2 基频以上的弱磁调速
• 2.4 变频调速下潜油电机的负载特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 SPWM 逆变电路电源谐波频谱分析
• 3.1 谐波及谐波分析
• 3.2 SPWM 逆变电路
• 3.2.1 SPWM 控制
• 3.2.2 SPWM 逆变电路原理
• 3.3 SPWM 数学模型的建立及分析
• 3.3.1 MATLAB 仿真软件及Simulink 介绍
• 3.3.2 SPWM 逆变电路原理仿真数学模型的建立
• 3.4 SPWM 逆变电路输出谐波分析
• 3.5 不同参数下谐波对负载的影响
• 3.5.1 改变调制比α
• 3.5.2 改变载波比N
• 3.6 潜油电机用变频器的谐波分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 高次谐波对潜油电机损耗的影响
• 4.1 高次谐波等效电路问题描述
• 4.1.1 高次谐波等效电路简化
• 4.1.2 高次谐波电流
• 4.2 高次谐波转矩
• 4.2.1 稳定谐波转矩
• 4.2.2 脉动谐波转矩
• 4.3 高次谐波电流对潜油电机转子铜耗的影响
• 4.4 高次谐波电流对潜油电机铁耗的影响
• 4.5 实例计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 变频供电时潜油电机采用长线传输的过电压
• 5.1 电机端过电压现象的仿真及原因分析
• 5.1.1 电机端过电压现象及仿真
• 5.1.2 电机端过电压现象的原因分析
• 5.2 PWM 脉冲波在电缆上的传输反射过程
• 5.3 PWM 脉冲波上升时间的影响
• 5.4 电缆长度对过电压现象的影响
• 5.4.1 电缆模型的建立
• 5.4.2 电机模型的建立
• 5.4.3 仿真结果分析
• 5.5 潜油电机端过电压解决方案的探讨
• 5.5.1 零电压开关方法抑制du dt
• 5.5.2 在交流输出侧接入交流电抗器
• 5.5.3 改进潜油电机的内部结构
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢