中压变频调速系统试验

中压变频调速系统试验

秦凤龙

罗克韦尔自动化控制集成（哈尔滨）有限公司

黑龙江省哈尔滨市 150081

摘要：潜油电泵作为一种比较新型的机械采油设备，近十年来在我国已经得到广泛的应用，并得到不断完善和发展。潜油电泵采油方式井下工作的多级离心泵是同油管一起下入井内，地面电源通过变压器和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。

关键词：单元串联；中压变频；软件；

通过对现有潜油电泵采油驱动方式研究，分析潜油电泵、潜油电机特性及参数，变频条件下潜油电动机的负载特性，变频调速能够解决潜油电泵采油方式遇到的转速转矩不匹配问题。对现有中压变频调速系统进行比较，设计采用单元串联型作为主拓扑结构，控制系统结构采用与主电路拓扑结构相对应的结构。

一、脉冲宽度调制技术简介

脉冲宽度调制(PWM)技术，就是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的的一门技术。PWM控制的基本原理早在上世纪60年代就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约而发展缓慢，一直没有得到实际应用。直到进入上世纪80年代，随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，快速全控型电力电子器件性能越来越完善，PWM控制技术获得了空前的发展。现代控制技术主要有SPWM，SHEPWM，CHBPWM，SVPWM等方式。(1)正弦脉宽调制(SPWM)控制技术正弦脉宽调制(SPWM)的目的是使变压变频器输出的电压波尽量接近于正弦波，减少谐波，以满足交流电动机的需要。(2)消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术。采取措施以消除不允许存在的或影响较大的某几次谐波，如5、7、11、13等次谐波，构成近似的PWM波形，这种控制称作消除指定次数谐波的PWM(PWM．SHEPWM)控制技术。这种方法不宜用于实时控制，须用计算机离线求出开关角的数值，放入内存，以备控制时调用。(3)电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术。电流滞环跟踪控制是直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，使输出的电流接近于正弦波。(4)电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术。这种方法最终目的是在电动机空间形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电机视为一整体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果更好。磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称做电压空间矢量。

二、SPWM技术原理

正弦脉宽调制SPWM法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。设计所采用的是正弦脉宽调制(SPWM)控制技术，下面对这种调制方式进行介绍：正弦脉宽调制(SPWM)波形，就是与正弦等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积与一个与此面积相等的脉冲来代替，矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的重点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲波序列就与正弦波等效，SPwM波形就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。从SPWM调制脉冲的极性看，SPwM可分为两点式与三点式两种控制模式。(1)两点式SPWM模式：也称双极性SPWM模式，每个半周都是双极性跳变脉冲，每个等分上的正负面积之和(平均面积)按正弦规律变化，两电平跳变(Two Level)，即脉冲的占空比按正弦规律变化。(2)三点式SPWM模式：又称单极性SPWM模式。正半周均为正脉冲，负半周均为负脉冲，没有正、负两极性间的跳变。整个波形包含有三种电平，即 。两点式SPWM模式控制电路和主电路比较简单，三点式SPwM模式要比双极式SPWM模式输出电压中高次谐波分量小得多，因此当谐波分量相同时，三点式SPWM开关管的开关频率可以降低，从而开关损耗小，适合大功率负载，这是三点式SPWM法的一个优点。

三、电压频率协调控制

由电机调速原理可知，电压和频率必须协调控制才能保证磁通量恒定。逆变器不仅需要改变输出电压的频率，还需要同时改变基波电压有效值的大小，二者进行协调控制。输出基波电压和频率按照一定比例进行协调控制，即变压变频。正弦波的幅度与载波三角波的幅度之比m，定义为调制系数；通过改变调制波的频率可以实现变频。要实现U／f协调控制，则应当同时调节调制系数和调制波频率。在SPWM变频调速时，随着调制波频率的降低，应当同时调节调制系数m适当减小，使调制波的正弦幅度降低。通过改变调制波的幅度和频率，可以分别实现PWM逆变电路的变压变频。

四、调制方式

1.载波和调制波的频率调制可以有以下三种方式：(1)同步控制方式。在调整调制波频率的同时也相应的调整载波频率，使两者的比值等于常数。这使得在逆变器输出电压的每个周期内，所使用的三角波的数目是不变的，因此所产生的SPWM波的脉冲数是一定的。这种控制方式的优点是，在调制波频率变化的范围内，逆变器输出波形的正负半波完全对称，使输出三角波形之间具有1200相差对称关系。但是，在低频时候，会使每个周期SPwM脉冲个数过少，使谐波分量加大，这是这种方式的不足。(2)异步控制方式。异步控制方式是使载波频率固定不变，只调整调制波频率进行调速。它不存在同步控制方式所产生的低频谐波分量大的缺点，但是，它可能会造成逆变器输出的正半波与负半波，三相波之间出现不严格对称现象，这将造成电动机运行不平稳。(3)分段同步控制。针对同步控制和异步控制的特点，取他们的优点，就构成了分段同步控制方式。在低频段，使用异步控制方式；在其他频率段，使用同步控制方式，这种方式在实际中应用较多。

2.脉宽调制的制约条件。逆变器主电路的电力电子开关器件在输出电压周期内需要开关n次，把期望的正弦波分段越多，则n越大，脉冲波序列的脉宽越小，SPWM波的基波更加接近于正弦波。但是电力电子器件本身的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术必然需要受到一定的制约，表现在以下两个方面：(1)电力电子器件的开关频率。各种电力电子开关器件的开关频率受到固有开关时间和开关损耗的限制。为了使逆变器的输出尽量接近于正弦波，应尽可能增大载波比，但从电力电子开关器件本身允许的开关频率来看，载波比又不能太大。(2)最小间歇时间与调制度。为了保证电路开关器件的工作，必须使调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间，而最小脉冲间歇时间大于器件的关断时间。

3.SPWM逆变器特点。由以上的分析可以看出，从调压调频的方便和为了减少谐波的角度来讲，SPWM逆变器有明显的优点：(1)既可以分别调压调频，又可以同时调压调频，都由逆变器统一完成，主电路和控制电路简单，装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。(2)直流电压可由二极管整流获得，交流网侧的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1。(3)输出频率和电压都在逆变器中实现控制和调节，其响应的速度取决于控制回路，而与直流回路的滤波电容参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。(4)输出电压和电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。

总之，系统还有很多需要完善改进的地方，首先同步机制进一步完善，设计的特点重点体现在采用异步通信方式实现了各个功率单元之间在一定误差允许范围内同步工作，但是还是存在一定的问题。因此，需要进一步完善同步机制，加强CAN通信功能同步机制的完善。其次采用谐波分量更少的PWM方式，但要兼顾开关频率的问题。IGBT模块控制的方式，决定了变频调速系统输出的结果优劣。

参考文献：

[1[关萍．浅谈中压变频调速系统试验.2019.

[2]张亮．潜油电泵中压变频调速系统的研究.2018.