变压器磁饱和对低压变频器驱动高压潜油电机系统影响

2017-08-08安健辰郝丽翠栾德爵李志鹏李继承

电源学报 2017年4期

关键词：潜油正弦波三相

张嵘，安健辰，郝丽翠，栾德爵，李志鹏，李继承

（中海油能源发展股份有限公司工程技术公司，天津300452）

变压器磁饱和对低压变频器驱动高压潜油电机系统影响

张嵘，安健辰，郝丽翠，栾德爵，李志鹏，李继承

（中海油能源发展股份有限公司工程技术公司，天津300452）

介绍了海上采油平台上实际应用的一种低压变频器驱动的高压潜油电机系统构成，论述了系统中低电压变频器、三相正弦波滤波器、三相升压变压器、三芯长电缆和高压潜油电机等关键设备的选取原则。系统中的三相升压变压器主磁路磁密设计值比较低，以防止变频器采取低频电压补偿恒压频比控制方式起动潜油电机时，由于磁路饱和而引起的变频器输出电流直流暂态分量过大现象。为此，搭建了低频变频器高压驱动高压潜油电机系统仿真模型。仿真结果表明，该直流暂态电流分量幅值较大、衰减速度较慢。

变频器；潜油电机；磁饱和；变压器；滤波器

海上采油平台与井下潜油电机距离至少几km，只有采用高压潜油电机即高压潜油感应电动机驱动的潜油泵，才能达到减小馈电线缆线径、预留较细油井管更多空间、降低电缆电损和投资、提升系统效率和降低采油成本的目的。当采用变频器为潜油电机供电时，还可以根据井况随时调整排量，进一步提高系统效率，降低采油成本[1-3]。

变频器可以直接选用高压变频器，也可以选用低压变频器再升压两种系统方案[4-5]。不论是采用低压变频器，还是采用高压变频器，为了削弱变频器输出的PWM脉宽调制电压脉冲经长馈电线缆传输而产生的电压反射现象对潜油电机及电缆造成的危害[6-7]，都需要在变频器三相输出端接入正弦波滤波器[8-9]，将大部分以载波频率为主的高频电压滤除，得到接近于正弦的基波电压。采用高压变频器时，变频器输出经正弦波滤波器后通过长馈电线缆直接送至井下高压潜油电机。采用低压变频器时，还需要在正弦波滤波器后增设一台升压变压器，将接近于正弦的基波电压升压后经长馈电线缆送至高压潜油电机。由于高压变频器价格较高，海上采油平台通常采用低压变频器驱动方案。

在低压变频器驱动方案中，不应像一般电力变压器磁路设计那样将升压变压器主磁通工作点设计在磁化曲线的“膝点”附近，防止低频电压补偿提高潜油电机起动性能时升压变压器磁路饱和而需要过大的励磁电流，出现变频器过流现象。

本文结合中海油采油平台实际应用的低压变频器驱动的高压潜油电机系统进行详细分析。

1 低压变频器驱动的高压潜油电机系统

低压变频器驱动的高压潜油电机系统框图如图1所示。它主要由低电压变频器、三相正弦波滤波器、三相升压变压器、三芯长电缆和高压潜油电机等构成。

图1 低压变频器驱动的高压潜油电机系统框图Fig.1 Block diagram of high-voltage submersible motor system driven by low-voltage frequency converter

低压变频器由三相工频380 V交流电源供电。三相工频交流电经具有整流、滤波和逆变功能的通用变频器输出调制（基波）电压和频率连续可变的三相PWM电压。当变频器与升压变压器之间串入三相LC低通滤波器即三相正弦波滤波器后，正弦波滤波器对变频器输出PWM电压中的低频基波电压产生很小的衰减，而将PWM电压中以载波频率为主的高频电压绝大部分降落在滤波电感上，滤波电容上只有极小的高频电压，即只有极小的高频电压施加到三相升压变压器的低压输入侧；此极小的高频电压经三相升压变压器铁心进一步衰减，高压侧三相输出电压即为低频正弦基波电压；而三芯长馈电线缆中的高频损耗得到有效的抑制。

在工作参数设定合适情况下，高压潜油电机可以得到幅值和频率满足工况要求的基波工作电压，高压潜油，电机安全运行。

1.1 高压潜油感应电动机

受油井管直径限制高压潜油感应电动机直径很小而长度很长，为两极鼠笼转子。潜油电机的定子、转子由等长度多段串联组成，每两节转子间都有扶正轴承，以保证潜油电机运转过程中其挠度不超过限定值。而且潜油电机为密闭式，定转子间充满精炼矿物油，同时起到绝缘、润滑、散热的作用。

所用高压潜油感应电动机额定参数为：额定功率111 kW，额定电压 1 620 V，额定电流 51 A，额定频率50 Hz，额定转速2 898.72 r/min，定子电阻0.567 Ω，定子漏抗 1.508 Ω，转子电阻 0.644 Ω，转子漏抗 2.01 Ω，励磁电抗 50.01 Ω。

1.2 低压变频器

低压变频器选用通用的变压变频（VVVF）变频器。由于正弦波滤波器、升压变压器、长电缆和电机定子的阻抗，特别是它们的内部电阻在低频时会形成不容忽略的电阻压降，造成施加到电机机端侧的电压偏低，电机主磁通偏小，电磁转矩过低无法启动高压潜油感应电动机。因此，变频器必须在低频电压补偿条件下的恒压频比控制模式下工作。低频电压补偿必须依据现场电网电源电压和井况设置的合适，才能达到好的运行效果。若欠补偿，则气隙磁场较低，电机有功电流太大，变频器输出电流大，不合理；若过补偿，则气隙磁场较强，虽然电机有功电流不大，但是受磁路饱和的影响励磁电流过大，变频器输出电流大，也不合理。此外，为了达到潜油电机在整个运行频率区间运行时，变频器输出正常，电机运行平稳的效果，还要设置好变频器额定工作频率，使得在任何频率下，气隙磁场基本保持为额定值，电机具有较好的运行特性。

低压变频器额定参数：额定输入电压380 V，额定输出电流200 A。

1.3 三相正弦波滤波器

三相LC低通滤波器也即三相正弦波滤波器，其三相电感分别串联在三相主电路中，三相电容并联于三相输出端；三相电容既可以角接也可以星接，三相电容在角接时比星接时所承受的电压高倍，而容值却仅为后者的1/3，因此工程上一般选择角接。三相正弦波滤波器的三相输出端直接与三相升压变压器的低压侧连接。三相正弦波滤波器电路原理如图2所示。

图2 三相正弦波滤波器电路原理Fig.2 Schematic diagram of three-phase sine wave filter

三相正弦波滤波器设计时主要工作是滤波器的谐振频率、电感和电容3个参数的确定。

正弦波滤波器的谐振频率f0应介于潜油电机基波最高工作频率f1max与变频器载波频率fc之间。在忽略电感和电容的内阻的情况下，三相正弦波滤波器的谐振频率为

式中：f0为三相正弦波滤波器谐振频率，Hz；L为滤波电感，H；C 为滤波电容，F。

一般情况，潜油电机在基波额定工作频率fN下带额定负载运行时滤波电感上的基波电流压降不要超过15 V，即

式中，IN为变频器输出的额定电流，A。

根据变频器和感应潜油感应电动机额定参数可知：fN=50 Hz，IN=200 A。若取 L=0.233 mH，则由式（2）可得 UL=14.6 V。若取 C=60 μF，由式（1）可得正弦波滤波器的谐振频率f0=777.1 Hz。

当取变频器载波频率fc=4 kHz时，f0/fN=15.54，fc/f0=5.15。而XL/XC=26.5，幅值很高的载波频率电压绝大部分降落在滤波电感上，滤波电容上的载波频率电压很低，与滤波电容并联的升压变压器的低压侧所输入的载波频率电压得到了有效衰减，升压变压器输入电压已经是接近于正弦形的基波电压了。

1.4 三相升压变压器

考虑到潜油感应电动机起动时变频器必须采取低频电压补偿，以克服线路的电阻压降，保障潜油电机主磁通基本恒定而保持为额定值，能够产生足够的起动电磁转矩。起动时，潜油电机输入端电压的压频比合适了，而三相升压变压器输入端电压的压频比增大很多，变压器的主磁通相应地要增大，为了避免变压器铁心出现饱和现象而造成励磁电流急剧增高，则变压器的磁化曲线的工作点应选择在较低处，主磁路的磁密应设计得比较低。

若按普通变压器设计时那样将工作点应选择在磁化曲线的“膝点”附近，起动时，会出现类似于“变压器空载合闸”那样出现冲击电流，出现幅值较大持续时间很长的暂态电流，导致变频器过流保护，系统无法起动。

三相升压变压器为三相心式变压器，低压侧三相线圈角接，为空载励磁电流的3次谐波电流提供通路，保障主磁通为正弦形，由它感应的相电动势也是正弦形。高压侧线圈设有多个抽头（分接头），用以调节高压线圈的匝数；同时设有转接开关，通过转接开关将三相高压线圈接成角接或星接形式。通过变换高压线圈抽头与转接开关位置的位置组合调节变压器变比，以调节高压侧电压输出的大小，达到在不同的工况下系统运行损耗最低的效果。因此当潜油电机转速低时，升压变压器可接成Dd0连接组形式；当转速较高时，升压变压器可接成Yd0连接组形式。由于潜油电机在某一转速及某工况下运行时，潜油电机输入的电压和电流是确定的，若变压器选择变比小的连接方式，则低压侧电流将会较小，变压器低压侧的铜耗以及变频器和滤波器上的损耗都会相应减少，系统效率高。

实际使用的三相升压变压器的视在功率为260 kVA，电压变比为（1.12～4.569）/0.48 kV。

1.5 三芯馈电电缆

在工程实际中，若变频器通过长馈电电缆直接连接到潜油电机时，变频器输出的PWM脉冲经长馈电电缆传到潜油电机时，由于潜油电机的输入阻抗与长馈电电缆的特征阻抗不一致，出现电压反射现象，导致潜油电机机端过电压，造成电机和线缆绝缘老化加速，缩短系统使用寿命。

低压变频器驱动的高压潜油电机系统中，低压变频器直接输出给三相正弦波滤波器，正弦波滤波器对低频基波工作电压产生很小的衰减，高频电压绝大部分降落在滤波电感上，只有极小的高频电压施加到三相升压变压器的低压输入侧，该极小的高频电压再经三相升压变压器铁心进一步衰减，三相升压变压器高压侧三相输出电压已几乎就是低频基波工作电压了；输入到三芯长电缆的高频电压得到有效的抑制，电机和线缆绝缘老化速度减缓，使用寿命大大提高。

实际采用的三芯馈电电缆参数为：导体截面42 mm2，分布电阻 0.423 2 Ω/km，分布电感 0.213 4 mH/km，分布电容 0.300 2 μF/km。

2 系统仿真分析

搭建低压变频器驱动高压潜油电机系统的仿真模型，如图3所示，模拟系统起动时的运行情况。仿真参数设定如下：升压变压器变比为2.57，变频器额定频率为26 Hz，低频补偿电压为额定电压的13%，稳定工作时潜油电机频率为20 Hz。驱动额定转矩的负载起动。变压器磁化曲线如图4所示，其线性与非线性饱和磁化曲线仿真结果分别如图5和图6所示。

图3 低压变频器驱动的高压潜油电机系统仿真模型Fig.3 Simulation model of high-voltage submersible motor system driven by low-voltage inverter

图4 变压器的磁化曲线Fig.4 Magnetization curves of transformer

对比图5和图6所示的升压变压器磁路不饱和与饱和时的仿真结果可见，两种情况下，图5(a)和图6（a）所示的变频器三相输出电流波形有明显不同，A和C两相同时出现了幅值较大、B相幅值较小但持续时间同样很长的直流暂态电流，C相的相电流第一个周波最大峰值由磁路不饱和时的200 A增大到310 A，时间经过4 s后电机进入稳态运行时该直流暂态电流还存在，它造成了变频器输出电流过大，变频器、正弦波滤波器升压变压器电压侧损耗增加；如果升压变压器的磁路饱和程度还高，该直流暂态电流还会更高，严重时变频器因过流保护而造成系统无法起动。由图5（b）和图6（b）所示的变压器三相输入电压可见，正弦波滤波器已经将变频器输出PWM脉冲电压中载波频率电压分量极大地滤除了，得到了低频正弦波工作电压。图5（f）和图 6（f）所示的潜油电机电磁转矩波形略有差异，由于升压变压器磁路饱和造成变压器输出谐波电压略有增加，谐波电压使得潜油电机电磁转矩波动变大。两种情况下，图5和图6中其他各图中变压器三相输入电压、变压器三相输出电压、潜油电机三相输入电压、潜油电机三相电流波形基本相同。

图5 变压器磁路不饱和时的仿真结果Fig.5 Simulation results of transformer when magnetic circuit is not saturated

图6 变压器磁路饱和时的仿真结果Fig.6 Simulation results of transformer when magnetic circuit is saturated

3 结论

（1）海上采油平台低压变频器驱动的高压潜油电机系统不仅能够降低变频器费用，减少电缆电损和投资，还可以根据井况随时调整排量，提高系统效率，降低采油成本。

（2）变频器输出PWM脉冲中的高频载波电压经正弦波滤波器得到了大幅地滤除，极大地减轻了高频电压对变压器、长馈电线缆和高压潜油电机的负面影响。

（3）不能像一般电力变压器磁路设计那样将升压变压器额定运行时主磁通工作点设计在磁化曲线的"膝点"附近，变压器主磁路的磁密不应设计的太高，以防止低频电压补偿恒压频比控制方式起动潜油电机时由于变压器磁路饱和而引起的变频器输出的电流直流暂态分量幅值较大，持续时间很长，从而所导致的变频器过流保护，电机电磁转矩脉动增加，系统无法起动等后果。

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Influence of Transformer Magnetic Saturation on Low-voltage Frequency Converter Driving High-voltage Submersible Motor System

ZHANG Rong,AN Jianchen,HAO Licui,LUAN Dejue,LI Zhipeng,LI Jicheng
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.,Tianjin 300452,China）

This paper introduces the construction of a high-voltage submersible motor system driven by low-voltage frequency converter on offshore oil extraction platform,and presents the selection principles of low voltage frequency converter,three-phase sine wave filter,three-phase step-up transformer,three-core long cable,high pressure submersible motor and other key equipments.In the paper， main magnetic circuit’s magnetic density of three-phase step-up transformer should be designed relatively low,which can prevent the phenomenon that the frequency converter output current’s DC transient component is too large due to magnetic saturation when frequency converter takes mode of lowfrequency voltage compensation with constant ratio of voltage and requency to drive the submersible motor.Simulation model of a high-voltage submersible motor system driven by low-voltage frequency converter is sets up.The simulation results show that the DC transient current component is large and the decay rate is slow.

frequency converter;submersible motor;magnetic saturation;transformer;filter