張 嶸，安健辰，郝麗翠，欒德爵，李志鵬，李繼承

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司，天津300452）

變壓器磁飽和對低壓變頻器驅(qū)動高壓潛油電機系統(tǒng)影響

張 嶸，安健辰，郝麗翠，欒德爵，李志鵬，李繼承

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司，天津300452）

介紹了海上采油平臺上實際應(yīng)用的一種低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)構(gòu)成，論述了系統(tǒng)中低電壓變頻器、三相正弦波濾波器、三相升壓變壓器、三芯長電纜和高壓潛油電機等關(guān)鍵設(shè)備的選取原則。系統(tǒng)中的三相升壓變壓器主磁路磁密設(shè)計值比較低，以防止變頻器采取低頻電壓補償恒壓頻比控制方式起動潛油電機時，由于磁路飽和而引起的變頻器輸出電流直流暫態(tài)分量過大現(xiàn)象。為此，搭建了低頻變頻器高壓驅(qū)動高壓潛油電機系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，該直流暫態(tài)電流分量幅值較大、衰減速度較慢。

變頻器；潛油電機；磁飽和；變壓器；濾波器

海上采油平臺與井下潛油電機距離至少幾km，只有采用高壓潛油電機即高壓潛油感應(yīng)電動機驅(qū)動的潛油泵，才能達到減小饋電線纜線徑、預(yù)留較細油井管更多空間、降低電纜電損和投資、提升系統(tǒng)效率和降低采油成本的目的。當采用變頻器為潛油電機供電時，還可以根據(jù)井況隨時調(diào)整排量，進一步提高系統(tǒng)效率，降低采油成本[1-3]。

變頻器可以直接選用高壓變頻器，也可以選用低壓變頻器再升壓兩種系統(tǒng)方案[4-5]。不論是采用低壓變頻器，還是采用高壓變頻器，為了削弱變頻器輸出的PWM脈寬調(diào)制電壓脈沖經(jīng)長饋電線纜傳輸而產(chǎn)生的電壓反射現(xiàn)象對潛油電機及電纜造成的危害[6-7]，都需要在變頻器三相輸出端接入正弦波濾波器[8-9]，將大部分以載波頻率為主的高頻電壓濾除，得到接近于正弦的基波電壓。采用高壓變頻器時，變頻器輸出經(jīng)正弦波濾波器后通過長饋電線纜直接送至井下高壓潛油電機。采用低壓變頻器時，還需要在正弦波濾波器后增設(shè)一臺升壓變壓器，將接近于正弦的基波電壓升壓后經(jīng)長饋電線纜送至高壓潛油電機。由于高壓變頻器價格較高，海上采油平臺通常采用低壓變頻器驅(qū)動方案。

在低壓變頻器驅(qū)動方案中，不應(yīng)像一般電力變壓器磁路設(shè)計那樣將升壓變壓器主磁通工作點設(shè)計在磁化曲線的“膝點”附近，防止低頻電壓補償提高潛油電機起動性能時升壓變壓器磁路飽和而需要過大的勵磁電流，出現(xiàn)變頻器過流現(xiàn)象。

本文結(jié)合中海油采油平臺實際應(yīng)用的低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)進行詳細分析。

1 低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)

低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)框圖如圖1所示。它主要由低電壓變頻器、三相正弦波濾波器、三相升壓變壓器、三芯長電纜和高壓潛油電機等構(gòu)成。

圖1 低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of high-voltage submersible motor system driven by low-voltage frequency converter

低壓變頻器由三相工頻380 V交流電源供電。三相工頻交流電經(jīng)具有整流、濾波和逆變功能的通用變頻器輸出調(diào)制（基波）電壓和頻率連續(xù)可變的三相PWM電壓。當變頻器與升壓變壓器之間串入三相LC低通濾波器即三相正弦波濾波器后，正弦波濾波器對變頻器輸出PWM電壓中的低頻基波電壓產(chǎn)生很小的衰減，而將PWM電壓中以載波頻率為主的高頻電壓絕大部分降落在濾波電感上，濾波電容上只有極小的高頻電壓，即只有極小的高頻電壓施加到三相升壓變壓器的低壓輸入側(cè)；此極小的高頻電壓經(jīng)三相升壓變壓器鐵心進一步衰減，高壓側(cè)三相輸出電壓即為低頻正弦基波電壓；而三芯長饋電線纜中的高頻損耗得到有效的抑制。

在工作參數(shù)設(shè)定合適情況下，高壓潛油電機可以得到幅值和頻率滿足工況要求的基波工作電壓，高壓潛油，電機安全運行。

1.1 高壓潛油感應(yīng)電動機

受油井管直徑限制高壓潛油感應(yīng)電動機直徑很小而長度很長，為兩極鼠籠轉(zhuǎn)子。潛油電機的定子、轉(zhuǎn)子由等長度多段串聯(lián)組成，每兩節(jié)轉(zhuǎn)子間都有扶正軸承，以保證潛油電機運轉(zhuǎn)過程中其撓度不超過限定值。而且潛油電機為密閉式，定轉(zhuǎn)子間充滿精煉礦物油，同時起到絕緣、潤滑、散熱的作用。

所用高壓潛油感應(yīng)電動機額定參數(shù)為：額定功率111 kW，額定電壓 1 620 V，額定電流 51 A，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速2 898.72 r/min，定子電阻0.567 Ω，定子漏抗 1.508 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 0.644 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗 2.01 Ω，勵磁電抗 50.01 Ω。

1.2 低壓變頻器

低壓變頻器選用通用的變壓變頻（VVVF）變頻器。由于正弦波濾波器、升壓變壓器、長電纜和電機定子的阻抗，特別是它們的內(nèi)部電阻在低頻時會形成不容忽略的電阻壓降，造成施加到電機機端側(cè)的電壓偏低，電機主磁通偏小，電磁轉(zhuǎn)矩過低無法啟動高壓潛油感應(yīng)電動機。因此，變頻器必須在低頻電壓補償條件下的恒壓頻比控制模式下工作。低頻電壓補償必須依據(jù)現(xiàn)場電網(wǎng)電源電壓和井況設(shè)置的合適，才能達到好的運行效果。若欠補償，則氣隙磁場較低，電機有功電流太大，變頻器輸出電流大，不合理；若過補償，則氣隙磁場較強，雖然電機有功電流不大，但是受磁路飽和的影響勵磁電流過大，變頻器輸出電流大，也不合理。此外，為了達到潛油電機在整個運行頻率區(qū)間運行時，變頻器輸出正常，電機運行平穩(wěn)的效果，還要設(shè)置好變頻器額定工作頻率，使得在任何頻率下，氣隙磁場基本保持為額定值，電機具有較好的運行特性。

低壓變頻器額定參數(shù)：額定輸入電壓380 V，額定輸出電流200 A。

1.3 三相正弦波濾波器

三相LC低通濾波器也即三相正弦波濾波器，其三相電感分別串聯(lián)在三相主電路中，三相電容并聯(lián)于三相輸出端；三相電容既可以角接也可以星接，三相電容在角接時比星接時所承受的電壓高倍，而容值卻僅為后者的1/3，因此工程上一般選擇角接。三相正弦波濾波器的三相輸出端直接與三相升壓變壓器的低壓側(cè)連接。三相正弦波濾波器電路原理如圖2所示。

圖2 三相正弦波濾波器電路原理Fig.2 Schematic diagram of three-phase sine wave filter

三相正弦波濾波器設(shè)計時主要工作是濾波器的諧振頻率、電感和電容3個參數(shù)的確定。

正弦波濾波器的諧振頻率f0應(yīng)介于潛油電機基波最高工作頻率f1max與變頻器載波頻率fc之間。在忽略電感和電容的內(nèi)阻的情況下，三相正弦波濾波器的諧振頻率為

式中：f0為三相正弦波濾波器諧振頻率，Hz；L為濾波電感，H；C 為濾波電容，F(xiàn)。

一般情況，潛油電機在基波額定工作頻率fN下帶額定負載運行時濾波電感上的基波電流壓降不要超過15 V，即

式中，IN為變頻器輸出的額定電流，A。

根據(jù)變頻器和感應(yīng)潛油感應(yīng)電動機額定參數(shù)可知：fN=50 Hz，IN=200 A。若取 L=0.233 mH，則由式（2）可得 UL=14.6 V。 若取 C=60 μF，由式（1）可得正弦波濾波器的諧振頻率f0=777.1 Hz。

當取變頻器載波頻率fc=4 kHz時，f0/fN=15.54，fc/f0=5.15。而XL/XC=26.5，幅值很高的載波頻率電壓絕大部分降落在濾波電感上，濾波電容上的載波頻率電壓很低，與濾波電容并聯(lián)的升壓變壓器的低壓側(cè)所輸入的載波頻率電壓得到了有效衰減，升壓變壓器輸入電壓已經(jīng)是接近于正弦形的基波電壓了。

1.4 三相升壓變壓器

考慮到潛油感應(yīng)電動機起動時變頻器必須采取低頻電壓補償，以克服線路的電阻壓降，保障潛油電機主磁通基本恒定而保持為額定值，能夠產(chǎn)生足夠的起動電磁轉(zhuǎn)矩。起動時，潛油電機輸入端電壓的壓頻比合適了，而三相升壓變壓器輸入端電壓的壓頻比增大很多，變壓器的主磁通相應(yīng)地要增大，為了避免變壓器鐵心出現(xiàn)飽和現(xiàn)象而造成勵磁電流急劇增高，則變壓器的磁化曲線的工作點應(yīng)選擇在較低處，主磁路的磁密應(yīng)設(shè)計得比較低。

若按普通變壓器設(shè)計時那樣將工作點應(yīng)選擇在磁化曲線的“膝點”附近，起動時，會出現(xiàn)類似于“變壓器空載合閘”那樣出現(xiàn)沖擊電流，出現(xiàn)幅值較大持續(xù)時間很長的暫態(tài)電流，導(dǎo)致變頻器過流保護，系統(tǒng)無法起動。

三相升壓變壓器為三相心式變壓器，低壓側(cè)三相線圈角接，為空載勵磁電流的3次諧波電流提供通路，保障主磁通為正弦形，由它感應(yīng)的相電動勢也是正弦形。高壓側(cè)線圈設(shè)有多個抽頭（分接頭），用以調(diào)節(jié)高壓線圈的匝數(shù)；同時設(shè)有轉(zhuǎn)接開關(guān)，通過轉(zhuǎn)接開關(guān)將三相高壓線圈接成角接或星接形式。通過變換高壓線圈抽頭與轉(zhuǎn)接開關(guān)位置的位置組合調(diào)節(jié)變壓器變比，以調(diào)節(jié)高壓側(cè)電壓輸出的大小，達到在不同的工況下系統(tǒng)運行損耗最低的效果。因此當潛油電機轉(zhuǎn)速低時，升壓變壓器可接成Dd0連接組形式；當轉(zhuǎn)速較高時，升壓變壓器可接成Yd0連接組形式。由于潛油電機在某一轉(zhuǎn)速及某工況下運行時，潛油電機輸入的電壓和電流是確定的，若變壓器選擇變比小的連接方式，則低壓側(cè)電流將會較小，變壓器低壓側(cè)的銅耗以及變頻器和濾波器上的損耗都會相應(yīng)減少，系統(tǒng)效率高。

實際使用的三相升壓變壓器的視在功率為260 kVA，電壓變比為（1.12～4.569）/0.48 kV。

1.5 三芯饋電電纜

在工程實際中，若變頻器通過長饋電電纜直接連接到潛油電機時，變頻器輸出的PWM脈沖經(jīng)長饋電電纜傳到潛油電機時，由于潛油電機的輸入阻抗與長饋電電纜的特征阻抗不一致，出現(xiàn)電壓反射現(xiàn)象，導(dǎo)致潛油電機機端過電壓，造成電機和線纜絕緣老化加速，縮短系統(tǒng)使用壽命。

低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)中，低壓變頻器直接輸出給三相正弦波濾波器，正弦波濾波器對低頻基波工作電壓產(chǎn)生很小的衰減，高頻電壓絕大部分降落在濾波電感上，只有極小的高頻電壓施加到三相升壓變壓器的低壓輸入側(cè)，該極小的高頻電壓再經(jīng)三相升壓變壓器鐵心進一步衰減，三相升壓變壓器高壓側(cè)三相輸出電壓已幾乎就是低頻基波工作電壓了；輸入到三芯長電纜的高頻電壓得到有效的抑制，電機和線纜絕緣老化速度減緩，使用壽命大大提高。

實際采用的三芯饋電電纜參數(shù)為：導(dǎo)體截面42 mm2，分布電阻 0.423 2 Ω/km，分布電感 0.213 4 mH/km，分布電容 0.300 2 μF/km。

2 系統(tǒng)仿真分析

搭建低壓變頻器驅(qū)動高壓潛油電機系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示，模擬系統(tǒng)起動時的運行情況。仿真參數(shù)設(shè)定如下：升壓變壓器變比為2.57，變頻器額定頻率為26 Hz，低頻補償電壓為額定電壓的13%，穩(wěn)定工作時潛油電機頻率為20 Hz。驅(qū)動額定轉(zhuǎn)矩的負載起動。變壓器磁化曲線如圖4所示，其線性與非線性飽和磁化曲線仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖3 低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of high-voltage submersible motor system driven by low-voltage inverter

圖4 變壓器的磁化曲線Fig.4 Magnetization curves of transformer

對比圖5和圖6所示的升壓變壓器磁路不飽和與飽和時的仿真結(jié)果可見，兩種情況下，圖5(a)和圖6（a）所示的變頻器三相輸出電流波形有明顯不同，A和C兩相同時出現(xiàn)了幅值較大、B相幅值較小但持續(xù)時間同樣很長的直流暫態(tài)電流，C相的相電流第一個周波最大峰值由磁路不飽和時的200 A增大到310 A，時間經(jīng)過4 s后電機進入穩(wěn)態(tài)運行時該直流暫態(tài)電流還存在，它造成了變頻器輸出電流過大，變頻器、正弦波濾波器升壓變壓器電壓側(cè)損耗增加；如果升壓變壓器的磁路飽和程度還高，該直流暫態(tài)電流還會更高，嚴重時變頻器因過流保護而造成系統(tǒng)無法起動。由圖5（b）和圖6（b）所示的變壓器三相輸入電壓可見，正弦波濾波器已經(jīng)將變頻器輸出PWM脈沖電壓中載波頻率電壓分量極大地濾除了，得到了低頻正弦波工作電壓。圖5（f）和圖 6（f）所示的潛油電機電磁轉(zhuǎn)矩波形略有差異，由于升壓變壓器磁路飽和造成變壓器輸出諧波電壓略有增加，諧波電壓使得潛油電機電磁轉(zhuǎn)矩波動變大。兩種情況下，圖5和圖6中其他各圖中變壓器三相輸入電壓、變壓器三相輸出電壓、潛油電機三相輸入電壓、潛油電機三相電流波形基本相同。

圖5 變壓器磁路不飽和時的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of transformer when magnetic circuit is not saturated

圖6 變壓器磁路飽和時的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of transformer when magnetic circuit is saturated

3 結(jié)論

（1）海上采油平臺低壓變頻器驅(qū)動的高壓潛油電機系統(tǒng)不僅能夠降低變頻器費用，減少電纜電損和投資，還可以根據(jù)井況隨時調(diào)整排量，提高系統(tǒng)效率 ，降低采油成本。

（2）變頻器輸出PWM脈沖中的高頻載波電壓經(jīng)正弦波濾波器得到了大幅地濾除，極大地減輕了高頻電壓對變壓器、長饋電線纜和高壓潛油電機的負面影響。

（3）不能像一般電力變壓器磁路設(shè)計那樣將升壓變壓器額定運行時主磁通工作點設(shè)計在磁化曲線的"膝點"附近，變壓器主磁路的磁密不應(yīng)設(shè)計的太高，以防止低頻電壓補償恒壓頻比控制方式起動潛油電機時由于變壓器磁路飽和而引起的變頻器輸出的電流直流暫態(tài)分量幅值較大，持續(xù)時間很長，從而所導(dǎo)致的變頻器過流保護，電機電磁轉(zhuǎn)矩脈動增加，系統(tǒng)無法起動等后果。

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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

張嶸

張嶸（1983-），男，通信作者，本科，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：zhan grong2@cnooc.com.cn。

安健辰（1979-），男，碩士，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：anjch@cno oc.com.cn。

郝麗翠（1984-），女，碩士，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：haolc@cno oc.com.cn。

欒德爵（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：luandj@cno oc.com.cn。

李志鵬（1983-），男，本科，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：lizhp3@cno oc.com.cn。

李繼承（1981-），男，本科，工程師，研究方向：工業(yè)控制技術(shù)，E-mail：lijch2@cno oc.com.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.162

TM315

A

2017-05-25