Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt zunächst die Nachteile herkömmlicher Stromversorgungsmethoden für Tauchpumpen vor, erläutert dann die Vorteile von Frequenzumrichtern und präsentiert anschließend spezielle Anforderungen und Lösungen für SSP-VEP-Wechselrichter. Nach der erfolgreichen Entwicklung und dem Einsatz des 1140-V-SSP-VEP-Wechselrichters in Ölfeldern hat die Shandong Fengguang Electronics Co., Ltd. nun einen 2300-V-Wechselrichter speziell für SSP-VEP-Pumpen entwickelt. Schlüsselwörter: Wechselrichter, Latentöl-Elektropumpe, Tiefpassfilter, Kompensationsspannung. 2300-V-Wechselrichter für Latentöl-Elektropumpen. Shandong Phoenix Electronics Limited Company. Li Luilai, He Hongchen, Han Wenzhao. Zusammenfassung: Dieser Artikel präsentiert einige Nachteile herkömmlicher Stromversorgungsmethoden für Latentöl-Elektropumpen und beschreibt anschließend einige Vorteile von Frequenzumrichtern. Abschließend werden die spezifischen Eigenschaften und Lösungen dieses Wechselrichtertyps erläutert. Das Unternehmen brachte einen 1140-V-Wechselrichter für Latentöl-Elektropumpen auf den Markt, der von Ölfeldern zugelassen wurde. Nach weiterer Forschung und Entwicklung produzierte es erfolgreich einen 2300-V-Wechselrichter für Latentöl-Elektropumpen. Schlüsselwörter: Wechselrichter, Latentöl-Elektropumpe, Tiefpassfilter, Kompensationsspannung. I. Einleitung: Die Modernisierung bestehender Ölfeldanlagen mit moderner Spitzentechnologie ist ein unaufhaltsamer Trend. Der Einsatz moderner automatischer Steuerungstechnik und Frequenzumrichter zur optimalen Stromversorgung von Tauchpumpen (im Folgenden: Tauchpumpen) ist ein wichtiger Bestandteil dieses technologischen Modernisierungsprozesses. Tauchpumpen arbeiten typischerweise mit Spannungen von 1140 V und 2300 V. Diese Pumpen werden in Tiefen von 1000 bis 3000 Metern unter der Erdoberfläche eingesetzt und sind extremen Bedingungen ausgesetzt (hohe Temperaturen, starke Korrosion usw.). Herkömmliche Stromversorgungsmethoden – Vollspannung und Netzfrequenz – führen zu häufigen Ausfällen und deutlich erhöhten Betriebskosten. Die Bergung einer beschädigten Tauchpumpe zur Reparatur verursacht allein an Ingenieurkosten von mindestens 50.000 Yuan. Kabel im Wert von 100.000 Yuan müssen durchschnittlich nach fünf Bergungen ausgetauscht werden. Tauchpumpen benötigen etwa alle zehn Monate Wartung, die rund 80.000 Yuan kostet. Herkömmliche Stromversorgungsmethoden bergen zahlreiche Risiken. Zum Beispiel: * Wenn die Pumpe mit voller Drehzahl läuft und der Flüssigkeitsstand im Bohrloch niedrig ist, kann sie leicht trockenlaufen, was zu einem Bohrlochstillstand mit verheerenden Verlusten führen kann. * Der Betrieb mit voller Spannung und Netzfrequenz führt zu hohem Anlaufstrom und Stoßdrehmoment, was Energie verschwendet und die Lebensdauer des Motors erheblich beeinträchtigt. * Schwankungen der Versorgungsspannung im Ölfeld führen oft zu Unter- oder Übererregung des Motors, was häufig zu dessen Durchbrennen führt. * Die mehreren Kilometer Erdkabel verursachen Leitungsverluste von ca. 150 V. Da diese Verluste nicht kompensiert werden können, beeinträchtigen sie den normalen Betrieb des Motors. Daher muss die herkömmliche Stromversorgungsmethode für Tauchpumpen modifiziert werden. Ein ideales Stromversorgungsgerät sollte folgende Eigenschaften aufweisen: * Sanftanlauf * Komfortable Drehzahlregelung, d. h. Frequenzumrichterbetrieb. Anlaufzeit und Drehzahl können je nach Betriebsbedingungen frei eingestellt werden. * Unempfindlichkeit gegenüber Netzspannungsschwankungen und Kompensation von Kabelverlusten. * Die über das Kabel übertragene Welle muss eine Sinuswelle sein; andernfalls überlagern sich nach der Kabelreflexion Spannungsimpulse, die den Motor leicht beschädigen können. * Umfassende Schutzfunktionen. * Komfortable Steuerung, einfache Bedienung und übersichtliches Display. Offensichtlich kann nur ein Frequenzumrichter diese Anforderungen erfüllen. Die im Handel erhältlichen Frequenzumrichter für Ventilatoren und Wasserpumpen sind jedoch ungeeignet, da die Spannungsebene inkompatibel ist, die Ausgangswellenform nicht sinusförmig ist und die Kabelverluste nicht kompensiert werden können. Unser Unternehmen hat im Auftrag eines Ölfelds erfolgreich eine Serie von 1140-V-Frequenzumrichtern mit einer Leistung von 30–100 kW speziell für Tauchpumpen entwickelt. Wir entwickeln derzeit einen speziellen Frequenzumrichter für 2300-V-Tauchpumpen. II. Entwicklung des speziellen Frequenzumrichters: Obwohl Tauchpumpen mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, arbeiten die meisten online mit 1140 V und 2300 V. In der Branche wird über den Einsatz von 380-V-Frequenzumrichtern mit speziell entwickelten Aufwärtstransformatoren berichtet. Dieser Artikel argumentiert, dass dieses Hoch-Niedrig-Hoch-Schema inhärente Nachteile aufweist. Der Betrieb der Aufwärts- und Abwärtstransformatoren bei niedrigen Frequenzen ist schwierig, und der Einsatz von Transformatoren erhöht die Produktkosten. Moderne IGBT-Bauelemente weisen relativ hohe Spannungsfestigkeiten auf, sodass Frequenzumrichter unter 3000 V keine Transformatoren benötigen. Die 1140-V-Tauchpumpen unseres Unternehmens sind bereits in mehreren Ölfeldern erfolgreich im Einsatz. Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich die Leistungsfähigkeit und den Entwicklungsstand des speziellen Frequenzumrichters für 2300-V-Tauchpumpen. Die technischen Spezifikationen dieses Frequenzumrichters lauten: Dreiphaseneingang: 2300 V, 50 Hz; Dreiphasenausgang: Nennspannung 2300 V, Leistung 110 kW; Frequenzbereich: 2 Hz bis 50 Hz stufenlos einstellbar; Spannungsverluste im Kabel können entsprechend kompensiert werden. Ausgangswellenform: Die Sinussteuerungs- und Schutzfunktionen entsprechen denen herkömmlicher Frequenzumrichter. Dieser Artikel beschreibt die technischen Merkmale dieses Frequenzumrichtersystems nur kurz (die Teile, die mit denen des 380-V-Standardfrequenzumrichters übereinstimmen, werden nicht wiederholt). 1. Auswahl der Hauptschaltung und der Leistungshalbleiter: Bei PWM-Frequenzumrichtern mit 380 V wird üblicherweise eine zweistufige Schaltung verwendet. Um mit einer zweistufigen Schaltung eine Ausgangsspannung von 2300 V zu erreichen, müssen teure Hochspannungstransistoren eingesetzt werden. Um die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter zu reduzieren und die Oberschwingungen der Ausgangsspannung zu minimieren, verwendet diese Konstruktion eine dreistufige Schaltung. Das Schaltbild des Hauptstromkreises ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Schaltbild des Hauptstromkreises der gesamten Maschine. Der Hauptstromkreis verwendet eine Drei-Level-Schaltung oder ein Neutralpunktklemmverfahren (NPC). Dadurch wird nicht nur eine höhere Ausgangsspannung erzeugt, sondern auch die Ausgangsoberwellen und die Spannungsänderungsrate (dv/dt) reduziert. Eine gute Wellenform ist eines der Ziele dieser Konstruktion. Das Leistungsschaltgerät im Schaltbild ist ein Siemens-Doppel-IGBT-Modul (1700 V, 200 A). Nach der Gleichrichtung wird ein Filter aus zwei in Reihe geschalteten Großkondensatoren gebildet. Der Verbindungspunkt der beiden Kondensatorgruppen ist der Mittelpunkt dieses Stromkreises (die mittlere Ebene der Drei-Level-Schaltung). Mit einer Drei-Level-Schaltung und einem 3300-V-IGBT-Modul lässt sich eine Wechselrichterausgangsspannung von 2,3 kV erzielen. Unser üblicher Lieferant hat jedoch keine 3300-V-IGBT-Module auf Lager, diese müssen bestellt werden. Aufgrund des engen Zeitplans mussten wir ein 1700-V-Doppelmodul in Reihe geschaltet verwenden, um die Kosten zu senken. Dies ermöglichte die Untersuchung des dynamischen Spannungsausgleichs bei Reihenschaltung von Bauteilen. Das IGBT-Symbol in Abbildung 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Doppelmodul-Reihenschaltung. Die direkte Reihenschaltung von IGBT-Leistungshalbleitern löst hauptsächlich das Problem des Spannungsausgleichs. Der stationäre Spannungsausgleich ist relativ einfach. Die beiden in Reihe geschalteten Transistoren stammen aus demselben Modul, und ihre Fertigungsprozesse und Umgebungstemperaturen sind im Wesentlichen identisch. Daher sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Der Fokus liegt auf dem dynamischen Spannungsausgleich. Nach experimenteller Überprüfung ist die in diesem Design verwendete Spannungsausgleichsschaltung in Abbildung 2 dargestellt. Die Spannungsausgleichsschaltung besteht aus den Widerständen R1 und R2, dem Kondensator C und der Diode D. Widerstand R1 dient dem statischen Spannungsausgleich. R2, C und D entsprechen einer typischen Pufferschaltung, dienen hier aber primär dem dynamischen Spannungsausgleich. Der Spannungsausgleich erfolgt hauptsächlich durch den Kondensator C. Bei zwei in Reihe geschalteten IGBTs sind deren Schaltgeschwindigkeiten nicht exakt identisch, sondern unterscheiden sich geringfügig. Die Spannung am Kondensator C ist im statischen Zustand konstant. Da sich die Spannung am Kondensator während des Schaltvorgangs nicht sprunghaft ändern kann, bleibt der Spannungsabfall an den beiden IGBTs konstant. Der durch den ungleichmäßigen Stromfluss in den beiden IGBTs während des Schaltvorgangs verursachte Effekt wird durch das Laden und Entladen des Kondensators C kompensiert. Aus dem dynamischen Spannungsausgleichsprozess geht hervor, dass eine bessere Übereinstimmung des Schaltverhaltens der beiden IGBTs zu einem besseren Spannungsausgleich führt; ebenso verbessert ein größerer Wert des Kondensators C den Spannungsausgleich. Ein zu großer Wert von C führt jedoch zu einem übermäßigen Stromverbrauch an R2. P = 1/2CV²f, wobei V die Schaltspannung eines einzelnen IGBT ist. Um den Stromverbrauch an R2 zu begrenzen, sollte der Wert des Kondensators C so klein wie möglich und eine niedrigere Modulationsfrequenz f verwendet werden. 2. Trägerfrequenzwahl: Eine höhere Trägerfrequenz verbessert die Wellenform und reduziert das Rauschen. Allerdings erhöht sie auch die Schaltverluste. Daher muss bei der Wahl der Trägerfrequenz ein Kompromiss gefunden werden. In diesem Gerät beträgt die Trägerfrequenz 3,4 kHz. Dieser Wert wurde unter Berücksichtigung des Gewichts des Spulenkerns des LC-Tiefpassfilters am Ausgang gewählt. 3. Eingangsspannungsstabilisierung: Die Eingangsspannung ergibt nach Gleichrichtung und Filterung die Zwischenkreisspannung Uo. Ein Spannungssensor ist installiert, dessen Ausgangsspannung Ut proportional zur Zwischenkreisspannung Uo ist. Der Wert von Ut wird zur Verarbeitung an den Mikrocontroller gesendet. Der Nennwert von Uo entspricht einem Ut-Wert von 1. Bei steigender Netzspannung ist Ut > 1, bei fallender Netzspannung ist Ut < 1. Die CPU multipliziert die PWM-Pulsbreite mit dem Faktor 1/Ut. Dadurch wird die Eingangsspannung stabilisiert. Im praktischen Betrieb auf dem Ölfeld wird bei Netzspannungsschwankungen von +10 % keine Spannungsschwankung am Motor festgestellt, was auf eine signifikante Ut-Kompensation hinweist. 4. Sinuswellenerfassung am Ausgangsanschluss: Der Spannungs-Frequenzumrichter gibt eine dreiphasige SPWM-Welle aus, eine Rechteckimpulswelle mit sinusförmig verteilter Amplitude. Diese Welle wird direkt an den Motor angelegt. Da der Motor eine induktive Last ist, erhält er einen annähernd sinusförmigen Antriebsstrom. Zwischen dem Frequenzumrichter und der Tauchpumpe befinden sich mehrere Kilometer Kabel. Würde die PWM-Welle direkt an den Kabeleingang angelegt, entstünde am Motor aufgrund des Langleitungseffekts eine Spitzenspannung, die ein Vielfaches des Nennwerts beträgt und den Motor beschädigen könnte. Daher ist ein dreiphasiger LC-Tiefpassfilter erforderlich. Die Filterschaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. In dieser Ausführung beträgt die Grenzfrequenz etwa ein Drittel der Trägerfrequenz. Abbildung 3: Ausgangs-Tiefpassfilter. 5. Kabelverlustkompensation: Die Tauchpumpe stellt keine besonderen Anforderungen an die V/F-Kennlinie. Die Ölförderung stoppt, wenn die Frequenz unter 30 Hz fällt. Um einen sanften Anlauf zu gewährleisten, ist die Anlauffrequenz dieser Anlage auf 2 Hz eingestellt. 50 Hz entsprechen einer Nennausgangsspannung von 2300 V. Die Kabelkompensationsspannung Vb wird an die spezifischen Bedingungen jedes Ölfelds angepasst. Die V/F-Kennlinie ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Wert von Vb bestimmt das Anlaufverhalten des Motors. Ein hoher Wert von Vb führt zu einem zu hohen Anlaufstrom und damit zu erhöhten Verlusten; ein niedriger Wert von Vb verhindert den Anlauf des Motors. Mit steigendem Vb ändert sich zwangsläufig auch der Ausgangsstrom, was sich beim Anlaufen des Motors deutlich bemerkbar macht. Basierend auf dieser Erkenntnis haben wir eine Software mit adaptiver Spannungskompensation entwickelt. Bei erfolgreicher Implementierung der Software ist eine manuelle Anpassung bei jedem Anlauf nicht mehr erforderlich. Da die Software derzeit noch verbessert und optimiert werden muss, verfügt der Prototyp noch über ein manuell einstellbares Potentiometer. Abbildung 4: V/F-Kennlinie. III. Betriebszustand: Der speziell für Tauchpumpen entwickelte Frequenzumrichter für 2300 V wurde erfolgreich realisiert. Alle technischen Kennwerte entsprechen den Auslegungswerten, und er arbeitet einwandfrei unter Nennlast. Die stationäre Spannungsabweichung der Reihenschaltung liegt innerhalb von 10 %, die dynamische Spannungsabweichung, gemessen mit einem Oszilloskop, innerhalb von 15 %. Die Spannung nach dem Ausgangsfilter lässt sich im gesamten Drehzahlbereich der Tauchpumpe stufenlos einstellen und weist stets eine Sinuswelle mit sehr geringer Verzerrung auf. Selbst bei niedriger Drehzahl und geringer Last läuft der Motor ruhig und gleichmäßig ohne Pulsationen. Die Motordrehzahl kann über den gesamten Frequenzbereich flexibel und komfortabel angepasst werden.