正弦波滤波器在潜油电泵变频中的作用及工作原理

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1、正弦波滤波器在潜油电泵变频中的 作用及工作原理华北油田科达开发有限公司 栗从鑫摘要：在油田开采过程中部分采用电潜泵推举方式采油，目前电潜泵通常采用变频器进行驱动，电潜泵使用变频器驱动后 给油田生产带来了许许多多的利益，诸如电潜泵启动平稳、调产调参方便、节省电能、保护电泵、延长检泵周期、减小作 业费用，有效提高产量、灵活地对电泵进行控制等，已经成为现代化采油平台生产中不可或缺的设备。但是，变频器带来 种种利益的同时，也带来了许多烦恼，变频器产生的谐波成分给电机带来的伤害是致命的。如：电机绝缘的降低、电机轴 承的损坏、电机电缆的击穿等。因此为了保证电机电缆不被击穿，电机绝缘不被损坏，在变频器输出端

2、都增加了正弦波滤 波器。 关键词：潜油电泵 变频器 正弦波 滤波器 谐波动电潜泵，给予电潜泵常规的过压保护、过流保护、短路 保护等，但工频驱动启动电流和机械冲击大、不能调产等 缺点也严重影响了油田的生产。把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可 变的交流电的装置称作“变频器”。首先要把三相或单相 交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变 换为三相或单相交流电（AC）。逆变的过程可控，则形成 频率和电压可调的新电源。变频器可以使电机以较小的启 动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负 荷。随着变频器的诞生并在电潜泵上的成功应用，很好地实现了电潜泵的软启动，可以带动电潜

3、泵从0、1、21 引言油田采用方式一般分为自喷和人工举升方式，人工举 升包括：有杆抽油泵、螺杆泵、电潜泵、射流泵等等。电 潜泵采油是为适应经济有效地开采地下石油而逐渐发展起 来日趋成熟的一种人工采油方式，目前在大部分海上采油 平台和部分陆地油田采用了电潜泵的采油，具有排量扬程 范围大、功率大、适应性强、地面工艺流程简单、机组使 用寿命长、经济效益显著等特点。电潜泵的电机和泵均在 上千米的地下油藏，地面上的动力电源通过井下电缆连接 驱动电潜泵电机运行。电潜泵采油所需要的地面动力电源有工频驱动和变频驱动。过去通常采用工频驱动，即采用工频控制柜直接启14/2013.05/DGWZ/电工文摘设计与选型

4、逐步达到50Hz（或60Hz）满负荷运转；可以根据油井供 液和负载情况的变化，在不停机的情况下调整变频器的输 出频率，来达到改变泵的运行速度等参数；也可以利用变 频器的自动加减速特性，达到电潜泵速度的双向（上升下 降）连续和跳跃式自动调整，克服稠油状况下的电潜泵过 载启动与过载保护停机；还可应用变频器强大的各种保护 功能，实现电潜泵的缺相、过载、过流、过热、短路等保 护，延长电潜泵使用寿命，减少电潜泵更换次数，节约频 繁施工费用。因此，变频调速用于电潜泵采油既安全又可 靠。然而，变频器输出波形不是标准的正弦波为方波，谐 波含量较大对于电潜泵变频需要较长输出电缆的工况，变 频器产生的谐波会随着电

5、缆长度的增加而逐渐放大，为了 有效滤除谐波，保护电潜泵及电缆，最主要的技术就是在 变频器输出端配置正弦波滤波器。下面我们就着重介绍什么是谐波、变频器如何产生谐波、正弦波滤波器的工作原理。正弦波波型，称为基波电压，50Hz 称为基波频率。频率为 50Hz整倍数的正弦波称为谐波。谐波用基波的倍数表示， 例如频率为150Hz的正弦波称为3 次谐波，频率为250Hz 的 正弦波称为5 次谐波，频率为350Hz 的正弦波称为7次谐 波，以此类推。谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电 流。当基波和谐波叠加时，形成形状怪异的波形，这称为 波形畸变。例如，图 1是基波与5 次、7 次谐波叠加的结 果

6、，这是工业场合常见的电流波形。在实际工程中，大多数谐波为奇次谐波，也就是 3、5、7、11、13 正常的交流电压或者电流是正弦波，当电压波形或电流波形发生畸变时，就说明其中包含了谐波成分，畸变的 程度越大，包含的谐波成分就越多。变频器产生的谐波对于配电系统以及附件的电子设备 都是十分有害的，具体危害现象如表1，这些危害中，有些 是谐波电流直接导致的（例如发热），有些危害是谐波电 流产生谐波电压导致的（例如对其他设备的影响）。由于 产生这些问题的根源在于负载产生的谐波电流，因此统称为谐波电流问题。2 什么是谐波电力谐波是以频率为 50Hz 整倍数的正弦波电压或电流。发电厂或者平台发电机发出的电压

7、是频率为50Hz 的图 1 含有5次和7次谐波的畸变波形表1 变频器产生的谐波危害校准的，不适用于谐波环境DGWZ/2013.05/15序号设备故障现象可能造成的结果原因分析1马达发热容易导致马达绕组损坏谐波电流施加在马达上导致高频电流和负序电流2变压器过热缩短变压器寿命， 降低变压器有效容量高频率的谐波电流造成变压器产生更大的铜损和铁损3变压器噪声大变压器效率降低，噪声污染谐波电流所在的频率接近人耳的敏感区4电缆过热电缆老化、绝缘等级降低谐波电流产生的热量与频率的平方成正比5零线电流过大电缆加速老化，易引发火灾单相变频器产生的3次谐波电流在零线上叠加6保护设备误动作配电系统意外停电、跳闸大部

8、分保护设备是按照正弦波电压和电流进行设计和7同电网上的设备 性能降低PLC、工控机、变频器、UPS等误 动作、失控谐波电压对同电网设备的电子干扰图3变频器拓扑结构图图 2 铜线损耗与谐波畸变率的关系电工文摘设计与选型从上表可知，谐波电流导致的故障现象分为两大类： 第一，导致电缆或变压器过热；第二，导致电网上的其他 设备出现误动作或性能降低。无论那类故障现象，元凶都 是谐波电流，过热是由于电流直接导致的，干扰其它设备 是由谐波电流产生谐波电压后导致的。变频器产生的谐波电流为什么会导致电缆和变压器过 热？这是因为谐波电流具有更高的频率。交流电流过导体 时，会产生一种物理效应，称为“趋肤效应”。趋肤

9、效应 的含义是，交流电流并不是均匀分布在导体内，而是趋向 于导体的表面，电流的频率越高，这种电流分布趋向于表 面的现象越明显。由于导体仅流过导体的表面部分，因此 导体的实际有效截面积就会减小，这意味着电阻增加，会 产生更大的热量。因此，谐波电流流过导体时，会导致导体严重发热。 例如，同样100A的电流，5次谐波在电缆中产生的热量是 基波（50Hz）电流的25倍！导体发热量与谐波畸变率的关 系如图2所示。同样幅度（有效值）的电流，流过导体时，电流产生 的热量与其频率的平方成正比。为了使现有配电变压器和 线路能够满足安装变频器以后的要求，消除安全隐患，必须对变频器采取谐波治理措施。在逆变输出回路中

10、，变频器的逆变输出是通过IGBT （绝缘栅双极性晶体管）的通断来实现的，输出电流信号 是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆 变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆 变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流 信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。在变频器设计之初，都是按照正常的条件下完成设 计，将电气系统中的供电产生的波形想象成规则的正弦波 形，但是在实际中，与设计的想法出现了很大的出入，所 产生的波形都不是规则的正弦波形，而是正弦调制的一列 方波。这一列方波通过导线被“发射”到电机端。变频器输出端的脉冲幅值等于直流侧电压，同时脉冲陡度很高，

11、3 变频器输出端谐波的产生及危害从图3可知， 变频器正常工作时，将3相输入的正弦波 交流电源经整流单元后滤波变为直流，再将直流电经逆变 单元改变为3相可控的交流电源输出驱动电机。16/2013.05/DGWZ/变频器输出电压波形SMF 的输出电压波形SMF的电流输出波形 图6 SMF 正弦波滤波器将 PWM 电压波形变成正弦波电工文摘设计与选型见图4a,4b变频器输出波形和电机端电压波形图。在电机侧的脉冲电压峰值取决于变频器电缆电机的动态模型， 具体来说与传输线路的特征，电缆长度，电机的特征阻抗 以及脉冲的频率相关。这个电压可能会超过2倍的直流母线 电压。变频器的直流母线在发电运行时将高达80

12、0V，则电 机侧会承受超过1600V的电压。高电压和高du/dt将显著破 坏电机的绝缘。变频器谐波对供电系统（网侧）、负载及 其他邻近电气设备产生干扰。（SMF）。 油田潜油电泵(ESP)使用低压变频器时，由于变频器输 出至电潜泵的电缆长度超过1000m甚至2000m以上，因此为 了保证电机电缆不被击穿，电机绝缘不被损坏，在变频器 输出端都增加了正弦波滤波器SMF（见图5）。正弦波滤波器，安装在变频器的输出端，我们称电机 卫士。正弦波滤波器具有两个功能:一个是将变频器输出的 PWM电压波形转换成正弦波电压，为电潜泵电机提供正弦 波电压，如图6所示。另一个功能是减小电机的轴承电流。 由于电机工作

13、所需要的是正弦波电压和电流，因此理想的工作方式是为电机提供正弦波电压。 正弦波滤波器正是满足这种要求，它为电机提供正弦波电压。 通常，当变频器与电机之间的电缆长度大于300米 时，即使使用dv/dt滤波器也不能完全避免过冲电压，这时 只能使用正弦波滤波器SMF保护电机。使用SMF电机卫士 时，电缆可以长达数千米，而不必担心电机电缆被击穿或 电机被过冲电压损坏。由于电潜泵电机电压为1000V4160V的中等电压，在 使用低压变频器时，变频器输出端必须通过升压变频变 压器VFT来满足电潜泵ESP电机电压的需要。若不能将变 频器输出的谐波进行抑制，则变频器输出的谐波通过VFT后，将得到更大的放大（升

14、高），这个谐波电压将会加在4 正弦滤波器在电潜泵变频器上的作用及工作原理通过上述描述可知，变频器尤其是电压源变频器，其 逆变器输出通常都是正弦波脉宽调制方式（SPWM）, 输出 电压除了正弦形基波外, 还有数量级可达几十千周（kHz） 的高频谐波成分，给输出也带来一些特殊问题。变频器输 出的这些谐波成分给电机带来的伤害是致命的。如：电机 绝缘的降低、电机轴承的损坏、电机电缆的击穿等。变频器应用于地面电机，特别是电机电缆小于100m 的鼠笼式异步普通电机时，这个影响还不算大，为了节约 成本，在变频器的输出端，一般不作处理，直接将变频器 的输出接于电机端。当电机电缆长度大于100m，尤其是 电缆长

15、度超过300m时，变频器输出端必须增加输出滤波器。一般有：输出电抗器、du/dt滤波器、正弦波滤波器图5 电潜泵变频控制接线拓扑图DGWZ/2013.05/17电工文摘设计与选型电机端，直接对电机造成损坏。 因此，在电潜泵变频调速配套应用过程中，经过实践 证明，如果正弦波滤波器根据变频器的载波频率及变频变 压器的阻抗进行科学设计使用，就能够彻底解决变频器输 出端相关的各种谐波干扰问题，包括：电机绝缘、电机轴 承损坏、电磁干扰、电机噪声等，可以不使用屏蔽电缆， 而几乎没有辐射性干扰。目前，我们在电潜泵变频调速应用中，变频器输出端 全部增加了正弦波滤波器，从实际使用效果看，正弦波滤 波器确实是电机

16、的卫士，不仅是对电机的有效保护，同时 也对变频变压器VFT起到了滤波作用，保护了变频变压器VFT。配正弦波滤波器SMF。正弦波滤波器SMF主要是将变频器输出的脉宽调制波转变为电潜泵电机能够适用的正弦波， 进而保护电潜泵电机、电缆及变频变压器VFT，大大地延 长捡泵周期。因此我们在了解了变频器谐波对电潜泵设 备、电缆等的危害后，为油田采油电潜泵配套地面变频器 时都要配置输出正弦波滤波器。参考文献： 1杨君,王兆安.并联型电力有源滤波器控制方式的研究J.西安 交通大学学报,1995,2(3): 97-99. 2杨华云,任士焱.基波磁势自平衡谐波抵消式串联有源滤波器 J.电工技术学报,2005,20(5): 45-48. 3 Jorstad A, Mukerji T,Mavko G.Model-based shear-wave ve- locity estimation versus empirical regressionsJ.GeophysicalProspect ing,1999,29(47):785-787. 4云