变频升压变压器在潜油电机中的应用

【摘 要】 变频升压变压器是潜油电泵机组常用的地面供电设备，具备能在不同工作频率下拖动潜油电机的能力，本文从变压器的基本原理、潜油电机的特性等方面进行分析，指出潜油电泵用的变频升压变压器的特性要求，并说明实际应用中需要注意的问题。

【关键词】 变压器 潜油电机 初级线圈 次级线圈 变频

由于变频变压器必须工作于不同的频率状态下，对于石油行业中潜油电机用的变频变压器，其工作频率变化范围通常在30-60HZ，并且由于不同工况的需求，变压器须具备输出扭矩增强的能力，以满足潜油电泵启动扭矩较大的要求。下面的文字从变压器的基本工作原理、潜油电泵的特性等方面分析了变频变压器的特殊要求，并结合实际，对变频变压器的专业应用进行说明。

1 变压器的基本原理

图1是变压器的原理简体图，当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流称为“空载电流”。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。

2 变压器的损耗

变压器的总损耗可分为空载损耗和负载损耗。

空载损耗主要是铁心损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成。磁滞损耗与导磁材料的重量成正比，且与磁通密度的二次方成正比，而涡流损耗与磁通密度的二次方、导磁材料厚度的平方、频率的平方、导磁材料的重量成正比，降低空载损耗就要降低磁通密度。

负载损耗包括直流电阻损耗、导线中的涡流损耗、导线间的环流损耗、杂散损耗等。

直流电阻损耗主要取决于电流和变压器的电阻。

导线的涡流损耗主要由漏磁引起，纵向漏磁场在导线中产生涡流损耗，约为直流电阻损耗的10%左右，正比于磁场密度。

环流损耗与杂散损耗均小于电阻损耗，都与磁场密度有关。

3 变压器的特性

在变压器中，一次和二次绕组的感应电势用公式表示为：

U=4.44fNBS

U为感应电势、f为频率、B为磁场密度（强度）、S为截面积。

从上式中可以得到，在外加电压保持不变时，频率与磁场密度成反比关系。磁场密度的增加，引起空载及涡流等损耗增加，导致变压器的温度升压，当变压器的温度超过规定值时，对变压器的使用寿命及绝缘特性形成破坏，因此普通变压器是不能用于降频恒压运行的。

根据潜油电泵井实际应用情况，变频器的输出电压与频率成正比关系，在其它条件不变的情况下，变压器中的磁场密度保持不变，再对变压器及负载的其它特性进行分析。

铁心中的磁场强度的大小决定于变压器的激磁电流，将变压器在理论上等效于长螺旋管的磁场模型，用公式表示为：

B=μNI

其中：B为变压器铁心中的磁场强度，N为线圈匝数，μ为磁导率。（此时铁心的磁化曲线处于非饱和状态。）

输入侧的电流分为两部分：

I1=I0+Ii

其中：I1为输入总电流，I0为激磁电流，在空载时为空载电流。Ii为补偿电流，主要用于由负载引起的电流补偿，为有功电流。

对于I0而言，在磁场密度不变的情况下，对确定的变压器，其值基本不变。这也就是说空载损耗及变压器的涡流损耗等基本不变，直流电阻损耗在空载状态下亦基本不变，因此当频率下降时，空载损耗并不是成比例降低，但有一条件就是电压与频率成比例下降。

对于Ii而言，其大小主要由负载运行情况而定，正比于变压器二次侧负载电流。在磁场强度不变的前提下，Ii与负载电流I2的关系为线性比例关系。

对于二次侧而言，电流的大小可用公式表示为：

I2=（U2-E）/Z2

其中：I2为负载侧的电流，U2为负载侧电压、E为电机的反电动势，Z2为负载侧的总阻抗。

对于Z2可用公式表示为：

Z2=R2+jX，

R2为回路总电阻，X为回路总感抗，X=2πfL，L为总电感。

在不考滤阻抗的情况下，二次侧的负载电流基本保持不变时。整体损耗不会增大。

在实际的变压器的运行中，由于阻抗的存在，在频率降低的过程中，如果电压频率同时按线性降低，变压器的损耗亦有所降低，变压器的铁心磁通强度将变小，而变压器的输出功率将显著降低。

4 异步电机的机械特性

对于井下异步电机而言，在启动时存在一种最小启动转矩（与负载有关），小于这一转矩时，电机是不启动的，也就是说堵转。此时反电动势为0，电机中的电流变大，这是不想看到的。

如要使电机能够启动，则电机的起始转矩Mq必须大于最小启动转矩，而电机的起始转矩正比于所加电压的平方，而与频率成反比关系。

Mq=m1pU12R2/2πf[（R1+R2）2+（X1+X2）2]