变频调速泵系统设计

　　交流变频装置做为调速装置应用于很易使用又不方便调速的交流电机上，无论是从工艺要求还是电气节能的需要，都在改变以往交流机不易调速的状况。同样，潜油电泵做为油田深井抽油机的动力，无论出自于工艺的要求，还是节电的需要，使用变频调速技术驱动，都感到大有益处。但由于过去所用的技术方案不甚理想，故应用面尚不太广。本文的技术方案是目前世界上的先进技术，具有较好的应用前景。

　　1.1 潜油电泵采用变频技术调速驱动是其最佳传动方案

　　潜油电泵是油井井下工作的多级离心泵，是一种较新的机械采油设备之一。油泵是长期连续工作于2～3km井下高温、强腐蚀的恶劣环境中，由于深入油层，故工作效率较高，近年来油田应用愈加广泛。其功率均不太大，一般在55～75kW之间，由于油井较深，为降低线路压降，故其拖动电机没有采用工频而一般设计为 1000伏级。该电压属中压范畴，不高也不低。若降低电压，则线路压降太大，电机低效无法正常工作。若提高电压，线路压降虽小，但供电线路电缆及电机的绝缘问题突出，故障率高，维护困难，可靠性下降。因此，目前国内大部分油田采用的多是1140伏潜油电泵。随着油井深度的增加，少量深井开始使用上至 2300V的潜油电泵。

　　据调查结果，常见的主要问题是：

　　A、上电启动时冲击电流大，分布电感使系统内反压过高，经常造成系统多部分绝缘损伤。

　　B、由于油井地质状况变化较大，而电泵设计余量又往往偏大，尤其是井下液量不足时，泵产生的油压过高，故缩短泵的使用寿命，其维修及更换几率增加。

　　为解决上述问题，必须对油泵电机进行调速控制。采用交流变频调速是目前最理想的措施。其因如下：

　　A、变频器具备软启动功能，在启动过程中，电机转速随着频率变化而接近同步状态升速，故反电势及冲击电流很小，绝缘易受破坏的问题出现几率较低。

　　B、无论重载或轻载，系统的功率因数均较高，尤其在小负载状态，无功功率大大减小，具有明显的节电效果。

　　C、可按油井当前状况调节出油量，使油井工作在最佳状态。降低故障率的同时提高工作效率。

　　D、亦可组成压力、温度闭环系统，提高自动化程度及实现最佳控制。采用变频调速后，对于富油油井，可以增产;对于贫油油井可以做到连续生产且减少停井次数并达到节能的目的;对含砂油井，可以减少卡泵次数，并可反转排砂，延长电泵寿命;对于含气油井，可提高转速减少油气分离不佳所致的气锁现象出现而增产增效;对于含蜡油井，可减少结蜡、结垢而降低管路堵塞次数;对于稠油油井，可低速大功率运行，减少停井次数并获得可观的节能效果。

　　1.2 过去采用的几种变频调速方案比较

　　1.2.1 采用工频通用变频器

　　系统简图如下：

　　本方案采用降压、升压变压器及工频电源下的通用变频器组成高-低-高方式达到油泵电机变频目的。其优点是简单易行，缺点是系统过于笨重，尤其是输出侧变压器尚须按最低工作转速来设计，通用性不强或设计不可能合理。由于系统几经变换，使效率降低。

　　1.2.2 采用普通低压变频(二电平)技术实现中压变频

　　系统简图如下：

　　本方案采用低压整流器，及低压电容串联，3300V高压IGBT直接逆变。控制方式仍采用传统的正弦波脉宽调制。其优点是系统组成简单，其缺点是输出的电压波形为高压矩形脉冲，即出现了难以解决的dv/dt问题，这对于长输电线路的工况很不适宜，对电机同样带来绝缘问题，且输出电流波形亦不理想，整机运行可靠性较低。由于3300V高压IGBT应用尚不太成熟且价格昂贵，实用经济效益亦是应用的瓶颈。

　　1.3 本公司中压变频器的技术方案

　　本是采用二极管箝位三电平技术，其系统简图如下：

　该技术自80年代始即被国外厂家应用并推广。东芝、ABB、三菱、西门子等公司都有此类产品，其特点偏优于采用在不太高的中压变频器中。与二电平相比较，其输出的电压波形虽然仍为矩形脉冲所组成，但其脉冲幅值却降低一倍，较好地解决了dv/dt高所带来的绝缘及谐波等问题。使变频器的输出波形更接近正弦波。彻底地解决了器件换流对电机绝缘造成的冲击导致的绝流损伤、轴电压对电机轴承的腐蚀以及传导干扰、辐射干扰等诸多问题，降低漏电流及电机噪音。其缺点已基本克服，美中不足的是逆变元件的换流尚须由箝位二极管来保证，尽管其中点电压浮动也是问题之一，系统也变得稍加复杂，但在几十千瓦的变频器中，该不足之处并不构成价格限制因素。本公司生产的1140-2300V变频器就是采用这一技术方案。所不同的是，电压大于1140V的变频器主逆变器件采用的是串联结构。

　　1.4 中压变频器应用简述：

　　中压变频器是指额定电压在1140-2300V范围内变频器，均采用1700V IGBT，其器件比较成熟，价格低廉，性能价格比最高，因此这种拓扑结构在这种电压之下是最优选择方案。而国外的中压产品则主要指输入电压为1140V- 10kV的变频器。其中，1140-4160V的变频器多为三电平方式，6000V及以上的中压变频器则以逆变单元串联方式的多电平变频器为主导。

　　中压变频器已经应用在油田和矿山，用户对其运行性能均很满意，尤其在油田深井潜油电泵的应用当中，由于具有欠载保护功能，大大提高了作油泵和电机工作寿命，可以多台集中使用。