潜油电泵的变频调速驱动解决方案

近十年来，交流变频装置从小容量到大容量，从简单的开环系统到复杂的闭环系统，人们在不断地尝试应用并已享受它给人类社会带来的巨大益处。它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。本公司目前采用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 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。

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。

2 过去采用的几种变频调速方案比较

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。

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。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。

3 本公司中压变频器的技术方案

A方案： 1140V中压变频器

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，系统变得稍加复杂，但在几十千瓦的变频器中，该不足并不构成价格限制因素。本公司生产的1140V变频器就是采用这一技术方案。[page]

B方案： 6000V及以上的中压变频器

本方案是采用H桥单相变频器串联方式的多电平变频器，其系统简图如下：

本公司生产的WIN-HV系列变频器就是采用此设计方案，是通过变压器隔离、功率单元串联的交-直-交-直接高压方式的变频器。

变频器运用叠波技术，每相输出由若干个功率单元串联组成，功率单元串联个数因输出电压等不同而异，详见下述单元配置表：

4 微能科技中压变频器应用简述：

本公司生产的中压变频器是在目前的器件条件下，因电网电压不同而采用的最优设计方案。而国外的中压产品则主要指输入电压为1140~10000V的变频器。其中，1140~4160V的变频器多为三电平方式，即我司的A方案，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，即我司的B方案。

从技术发展的角度看，我公司设计的2千伏级变频器还是以逆变单元串联方案为优选，其主要原因是电路结构简单，又有成熟的元件(1700伏IGBT)可用，价格低廉，性能/价格比最高。所采用的多重化技术(二重化)使输出波形正弦，网侧谐和波在大减，输入输出均很理想。故此，我们认为这种变频器在我国将有广阔的应用前景。亦可放心地用于油田潜油电泵的驱动中。