潛油電泵的變頻調(diào)速驅(qū)動解決方案
近十年來，交流變頻裝置從小容量到大容量，從簡單的開環(huán)系統(tǒng)到復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，人們在不斷地嘗試應(yīng)用并已享受它給人類社會帶來的巨大益處。它做為調(diào)速裝置應(yīng)用于很易使用又不方便調(diào)速的交流電機(jī)上，無論是從工藝要求還是電氣節(jié)能的需要，都在改變以往交流機(jī)不易調(diào)速的狀況。
同樣，潛油電泵做為油田深井抽油機(jī)的動力，無論出自于工藝的要求，還是節(jié)電的需要，使用變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動，都感到大有益處。但由于過去所用的技術(shù)方案不甚理想，故應(yīng)用面尚不太廣。本公司目前采用的技術(shù)方案是目前世界上的先進(jìn)技術(shù)，具有較好的應(yīng)用前景。
1 潛油電泵采用變頻技術(shù)調(diào)速驅(qū)動是其最佳傳動方案
潛油電泵是油井井下工作的多級離心泵，是一種較新的機(jī)械采油設(shè)備之一。油泵是長期連續(xù)工作于2~3km井下高溫、強(qiáng)腐蝕的惡劣環(huán)境中，由于深入油層，故工作效率較高，近年來油田應(yīng)用愈加廣泛。其功率均不太大，一般在55~75kW之間，由于油井較深，為降低線路壓降，故其拖動電機(jī)沒有采用工頻而一般設(shè)計為1000伏級。該電壓屬中壓范疇，不高也不低。若降低電壓，則線路壓降太大，電機(jī)低效無法正常工作。若提高電壓，線路壓降雖小，但供電線路電纜及電機(jī)的絕緣問題突出，故障率高，維護(hù)困難，可靠性下降。因此，目前國內(nèi)大部分油田采用的多是1140伏潛油電泵。
據(jù)調(diào)查結(jié)果，常見的主要問題是：
A、上電啟動時沖擊電流大，分布電感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高，經(jīng)常造成系統(tǒng)多部分絕緣損傷。
B、由于油井地質(zhì)狀況變化較大，而電泵設(shè)計余量又往往偏大，尤其是井下液量不足時，泵產(chǎn)生的油壓過高，故縮短泵的使用壽命，其維修及更換幾率增加。
為解決上述問題，必須對油泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。采用交流變頻調(diào)速是目前最理想的措施。
其因如下：
A、變頻器具備軟啟動功能，在啟動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著頻率變化而接近同步狀態(tài)升速，故反電勢及沖擊電流很小，絕緣易受破壞的問題出現(xiàn)幾率較低。
B、無論重載或輕載，系統(tǒng)的功率因數(shù)均較高，尤其在小負(fù)載狀態(tài)，無功功率大大減小，具有明顯的節(jié)電效果。
C、可按油井當(dāng)前狀況調(diào)節(jié)出油量，使油井工作在最佳狀態(tài)。降低故障率的同時提高工作效率。
D、亦可組成壓力、溫度閉環(huán)系統(tǒng)，提高自動化程度及實(shí)現(xiàn)最佳控制。采用變頻調(diào)速后，對于富油油井，可以增產(chǎn)；對于貧油油井可以做到連續(xù)生產(chǎn)且減少停井次數(shù)并達(dá)到節(jié)能的目的；對含砂油井，可以減少卡泵次數(shù)，并可反轉(zhuǎn)排砂，延長電泵壽命；對于含氣油井，可提高轉(zhuǎn)速減少油氣分離不佳所致的氣鎖現(xiàn)象出現(xiàn)而增產(chǎn)增效；對于含蠟油井，可減少結(jié)蠟、結(jié)垢而降低管路堵塞次數(shù)；對于稠油油井，可低速大功率運(yùn)行，減少停井次數(shù)并獲得可觀的節(jié)能效果。
2 過去采用的幾種變頻調(diào)速方案比較
2.1采用工頻通用變頻器
系統(tǒng)簡圖如下：
本方案采用降壓、升壓變壓器及工頻電源下的通用變頻器組成高－低－高方式達(dá)到油泵電機(jī)變頻目的。
其優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，缺點(diǎn)是系統(tǒng)過于笨重，尤其是輸出側(cè)變壓器尚須按最低工作轉(zhuǎn)速來設(shè)計，通用性不強(qiáng)或設(shè)計不可能合理。由于系統(tǒng)幾經(jīng)變換，使效率降低。
2.2采用普通低壓變頻（二電平）技術(shù)實(shí)現(xiàn)中壓變頻
本方案采用低壓整流器，及低壓電容串聯(lián)，3300V高壓IGBT直接逆變。控制方式仍采用傳統(tǒng)的正弦波脈寬調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)組成簡單，其缺點(diǎn)是輸出的電壓波形為高壓矩形脈沖，即出現(xiàn)了難以解決的dv/dt問題，這對于長輸電線路的工況很不適宜，對電機(jī)同樣帶來絕緣問題，且輸出電流波形亦不理想。由于3300V高壓IGBT應(yīng)用尚不太成熟且價格昂貴，實(shí)用經(jīng)濟(jì)效益亦是應(yīng)用的瓶頸。
3 本公司中壓變頻器的技術(shù)方案
A方案：1140V中壓變頻器
本是采用二極管箝位三電平技術(shù)，其系統(tǒng)簡圖如下：
該技術(shù)自80年代始即被國外廠家應(yīng)用并推廣。東芝、ABB、三菱、西門子等公司都有此類產(chǎn)品，其特點(diǎn)偏優(yōu)于采用在不太高的中壓變頻器中。與二電平相比較，其輸出的電壓波形雖然仍為矩形脈沖所組成，但其脈沖幅值卻降低一倍，較好地解決了dv/dt高所帶來的絕緣及諧波等問題。使變頻器的輸出波形更接近正弦波。徹底地解決了器件換流對電機(jī)絕緣造成的沖擊導(dǎo)致的絕流損傷、軸電壓對電機(jī)軸承的腐蝕以及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等諸多問題，降低漏電流及電機(jī)噪音。其缺點(diǎn)已基本克服，美中不足的是逆變元件的換流尚須由箝位二極管來保證，系統(tǒng)變得稍加復(fù)雜，但在幾十千瓦的變頻器中，該不足并不構(gòu)成價格限制因素。本公司生產(chǎn)的1140V變頻器就是采用這一技術(shù)方案。
B方案：6000V及以上的中壓變頻器
本公司生產(chǎn)的WIN-HV系列變頻器就是采用此設(shè)計方案，是通過變壓器隔離、功率單元串聯(lián)的交-直-交-直接高壓方式的變頻器。
變頻器運(yùn)用疊波技術(shù)，每相輸出由若干個功率單元串聯(lián)組成，功率單元串聯(lián)個數(shù)因輸出電壓等不同而異，詳見下述單元配置表：
4 微能科技中壓變頻器應(yīng)用簡述：
本公司生產(chǎn)的中壓變頻器是在目前的器件條件下，因電網(wǎng)電壓不同而采用的最優(yōu)設(shè)計方案。而國外的中壓產(chǎn)品則主要指輸入電壓為1140~10000V的變頻器。其中，1140~4160V的變頻器多為三電平方式，即我司的A方案，6000V及以上的中壓變頻器則以逆變單元串聯(lián)方式的多電平變頻器為主導(dǎo)，即我司的B方案。
從技術(shù)發(fā)展的角度看，我公司設(shè)計的2千伏級變頻器還是以逆變單元串聯(lián)方案為優(yōu)選，其主要原因是電路結(jié)構(gòu)簡單，又有成熟的元件（1700伏IGBT）可用，價格低廉，性能/價格比最高。所采用的多重化技術(shù)（二重化）使輸出波形正弦，網(wǎng)側(cè)諧和波在大減，輸入輸出均很理想。故此，我們認(rèn)為這種變頻器在我國將有廣闊的應(yīng)用前景。亦可放心地用于油田潛油電泵的驅(qū)動中。
同樣，潛油電泵做為油田深井抽油機(jī)的動力，無論出自于工藝的要求，還是節(jié)電的需要，使用變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動，都感到大有益處。但由于過去所用的技術(shù)方案不甚理想，故應(yīng)用面尚不太廣。本公司目前采用的技術(shù)方案是目前世界上的先進(jìn)技術(shù)，具有較好的應(yīng)用前景。
1 潛油電泵采用變頻技術(shù)調(diào)速驅(qū)動是其最佳傳動方案
潛油電泵是油井井下工作的多級離心泵，是一種較新的機(jī)械采油設(shè)備之一。油泵是長期連續(xù)工作于2~3km井下高溫、強(qiáng)腐蝕的惡劣環(huán)境中，由于深入油層，故工作效率較高，近年來油田應(yīng)用愈加廣泛。其功率均不太大，一般在55~75kW之間，由于油井較深，為降低線路壓降，故其拖動電機(jī)沒有采用工頻而一般設(shè)計為1000伏級。該電壓屬中壓范疇，不高也不低。若降低電壓，則線路壓降太大，電機(jī)低效無法正常工作。若提高電壓，線路壓降雖小，但供電線路電纜及電機(jī)的絕緣問題突出，故障率高，維護(hù)困難，可靠性下降。因此，目前國內(nèi)大部分油田采用的多是1140伏潛油電泵。
據(jù)調(diào)查結(jié)果，常見的主要問題是：
A、上電啟動時沖擊電流大，分布電感使系統(tǒng)內(nèi)反壓過高，經(jīng)常造成系統(tǒng)多部分絕緣損傷。
B、由于油井地質(zhì)狀況變化較大，而電泵設(shè)計余量又往往偏大，尤其是井下液量不足時，泵產(chǎn)生的油壓過高，故縮短泵的使用壽命，其維修及更換幾率增加。
為解決上述問題，必須對油泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。采用交流變頻調(diào)速是目前最理想的措施。
其因如下：
A、變頻器具備軟啟動功能，在啟動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著頻率變化而接近同步狀態(tài)升速，故反電勢及沖擊電流很小，絕緣易受破壞的問題出現(xiàn)幾率較低。
B、無論重載或輕載，系統(tǒng)的功率因數(shù)均較高，尤其在小負(fù)載狀態(tài)，無功功率大大減小，具有明顯的節(jié)電效果。
C、可按油井當(dāng)前狀況調(diào)節(jié)出油量，使油井工作在最佳狀態(tài)。降低故障率的同時提高工作效率。
D、亦可組成壓力、溫度閉環(huán)系統(tǒng)，提高自動化程度及實(shí)現(xiàn)最佳控制。采用變頻調(diào)速后，對于富油油井，可以增產(chǎn)；對于貧油油井可以做到連續(xù)生產(chǎn)且減少停井次數(shù)并達(dá)到節(jié)能的目的；對含砂油井，可以減少卡泵次數(shù)，并可反轉(zhuǎn)排砂，延長電泵壽命；對于含氣油井，可提高轉(zhuǎn)速減少油氣分離不佳所致的氣鎖現(xiàn)象出現(xiàn)而增產(chǎn)增效；對于含蠟油井，可減少結(jié)蠟、結(jié)垢而降低管路堵塞次數(shù)；對于稠油油井，可低速大功率運(yùn)行，減少停井次數(shù)并獲得可觀的節(jié)能效果。
2 過去采用的幾種變頻調(diào)速方案比較
2.1采用工頻通用變頻器
系統(tǒng)簡圖如下：
本方案采用降壓、升壓變壓器及工頻電源下的通用變頻器組成高－低－高方式達(dá)到油泵電機(jī)變頻目的。
其優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，缺點(diǎn)是系統(tǒng)過于笨重，尤其是輸出側(cè)變壓器尚須按最低工作轉(zhuǎn)速來設(shè)計，通用性不強(qiáng)或設(shè)計不可能合理。由于系統(tǒng)幾經(jīng)變換，使效率降低。
2.2采用普通低壓變頻（二電平）技術(shù)實(shí)現(xiàn)中壓變頻
本方案采用低壓整流器，及低壓電容串聯(lián)，3300V高壓IGBT直接逆變。控制方式仍采用傳統(tǒng)的正弦波脈寬調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)組成簡單，其缺點(diǎn)是輸出的電壓波形為高壓矩形脈沖，即出現(xiàn)了難以解決的dv/dt問題，這對于長輸電線路的工況很不適宜，對電機(jī)同樣帶來絕緣問題，且輸出電流波形亦不理想。由于3300V高壓IGBT應(yīng)用尚不太成熟且價格昂貴，實(shí)用經(jīng)濟(jì)效益亦是應(yīng)用的瓶頸。
3 本公司中壓變頻器的技術(shù)方案
A方案：1140V中壓變頻器
本是采用二極管箝位三電平技術(shù)，其系統(tǒng)簡圖如下：
該技術(shù)自80年代始即被國外廠家應(yīng)用并推廣。東芝、ABB、三菱、西門子等公司都有此類產(chǎn)品，其特點(diǎn)偏優(yōu)于采用在不太高的中壓變頻器中。與二電平相比較，其輸出的電壓波形雖然仍為矩形脈沖所組成，但其脈沖幅值卻降低一倍，較好地解決了dv/dt高所帶來的絕緣及諧波等問題。使變頻器的輸出波形更接近正弦波。徹底地解決了器件換流對電機(jī)絕緣造成的沖擊導(dǎo)致的絕流損傷、軸電壓對電機(jī)軸承的腐蝕以及傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等諸多問題，降低漏電流及電機(jī)噪音。其缺點(diǎn)已基本克服，美中不足的是逆變元件的換流尚須由箝位二極管來保證，系統(tǒng)變得稍加復(fù)雜，但在幾十千瓦的變頻器中，該不足并不構(gòu)成價格限制因素。本公司生產(chǎn)的1140V變頻器就是采用這一技術(shù)方案。
B方案：6000V及以上的中壓變頻器
本公司生產(chǎn)的WIN-HV系列變頻器就是采用此設(shè)計方案，是通過變壓器隔離、功率單元串聯(lián)的交-直-交-直接高壓方式的變頻器。
變頻器運(yùn)用疊波技術(shù)，每相輸出由若干個功率單元串聯(lián)組成，功率單元串聯(lián)個數(shù)因輸出電壓等不同而異，詳見下述單元配置表：
4 微能科技中壓變頻器應(yīng)用簡述：
本公司生產(chǎn)的中壓變頻器是在目前的器件條件下，因電網(wǎng)電壓不同而采用的最優(yōu)設(shè)計方案。而國外的中壓產(chǎn)品則主要指輸入電壓為1140~10000V的變頻器。其中，1140~4160V的變頻器多為三電平方式，即我司的A方案，6000V及以上的中壓變頻器則以逆變單元串聯(lián)方式的多電平變頻器為主導(dǎo)，即我司的B方案。
從技術(shù)發(fā)展的角度看，我公司設(shè)計的2千伏級變頻器還是以逆變單元串聯(lián)方案為優(yōu)選，其主要原因是電路結(jié)構(gòu)簡單，又有成熟的元件（1700伏IGBT）可用，價格低廉，性能/價格比最高。所采用的多重化技術(shù)（二重化）使輸出波形正弦，網(wǎng)側(cè)諧和波在大減，輸入輸出均很理想。故此，我們認(rèn)為這種變頻器在我國將有廣闊的應(yīng)用前景。亦可放心地用于油田潛油電泵的驅(qū)動中。
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