變頻調速泵系統設計

　　交流變頻裝置做為調速裝置應用于很易使用又不方便調速的交流電機上，無(wú)論是從工藝要求還是電氣節能的需要，都在改變以往交流機不易調速的狀況。同樣，潛油電泵做為油田深井抽油機的動(dòng)力，無(wú)論出自于工藝的要求，還是節電的需要，使用變頻調速技術(shù)驅動(dòng)，都感到大有益處。但由于過(guò)去所用的技術(shù)方案不甚理想，故應用面尚不太廣。本文的技術(shù)方案是目前世界上的先進(jìn)技術(shù)，具有較好的應用前景。

　　1.1 潛油電泵采用變頻技術(shù)調速驅動(dòng)是其最佳傳動(dòng)方案

　　潛油電泵是油井井下工作的多級離心泵，是一種較新的機械采油設備之一。油泵是長(cháng)期連續工作于2～3km井下高溫、強腐蝕的惡劣環(huán)境中，由于深入油層，故工作效率較高，近年來(lái)油田應用愈加廣泛。其功率均不太大，一般在55～75kW之間，由于油井較深，為降低線(xiàn)路壓降，故其拖動(dòng)電機沒(méi)有采用工頻而一般設計為 1000伏級。該電壓屬中壓范疇，不高也不低。若降低電壓，則線(xiàn)路壓降太大，電機低效無(wú)法正常工作。若提高電壓，線(xiàn)路壓降雖小，但供電線(xiàn)路電纜及電機的絕緣問(wèn)題突出，故障率高，維護困難，可靠性下降。因此，目前國內大部分油田采用的多是1140伏潛油電泵。隨著(zhù)油井深度的增加，少量深井開(kāi)始使用上至 2300V的潛油電泵。

　　據調查結果，常見(jiàn)的主要問(wèn)題是：

　　A、上電啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，分布電感使系統內反壓過(guò)高，經(jīng)常造成系統多部分絕緣損傷。

　　B、由于油井地質(zhì)狀況變化較大，而電泵設計余量又往往偏大，尤其是井下液量不足時(shí)，泵產(chǎn)生的油壓過(guò)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(wèn)題，必須對油泵電機進(jìn)行調速控制。采用交流變頻調速是目前最理想的措施。其因如下：

　　A、變頻器具備軟啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)過(guò)程中，電機轉速隨著(zhù)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(wèn)題出現幾率較低。

　　B、無(wú)論重載或輕載，系統的功率因數均較高，尤其在小負載狀態(tài)，無(wú)功功率大大減小，具有明顯的節電效果。

　　C、可按油井當前狀況調節出油量，使油井工作在最佳狀態(tài)。降低故障率的同時(shí)提高工作效率。

　　D、亦可組成壓力、溫度閉環(huán)系統，提高自動(dòng)化程度及實(shí)現最佳控制。采用變頻調速后，對于富油油井，可以增產(chǎn);對于貧油油井可以做到連續生產(chǎn)且減少停井次數并達到節能的目的;對含砂油井，可以減少卡泵次數，并可反轉排砂，延長(cháng)電泵壽命;對于含氣油井，可提高轉速減少油氣分離不佳所致的氣鎖現象出現而增產(chǎn)增效;對于含蠟油井，可減少結蠟、結垢而降低管路堵塞次數;對于稠油油井，可低速大功率運行，減少停井次數并獲得可觀(guān)的節能效果。

　　1.2 過(guò)去采用的幾種變頻調速方案比較

　　1.2.1 采用工頻通用變頻器

　　系統簡(jiǎn)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-高方式達到油泵電機變頻目的。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是系統過(guò)于笨重，尤其是輸出側變壓器尚須按最低工作轉速來(lái)設計，通用性不強或設計不可能合理。由于系統幾經(jīng)變換，使效率降低。

　　1.2.2 采用普通低壓變頻(二電平)技術(shù)實(shí)現中壓變頻

　　系統簡(jiǎn)圖如下：

　　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?？刂品绞饺圆捎脗鹘y的正弦波脈寬調制。其優(yōu)點(diǎn)是系統組成簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是輸出的電壓波形為高壓矩形脈沖，即出現了難以解決的dv/dt問(wèn)題，這對于長(cháng)輸電線(xiàn)路的工況很不適宜，對電機同樣帶來(lái)絕緣問(wèn)題，且輸出電流波形亦不理想，整機運行可靠性較低。由于3300V高壓IGBT應用尚不太成熟且價(jià)格昂貴，實(shí)用經(jīng)濟效益亦是應用的瓶頸。

　　1.3 本公司中壓變頻器的技術(shù)方案

　　本是采用二極管箝位三電平技術(shù)，其系統簡(jiǎn)圖如下：

　該技術(shù)自80年代始即被國外廠(chǎng)家應用并推廣。東芝、ABB、三菱、西門(mén)子等公司都有此類(lèi)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(lái)的絕緣及諧波等問(wèn)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絕緣造成的沖擊導致的絕流損傷、軸電壓對電機軸承的腐蝕以及傳導干擾、輻射干擾等諸多問(wèn)題，降低漏電流及電機噪音。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(lái)保證，盡管其中點(diǎn)電壓浮動(dòng)也是問(wèn)題之一，系統也變得稍加復雜，但在幾十千瓦的變頻器中，該不足之處并不構成價(jià)格限制因素。本公司生產(chǎn)的1140-2300V變頻器就是采用這一技術(shù)方案。所不同的是，電壓大于1140V的變頻器主逆變器件采用的是串聯(lián)結構。

　　1.4 中壓變頻器應用簡(jiǎn)述：

　　中壓變頻器是指額定電壓在1140-2300V范圍內變頻器，均采用1700V IGBT，其器件比較成熟，價(jià)格低廉，性能價(jià)格比最高，因此這種拓撲結構在這種電壓之下是最優(yōu)選擇方案。而國外的中壓產(chǎn)品則主要指輸入電壓為1140V- 10kV的變頻器。其中，1140-4160V的變頻器多為三電平方式，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。

　　中壓變頻器已經(jīng)應用在油田和礦山，用戶(hù)對其運行性能均很滿(mǎn)意，尤其在油田深井潛油電泵的應用當中，由于具有欠載保護功能，大大提高了作油泵和電機工作壽命，可以多臺集中使用。