摘要：在潛油電泵（簡稱油泵）系統中，變頻器的應用越來越廣泛，通過變頻驅動油泵機組，可實現軟啟動，消除了井下機械和電力沖擊，使泵工作在最佳工況點，有利于延長油泵機組的使用壽命。但是，傳統變頻技術的應用也帶來了系列問題，變頻器輸出波形為PWM波，油泵的供電電纜為1000m~3000m，由于長線電纜存在分布電感和分布電容，導致電機端產生過電壓，同時變頻器輸出存在著很高的共模電壓，使電機軸承產生電流，造成電機軸承的損壞，另外變頻的使用導致諧波電流更大，使電纜、電機發熱嚴重。針對傳統變頻的缺點，英威騰設計了全新的Goodrive3000三電平變頻器應用在油泵上，大大的降低了變頻使用對油泵系統的損害。

關鍵詞：Goodrive3000   三電平變頻器  潛油電泵

1.引言

潛油電泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內，地面電源通過變壓器和潛油電纜等將電能輸送給井下潛油電機，使電機帶動多級離心泵旋轉，將電能轉換為機械能，把油井中的井液舉升到地面。通過變頻驅動的潛油電泵性能穩定，節電率高，且大大減少油泵系統的維護。本文主要介紹英威騰新一代1140V中壓Goodrive3000系列三電平變頻器在河北勝利油田某現場的應用。

2.潛油電泵系統的結構及工作原理

圖1潛油電泵系統示意圖

潛油電泵系統由七大部分組成：潛油電機、保護器、油氣分離器、潛油電泵、動力電纜、控制柜和接線盒。與其配套使用的還有小扁電纜護罩、電纜卡子、單流閥、泄油閥等。下面為每個部分的作用簡介：

a.潛油電機組中使用的電機為三相鼠籠式異步電機，潛油電機工作電壓一般為400-2600V，電流一般為30-120A。電機功率與電機長度成正比，但每節電機長度最長不大于10m，電機可以串聯使用。

b.保護器主要是保護潛油電機，阻止井液進入潛油電機，避免燒毀潛油電機；

c.油氣分離器對于含氣的電泵井，井液在進入潛油電泵之前，要先通過油氣分離器進行氣、液分離，以減少氣體對潛油泵工作性能的影響；

d.潛油電泵是一種多級離心泵，當機組被啟動后，潛油電機帶動潛油電泵軸及軸上葉輪高速旋轉，將油液抽送至地面；

e.動力電纜是一種用特殊材料絕緣并密封，外加鋼帶鎧裝的潛油動力電纜，其功能是將地面的電能輸送到井下的潛油電機；

f.控制柜用于潛油電泵的啟動和停機，以及運行中的一系列控制；

g.接線盒的作用是連接控制柜到井口之間的潛油電泵動力電纜，以排除電纜中的氣體，防止油井中的易燃氣體進入控制柜，發生火災或爆炸，所以每口油井電泵都必須安裝接線盒。

3.現場工況

Goodrive3000變頻器應用的勝利油田某油泵現場比較空曠，油泵附近配置6KV轉1280V的變壓器、安裝控制柜和接線柜的鐵皮房。變頻器放置在鐵皮房內，鐵皮房設計有兩個通風口，通風口處分別安裝一個交流風扇，采用抽風的方式對房內所有設備進行散熱，該現場一年中的環境溫度最高可達39℃。下圖為應用現場工況示意圖：

圖2   6KV轉1280V變壓器                          圖3  鐵皮房（含控制柜、接線柜）

圖4潛油電泵地面部分

3.1潛油電機參數

3.1油泵對變頻器技術要求

l可實現油泵的軟啟動、軟停車；

l可提高油泵系統的功率因數；

l不受供電電壓波動的影響，能夠輸出穩定電壓，能夠補償長電纜的線路損耗；

l具有完善的保護功能；

l控制方便，操作簡單；

4.方案設計與說明

潛油電機為75KW/1140V，根據現場工況，采用英威騰Goodrive3000系列的GD3000-00-090G-12兩象限柜式變頻器驅動。下圖為電氣拓撲示意圖：

圖5GD3000在油泵上的應用電氣拓撲圖

GD3000-00-090G-12兩象限柜式變頻器配置輸入電抗器和輸出電抗器；輸入端通過進線柜接入電源，輸出端通過接線盒接入潛油電機。

該方案的優勢：

1）變頻器采用全新的三電平拓撲：

圖6三電平電氣拓撲圖

三電平拓撲相比于傳統的兩電平拓撲具有如下優點：

a.電機端的du/dt相比于兩電平降低60%，減少電纜和電機的絕緣壓力，從而降低了電纜和電機繞組的損壞；

圖7兩種變頻器在電機端的du/dt

b.電機端的共模電壓更小，電機軸電流小，大大減小對電機軸承的損壞；兩電平共模電壓分為：Udc/2、Udc/6、-Udc/6、-Udc/2四個電平，三電平共模電壓分為：Udc/3、Udc/6、0、-Udc/6、-Udc/3五個電平，如下圖為三電平電機端的共模電壓：

圖8三電平電機端的共模電壓波形

c.輸出電壓相對諧波<5%，輸出電流相對諧波<3%，減少電纜、電機繞組的發熱；

2）輸入側配置電抗器，大大提高系統網側的功率因數，功率因數可達0.9以上；

3）電源輸入端采用970~1310V的寬電網設計，可滿足不同的電網環境；

4）變頻器配置中文液晶鍵盤，方便操作；

5）高性能的三電平空間矢量控制(SVPWM)技術

6）

采用疊層母排技術，如下：

Ø減少了雜散電感和IGBT的關斷尖峰

Ø緊湊化的設計，減小整機的體積

Ø易于安裝和更換，經久耐用

Ø可靠性高，安全性高

7）

長壽命設計，采用薄膜電容

Ø耐電壓能力高，絕緣電阻極高

ØESR(等效串聯電阻)低，耐紋波電流強

Ø抗脈沖能力強，可靠性高

Ø損耗極低，發熱少，使用壽命長

8）支持多種通信模式

9）可實現后臺監控控制，方便操作

10）變頻驅動可實現潛油電機的軟啟動、軟停車，延長油泵的使用壽命，保護電機、電纜，降低維修費用；

11）可以實現輸出電壓、電流的連續調節，以達到輸出功率連續可調的目的，使油泵系統處于最佳工作狀態；

12）具有過壓，過流，缺相，過載，過溫等多種保護功能；

5.現場運行情況

變頻器在現場運行良好，滿足現場的工況要求，如下圖為變頻器運行輸出電壓、電流波形波形：

圖9變頻器輸出電壓電流波形

6.結束語

英威騰全新一代Goodrive3000系列三電平變頻器在潛油電泵上的成功應用，增強了油泵系統控制的可操作性，提高了使用壽命，減少了維護成本，可以保證油泵機組工作在最佳工況，同時節能效果明顯，創造了極大的經濟效益。