季秀遠(yuǎn)，張懷忠

（渤海裝備中成機械制造公司，天津 300280）

1 概述

目前，潛油電泵工藝作為石油開采中比較重要的機械采油舉升技術(shù)，是油田長期穩(wěn)產(chǎn)的主要手段，其泵掛通常在1000～3000m。在生產(chǎn)中受到高溫、腐蝕、含砂、氣鎖和地層能量低等惡劣井況條件下的影響，加上地面供電系統(tǒng)不穩(wěn)定會造成電泵運行壽命短、泵效低、生產(chǎn)時效低，運用變頻技術(shù)對潛油電泵控制系統(tǒng)進行改進，提高其生產(chǎn)效率，目前，潛油電泵變頻主要有中壓變頻控制和高低高變頻控制方式，該兩種控制方式在控制原理、諧波輸出、輸出力矩、輸出電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)效率方面存在差別。

2 高低高和中壓變頻方案原理對比

2.1 高低高變頻控制柜

系統(tǒng)兩端各設(shè)置1 臺變壓器，中間用1 臺(或幾臺并聯(lián))低壓變頻器，前端的降壓變壓器將輸入的高壓交流電變成低壓交流電送到變頻器的輸入端，變頻器輸出的低壓交流電經(jīng)后端的升壓變壓器再升為高壓后供潛油電泵機組使用，這種方案雖然可以進行變頻調(diào)速，但需使用兩臺變壓器，造成系統(tǒng)損耗大占地多投資高，并且產(chǎn)生大量高次諧波的明顯缺陷，因此，開發(fā)適用于中高壓潛油電泵的變頻調(diào)速裝置勢在必行。

圖1 高低高變頻控制原理圖

2.2 中壓變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用（井場電網(wǎng)電壓380V）

系統(tǒng)電網(wǎng)電壓直接與一臺升壓變壓器相連，將380V 變成潛油電泵機組使用的電壓等級供中壓變頻柜使用，通過中壓變頻柜直接控制潛油電機。

中壓變頻柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計相當(dāng)于一個放大化的變頻器，其采用“交－直－交”的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，三相交流電由整流器整流為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)的電容器濾波后由逆變器逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)濾波后供電機調(diào)速用。在逆變部分采用三電平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是目前技術(shù)較為成熟的潛油電泵中壓變頻調(diào)速技術(shù)，所以采用這種方式，可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，變頻器采用高壓IGBT 晶閘管，可以直接實現(xiàn)高壓輸出。

圖2 中壓變頻控制原理圖

3 中壓變頻器和高低高方式比較主要有幾方面的優(yōu)勢

3.1 輸出諧波小

對應(yīng)于功率開關(guān)器件的導(dǎo)通瞬間將會產(chǎn)生諧波電流，當(dāng)開關(guān)器件以很高的頻率通斷時，將會產(chǎn)生脈沖電流，電機繞組絕緣將反復(fù)承受峰值很高的脈沖電流，如此長期下去，將會加劇絕緣老化過程。輸出諧波對電機的影響主要有引起電機附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機的額外溫升升高，由于輸出波形失真，增加了電機的重復(fù)峰值電壓，影響電機和電纜絕緣，諧波還會引起電機轉(zhuǎn)矩脈動，使噪音增加。諧波電流流過電機定、轉(zhuǎn)子繞組時產(chǎn)生的附加損耗，該損耗將導(dǎo)致電機溫升增加.同時將使得電機效率下降。因為變頻器都是采用PWM 輸出，PWM 輸出會產(chǎn)生電壓諧波，中壓變頻器一般都采用多電平方式（主要有三電平和五電平兩種），而低壓變頻器一般都采用兩電平方式，多電平方式的輸出電壓諧波比兩電平小很多，不僅提高了波形質(zhì)量，而且減小了開關(guān)損耗。電壓諧波對電機和電纜都有危害，特別在長電纜情況下，電壓諧波對他們危害與諧波大小的平方成正比，所以電壓諧波小對電纜和電機有很大的好處。高低高方案中的低壓變頻器均為電壓源型，本身輸出波形就不是很理想，高次諧波經(jīng)由升壓變壓器放大后對（老）電機發(fā)熱、噪聲等都會帶來不利的影響，縮短電機的使用壽命。

從測試試驗數(shù)據(jù)來看，中壓變頻控制柜無論在輸入側(cè)電壓諧波、輸入側(cè)電流諧波、輸出側(cè)電壓諧波以及輸出側(cè)電流諧波都要略優(yōu)于低低壓變頻控制柜，因此能有效地確保機組的穩(wěn)定運行。

表1 中低壓變頻控制柜諧波測試數(shù)據(jù)對比

3.2 中低壓變頻輸出力矩比較

因為三相異步電機的特性，如果要保持低速輸出力矩不變，必須保持磁通不變，或者說保持電機上的V/F（電壓/頻率）不變，所以變頻器的輸出方式是VVVF（變頻變壓），但是電纜和電機都有一定的線電阻，所以有一定的壓降，為了保持電機低速是有較大的力矩輸出必須采用低頻電壓提升的辦法。因為高低高方式輸出是通過變壓器，變壓器是無法在低頻下提升電壓（如果強力提升低頻電壓，變壓器會磁飽和，發(fā)熱很厲害會很快燒壞，而且強力提升的電壓也非常有限）。所以高低高方式在低頻時的輸出力矩很小，在長電纜情況下，為了解決電機的啟動問題采用高頻直接啟動（如30Hz 啟動），變頻器的軟啟動性能就完全不能實現(xiàn)了，對機組肯定有危害，而且因為變頻器的過載能力的限制（變頻器的過載能力一般是150%，電機高頻啟動的電流可達(dá)600%～700%），采用高頻直接啟動的啟動力矩都小于50%的額定力矩。可是直接中壓變頻器完全可以做到150%以上的啟動力矩，而且是軟啟動，優(yōu)勢非常明顯。

3.3 輸出電壓穩(wěn)定

變頻器一般都有輸出電壓自動穩(wěn)壓功能，高低高變頻器的輸出是通過變壓器，升壓變壓器必須能夠承受變頻器頻率輸出范圍的大幅變動，變壓器有輸出阻抗，輸出電壓會隨負(fù)載變化，輸出電壓不穩(wěn)，對機組有危害。中壓變頻器是直接輸出，電壓輸出穩(wěn)定對機組有益。

3.4 變頻控制柜現(xiàn)場維護對比

（1）低壓變頻控制柜。低壓變頻控制柜采用的整體變頻器，變頻器通過螺栓固定安裝到控制柜內(nèi)，一旦出現(xiàn)變頻器自身故障，現(xiàn)場操作人員無法快速進行檢修或更換，只能等變頻器廠家專業(yè)技術(shù)人員進行現(xiàn)場修理或者將變頻器從柜體拆除進行返廠修理，且申請售后服務(wù)手續(xù)繁瑣，會嚴(yán)重影響潛油電泵井的恢復(fù)生產(chǎn)，有可能造成死井。

（2）中壓變頻控制系統(tǒng)。中壓變頻控制柜設(shè)計較為簡單，變頻控制柜也就是變頻器，它是把變頻器內(nèi)部整流二極管、電容、線路板、逆變模塊、散熱風(fēng)扇通過模塊化設(shè)計，合理分散布置在控制柜內(nèi)，結(jié)構(gòu)清晰明了，方便查找故障原因，更換柜內(nèi)內(nèi)部的線路板和電氣元件較為簡單，由于該變頻柜柜體設(shè)計輕便，現(xiàn)場一旦不能對變頻柜進行修復(fù)，可由2～3人較快地完成變頻控制柜更換工作，能保證電泵井較快復(fù)產(chǎn)。

4 結(jié)語

綜上所述，對比中壓變頻控制系統(tǒng)和低壓變頻控制系統(tǒng)的優(yōu)劣勢可以看出，中壓變頻控制系統(tǒng)更適用于油田的井況和工作環(huán)境，對提高采油產(chǎn)量、質(zhì)量,降低維護費用,節(jié)約能源及提高經(jīng)濟綜合效益,具有非常重要的意義。