一、引言
用現(xiàn)代高新技術(shù)改造原有的油田采油設(shè)備是大勢所趨。用現(xiàn)代自控技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)來為油田潛油電泵（以下簡稱潛泵）提供理想電源是這種技術(shù)改造過程中的一個(gè)重要組成部分。潛泵按放在地平面以下1000～3000米處，工作環(huán)境非常惡劣（高溫、強(qiáng)腐蝕等），而傳統(tǒng)的供電方式——全壓、工頻更使它故障頻繁，運(yùn)行成本大增。潛泵損壞提到地面上來維修，光工程費(fèi)就有5萬元，價(jià)值10萬元的電纜平均提上放下5次就得更換，潛泵平均10個(gè)月就得維修一次，維修費(fèi)用約8萬元，造成采油廠生產(chǎn)成本偏高。傳統(tǒng)供電方式對潛泵的正常運(yùn)行存在以下危害和不足：
＊ 潛泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)井下液量不富余時(shí)，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
＊ 全壓、工頻工作啟動(dòng)電流大，沖擊扭矩大，對電機(jī)壽命有很大影響。
＊ 油田供電電壓常有波動(dòng)，使電機(jī)欠激勵(lì)或過激勵(lì)，電機(jī)被燒時(shí)有發(fā)生。
＊ 幾千米的井下電纜帶來了150V左右的線路損耗，由于這部分損耗無法補(bǔ)償，從而影響了電機(jī)的正常工作。
由上可看出，潛泵的傳統(tǒng)供電方式必須改造，理想的供電設(shè)備應(yīng)具備哪些特性呢？
1、軟啟動(dòng)。
2、調(diào)速方便，即變頻運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行速度能根據(jù)工況任意設(shè)置。
3、不受供電電壓波動(dòng)的影響，并能補(bǔ)償電纜的線路損耗。
4．電纜上傳輸?shù)谋仨毷?a class="innerlink" href="http://www.shi-ke.cn/tags/正弦波" title="正弦波" target="_blank">正弦波，否則經(jīng)電纜反射，電壓脈沖疊加，容易燒毀電機(jī)。
5、各種保護(hù)功能齊全。
6、控制方便、操作簡單、顯示清楚。
顯而易見，滿足這些要求非變頻器莫屬，但市場上容易買到的為風(fēng)機(jī)、水泵服務(wù)的那些變頻器不適合，因?yàn)殡妷旱燃?jí)不符、輸出波形不是正弦、電纜的損耗電壓無法補(bǔ)償。我公司受油田委托成功地研制出了1140v、30kw～100kw潛泵專用變頻器系列產(chǎn)品。現(xiàn)以55kw的產(chǎn)品為例說明其特點(diǎn)。
二、潛油電泵專用變頻器的研制成功及其特點(diǎn)
潛泵雖有不同的電壓等級(jí)，但在線運(yùn)行的多為1140V、見過用380V級(jí)變頻器配合特制升壓變壓器的報(bào)導(dǎo)，本文認(rèn)為這種高——-低——-高方案有先天不足，讓升壓變壓器工作在低頻下是很困難的，現(xiàn)在的IGBT器件的耐壓應(yīng)付1140V綽綽有余，本文采用1140V變頻器直接給潛泵電纜供電的方案。
該變頻器的技術(shù)指標(biāo)為：
三相輸入：1140V、50Hz
三相輸出：額定電壓為1140V
頻率范圍：2HZ～50HZ連續(xù)可調(diào) 能提供合適的電纜補(bǔ)償電壓
輸出波形：正弦
控制功能、保護(hù)功能同于普通變頻器
本文僅對該變頻系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)簡述如下，與380V級(jí)通用變頻器相同部分不再贅述。
1、主電路與功率器件的選擇
在PWM電壓型380V級(jí)變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)1140V的輸出勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于器件串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓問題不易解決，應(yīng)盡量避免。本設(shè)計(jì)的整機(jī)方塊圖見圖一。
其中主電路部分采用三電平電路或稱中點(diǎn)箝位（NeturalPointClamped—Npc）方式,它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本設(shè)計(jì)的目的之一。圖中的功率開關(guān)器件選用西門子的雙單元IGBT模塊（1700V、200A），整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器，兩組電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)（三電平的中間電平）。
圖一. 整機(jī)主回路
2、載波頻率的選擇
提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會(huì)使開關(guān)損耗增加，所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊，本設(shè)備中載波頻率選為9.5KHZ，選擇這個(gè)值時(shí)考慮到了輸出端LC低通濾波器電感鐵芯的重量因素。
3、對輸入電壓的穩(wěn)定
輸入電壓經(jīng)整流、濾波后得直流母線電壓，以Uo表示，在此裝有一個(gè)電壓傳感器，其輸出電壓Ut正比于母線電壓Uo ，將Ut值送單片機(jī)處理，令 Uo的額定值對應(yīng)的Ut值為1，電網(wǎng)電壓向上波動(dòng)時(shí)，Ut>1，電網(wǎng)電壓向下波動(dòng)時(shí)Ut<1，CPU在計(jì)算PWM波的脈寬時(shí)要乘上因子 1/Ut。這樣就達(dá)到了穩(wěn)定輸入電壓的目的。設(shè)備在油田的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)+10%時(shí)，電機(jī)側(cè)測不到電壓的波動(dòng)，說明Ut 補(bǔ)償效果明顯。
4、輸出端為正弦波
電壓型變頻器輸出的是三相SPWM波，即寬度按正弦規(guī)律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以能獲得近似的正弦驅(qū)動(dòng)電流。在本設(shè)備中存在有幾千米的電纜線，若把PWM波直接加在電纜輸入端，由于長線效應(yīng)電機(jī)側(cè)會(huì)受到數(shù)倍于額定值的尖峰電壓的沖擊，電機(jī)很可能被燒壞。因此三相低通LC濾波器是必要的，濾波器電路如圖二.所示,在本設(shè)計(jì)中其截止頻率約為載波頻率的1/3。
圖二.輸出低通濾波器
5、電纜損耗的補(bǔ)償
潛泵對V/F曲線并無特殊要求，頻率降到30HZ以下已經(jīng)不出油了，為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，本設(shè)備把啟動(dòng)頻率設(shè)在2HZ，50HZ對應(yīng)1140V的額定輸出，電纜補(bǔ)償電壓Vb設(shè)為100V，在實(shí)際應(yīng)用中，Vb的大小還可調(diào)整。V/F曲線見圖三。
圖三.V/F 曲線
三、運(yùn)行情況
本公司這類1140V潛泵專用變頻器已經(jīng)有十多臺(tái)在油田運(yùn)行近一年，運(yùn)行良好，客戶滿意。用示波器在電纜的輸入側(cè)看，在潛泵的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任意調(diào)速，其波形均為漂亮的正弦波，電機(jī)就是在低速時(shí)也能運(yùn)行平穩(wěn)、均勻，無任何脈動(dòng)現(xiàn)象，電機(jī)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)調(diào)速靈活方便，杜絕了死井現(xiàn)象，節(jié)電效果在 10——-20%左右。深受用戶好評(píng)！