一、引言
用現(xiàn)代高新技術改造原有的油田采油設備是大勢所趨。用現(xiàn)代自控技術和變頻調速技術來為油田潛油電泵（以下簡稱潛泵）提供理想電源是這種技術改造過程中的一個重要組成部分。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、強腐蝕等），而傳統(tǒng)的供電方式——全壓、工頻更使它故障頻繁，運行成本大增。潛泵損壞提到地面上來維修，光工程費就有5萬元，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就得更換，潛泵平均10個月就得維修一次，維修費用約8萬元，造成采油廠生產成本偏高。傳統(tǒng)供電方式對潛泵的正常運行存在以下危害和不足：
＊ 潛泵全速運轉，當井下液量不富余時，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
＊ 全壓、工頻工作啟動電流大，沖擊扭矩大，對電機壽命有很大影響。
＊ 油田供電電壓常有波動，使電機欠激勵或過激勵，電機被燒時有發(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償，從而影響了電機的正常工作。
由上可看出，潛泵的傳統(tǒng)供電方式必須改造，理想的供電設備應具備哪些特性呢？
1、軟啟動。
2、調速方便，即變頻運行。啟動時間和運行速度能根據(jù)工況任意設置。
3、不受供電電壓波動的影響，并能補償電纜的線路損耗。
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。
5、各種保護功能齊全。
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機、水泵服務的那些變頻器不適合，因為電壓等級不符、輸出波形不是正弦、電纜的損耗電壓無法補償。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品。現(xiàn)以55kw的產品為例說明其特點。
二、潛油電泵專用變頻器的研制成功及其特點
潛泵雖有不同的電壓等級，但在線運行的多為1140V、見過用380V級變頻器配合特制升壓變壓器的報導，本文認為這種高——-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。
該變頻器的技術指標為：
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 能提供合適的電纜補償電壓
輸出波形：正弦
控制功能、保護功能同于普通變頻器
本文僅對該變頻系統(tǒng)的技術特點簡述如下，與380V級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級變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實現(xiàn)1140V的輸出勢必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結構，由于器件串聯(lián)動態(tài)均壓問題不易解決，應盡量避免。本設計的整機方塊圖見圖一。
其中主電路部分采用三電平電路或稱中點箝位（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計的目的之一。圖中的功率開關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即本電路的中心點（三電平的中間電平）。
圖一. 整機主回路
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，會使開關損耗增加，所以選擇時必須權衡利弊，本設備中載波頻率選為9.5KHZ，選擇這個值時考慮到了輸出端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值送單片機處理，令Uo的額定值對應的Ut值為1，電網(wǎng)電壓向上波動時，Ut>1，電網(wǎng)電壓向下波動時Ut<1，CPU在計算PWM波的脈寬時要乘上因子1/Ut。這樣就達到了穩(wěn)定輸入電壓的目的。設備在油田的實際運行中，當電網(wǎng)側電壓波動+10%時，電機側測不到電壓的波動，說明Ut 補償效果明顯。
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機，由于電機是感性負載，所以能獲得近似的正弦驅動電流。在本設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，由于長線效應電機側會受到數(shù)倍于額定值的尖峰電壓的沖擊，電機很可能被燒壞。因此三相低通LC濾波器是必要的，濾波器電路如圖二.所示,在本設計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，為了實現(xiàn)軟啟動，本設備把啟動頻率設在2HZ，50HZ對應1140V的額定輸出，電纜補償電壓Vb設為100V，在實際應用中，Vb的大小還可調整。V/F曲線見圖三。
圖三.V/F 曲線
三、運行情況
本公司這類1140V潛泵專用變頻器已經(jīng)有十多臺在油田運行近一年，運行良好，客戶滿意。用示波器在電纜的輸入側看，在潛泵的整個轉速范圍內任意調速，其波形均為漂亮的正弦波，電機就是在低速時也能運行平穩(wěn)、均勻，無任何脈動現(xiàn)象，電機在整個頻率范圍內調速靈活方便，杜絕了死井現(xiàn)象，節(jié)電效果在10——-20%左右。深受用戶好評！
