潛油電泵變頻調速系統問題研究

李 帥，孫 健，周 勇

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在傳統的潛油電泵應用過程中，應用的運行模式為全壓工頻恒壓模式，其啟動形式以直接啟動為主，在啟動過程中會產生極大的電流沖擊，嚴重影響潛油電泵機組的應用期限，在此過程中，也會影響油井的正常生產和開采，導致資源浪費情況的發生，因此需要對潛油電泵變頻調速系統問題進行分析，以保障潛油電泵的廣泛應用。

1 輸出du/dt 對電泵機組的影響

普通變壓源變頻器應用過程中，電壓輸出過程中會產生電壓跳變，且電壓跳變的幅度比較大，以電壓輸出過程之中相電壓的跳變幅度分析，可實現直流電母線最大電壓值的供應，此時需要逆變器功率元件提升開關的應用速度。在此過程中，電壓的變化率會隨之增加，也就是表明此情況下du/dt 的值也會隨之升高。在du/dt 比值超過規定數據以后，會對電機泵組的絕緣性能產生不利影響，對軸承的應用壽命產生負面作用，在潛油電泵機組應用過程中，線路中會存在分布電容和電感，會導致機組應用過程中產生反射效應，放大du/dt 的比值，尤其是在電極端子位置部位，du/dt 的比值會增加一倍以上。

1.1 行波衍射原理及絕緣影響

潛油電泵機組動力電纜在應用過程中，絕緣性能良好，具有較強的電纜強度，其對井下高溫環境具有良好的耐受性，屬于特種作業的一種電纜。在潛油電泵實際運行過程中，其會向傳輸線路中傳輸，在發生反射波與入射波的共同效用以后，會形成電流及電壓，從實際電壓波分布情況及電流波傳輸線分布情況分析，電壓可依靠反射波及傳輸線沿線的電壓入射波向疊加的結果進行分析。而實際應用中，也可依靠電流的反射波與電流入射波相減形成。在此基礎上，可清晰表明，在電纜長度不斷增加的情況下，會受到行波衍射作用影響，可無限放大du/dt的數值。而依據脈沖電流與電機繞組的等效寄生電容之間的內容，可見其輸出du/dt 數值與之存在極大相關性。因此相對于電機繞組等效寄生電容分析，對其直流母線電壓及直流母線功率元件最低的導通時間比值之間均存在相關性。在電泵機組實際運行中，會受到寄生電容的影響，在開展高頻次的通斷操作之中，相關功率元件會產生極大的電應力。在此情況下，電泵機組的電纜絕緣也會受到影響，若電纜長期處于電應力的影響下，將加速絕緣的老化，將加劇對電動機的絕緣性損傷。在電應力影響加大的情況下，將導致絕緣被擊穿，若是絕緣被擊穿，潛油電泵的應用壽命也會隨之受到影響[1]。

1.2 du/dt 對電機軸承產生的影響

對潛油電泵電機運行情況進行分析，由于電機轉子軸承、轉子之間、電機殼及轉子之間會產生較大的寄生電容，所以會導致脈沖充電電流產生，寄生電容在應用過程中，會產生累加效果，電機轉子電壓會不斷上升，這兩種因素的存在會對脈沖充電電流產生影響，一旦寄生電容運行過程中發生累加效果，也會導致電機轉子電壓水平的提升，會直接會導致電機軸承潤滑油膜產生擊穿效果，產生電火花，影響電機軸承的應用，甚至會損壞軸承。

2 輸出諧波對電泵產生的影響

運行潛油電泵的過程中，會導致輸出諧波內容的存在，所以在電機應用過程中，導熱現象時有發生，升溫問題時常存在，所以電機大都必須應用降額方式應用。除此以外，諧波存在會導致波形輸出異常情況，導致電機轉矩產生脈動狀況，加劇電機噪聲。

2.1 諧波電流產生附加銅損

在運行潛油電泵的過程中，諧波電流一旦經過電機，將誘發電機轉子套組銅損問題的出現，若是需要對實際集膚效應進行考量，必須增加銅損問題發生率。

2.2 諧波電流產生附加鐵損

諧波電流會導致磁場的產生，這一磁場相對于普通電磁場來說，磁場倍數會與同步電機定子存在差異性，轉子旋轉速度的同步速度與之存在差異性，其在此過程中會對轉子鐵芯產生一定損傷，但是其整體上與之存在相似性，二者之間存在不相似的旋轉速度，但是其整體上存在相似性，隨著諧波次數的增加，轉子旋轉速度也會隨之提升[2]。從轉子鐵損、定子與諧波關系進行分析，電機中通過諧波電流過程中，也會在轉子及電機定子中生成附加鐵損，其應用中與峰值諧波電壓分量平方存在聯系，且聯系成正比，其也與諧波次數呈反比聯系。因此若想促進調制頻率的提升，若是電壓諧波分量中幅值的增長，會導致移動頻率不斷增加，此情況下不斷縮減諧波導致鐵損問題。諧波電流在通過轉子繞組、定子的過程中會增大鐵損，導致電機加速升溫。此外，其還會影響電機的實際運行效率，電機在運行工況不同的情況下，供電方式也會存在差異性，其下降的程度也存在差異性，在一般情況下，電機效率會受到諧波電流的影響，其下降幅度一般在2 %左右。

3 解決方法

電壓開關方式在潛油電泵變頻器的應用，其硬性開關屬于電路開關的類型，在電路處于高電壓情況下，功率器件會出現導通現象，電路電流較大的情況下，電路會關斷，整體電路開關應用過程中，屬于強制開關的主要形式。功率器件在高電壓狀態情況下運行，電路導通會產生du/dt，其屬于高幅值產生的最主要因素。從這一狀況出發，諧振軟性開關對電路進行逆變，其在變頻器中的應用，可對du/dt 輸出所產生的高幅值問題進行改善。運行諧振軟性開關電路過程中，功率開關元件實現導通情況，會導致其處于零電壓狀態下，可對功率元件導通電路產生狀況下的電壓突變狀況進行改善，以此對高幅值du/dt 情況進行避免。此外，必須不斷對潛油電泵的內部結構進行優化，可對繞組連接形式及電機定子槽數進行改善，并依據電機定子槽對尺寸進行適度增加。

4 結束語

綜上所述，在原油開采作業開展過程中，潛油電泵屬于必不可少的重要器械，其運行原理為，將潛油電泵機組整體向井下移動至一定深度。在一般狀況下，潛油電泵入井的深度在1～2.5 km，潛油電泵機組的供電大都依靠扁平電纜開展，在電纜應用過程中，必須保障其油井溫度在120 ℃以下，電機在供電完成以后，會帶動多級離心泵，使之高速旋轉，以此生成多級增壓離心泵，以對油液形成多級增壓。所以必須分析潛油電泵變頻調速系統問題，并不斷對其優化，以提升油田企業生產經營效益。