潛油電泵變頻調速系統存在的問題與優化

馬源

（大慶油田裝備制造集團力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163000）

1 潛油電泵變頻調速系統概述

潛油電泵在開展原油開采的過程中，其運行原理是將潛油電泵的各個機組整體放到井下某一位置。一般來說，潛油電泵在井下的深度通常是1～2500m，而潛油電泵機組所需要的電力供應主要通過扁平電纜，所以油井中的溫度不能超過120℃。電動機在獲得電力供應以后就能夠帶動多級離心泵在速度較高的狀態下旋轉，從而對油液形成多級的壓力增加，直到油液的壓力超過一定的數值以后獲得舉升到達地面。傳統的潛油電泵的運行模式主要是全壓工頻恒定，采用的啟動方式是直接啟動，所以在啟動過程中會形成非常大的電流沖擊，同時會消耗大量的能量，不但給油田的生產開采工作造成影響，而且還會引起能量的浪費。近些年來，變頻技術的高速發展獲得了油田企業的高度重視，在潛油電泵中獲得了大量的應用，使潛油電泵的能源消耗問題得到了大幅的改善，促進了生產效率的提高，但是也帶來了許多的負面影響，比如變頻技術使電機持續地進行高次諧波電流和電壓的輸出，會造成電機損耗增加，并且這一過程中會產生大量的電磁波，對潛油電泵周邊的設備造成電磁干擾。潛油電泵機組輸入電纜中存在一定的分布電容，內部也具有很多的寄生電容，所以在工作過程中，與其功率相對應的電器元件開關在導通時會出現一個脈沖電流序列，而這一序列跟C存在正比關聯，所以這一電流序列就會對前有機泵中的變頻器產生不同程度的影響，造成其運行工況的不穩定，影響電機的性能，使電機做出漏電保護動作。所以，本篇文章主要針對du/dt以及高次諧波開展分析，并討論他們對電機性能造成的影響。

2 輸出du/dt對電泵機組的影響

一般的電壓源變頻器在工作過程中輸出的電壓具有較大的跳變幅度，比如在進行電壓輸出時，相電壓所能達到的最大跳變幅度接近直流電母線所具有的電壓值，這種情況下，在對有關的逆變器功率元件進行開關時，其速度會較大，所以形成的電壓變化率數值較高，即du/dt數值較大。在這一數值過高的情況下，就會影響軸承的使用壽命，并且對電泵機組的絕緣性能產生不利影響，而在潛油電泵的電纜中存在分布電容或者電感，就會使機組形成一個波反射效應，引起du/dt的數值進一步放大，特別是在電極的端子位置，這一數值的增加會超過1倍。

2.1 行波衍射原理以及對絕緣的影響

潛油電泵機組所使用的動力電纜具有很好的絕緣屬性，并且電纜的強度較高，可以耐受井下溫度較高的條件，屬于特種作業的一種電纜。該動力電纜的電路模型如下圖1所示，依據電路當中管線、母線、單位長度電阻值和電感值、不同導線間的電導和電容值所形成的電路模型之間的關系，依據構建起的電路方程式，能夠計算出傳輸電路當中電壓所具有的入射波U+以及反射波U-之間的關系式，具體表達公式為：

圖1 電纜傳輸線的電路模型

而潛油電泵在工作時，傳輸電路當中只存在反射和入射波互相影響后產生的電流和電壓。依據具體電流博和電壓博在傳輸線當中的分布狀況能夠看出，電壓的具體數值實際上是傳輸線沿線的電壓反射波和日射波相加所得，而電流的大小是電流的入射波和反射波相減所得，基于此能夠發現，在電纜長度不斷增加的過程中，因為行波衍射效應的存在，輸出du/dt的數值也會不斷地增加。同時，脈沖電流的大小計算公式為：

式中，Cm代表的是與電機繞組具有相同效果的寄生電容；Ud代表的是直流母線電壓；tr代表的是功率元件所具有的導通最小時間。

可以看出，依據脈沖電流具體跟電機繞線組效果相等的寄生電容和輸出du/dt之間存在直接的關聯，所以，跟電機繞組效果相等的寄生電容、直流母線電壓、功率器件的導通最小之間也具有正比關聯。所以電泵機組在工作過程中，因為存在寄生電容，有關的功率元件進行頻次較高的開啟和關閉操作時，就會形成脈沖電流，且其處于峰值，這種情況下電機泵組電纜所具有的絕緣性能就會受到電應力帶來的影響。假如電纜長期處于這種應力作用下，就會造成絕緣持續發生老化，對電動機所具有的絕緣性能產生極大的負面影響。當電應力較大的情況下，可能會將絕緣擊穿，使潛油電泵的使用壽命大幅縮短。

2.2 du/dt對電機軸承造成的影響

潛油電泵的電機在工作時，因為定轉子之間、轉子跟電機外殼之間、轉子跟軸承之間都分布著許多的寄生電容，所以就會形成不同大小的脈沖充電電流。而寄生電容在工作過程中可能會出現累加，所以使得電機轉子所具有的電壓持續增加。以上兩種不同的因素都會造成潛油電泵中軸承所具有的潤滑油膜受到擊穿，造成電火花的出現，從而對電機軸承的正常使用產生影響，甚至可能會造成軸承的損壞。

3 輸出諧波對電泵的影響

潛油電泵在工作過程中，因為存在輸出諧波，所以電機會出現發熱的情況，造成了電機溫度的提高，所以通常情況下，電機使用過程中需要進行額定功率的降低。同時，諧波的存在會造成波形輸出出現失真，電機所具有的實際重復峰值電壓也會提高，這會對電機所具有的絕緣性能造成較大的影響。同時，諧波還會影響電極所具有的扭矩，造成電極扭矩發生脈動，進而使電機所產生的噪音變大。

3.1 諧波電流形成的附加銅損

潛油電泵在工作時，諧波電通過電機的過程中會引起電機的轉子套組發生銅損，具體計算公式為：

結合實際出現的集膚反應情況，可以對以上公式開展修正，得到下面的公式：

式中，RS代表的是電動機中的定子繞組所具有的電阻值；Rr代表的是電動機中的轉子繞組所具有的電阻值；Krk代表的是修正系數。

由此可以看出，受到集膚效應的影響，諧波電流引起的附加銅損也會進一步變多。

3.2 諧波電流形成的附加鐵損

諧波電流會形成一定大小的磁場，而這一次磁場相較于一般電流的磁場，會形成不同倍數的跟電機定子以及轉子的轉速同步的同步速度，所以，這一磁場會對電機中的轉子鐵芯形成不同程度的損傷，諧波磁場跟電極的轉子、定子之間的相對轉速盡管存在差異，但是從整體來看十分接近，在諧波次數不斷增加的過程中，兩者的轉速也會不斷地接近。通過簡化計算，可以得到諧波跟定子、轉子之間的關系如下式所示：

從上面公式可以看出，在諧波電流通過電機的過程中，其在電機轉子和定子中產生的附加鐵損跟峰值情況下的諧波電壓分量的平方之間存在正比例關聯，二跟諧波次數的1/2存在反比例關聯。所以，假如促進調制頻率的增加，則電壓諧波分量中具有較高幅值得就會持續的往頻率增加的方向移動，這樣諧波形成的鐵損會出現對應的變小。

通過上述分析我們可以發現，諧波電流在經過電機的轉子繞組和定子的過程中會產生不同程度的鐵損，進而引起電機溫度持續升高，同時也會造成電機工作效率的降低。而電機在工作狀況以及供電方法不同的情況下，其效率出現降低的程度也會存在差異，一般狀況下，我們會認為諧波電流引起電機效率降低的幅度至少是1%～3%。

4 優化措施

4.1 通過零電壓開關方法實現對du/dt的抑制

當前潛油電泵的變頻器中使用的電路開關通常都屬于硬性開關，也就是在電路當中電壓較高的情況下有關的功率元件會出現導通，但是如果電路中的電流持續變大，那么電路就會出現關斷。而功率元件處于電壓較高的情況下使得電路導通是引起du/dt所具有的幅值較高的重要因素。為了解決這一問題，有關人員開發出了諧振軟型開關逆變電路，這一點路的應用能夠有效的使du/dt產生幅值較高的問題得到解決。諧振軟型開關電路在工作的過程中，有關的功率器件開關處于導通狀態的情況下會保持零電壓的情況，這樣能夠有效的避免在電壓較高的情況下使得電路被強制導通，并且也避免功率器件在電路被導通的情況下電壓出現驟然的改變，所以有效的避免了du/dt處于高幅值狀態。

4.2 在交流輸出側接入交流電抗器

潛油電泵在工作狀況下輸出端會形成高次諧波，這對這一情況，可以在變頻器的逆變輸出端進行交流電抗器的接入，從而避免高次諧波對電機造成的損傷，最大程度的對電機進行保護，延長電機的使用壽命。同時，交流電抗器對于幅值較高du/dt形成的脈沖起到良好的限制功能，所以，其對變頻器中所具有的過載保護裝置也具有一定程度的保護作用。

4.3 改變潛油電泵所具有的內部構造

要想解決以上問題，可以對潛油電泵所具有的內部構造進行不斷的改進和優化。首先要對電機中的定子槽數、繞組等所進行連接的方式開展調整，比如利用星形或者角形構成的混合連接模式代替原來的星星連接方法，這樣能夠把五和七次諧波有效的清除。其次，可以把電機定子的槽所具有的尺寸進行一定幅度的增加，這樣能夠使定子槽所具有的有效面積變得更大，槽滿的概率就會出現降低，在進行實際穿線時的難度也會下降，這樣電機所具有的絕緣屬性也會得到有效的提升。再次，還可以對電機的軸承開展有效的改進和優化，比如利用絕緣軸承或者在軸承上加設與地面連接的電刷，這樣能夠有效的解決電流引起軸承損傷的問題。最后，由于潛油電泵采用的是變頻供電模式，促進轉子導條尺寸的增加，使轉子所具有的電阻值有效變小，那么就可以使電動機中的滑差損失變小。

5 交流變頻調速技術的發展方向

交流變頻調速技術是一項綜合性技術，其主要涉及強弱電混合和機電一體化，不但實現巨大電能之間的轉換，也就是逆變和整流，還要實現信息的收集、轉換和傳遞，所以其共性技術可以分為兩個部分，也就是功率和控制。功率主要是解決跟高壓大電流有關的問題以及電子電子元件的適配性問題，控制主要是對軟硬件進行開發。未來主要的發展方向包括下面幾個方面。

（1）實現高水平的控制。以電動機和機械模型為基礎的控制策略，有矢量控制、轉矩控制、機械抖動振動補償、磁場控制等。以現代理論為基礎的控制策略，主要包括滑模變結構技術、模型參考自適應技術、非線性解耦、最優控制技術等；以智能控制理論為基礎的控制策略，主要包括模糊控制、神經元網絡、自由化技術、自診斷技術等。（2）開發使用清潔電能的變流器。清潔電能變流器指的是變流器所具有的功率因數等于1，負載側和網側都存在盡量效的諧波分量，從而降低對電網造成的危害，使電動機所具有的轉矩脈動減少。針對中小容量的交流器來說，最為有效的手段是將開關頻率增加的PWM控制。針對容量較大的變流器來說，可以將電路的控制模式和構造進行改變，從而達到清潔電能轉換的效果。（3）促進裝置尺寸的減小。為了使變流器更加的緊湊，需要功率和控制元件所具有的集成度更高，其中包括功率模塊、光耦合器、開關電源、體積較小的變壓器、電抗器、電容器。為了縮小裝置的尺寸，可以將功率器件所使用的冷卻方式進行改變。（4）速度較高的數字控制。基于32位高速微處理器的數字控制模板能夠充分滿足不同控制算法提出的要求，windows操作系統的應用能夠使開發者進行自由的設計，促進了圖形編程控制技術的發展。（5）模擬和計算機輔助設計技術為變頻器的設計和發展提供了助力。

6 結語

變頻器在潛油電泵采油過程中獲得了廣泛的使用，能夠促進油田產量的提高，起到了節約能源的效果，提高了油田作業的自動化程度，但是也存在著許多的負面影響。有關人員需要對負面效應出現的原因進行全面分析，并采取針對性的措施將其清除和削弱，保證變頻調速系統在潛油電泵采油中的良性應用。