一、引言

　　我國自1981年引進潛油電泵技術以來至今已有近20年的歷史，近20年來，潛油電泵作為重要的機械采油設備在油田得到了廣泛應用。據統(tǒng)計資料表明，目前我國已有潛油電泵進近3700口，僅大慶油田就有近1700口，占機械采油井總數的10%，產液量占總產液量的30%。

　　用現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，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。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.電纜上傳輸的必須是正弦波，否則經電纜反射，電壓脈沖疊加，容易燒毀電機。

　　5、各種保護功能齊全。

　　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。

三、潛油電泵的優(yōu)點

    1）大排量采液是這種采油方法的主要優(yōu)點。但是，目前潛油電泵也經常應用于產液量比較低的油井。2）這種泵能夠把油井中位于上部水層的水轉注到下部的注水層中。3）操作簡單，管理方便，在市區(qū)應用有得于美化環(huán)境、減少噪音。4）能夠較好地運用于斜井、水平井以及海上采油。5）容易處理腐蝕和結蠟。6）容易安裝井下壓力及溫度等測試裝置，并通過電纜將測試信號傳遞到地面，進行測量讀數。7）為適應油井產量遞減或發(fā)生變化，可采用變頻裝置調節(jié)電源頻率來實現，但投入費用較高。8）免修期較長，油井生產時效相對比較高。

四、潛油電泵的缺點

    1）潛油電泵下入深度受電機額定功率的限制，套管尺寸和井底高溫時潛油電泵的下入深度受到限制。大型高功率設備沒有足夠的環(huán)形突然空間冷卻電機，會縮短電機的使用壽命。2）由于多級大功率潛油功率比較昂貴，使得初期投資比較高，特別是電纜的費用較高。如果需要搞腐蝕或耐高溫，則費用會更高。3）由于整套裝置都安裝在井下，一旦出現故障，需要起出全部管柱進行修理，導致作業(yè)費用增加和停產時間過長。4）井下高溫容易使電纜出現故障，高溫、腐蝕和磨損可能造成電機損害。高氣油比會使升舉故障降低，而且會因氣鎖使泵發(fā)生故障。5）動力源僅適應采用電源。

五、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。

　　其中主電路部分采用三電平電路或稱中點箝位方式，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。

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，電網電壓向上波動時，Ut>1，電網電壓向下波動時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。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以下已經不出油了，為了實現軟啟動，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

六、運行情況

　　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，無任何脈動現象，電機在整個頻率范圍內調速靈活方便，杜絕了死井現象，節(jié)電效果在10——-20%左右。