潛油電泵變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的問題與優(yōu)化

馬源

（大慶油田裝備制造集團(tuán)力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

1 潛油電泵變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

潛油電泵在開展原油開采的過程中，其運(yùn)行原理是將潛油電泵的各個(gè)機(jī)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(jī)組所需要的電力供應(yīng)主要通過扁平電纜，所以油井中的溫度不能超過120℃。電動(dòng)機(jī)在獲得電力供應(yīng)以后就能夠帶動(dòng)多級離心泵在速度較高的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，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(shù)值以后獲得舉升到達(dá)地面。傳統(tǒng)的潛油電泵的運(yùn)行模式主要是全壓工頻恒定，采用的啟動(dòng)方式是直接啟動(dòng)，所以在啟動(dòng)過程中會(huì)形成非常大的電流沖擊，同時(shí)會(huì)消耗大量的能量，不但給油田的生產(chǎn)開采工作造成影響，而且還會(huì)引起能量的浪費(fèi)。近些年來，變頻技術(shù)的高速發(fā)展獲得了油田企業(yè)的高度重視，在潛油電泵中獲得了大量的應(yīng)用，使?jié)撚碗姳玫哪茉聪膯栴}得到了大幅的改善，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高，但是也帶來了許多的負(fù)面影響，比如變頻技術(shù)使電機(jī)持續(xù)地進(jìn)行高次諧波電流和電壓的輸出，會(huì)造成電機(jī)損耗增加，并且這一過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁波，對潛油電泵周邊的設(shè)備造成電磁干擾。潛油電泵機(jī)組輸入電纜中存在一定的分布電容，內(nèi)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(yīng)的電器元件開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖電流序列，而這一序列跟C存在正比關(guān)聯(lián)，所以這一電流序列就會(huì)對前有機(jī)泵中的變頻器產(chǎn)生不同程度的影響，造成其運(yùn)行工況的不穩(wěn)定，影響電機(jī)的性能，使電機(jī)做出漏電保護(hù)動(dòng)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(jī)性能造成的影響。

2 輸出du/dt對電泵機(jī)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(jìn)行電壓輸出時(shí)，相電壓所能達(dá)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(guān)的逆變器功率元件進(jìn)行開關(guān)時(shí)，其速度會(huì)較大，所以形成的電壓變化率數(shù)值較高，即du/dt數(shù)值較大。在這一數(shù)值過高的情況下，就會(huì)影響軸承的使用壽命，并且對電泵機(jī)組的絕緣性能產(chǎn)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(huì)使機(jī)組形成一個(gè)波反射效應(yīng)，引起du/dt的數(shù)值進(jìn)一步放大，特別是在電極的端子位置，這一數(shù)值的增加會(huì)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(jī)組所使用的動(dòng)力電纜具有很好的絕緣屬性，并且電纜的強(qiáng)度較高，可以耐受井下溫度較高的條件，屬于特種作業(yè)的一種電纜。該動(dòng)力電纜的電路模型如下圖1所示，依據(jù)電路當(dāng)中管線、母線、單位長度電阻值和電感值、不同導(dǎo)線間的電導(dǎo)和電容值所形成的電路模型之間的關(guān)系，依據(jù)構(gòu)建起的電路方程式，能夠計(jì)算出傳輸電路當(dāng)中電壓所具有的入射波U+以及反射波U-之間的關(guān)系式，具體表達(dá)公式為：

圖1 電纜傳輸線的電路模型

而潛油電泵在工作時(shí)，傳輸電路當(dāng)中只存在反射和入射波互相影響后產(chǎn)生的電流和電壓。依據(jù)具體電流博和電壓博在傳輸線當(dāng)中的分布狀況能夠看出，電壓的具體數(shù)值實(shí)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(fā)現(xiàn)，在電纜長度不斷增加的過程中，因?yàn)樾胁ㄑ苌湫?yīng)的存在，輸出du/dt的數(shù)值也會(huì)不斷地增加。同時(shí)，脈沖電流的大小計(jì)算公式為：

式中，Cm代表的是與電機(jī)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(dǎo)通最小時(shí)間。

可以看出，依據(jù)脈沖電流具體跟電機(jī)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(guān)聯(lián)，所以，跟電機(jī)繞組效果相等的寄生電容、直流母線電壓、功率器件的導(dǎo)通最小之間也具有正比關(guān)聯(lián)。所以電泵機(jī)組在工作過程中，因?yàn)榇嬖诩纳娙荩嘘P(guān)的功率元件進(jìn)行頻次較高的開啟和關(guān)閉操作時(shí)，就會(huì)形成脈沖電流，且其處于峰值，這種情況下電機(jī)泵組電纜所具有的絕緣性能就會(huì)受到電應(yīng)力帶來的影響。假如電纜長期處于這種應(yīng)力作用下，就會(huì)造成絕緣持續(xù)發(fā)生老化，對電動(dòng)機(jī)所具有的絕緣性能產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。當(dāng)電應(yīng)力較大的情況下，可能會(huì)將絕緣擊穿，使?jié)撚碗姳玫氖褂脡勖蠓s短。

2.2 du/dt對電機(jī)軸承造成的影響

潛油電泵的電機(jī)在工作時(shí)，因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子跟電機(jī)外殼之間、轉(zhuǎn)子跟軸承之間都分布著許多的寄生電容，所以就會(huì)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(huì)出現(xiàn)累加，所以使得電機(jī)轉(zhuǎn)子所具有的電壓持續(xù)增加。以上兩種不同的因素都會(huì)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(xiàn)，從而對電機(jī)軸承的正常使用產(chǎn)生影響，甚至可能會(huì)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?yàn)榇嬖谳敵鲋C波，所以電機(jī)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的情況，造成了電機(jī)溫度的提高，所以通常情況下，電機(jī)使用過程中需要進(jìn)行額定功率的降低。同時(shí)，諧波的存在會(huì)造成波形輸出出現(xiàn)失真，電機(jī)所具有的實(shí)際重復(fù)峰值電壓也會(huì)提高，這會(huì)對電機(jī)所具有的絕緣性能造成較大的影響。同時(shí)，諧波還會(huì)影響電極所具有的扭矩，造成電極扭矩發(fā)生脈動(dòng)，進(jìn)而使電機(jī)所產(chǎn)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(shí)，諧波電通過電機(jī)的過程中會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)子套組發(fā)生銅損，具體計(jì)算公式為：

結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的集膚反應(yīng)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(dòng)機(jī)中的定子繞組所具有的電阻值；Rr代表的是電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子繞組所具有的電阻值；Krk代表的是修正系數(shù)。

由此可以看出，受到集膚效應(yīng)的影響，諧波電流引起的附加銅損也會(huì)進(jìn)一步變多。

3.2 諧波電流形成的附加鐵損

諧波電流會(huì)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(huì)形成不同倍數(shù)的跟電機(jī)定子以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速同步的同步速度，所以，這一磁場會(huì)對電機(jī)中的轉(zhuǎn)子鐵芯形成不同程度的損傷，諧波磁場跟電極的轉(zhuǎn)子、定子之間的相對轉(zhuǎn)速盡管存在差異，但是從整體來看十分接近，在諧波次數(shù)不斷增加的過程中，兩者的轉(zhuǎn)速也會(huì)不斷地接近。通過簡化計(jì)算，可以得到諧波跟定子、轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系如下式所示：

從上面公式可以看出，在諧波電流通過電機(jī)的過程中，其在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子中產(chǎn)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(guān)聯(lián)，二跟諧波次數(shù)的1/2存在反比例關(guān)聯(lián)。所以，假如促進(jìn)調(diào)制頻率的增加，則電壓諧波分量中具有較高幅值得就會(huì)持續(xù)的往頻率增加的方向移動(dòng)，這樣諧波形成的鐵損會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)的變小。

通過上述分析我們可以發(fā)現(xiàn)，諧波電流在經(jīng)過電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子的過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的鐵損，進(jìn)而引起電機(jī)溫度持續(xù)升高，同時(shí)也會(huì)造成電機(jī)工作效率的降低。而電機(jī)在工作狀況以及供電方法不同的情況下，其效率出現(xiàn)降低的程度也會(huì)存在差異，一般狀況下，我們會(huì)認(rèn)為諧波電流引起電機(jī)效率降低的幅度至少是1%～3%。

4 優(yōu)化措施

4.1 通過零電壓開關(guān)方法實(shí)現(xiàn)對du/dt的抑制

當(dāng)前潛油電泵的變頻器中使用的電路開關(guān)通常都屬于硬性開關(guān)，也就是在電路當(dāng)中電壓較高的情況下有關(guān)的功率元件會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通，但是如果電路中的電流持續(xù)變大，那么電路就會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷。而功率元件處于電壓較高的情況下使得電路導(dǎo)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(guān)人員開發(fā)出了諧振軟型開關(guān)逆變電路，這一點(diǎn)路的應(yīng)用能夠有效的使du/dt產(chǎn)生幅值較高的問題得到解決。諧振軟型開關(guān)電路在工作的過程中，有關(guān)的功率器件開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況下會(huì)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(qiáng)制導(dǎo)通，并且也避免功率器件在電路被導(dǎo)通的情況下電壓出現(xiàn)驟然的改變，所以有效的避免了du/dt處于高幅值狀態(tài)。

4.2 在交流輸出側(cè)接入交流電抗器

潛油電泵在工作狀況下輸出端會(huì)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(jìn)行交流電抗器的接入，從而避免高次諧波對電機(jī)造成的損傷，最大程度的對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，延長電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，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(hù)裝置也具有一定程度的保護(hù)作用。

4.3 改變潛油電泵所具有的內(nèi)部構(gòu)造

要想解決以上問題，可以對潛油電泵所具有的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行不斷的改進(jìn)和優(yōu)化。首先要對電機(jī)中的定子槽數(shù)、繞組等所進(jìn)行連接的方式開展調(diào)整，比如利用星形或者角形構(gòu)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(jī)定子的槽所具有的尺寸進(jìn)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(huì)出現(xiàn)降低，在進(jìn)行實(shí)際穿線時(shí)的難度也會(huì)下降，這樣電機(jī)所具有的絕緣屬性也會(huì)得到有效的提升。再次，還可以對電機(jī)的軸承開展有效的改進(jìn)和優(yōu)化，比如利用絕緣軸承或者在軸承上加設(shè)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(jìn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條尺寸的增加，使轉(zhuǎn)子所具有的電阻值有效變小，那么就可以使電動(dòng)機(jī)中的滑差損失變小。

5 交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向

交流變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，其主要涉及強(qiáng)弱電混合和機(jī)電一體化，不但實(shí)現(xiàn)巨大電能之間的轉(zhuǎn)換，也就是逆變和整流，還要實(shí)現(xiàn)信息的收集、轉(zhuǎn)換和傳遞，所以其共性技術(shù)可以分為兩個(gè)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(guān)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(jìn)行開發(fā)。未來主要的發(fā)展方向包括下面幾個(gè)方面。

（1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制。以電動(dòng)機(jī)和機(jī)械模型為基礎(chǔ)的控制策略，有矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制、機(jī)械抖動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償、磁場控制等。以現(xiàn)代理論為基礎(chǔ)的控制策略，主要包括滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、非線性解耦、最優(yōu)控制技術(shù)等；以智能控制理論為基礎(chǔ)的控制策略，主要包括模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、自由化技術(shù)、自診斷技術(shù)等。（2）開發(fā)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(shù)等于1，負(fù)載側(cè)和網(wǎng)側(cè)都存在盡量效的諧波分量，從而降低對電網(wǎng)造成的危害，使電動(dòng)機(jī)所具有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(guān)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(gòu)造進(jìn)行改變，從而達(dá)到清潔電能轉(zhuǎn)換的效果。（3）促進(jìn)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(guān)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(jìn)行改變。（4）速度較高的數(shù)字控制。基于32位高速微處理器的數(shù)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(tǒng)的應(yīng)用能夠使開發(fā)者進(jìn)行自由的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了圖形編程控制技術(shù)的發(fā)展。（5）模擬和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為變頻器的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供了助力。

6 結(jié)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(jìn)油田產(chǎn)量的提高，起到了節(jié)約能源的效果，提高了油田作業(yè)的自動(dòng)化程度，但是也存在著許多的負(fù)面影響。有關(guān)人員需要對負(fù)面效應(yīng)出現(xiàn)的原因進(jìn)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(diào)速系統(tǒng)在潛油電泵采油中的良性應(yīng)用。