一、引言
目前，國內(nèi)海上油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，大量使用潛油電泵，它被安裝在地下1000米～3000米深的井里，泵在電動機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，將油抽到地面上來。電潛油電泵采油系統(tǒng)的地面部分由配電盤、變壓器、控制柜或變頻器、接線盒和采油樹井口組成。傳統(tǒng)的工作方式是電網(wǎng)直接供電，工程上稱其為全壓工頻工作。這種全壓工頻方式有許多弊端：
（1）對于復(fù)雜斷塊油田來說,油水井的對應(yīng)連通性差,部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足,影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。當(dāng)井下油量不富裕時，容易抽空，甚至死井，一旦死井則損失慘重。尤其海上平臺在采油時，因為油層稠度大，流動性差，潛油電泵在抽油的過程中不能一下運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，否則會出現(xiàn)油層因壓力變化過快而斷開，電泵只能抽到少量距井口近的油，遠(yuǎn)離井口的原油因不能夠流動，電泵將斷液而導(dǎo)致油井報廢。并且一旦發(fā)生抽空時，定轉(zhuǎn)子將出現(xiàn)干磨，容易產(chǎn)生燒泵的事故。
（2）工頻全壓啟動時，對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊、電機(jī)沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。平臺電網(wǎng)容量有限，電機(jī)工頻對電網(wǎng)的沖擊有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn)。在采油過程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對電泵進(jìn)行啟停操作，頻繁的沖擊，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費(fèi)用。
（3）電泵在井下幾千米處，供電電纜上有100多伏的線路損耗，影響電機(jī)的正常供電。
（4）潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整輸出功率，造成巨大的能源浪費(fèi)，難以使電泵工作在*工況點上。
二、解決措施
如果用變頻器給潛油電泵供電，這些問題則可以迎刃而解。變頻器能實現(xiàn)電機(jī)的軟啟動，即低壓、低頻啟動，電機(jī)是慢慢加速起來的，工作頻率不一定是額定頻率，而是隨意設(shè)置或調(diào)整，還可以根據(jù)井底油壓高低自動調(diào)整轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。因此，海上采油平臺潛油電泵配套使用變頻調(diào)速裝置，既是生產(chǎn)工藝的要求，也是保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的需要。
三、潛油電泵用變頻器的分類
潛油電泵的工作電壓一般為三相50/60hz,660v,1140v,1450v,1750v,2400v等，依據(jù)井深不同而有不同的電壓。目前市場上的該類產(chǎn)品主要有6種類型：
igbt中-中變頻器結(jié)構(gòu)圖
多重多電平串聯(lián)中壓變頻結(jié)構(gòu)
（1）“中-低-中”變頻器
用一臺降壓變壓器把中壓變?yōu)榈蛪?，?jīng)低壓變頻器變頻，再由輸出變壓器升為中壓，優(yōu)點是變頻器價格低，缺點是增加了占地面積和成本，增加了兩級變壓器損耗，升壓變壓器的采用是技術(shù)上的失誤，可靠性大大降低了，在低速時，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。美國centrilift公司和reda公司采用此種方式。
（2）低壓大功率變頻器
國產(chǎn)低壓變頻器已做到1000kw，國外已做到2000kw。要指出的是，用低壓變頻器去拖動6kv的電動機(jī)是不合理的，改造電機(jī)接線方法，電壓就變成了3.47kv，使用3.3kv變頻器就不成問題了。建議盡量選用1.7kv、2.3kv、3.3kv電動機(jī)。
（3）中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角（△）接法，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。
（4）中－中壓變頻器
a）中壓igbtpwm變頻器。電壓為2.3kv、3.3kv、4.16kv，容量為800kw至4000kw，額定效率為98.5%，額定功率因數(shù)≥0.96，中壓igbt是低壓igbt基礎(chǔ)上發(fā)展的新品種，系統(tǒng)器件由60支減為24支，電路簡化了，可靠性提高了。
b）中壓igctpwm變頻器。電壓為2.3kv、3.3kv和4.16kv，容量為315kw至6500kw，額定效率>98%，額定功率因數(shù)>0.95。
中壓igct是在gto元件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新產(chǎn)品，它保留了gto導(dǎo)通壓降小，電壓和電流高的特點，又克服了gto開關(guān)性能差的缺點，是一件非常理想的兆瓦、中壓開關(guān)器件。gto體積大，損耗大，而igct芯片厚度減小到與二極管差不多；這就大大簡化了電壓變頻器結(jié)構(gòu)，其觸發(fā)功率小，開關(guān)一致性好，可方便串并聯(lián)，又進(jìn)一步擴(kuò)大了功率范圍。一臺4.16kv變頻器，使用6kv的igct只需要12支器件，是低壓igbt的1/5，中壓igbt的1/2。由于器件電壓提高，數(shù)量減少，使得變頻器電路更加簡化，可3電平、4電平或5電平電路，變頻器輸出端裝有濾波器及dv/dt限制器，可配普通6kv電機(jī)，也可配用較低電壓的多相電機(jī)，為了限制高次諧波，變頻器輸入端為12相整流，也可18相或24相整流。
（5）多重式多級串聯(lián)中壓變頻器
西門子robicon公司、日本安川、富士、東芝公司、我國利德華福等公司，都先后推出了多重式多級串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級低壓小功率igbtpwm變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電，實現(xiàn)了大功率集成。其輸入電壓在2.3kv至13.8kv之間，輸出電壓2.3kv~6kv，容量為800kw～5600kw，國內(nèi)為315kw～2500kw，額定效率≥96%，額定功率因數(shù)≥0.95。
（6）電流源型中壓變頻器
羅克韋爾自動化推出的csi-pwm變頻器，采用了目前中壓變頻業(yè)界的電流源技術(shù)，輸入、輸出電壓均為6kv，容量從100kw至25400kw，額定效率大于98％，功率因素大于95％。所使用的功率器件為型高壓元件sgct（對稱門極換流晶閘管），如右圖。其單管雙面耐壓6kv。逆變側(cè)結(jié)構(gòu)非常簡單，為三相6橋臂輸出，每橋臂3個sgct串聯(lián)，額定耐壓18kv，極大提高了設(shè)備可靠性。3相18個sgct，為所有品牌中壓變頻器中zui為簡練的。同時，輸入、輸出諧波小，可兼容老式電機(jī)，不需額外慮波降容。
pf7000pwm-csi變頻結(jié)構(gòu)
變頻直流環(huán)節(jié)采用了直流電抗器，具有天生的故障電流抑制功能，同時直流電抗能消除共模電壓，減小電機(jī)機(jī)座絕緣壓力。變頻器整流側(cè)采用了pwm整流，利用she進(jìn)行諧波消除。結(jié)合逆變側(cè)，變頻結(jié)構(gòu)非常簡單，故障點少。
羅克韋爾自動化中壓產(chǎn)品部門在普通雙pwmpowerflex7000中壓變頻器的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化sgct和afe控制及在變頻器內(nèi)部設(shè)置共模電壓保護(hù)（cmp）機(jī)構(gòu)，革新推出普通雙pwmpowerflex7000中壓變頻器的升級換代產(chǎn)品direct-to-drive（簡稱dtd）。
dtdpowerflex7000中壓變頻器，具有普通雙pwm中壓變頻器的所有優(yōu)異性能，且在同時省去輸入和輸出隔離變壓器的前提條件下，依然保證電動機(jī)不受共模電壓影響，可與改造或新建項目的國內(nèi)外任何普通中壓電動機(jī)相配套。
比較：電壓型變頻器一般工作在更高的開關(guān)頻率，實際產(chǎn)生的共模電壓有可能比電流型變頻器更高，不加處理也會損壞電動機(jī)。三電平中壓變頻器和低壓功率單元串聯(lián)型中壓變頻器，抑制共模電壓的方法與6脈沖、18脈沖powerflex7000中壓變頻器*相同：輸入側(cè)隔離變壓器中性點懸浮，輸出側(cè)加接地網(wǎng)絡(luò)使電機(jī)中性點接地，把共模電壓從電機(jī)轉(zhuǎn)移到隔離變壓器。
sgct功率器件
四、實際應(yīng)用效果
從2007年康菲石油中國有限公司先后在蓬萊19-3海上石油平臺海上b,c,d,e和f平臺使用了182臺羅克韋爾自動化生產(chǎn)的powerflex7000中壓變頻器，用于拖動采油平臺的潛油泵。自投用以來其性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。其電流波形非常近似于正弦波形，高次諧波非常少，對電機(jī)、變壓器和電纜損傷小，沿程損耗也小；采用高進(jìn)高出的方式供電和輸出方式，可以節(jié)省變壓器，從而達(dá)到節(jié)約平臺空間和建造費(fèi)用；變頻器對電機(jī)采取矢量控制，自動監(jiān)測井下機(jī)組的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)電機(jī)的特點和運(yùn)行情況確定啟動參數(shù)和保護(hù)參數(shù)；可以實現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩和平方轉(zhuǎn)矩啟動。
不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數(shù)。通常，當(dāng)潛油電泵的參數(shù)一定后，采用改頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動比）的方法來調(diào)節(jié)，這樣不但能省電，達(dá)到*的經(jīng)濟(jì)效益，而且電機(jī)能低于額定電流起動，以達(dá)到對電機(jī)的全面保護(hù)。由于潛油電泵屬變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即電機(jī)在起動時需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時則負(fù)荷也很重。變頻器可以實現(xiàn)軟停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，軟停止對防止油下沖有明顯的緩沖作用，油泵不會被打壞。powerflex7000中壓變頻器能實現(xiàn)輸出頻率在0-120hz范圍內(nèi)的自由調(diào)節(jié)，從而滿足潛油電泵在不同井況下的運(yùn)行要求；實現(xiàn)機(jī)組的軟啟和軟停，有效地避免或降低了對電機(jī)、電源、泵的損害，實現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
五、結(jié)束語
電流型中壓變頻器與以前的電壓型變頻器相比，特別是羅克韋爾自動化powerflex7000中壓變頻器具有許多優(yōu)點：電流波形非常近似于正弦波形，高次諧波非常少，對電機(jī)、變壓器和電纜損傷小，沿程損耗也??；可以采用高進(jìn)高出的方式供電和輸出方式，可以節(jié)省變壓器，從而達(dá)到節(jié)約平臺空間和建造費(fèi)用；變頻器對電機(jī)采取矢量和模糊控制，自動監(jiān)測井下機(jī)組的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)電機(jī)的特點和運(yùn)行情況確定啟動參數(shù)和保護(hù)參數(shù)；可以實現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩和平方轉(zhuǎn)矩啟動。隨著海上油田的大力開發(fā)，電流型中壓變頻器將會成為驅(qū)動潛油電泵的主流。