潜油电泵变频调速系统问题研究

李 帅，孙 健，周 勇

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在传统的潜油电泵应用过程中，应用的运行模式为全压工频恒压模式，其启动形式以直接启动为主，在启动过程中会产生极大的电流冲击，严重影响潜油电泵机组的应用期限，在此过程中，也会影响油井的正常生产和开采，导致资源浪费情况的发生，因此需要对潜油电泵变频调速系统问题进行分析，以保障潜油电泵的广泛应用。

1 输出du/dt 对电泵机组的影响

普通变压源变频器应用过程中，电压输出过程中会产生电压跳变，且电压跳变的幅度比较大，以电压输出过程之中相电压的跳变幅度分析，可实现直流电母线最大电压值的供应，此时需要逆变器功率元件提升开关的应用速度。在此过程中，电压的变化率会随之增加，也就是表明此情况下du/dt 的值也会随之升高。在du/dt 比值超过规定数据以后，会对电机泵组的绝缘性能产生不利影响，对轴承的应用寿命产生负面作用，在潜油电泵机组应用过程中，线路中会存在分布电容和电感，会导致机组应用过程中产生反射效应，放大du/dt 的比值，尤其是在电极端子位置部位，du/dt 的比值会增加一倍以上。

1.1 行波衍射原理及绝缘影响

潜油电泵机组动力电缆在应用过程中，绝缘性能良好，具有较强的电缆强度，其对井下高温环境具有良好的耐受性，属于特种作业的一种电缆。在潜油电泵实际运行过程中，其会向传输线路中传输，在发生反射波与入射波的共同效用以后，会形成电流及电压，从实际电压波分布情况及电流波传输线分布情况分析，电压可依靠反射波及传输线沿线的电压入射波向叠加的结果进行分析。而实际应用中，也可依靠电流的反射波与电流入射波相减形成。在此基础上，可清晰表明，在电缆长度不断增加的情况下，会受到行波衍射作用影响，可无限放大du/dt的数值。而依据脉冲电流与电机绕组的等效寄生电容之间的内容，可见其输出du/dt 数值与之存在极大相关性。因此相对于电机绕组等效寄生电容分析，对其直流母线电压及直流母线功率元件最低的导通时间比值之间均存在相关性。在电泵机组实际运行中，会受到寄生电容的影响，在开展高频次的通断操作之中，相关功率元件会产生极大的电应力。在此情况下，电泵机组的电缆绝缘也会受到影响，若电缆长期处于电应力的影响下，将加速绝缘的老化，将加剧对电动机的绝缘性损伤。在电应力影响加大的情况下，将导致绝缘被击穿，若是绝缘被击穿，潜油电泵的应用寿命也会随之受到影响[1]。

1.2 du/dt 对电机轴承产生的影响

对潜油电泵电机运行情况进行分析，由于电机转子轴承、转子之间、电机壳及转子之间会产生较大的寄生电容，所以会导致脉冲充电电流产生，寄生电容在应用过程中，会产生累加效果，电机转子电压会不断上升，这两种因素的存在会对脉冲充电电流产生影响，一旦寄生电容运行过程中发生累加效果，也会导致电机转子电压水平的提升，会直接会导致电机轴承润滑油膜产生击穿效果，产生电火花，影响电机轴承的应用，甚至会损坏轴承。

2 输出谐波对电泵产生的影响

运行潜油电泵的过程中，会导致输出谐波内容的存在，所以在电机应用过程中，导热现象时有发生，升温问题时常存在，所以电机大都必须应用降额方式应用。除此以外，谐波存在会导致波形输出异常情况，导致电机转矩产生脉动状况，加剧电机噪声。

2.1 谐波电流产生附加铜损

在运行潜油电泵的过程中，谐波电流一旦经过电机，将诱发电机转子套组铜损问题的出现，若是需要对实际集肤效应进行考量，必须增加铜损问题发生率。

2.2 谐波电流产生附加铁损

谐波电流会导致磁场的产生，这一磁场相对于普通电磁场来说，磁场倍数会与同步电机定子存在差异性，转子旋转速度的同步速度与之存在差异性，其在此过程中会对转子铁芯产生一定损伤，但是其整体上与之存在相似性，二者之间存在不相似的旋转速度，但是其整体上存在相似性，随着谐波次数的增加，转子旋转速度也会随之提升[2]。从转子铁损、定子与谐波关系进行分析，电机中通过谐波电流过程中，也会在转子及电机定子中生成附加铁损，其应用中与峰值谐波电压分量平方存在联系，且联系成正比，其也与谐波次数呈反比联系。因此若想促进调制频率的提升，若是电压谐波分量中幅值的增长，会导致移动频率不断增加，此情况下不断缩减谐波导致铁损问题。谐波电流在通过转子绕组、定子的过程中会增大铁损，导致电机加速升温。此外，其还会影响电机的实际运行效率，电机在运行工况不同的情况下，供电方式也会存在差异性，其下降的程度也存在差异性，在一般情况下，电机效率会受到谐波电流的影响，其下降幅度一般在2 %左右。

3 解决方法

电压开关方式在潜油电泵变频器的应用，其硬性开关属于电路开关的类型，在电路处于高电压情况下，功率器件会出现导通现象，电路电流较大的情况下，电路会关断，整体电路开关应用过程中，属于强制开关的主要形式。功率器件在高电压状态情况下运行，电路导通会产生du/dt，其属于高幅值产生的最主要因素。从这一状况出发，谐振软性开关对电路进行逆变，其在变频器中的应用，可对du/dt 输出所产生的高幅值问题进行改善。运行谐振软性开关电路过程中，功率开关元件实现导通情况，会导致其处于零电压状态下，可对功率元件导通电路产生状况下的电压突变状况进行改善，以此对高幅值du/dt 情况进行避免。此外，必须不断对潜油电泵的内部结构进行优化，可对绕组连接形式及电机定子槽数进行改善，并依据电机定子槽对尺寸进行适度增加。

4 结束语

综上所述，在原油开采作业开展过程中，潜油电泵属于必不可少的重要器械，其运行原理为，将潜油电泵机组整体向井下移动至一定深度。在一般状况下，潜油电泵入井的深度在1～2.5 km，潜油电泵机组的供电大都依靠扁平电缆开展，在电缆应用过程中，必须保障其油井温度在120 ℃以下，电机在供电完成以后，会带动多级离心泵，使之高速旋转，以此生成多级增压离心泵，以对油液形成多级增压。所以必须分析潜油电泵变频调速系统问题，并不断对其优化，以提升油田企业生产经营效益。