潜油电泵变频调速系统存在的问题与优化

2022-09-15马源

中国设备工程 2022年17期

马源

（大庆油田装备制造集团力神泵业有限公司，黑龙江大庆 163000）

1 潜油电泵变频调速系统概述

潜油电泵在开展原油开采的过程中，其运行原理是将潜油电泵的各个机组整体放到井下某一位置。一般来说，潜油电泵在井下的深度通常是1～2500m，而潜油电泵机组所需要的电力供应主要通过扁平电缆，所以油井中的温度不能超过120℃。电动机在获得电力供应以后就能够带动多级离心泵在速度较高的状态下旋转，从而对油液形成多级的压力增加，直到油液的压力超过一定的数值以后获得举升到达地面。传统的潜油电泵的运行模式主要是全压工频恒定，采用的启动方式是直接启动，所以在启动过程中会形成非常大的电流冲击，同时会消耗大量的能量，不但给油田的生产开采工作造成影响，而且还会引起能量的浪费。近些年来，变频技术的高速发展获得了油田企业的高度重视，在潜油电泵中获得了大量的应用，使潜油电泵的能源消耗问题得到了大幅的改善，促进了生产效率的提高，但是也带来了许多的负面影响，比如变频技术使电机持续地进行高次谐波电流和电压的输出，会造成电机损耗增加，并且这一过程中会产生大量的电磁波，对潜油电泵周边的设备造成电磁干扰。潜油电泵机组输入电缆中存在一定的分布电容，内部也具有很多的寄生电容，所以在工作过程中，与其功率相对应的电器元件开关在导通时会出现一个脉冲电流序列，而这一序列跟C存在正比关联，所以这一电流序列就会对前有机泵中的变频器产生不同程度的影响，造成其运行工况的不稳定，影响电机的性能，使电机做出漏电保护动作。所以，本篇文章主要针对du/dt以及高次谐波开展分析，并讨论他们对电机性能造成的影响。

2 输出du/dt对电泵机组的影响

一般的电压源变频器在工作过程中输出的电压具有较大的跳变幅度，比如在进行电压输出时，相电压所能达到的最大跳变幅度接近直流电母线所具有的电压值，这种情况下，在对有关的逆变器功率元件进行开关时，其速度会较大，所以形成的电压变化率数值较高，即du/dt数值较大。在这一数值过高的情况下，就会影响轴承的使用寿命，并且对电泵机组的绝缘性能产生不利影响，而在潜油电泵的电缆中存在分布电容或者电感，就会使机组形成一个波反射效应，引起du/dt的数值进一步放大，特别是在电极的端子位置，这一数值的增加会超过1倍。

2.1 行波衍射原理以及对绝缘的影响

潜油电泵机组所使用的动力电缆具有很好的绝缘属性，并且电缆的强度较高，可以耐受井下温度较高的条件，属于特种作业的一种电缆。该动力电缆的电路模型如下图1所示，依据电路当中管线、母线、单位长度电阻值和电感值、不同导线间的电导和电容值所形成的电路模型之间的关系，依据构建起的电路方程式，能够计算出传输电路当中电压所具有的入射波U+以及反射波U-之间的关系式，具体表达公式为：

图1 电缆传输线的电路模型

而潜油电泵在工作时，传输电路当中只存在反射和入射波互相影响后产生的电流和电压。依据具体电流博和电压博在传输线当中的分布状况能够看出，电压的具体数值实际上是传输线沿线的电压反射波和日射波相加所得，而电流的大小是电流的入射波和反射波相减所得，基于此能够发现，在电缆长度不断增加的过程中，因为行波衍射效应的存在，输出du/dt的数值也会不断地增加。同时，脉冲电流的大小计算公式为：

式中，Cm代表的是与电机绕组具有相同效果的寄生电容；Ud代表的是直流母线电压；tr代表的是功率元件所具有的导通最小时间。

可以看出，依据脉冲电流具体跟电机绕线组效果相等的寄生电容和输出du/dt之间存在直接的关联，所以，跟电机绕组效果相等的寄生电容、直流母线电压、功率器件的导通最小之间也具有正比关联。所以电泵机组在工作过程中，因为存在寄生电容，有关的功率元件进行频次较高的开启和关闭操作时，就会形成脉冲电流，且其处于峰值，这种情况下电机泵组电缆所具有的绝缘性能就会受到电应力带来的影响。假如电缆长期处于这种应力作用下，就会造成绝缘持续发生老化，对电动机所具有的绝缘性能产生极大的负面影响。当电应力较大的情况下，可能会将绝缘击穿，使潜油电泵的使用寿命大幅缩短。

2.2 du/dt对电机轴承造成的影响

潜油电泵的电机在工作时，因为定转子之间、转子跟电机外壳之间、转子跟轴承之间都分布着许多的寄生电容，所以就会形成不同大小的脉冲充电电流。而寄生电容在工作过程中可能会出现累加，所以使得电机转子所具有的电压持续增加。以上两种不同的因素都会造成潜油电泵中轴承所具有的润滑油膜受到击穿，造成电火花的出现，从而对电机轴承的正常使用产生影响，甚至可能会造成轴承的损坏。

3 输出谐波对电泵的影响

潜油电泵在工作过程中，因为存在输出谐波，所以电机会出现发热的情况，造成了电机温度的提高，所以通常情况下，电机使用过程中需要进行额定功率的降低。同时，谐波的存在会造成波形输出出现失真，电机所具有的实际重复峰值电压也会提高，这会对电机所具有的绝缘性能造成较大的影响。同时，谐波还会影响电极所具有的扭矩，造成电极扭矩发生脉动，进而使电机所产生的噪音变大。

3.1 谐波电流形成的附加铜损

潜油电泵在工作时，谐波电通过电机的过程中会引起电机的转子套组发生铜损，具体计算公式为：

结合实际出现的集肤反应情况，可以对以上公式开展修正，得到下面的公式：

式中，RS代表的是电动机中的定子绕组所具有的电阻值；Rr代表的是电动机中的转子绕组所具有的电阻值；Krk代表的是修正系数。

由此可以看出，受到集肤效应的影响，谐波电流引起的附加铜损也会进一步变多。

3.2 谐波电流形成的附加铁损

谐波电流会形成一定大小的磁场，而这一次磁场相较于一般电流的磁场，会形成不同倍数的跟电机定子以及转子的转速同步的同步速度，所以，这一磁场会对电机中的转子铁芯形成不同程度的损伤，谐波磁场跟电极的转子、定子之间的相对转速尽管存在差异，但是从整体来看十分接近，在谐波次数不断增加的过程中，两者的转速也会不断地接近。通过简化计算，可以得到谐波跟定子、转子之间的关系如下式所示：

从上面公式可以看出，在谐波电流通过电机的过程中，其在电机转子和定子中产生的附加铁损跟峰值情况下的谐波电压分量的平方之间存在正比例关联，二跟谐波次数的1/2存在反比例关联。所以，假如促进调制频率的增加，则电压谐波分量中具有较高幅值得就会持续的往频率增加的方向移动，这样谐波形成的铁损会出现对应的变小。

通过上述分析我们可以发现，谐波电流在经过电机的转子绕组和定子的过程中会产生不同程度的铁损，进而引起电机温度持续升高，同时也会造成电机工作效率的降低。而电机在工作状况以及供电方法不同的情况下，其效率出现降低的程度也会存在差异，一般状况下，我们会认为谐波电流引起电机效率降低的幅度至少是1%～3%。

4 优化措施

4.1 通过零电压开关方法实现对du/dt的抑制

当前潜油电泵的变频器中使用的电路开关通常都属于硬性开关，也就是在电路当中电压较高的情况下有关的功率元件会出现导通，但是如果电路中的电流持续变大，那么电路就会出现关断。而功率元件处于电压较高的情况下使得电路导通是引起du/dt所具有的幅值较高的重要因素。为了解决这一问题，有关人员开发出了谐振软型开关逆变电路，这一点路的应用能够有效的使du/dt产生幅值较高的问题得到解决。谐振软型开关电路在工作的过程中，有关的功率器件开关处于导通状态的情况下会保持零电压的情况，这样能够有效的避免在电压较高的情况下使得电路被强制导通，并且也避免功率器件在电路被导通的情况下电压出现骤然的改变，所以有效的避免了du/dt处于高幅值状态。

4.2 在交流输出侧接入交流电抗器

潜油电泵在工作状况下输出端会形成高次谐波，这对这一情况，可以在变频器的逆变输出端进行交流电抗器的接入，从而避免高次谐波对电机造成的损伤，最大程度的对电机进行保护，延长电机的使用寿命。同时，交流电抗器对于幅值较高du/dt形成的脉冲起到良好的限制功能，所以，其对变频器中所具有的过载保护装置也具有一定程度的保护作用。

4.3 改变潜油电泵所具有的内部构造

要想解决以上问题，可以对潜油电泵所具有的内部构造进行不断的改进和优化。首先要对电机中的定子槽数、绕组等所进行连接的方式开展调整，比如利用星形或者角形构成的混合连接模式代替原来的星星连接方法，这样能够把五和七次谐波有效的清除。其次，可以把电机定子的槽所具有的尺寸进行一定幅度的增加，这样能够使定子槽所具有的有效面积变得更大，槽满的概率就会出现降低，在进行实际穿线时的难度也会下降，这样电机所具有的绝缘属性也会得到有效的提升。再次，还可以对电机的轴承开展有效的改进和优化，比如利用绝缘轴承或者在轴承上加设与地面连接的电刷，这样能够有效的解决电流引起轴承损伤的问题。最后，由于潜油电泵采用的是变频供电模式，促进转子导条尺寸的增加，使转子所具有的电阻值有效变小，那么就可以使电动机中的滑差损失变小。

5 交流变频调速技术的发展方向

交流变频调速技术是一项综合性技术，其主要涉及强弱电混合和机电一体化，不但实现巨大电能之间的转换，也就是逆变和整流，还要实现信息的收集、转换和传递，所以其共性技术可以分为两个部分，也就是功率和控制。功率主要是解决跟高压大电流有关的问题以及电子电子元件的适配性问题，控制主要是对软硬件进行开发。未来主要的发展方向包括下面几个方面。

（1）实现高水平的控制。以电动机和机械模型为基础的控制策略，有矢量控制、转矩控制、机械抖动振动补偿、磁场控制等。以现代理论为基础的控制策略，主要包括滑模变结构技术、模型参考自适应技术、非线性解耦、最优控制技术等；以智能控制理论为基础的控制策略，主要包括模糊控制、神经元网络、自由化技术、自诊断技术等。（2）开发使用清洁电能的变流器。清洁电能变流器指的是变流器所具有的功率因数等于1，负载侧和网侧都存在尽量效的谐波分量，从而降低对电网造成的危害，使电动机所具有的转矩脉动减少。针对中小容量的交流器来说，最为有效的手段是将开关频率增加的PWM控制。针对容量较大的变流器来说，可以将电路的控制模式和构造进行改变，从而达到清洁电能转换的效果。（3）促进装置尺寸的减小。为了使变流器更加的紧凑，需要功率和控制元件所具有的集成度更高，其中包括功率模块、光耦合器、开关电源、体积较小的变压器、电抗器、电容器。为了缩小装置的尺寸，可以将功率器件所使用的冷却方式进行改变。（4）速度较高的数字控制。基于32位高速微处理器的数字控制模板能够充分满足不同控制算法提出的要求，windows操作系统的应用能够使开发者进行自由的设计，促进了图形编程控制技术的发展。（5）模拟和计算机辅助设计技术为变频器的设计和发展提供了助力。