中压变频调速驱动技术在潜油电泵中的应用

于兴国

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163413）

逆变器是变频器在工作运行中的最重要部件之一，功率开关频率的提升是改善逆变器性能的重要手段，但是，在实施的过程中会造成短时间内电压迅速升高，很大程度上会增加电动机出现故障的概率，影响电动机的使用寿命。地面控制系统与井下电动机在潜油电泵系统中主要通过长度较长的电缆连接，电缆将逆变器产生的脉冲信号传输到电动机上，在传输的过程中电压反射问题是不可避免的，可能会造成电动机一侧电压快速升高，直接影响电动机的绝缘性能，绝缘性能的下降就会影响发动机的使用寿命。要想进一步地提升潜油电泵机组的运行效率和运行安全，就要在潜油电泵机组中应用中压变频调速技术，降低起下泵作业次数，降低后期维修养护成本，延长潜油电泵机组的使用寿命。

1 潜油电泵的系统构成

潜油电泵主要由分离器、动力电缆、离心机、变压器、电动机、控制屏等几部分组成，要想潜油电泵系统的安全稳定运行，就要有针对性地配置相应的辅助设备，主要的辅助设备包括扶正器、电缆保护器等。电动机是潜油电泵系统中的重要核心部件，电动机的结构相对其他部件更加复杂，因此要想高效率地提升地下原油的开采率，就要科学合理地驱动潜油离心泵。目前我们使用频率比较高为三相鼠笼式异步电机，主要构成分为两级，每级的长度控制在2 ～10m，一旦需要的功率比较大，可以使用多节串联的方式。潜油电机通常情况下结构为立式悬挂，转子的重量都承受在止推轴承上，电子的定子、转子主要是多段串联的形式来完成工作，电机在工作运行的过程中，扶正轴承将转子连接在一起，将转子的扰度控制在一定的范围内。定子铜片在结构上与扶正轴承的定子部位对应，工作运行过程中主要是起到扶正与支撑轴承作用。

2 交流调速技术

2.1 改变转差率

在保障其他情况不变的基础上，根据异步电动机转速计算公式可以改变电动转差率，实现调节电动机转速的功能。要想实现变频或者变极调速功能，就要利用机电学的相关知识，对整体系统的同步转速实现改变。变频和变极调速之间最大的共同点就是转差率不会随着转速的升高和降低发生改变，发生改变的只是转子的铜耗。按照能量守恒定律来说，以上调节的方式为转差率不变型调速，应用的范围比较广，应用的效率比较高。转差率在调速过程中一旦发生改变，转差功率也会随着发生改变，转差率调速方式从能量守恒的方面去考虑，是一种功率消耗性或者功率回馈型调速方式，主要的区分方式为转差功率在调速过程中是否被全部的消耗，如果被全部的消耗就属于功率消耗型，如果在调速过程中通过一定的渠道回馈给电网，那就属于功率回馈型。

2.2 变极调速

电动机的运行根据异步电动机转速计算公式可知，电机的转速会随着极对数的变化而变化，变极调速在笼型异步电动机的转速调节过程中应用的效果十分理想，主要是因为转子极对数在笼型异步电动机中很容易发生改变，只需要对变极对数进行科学合理的设置，就能达到异步电动机逐级调速的目的。

2.3 变频调速

在电机保持能量守恒的情况下，根据异步电动机转速计算公式，电动机的转速会随着电源频率的变化而变化，这种调速方式的优势在于调速的过程十分平滑，调速的范围比较宽，调速的效率比较高，电动机在运行过程中的静态特性及动态特性应用效果都比较好，在各个领域中的普及也十分广泛，为油田创造了更大的经济效益，实现潜油电泵工作运行的更加安全、可靠，延长潜油电泵的使用寿命，实现了潜油电泵在不同环境下适应能力的提升，潜油电泵在使用和管理过程中更加规范，避免电泵排量在变化的情况下，对电泵起下作业产生影响，这也是以后我们需要研究和关注的重点内容。

3 中压变频调速驱动技术分析

潜油电泵在油田众多开采过程中都属于技术十分成熟和应用十分广泛的一种设备，其主要属于多级离心泵的一种。油井深度一般情况下都能达到几千米，这就造成了地面系统和井下设备之间需要较长的电缆连接，而电缆越长产生的压降越大，因此，为了降低压降，电动机都不会设置工频工作状态，一般控制在中压范围内。主要是为了避免电压设置较低时，压降会对整个线路产生影响，造成电动机不能正常的工作运行；同时，电压的设置也不能过高，电压过高会影响电缆的绝缘性能，增加后期的维修和养护成本。最近的几年中，我国油井深度不断增加，在一些极深的油井中，潜油电泵的电压达到了2300V。

潜油电泵地面控制系统根据功能的不同可以分为四个部分，主要有控制监测部分、数据存储部分等。单片机是控制监测部分中的核心产品。数据存储部分的组成主要包括存储器、锁存器、数据分配器等，根据实际情况主要的运行流程为对电压及频率使用科学合理的控制程序或者单片机实现数据的选择，运行过程中，存储器将相关的数据信息及时存储起来，信号频率通过定时器传输出去，利用功率开关在相关的顺序上进行科学合理的控制。单片机在整体系统中的作用主要是将反馈信号收集、接收，同时单片机也能有效的控制整个系统的运行，实时监控系统的运行状态，一旦出现短路、欠压、缺相、过载等现象，可以第一时间采取保护措施，保障整个系统的安全、稳定运行，延长电机的使用寿命。中压变频器与传统两电平输相比，有着对电压脉冲及电压波形控制更加合理的优势，有效消减电压的变化速率，避免电机在工作运行过程中破坏绝缘性能，保障电机和电缆的正常工作，延长其使用寿命。

4 主要的技术特点分析

4.1 实现软起动

软启动在中压变频调速技术中的应用，主要是为了电动机启动的更加平滑，避免电流对电动机产生冲击，将电动机启动电流控制在额定电流的150%范围内。电动机在启动的过程中，同步化的状态可以根据频率的实时变化来实现，降低冲击电流和反电动势，避免绝缘层产生破坏，起到保护绝缘层的作用。在对系统内容不断优化和完善的过程中，变频改造工作一定要遵循科学合理的原则，软启动和软停车是潜油电泵系统中十分重要的功能。

4.2 具有节能性

中压变频调速技术在潜油电泵中的应用，有效地实现了能源的节约。经过对使用中压变频调速技术前后电动机消耗的电能相比较，在应用中压变频调速技术后，电能节省了50%左右，同时无功功率无论在重载或者轻载的情况下，都实现了最大程度的下降，实现电网的供电处于一个全新的水平，达到了节能的目的。在调节变频的同时，也可以有效地控制油压状态，实现潜油电泵长期处于一个稳定的工作状态，避免高压化工作，工作人员根据油井工作的实时状态，对出油量进行调节，实现油井处于最佳的工作状态。

4.3 实现智能化

计算机操作法在应用的过程中也可以适当地引用，达到无人操作智能化的控制目的，实现闭环控制压力、温度等数据参数，提高整个系统的自动化水平。变频调速技术在整个工作过程中的改造，实现了富油油井中大幅度提升其油井产量，实现了贫油油井大幅度改善其油井过去产量情况，实现了连续化的生产效果，降低了电能资金的投入，为企业提高了经济效益。智能化技术在含砂油井中的应用效果更加明显，有效地降低了卡泵事故发生的几率，同时配合反转排砂技术，对潜油电泵的使用年限实现了延长。智能化技术在含气油井中的应用，实现了转速的进一步提升，降低了气锁现象发生的概率，保障了潜油电泵的生产效率。智能化技术在含蜡油井中的应用，降低了油井结蜡、堵塞等问题发生的概率。因此，智能化技术是实现油田经济效率提升的关键。

4.4 降低发热性

中压变频调速技术在潜油电泵中的应用，实现了电动机工作运行过程中发热现象的有效减缓，系统部件的磨损程度有效下降，电动机的使用寿命得到保障。在以往的研究和分析中我们发现，传统的调速系统没有相应的欠载保护功能，多电泵变频器与两电泵输出变频器系统相比较时，电压的波形更好，谐波的含量更低，可以实现多平台的集中化应用，避免谐波对电网产生一定的干扰，同时，电动机在工作运行中产生的热量也大大降低。

4.5 稳定性更高

中压变频调速技术的应用，实现了潜油电泵运行的更加稳定，功率开关器件的控制技术更加成熟，性价比更高，保障了潜油电泵系统运行的稳定性、安全性，降低了系统的故障率，促进了油田后续工作的有序开展。

5 变频调速技术的具体应用

随着变频调速技术在油田潜油电泵系统中应用的越来越广泛，起到的效果也越来越理想，油田机械采油设备中，潜油电泵是重要的设备之一，发挥着重要的作用，尤其是油田开采的中后期，潜油电泵的应用比较频繁，潜油电泵通常属于多级离心泵的一种，一般使用在油井深处，使用环境比较恶劣。在这种情况下，潜油电泵的工作状态直接影响油田的开采质量和开采效率。三相电平变频调速控制系统主要是依靠变频调速技术构建而来的，实现对潜油电泵配电控制箱变压器的优化和改善，变压器根据生产的实际情况，科学合理地进行控制和运用。我们通过对潜油电泵电机转速智能化的控制和调节，实现了潜油电泵应用效果的进一步提升，三电平变频控制系统主要有控制检测、电压波形数据存储、变换输出、频率生成等四部分组成。（1）单片机是控制检测单元中的重要组成部分，对潜油电泵在井下的作业情况实现实时的检测，对潜油电泵的工作状态实现实时的了解和掌握；（2）频率生成部分主要由计数器、锁相环节、定时器等部件组成，根据电动机的实际工作原理，生成相应的电源输入频率；（3）电压波形数据存储主要由数据分配环节、存储器等部件组成，根据实际的工作状态，对频率、电压进行最优选择，分配和输送相应的数据，实现系统有效控制，并协调、稳定地运行；（4）变化输出主要是将变频使用工作电源进行处理，充分发挥出潜油电泵变频器的优势，输出主要依靠输出变频，实现潜油电泵功能发挥的最大化。

潜油电泵变频调速技术的应用经过以上的研究和分析发现，提升了潜油电泵输出频率，实现了电动机工作运行时旋转切割磁场的稳定性，对电流的范围进行了科学合理的控制，充分考虑了工作运行时的安全性。潜油电泵通常情况下在启动时会产生较大的电流冲击和电压过高，变频调速技术的应用有效地解决了以上问题，降低了潜油电泵电机和电缆出现故障的概率，保障了潜油电泵的工作效率和工作质量。

6 结语

经过以上的研究和分析发现，潜油电泵机组中压变频调速技术的应用，完成了潜油电泵机组节能的目标，促进了油田企业经济效益的提升。尤其在海上油田，中压变频调速技术应用的更加广泛，取得的经济价值更高。我们在以后对中压变频调速技术的深入研究过程中，还要不断地对其推广和宣传，在我国更多油田的油井中实现应用，提升油井产量，保障运行安全，降低潜油电泵后期的维修和保养成本，促进油田经济效益的提升。油田开采过程中，潜油电泵中压变频调速技术的应用，降低了潜油电泵机组故障率，延长了潜油电泵机组的使用寿命，是油田未来发展的重要里程碑。