0 引言

目前，國內油田為保證持續的高產、穩產，大量使用潛油電泵，這些潛油電泵絕大多數采用工頻全壓恒速運行方式，但這種方式存在以下缺點。

1)工頻全壓啟動時，對電網產生沖擊，電機沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。在采油過程中，由于液面經常變化，需要經常對電泵進行啟停操作，降低了設備使用壽命，增加了維修費用。

2)潛油泵不能根據生產情況調整電泵的輸出功率，造成巨大的能源浪費，難以使電泵工作在最佳工況點上。

3)需要調整油井產量時，只能使用更換油嘴的方法，費力費時，而對供排關系變化較大的油井，靠更換油嘴也滿足不了生產需要，只能通過更換整套機組來完成，造成巨大的浪費。

4)因油井的深度，流量的大小不一致，使用的潛油電泵規格十分復雜，與之配套的變壓器、啟動設備規格繁多，增加了備件的儲備和維修的復雜性，加大了生產成本。

變頻調速技術通過改變電源頻率而改變電機轉速。若通過改變電機轉速來調節潛油泵輸出功率，則可以保證潛油電泵始終運行在高效區，從而可以大幅節約能源。本文提出一種基于變頻調速技術的潛油電泵控制系統。此系統充分發揮了變頻調速技術的優勢，使得潛油泵系統得到有效的控制，保證了潛油電機高效穩定的運行，節約了能源，具有很高的經濟意義和應用價值。

1 潛油電泵的工作特性

潛油電泵是一種多級離心泵，其工作特性隨著電機轉速的變化而變化：

1)離心泵的排量與泵的轉速成正比;

2)離心泵的壓力與泵的轉速平方成正比;

3)離心泵的功率與泵的轉速的三次方成正比。

由于潛油電泵的轉速與供電頻率相關，以上可以用轉速和頻率表示，即

2 中壓變頻調速系統

2.1 變頻調速系統的工作原理

變頻器的基本結構圖如圖1 所示，主要由整流器，濾波器，逆變器和控制電路幾部分組成。三相電源所發出的交流電經整流器變為直流，再經過逆變器變為頻率可調的交流電輸入潛油泵的電機。由電機學的理論可知，異步電動機的轉速基本上與電源頻率成正比，即改變電源頻率就可以改變轉速，潛油泵從高速到低速調節時均保持高效的性能。

2.2 潛油泵及電機的技術參數

大港南部油田采油六工區小13-19井設備參數如表1所列。

2.3 變頻系統容量的選擇

變頻器的容量選擇與電動機容量密切相關，由于變頻器輸出給電動機的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時要大，因此必須將變頻器的容量留有適當的余量。變頻器容量選擇太小，則電動機潛力就不能充分發揮;變頻器容量選擇太大，變頻器的余量就顯得沒有意義，且增加了不必要的成本，因此實際工程應用的經驗通常是變頻器的額定輸出電流逸(1.05~1.1)電動機的額定電流(銘牌值)或電動機實際運行中的最大電流。本應用中電機的額定電流是39.5 A，有

通過變頻器的輸出電流及功率的計算，采用天津華云自控股份有限公司的HYVERT-MV 型中壓變頻器，該變頻調速系統的主要技術參數為：

額定容量80 kVA;

額定輸出電流40 A;

額定輸出電壓1.315 kV;

輸入頻率50 依10% Hz;

輸出頻率范圍0.1耀150 Hz;

輸出頻率分辨率0.01 Hz;

輸入端功率因數(對于20%額定負載時)>0.95;

變頻系統效率>96%;

過載保護120%額定電流1 min，150%額定電流3 s，200%額定電流立即保護;

加速、減速時間0.1-300 s可調;

諧波控制輸入電流4%，輸出電壓6%，輸出電流2%;

控制部分模擬量輸入輸出信號0耀20 mA標準信號;

工控機與外部通訊接口RS485;

外殼防護等級逸IP20;

冷卻方式風冷，運行環境溫度0耀40益。

2.4 變頻調速系統的控制方式

控制系統對潛油電機進行速度控制的流程如圖2 所示，此閉環反饋控制系統主要由PLC，PID控制調節器和傳感器等部分組成。其中PLC控制潛油電機的運行狀態和觸摸屏顯示的人機界面，對潛油泵的流量進行整體控制;PID 調節器根據設定值和反饋值自動調整變頻器的頻率，控制變頻器對潛油泵進行速度調節，精確調整潛油泵的流量，提高了潛油電機的運行效率。

2.5 變頻調速系統的電路原理

變頻的總體方案為交-直-交其結構圖如圖3所示，三相高壓工頻交流電經高壓開關進入高壓整流橋整流，將交流變為直流并經過直流環節對電容器充電。直流電經逆變橋逆變，將直流電變為電壓、頻率可調的交流電，經濾波電抗器輸出至電動機。

1)整流單元由高壓二極管組成的三相全橋整流單元，將三相交流電變為直流電;

2)直流環節單元由充電電阻、真空接觸器、兩組電容量相等的電容器組成;

3)逆變橋單元由IGBT組成的三相逆變橋三電平結構，具有獨特的中點電位自動箝位功能，功率器件承受較低電壓，安全可靠，逆變器輸出電壓上升率(dv/dt)小，將直流電逆變為頻率、電壓可調的三相交流電;

4)輸出單元由濾波電抗器、電容器(作為可選件)組成，將逆變橋單元輸出的三相交流電濾波后供給電機;

5)控制系統單元由CPU 板、I/O 板、驅動板、接口板、操作鍵盤組成，控制各單元的協調運行，采集、顯示運行狀態和數據，設定、顯示系統的運行參數;

6)旁路開關單元裝置設有工頻、變頻切換，需要工頻運行時，可以通過旁路開關實現;

7)正弦濾波器單元采用LC 濾波，經過長期的實際經驗，通常深度在2 000 m 左右的油井選用2 mH 電抗器，PWM 載波頻率1 kHz，輸出電壓諧波含19%，額定工作最高頻率60 Hz。

3 應用效果

小13-19 井安裝HYVERT-MV 型中壓變頻裝置前后節能效果對比測試數據如表2 所列。

4 結語

采用中壓變頻器組成的變頻調系統，滿足了潛油電泵在不同井況下的運行要求，實現了機組的軟啟軟停，有效地避免或降低了對電機、潛油泵的沖擊損壞，實現了在電網電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內可調，有效地降低了運行能耗，提高了生產效率，延長了油田采油設備的使用壽命，減少了運行和維修費用，值得在油田推廣。