英威腾Goodrive3000系列变频器
在潜油电泵上的应用
英威腾Goodrive3000系列变频器
1. 引言
潜油电泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器和潜油电缆等将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。通过变频驱动的潜油电泵性能稳定，节电率高，且大大减少油泵系统的维护。本文主要介绍英威腾新一代1140V中压Goodrive3000系列三电平变频器在河北胜利油田某现场的应用。
2. 潜油电泵系统的结构及工作原理
图1 潜油电泵系统示意图
图1潜油电泵系统示意图
潜油电泵系统由七大部分组成：潜油电机、保护器、油气分离器、潜油电泵、动力电缆、控制柜和接线盒。与其配套使用的还有小扁电缆护罩、电缆卡子、单流阀、泄油阀等。下面为每个部分的作用简介：
a. 潜油电机组中使用的电机为三相鼠笼式异步电机，潜油电机工作电压一般为400-2600V，电流一般为30-120A。电机功率与电机长度成正比，但每节电机长度最长不大于10m，电机可以串联使用。
b. 保护器主要是保护潜油电机，阻止井液进入潜油电机，避免烧毁潜油电机;
c. 油气分离器对于含气的电泵井，井液在进入潜油电泵之前，要先通过油气分离器进行气、液分离，以减少气体对潜油泵工作性能的影响;
d. 潜油电泵是一种多级离心泵，当机组被启动后，潜油电机带动潜油电泵轴及轴上叶轮高速旋转，将油液抽送至地面;
e. 动力电缆是一种用特殊材料绝缘并密封，外加钢带铠装的潜油动力电缆，其功能是将地面的电能输送到井下的潜油电机;
f. 控制柜用于潜油电泵的启动和停机，以及运行中的一系列控制;
g. 接线盒的作用是连接控制柜到井口之间的潜油电泵动力电缆，以排除电缆中的气体，防止油井中的易燃气体进入控制柜，发生火灾或爆炸，所以每口油井电泵都必须安装接线盒。
3. 现场工况
Goodrive3000变频器应用的胜利油田某油泵现场比较空旷，油泵附近配置6KV转1280V的变压器、安装控制柜和接线柜的铁皮房。变频器放置在铁皮房内，铁皮房设计有两个通风口，通风口处分别安装一个交流风扇，采用抽风的方式对房内所有设备进行散热，该现场一年中的环境温度最高可达39℃。下图为应用现场工况示意图：
图26KV转1280V变压器 图三油泵地面部分
图四：铁皮房（含控制柜和接线柜）
3.1 潜油电机参数
电机功率电机电压
75kW1140V
额定电流电机线缆长度
48A1800m
3.2 油泵对变频器技术要求
l 可实现油泵的软启动、软停车;
l 可提高油泵系统的功率因数;
l 不受供电电压波动的影响，能够输出稳定电压，能够补偿长电缆的线路损耗;
l 具有完善的保护功能;
l 控制方便，操作简单;
4. 方案设计与说明
潜油电机为75KW/1140V，根据现场工况，采用英威腾Goodrive3000系列的GD3000-00-090G-12两象限柜式变频器驱动。下图为电气拓扑示意图：
图5 GD3000在油泵上的应用电气拓扑图
GD3000-00-090G-12两象限柜式变频器配置输入电抗器和输出电抗器;输入端通过进线柜接入电源，输出端通过接线盒接入潜油电机。
该方案的优势：
1) 变频器采用全新的三电平拓扑：
图6 三电平电气拓扑图
三电平拓扑相比于传统的两电平拓扑具有如下优点：
a. 电机端的du/dt相比于两电平降低60%，减少电缆和电机的绝缘压力，从而降低了电缆和电机绕组的损坏;
图7 两种变频器在电机端的du/dt
b. 电机端的共模电压更小，电机轴电流小，大大减小对电机轴承的损坏;两电平共模电压分为：Udc/2 、Udc /6 、- Udc /6、- Udc /2四个电平，三电平共模电压分为：Udc /3、Udc /6、0、- Udc /6、- Udc /3五个电平，如下图为三电平电机端的共模电压：
图8 三电平电机端的共模电压波形
c. 输出电压相对谐波<5%，输出电流相对谐波<3%，减少电缆、电机绕组的发热;
2) 输入侧配置电抗器，大大提高系统网侧的功率因数，功率因数可达0.9以上;
3) 电源输入端采用970~1310V的宽电网设计，可满足不同的电网环境;
4) 变频器配置中文液晶键盘，方便操作;
5) 高性能的三电平空间矢量控制(SVPWM)技术
6) 采用叠层母排技术，如下： 
? 减少了杂散电感和IGBT的关断尖峰 
? 紧凑化的设计，减小整机的体积
? 易于安装和更换，经久耐用
? 可靠性高，安全性高
? 耐电压能力高，绝缘电阻极高
? ESR(等效串联电阻)低，耐纹波电流强
? 抗脉冲能力强，可靠性高
? 损耗极低，发热少，使用寿命长
8) 支持多种通信模式
9) 可实现后台监控控制，方便操作
10) 变频驱动可实现潜油电机的软启动、软停车，延长油泵的使用寿命，保护电机、电缆，降低维修费用;
11) 可以实现输出电压、电流的连续调节，以达到输出功率连续可调的目的，使油泵系统处于最佳工作状态;
12) 具有过压，过流，缺相，过载，过温等多种保护功能;
5. 现场运行情况
变频器在现场运行良好，满足现场的工况要求，如下图为变频器运行输出电压、电流波形波形：
图9 变频器输出电压电流波形
6. 结束语
英威腾全新一代Goodrive3000系列三电平变频器在潜油电泵上的成功应用，增强了油泵系统控制的可操作性，提高了使用寿命，减少了维护成本，可以保证油泵机组工作在最佳工况，同时节能效果明显，创造了极大的经济效益。
