摘要：在潜油电泵（简称油泵）系统中，变频器的应用越来越广泛，通过变频驱动油泵机组，可实现软启动，消除了井下机械和电力冲击，使泵工作在最佳工况点，有利于延长油泵机组的使用寿命。但是，传统变频技术的应用也带来了系列问题，变频器输出波形为PWM波，油泵的供电电缆为1000m~3000m，由于长线电缆存在分布电感和分布电容，导致电机端产生过电压，同时变频器输出存在着很高的共模电压，使电机轴承产生电流，造成电机轴承的损坏，另外变频的使用导致谐波电流更大，使电缆、电机发热严重。针对传统变频的缺点，英威腾设计了全新的Goodrive3000三电平变频器应用在油泵上，大大的降低了变频使用对油泵系统的损害。

关键词：Goodrive3000   三电平变频器  潜油电泵

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

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2   6KV转1280V变压器                          图3  铁皮房（含控制柜、接线柜）

图4潜油电泵地面部分

3.1潜油电机参数

3.1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5GD3000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：

Ø减少了杂散电感和IGBT的关断尖峰

Ø紧凑化的设计，减小整机的体积

Ø易于安装和更换，经久耐用

Ø可靠性高，安全性高

7）

长寿命设计，采用薄膜电容

Ø耐电压能力高，绝缘电阻极高

ØESR(等效串联电阻)低，耐纹波电流强

Ø抗脉冲能力强，可靠性高

Ø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。