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英威腾Goodrive3000系列变频器在潜油电泵上的应用
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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

电机功率 电机电压
75kW 1140V
额定电流 电机线缆长度
48A 1800m

3.2 油泵对变频器技术要求

♦ 可实现油泵的软启动、软停车;

♦ 可提高油泵系统的功率因数;

♦ 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;

♦ 具有完善的保护功能;

♦ 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

 

(7)长寿命设计,采用薄膜电容

♦ 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。

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