一、引言

目前，国内海上油田为保证持续的高产、稳产，大量使用潜油电泵，它被安装在地下1000 米～3000 米深的井里，泵在电动机的带动下高速旋转，将油抽到地面上来。电潜油电泵采油系统的地面部分由配电盘、变压器、控制柜或变频器、接线盒和采油树井口组成。传统的工作方式是电网直接供电，工程上称其为全压工频工作。这种全压工频方式有许多弊端：

(1) 对于复杂断块油田来说, 油水井的对应连通性差, 部分潜油电泵井出现供液不足, 影响到潜油电泵的正常生产及井下机组的运转寿命。当井下油量不富裕时，容易抽空，甚至死井，一旦死井则损失惨重。尤其海上平台在采油时，因为油层稠度大，流动性差，潜油电泵在抽油的过程中不能一下运行到额定转速，否则会出现油层因压力变化过快而断开，电泵只能抽到少量距井口近的油，远离井口的原油因不能够流动，电泵将断液而导致油井报废。并且一旦发生抽空时，定转子将出现干磨，容易产生烧泵的事故。

(2) 工频全压启动时，对电网产生冲击、电机冲击电流大、冲击扭矩大，造成电机、电缆的加速老化和电泵叶片、轴系的损坏。平台电网容量有限，电机工频对电网的冲击有可能导致发电机组停运。在采油过程中，由于液面经常变化，需要经常对电泵进行启停操作，频繁的冲击，降低了设备使用寿命，增加了维修费用。

(3) 电泵在井下几千米处，供电电缆上有1 0 0 多伏的线路损耗，影响电机的正常供电。

(4) 潜油泵不能根据生产情况调整输出功率，造成巨大的能源浪费，难以使电泵工作在最佳工况点上。

二、解决措施

如果用变频器给潜油电泵供电，这些问题则可以迎刃而解。变频器能实现电机的软启动，即低压、低频启动，电机是慢慢加速起来的，工作频率不一定是额定频率，而是随意设置或调整，还可以根据井底油压高低自动调整转速，实现转速闭环控制。因此，海上采油平台潜油电泵配套使用变频调速装置，既是生产工艺的要求，也是保证机组安全可靠运行的需要。

三、潜油电泵用变频器的分类

潜油电泵的工作电压一般为三相50/60Hz, 660V, 1140V,1450V,  1750V,  2400V等，依据井深不同而有不同的电压。目前市场上的该类产品主要有6种类型：

IGBT中-中变频器结构图

多重多电平串联中压变频结构

(1)“中-低-中”变频器

用一台降压变压器把中压变为低压，经低压变频器变频，再由输出变压器升为中压，优点是变频器价格低，缺点是增加了占地面积和成本，增加了两级变压器损耗，升压变压器的采用是技术上的失误，可靠性大大降低了，在低速时，变压器效率更低，功率因数也低。美国CENTRILIFT公司和REDA公司采用此种方式。

(2)  低压大功率变频器

国产低压变频器已做到1000kW，国外已做到2000kW。要指出的是，用低压变频器去拖动6kV 的电动机是不合理的，改造电机接线方法，电压就变成了3.47kV ，使用3.3kV 变频器就不成问题了。建议尽量选用1.7kV、2.3kV、3.3kV电动机。

(3)  中－低压大功率变频器

其优点是中压输电损耗小，低压变频效率高，输入变压器一侧采用角(△)接法，可吸收变频系统中的高次谐波。

(4)  中－中压变频器

a)   中压IGBT PWM变频器。电压为2.3kV、3.3kV、4.16kV，容量为800kW至4000kW，额定效率为98.5% ，额定功率因数≥ 0.96，中压IGBT是低压IGBT基础上发展的新品种，系统器件由60支减为24支，电路简化了，可靠性提高了。

b )   中压IGCT PWM变频器。电压为2.3kV、3.3kV 和4.16kV ，容量为315kW至6500kW，额定效率>98% ，额定功率因数>0.95。

中压IGCT 是在GTO 元件基础上发展起来的新产品，它保留了GTO 导通压降小，电压和电流高的特点，又克服了GTO 开关性能差的缺点，是一件非常理想的兆瓦、中压开关器件。GTO体积大，损耗大，而IGCT 芯片厚度减小到与二极管差不多；这就大大简化了电压变频器结构，其触发功率小，开关一致性好，可方便串并联，又进一步扩大了功率范围。一台4.16kV 变频器，使用6kV 的IGCT 只需要1 2 支器件，是低压IGBT 的1/5 ，中压IGBT 的1/2 。由于器件电压提高，数量减少，使得变频器电路更加简化，可3 电平、4 电平或5 电平电路，变频器输出端装有滤波器及dV/dt 限制器，可配普通6kV 电机，也可配用较低电压的多相电机，为了限制高次谐波，变频器输入端为1 2 相整流，也可18相或24相整流。

(5)  多重式多级串联中压变频器

西门子ROBICON 公司、日本安川、富士、东芝公司、我国利德华福等公司，都先后推出了多重式多级串联中压变频调速装置。采用多电平结构和多级低压小功率IGBT PWM 变频单元串联输出中压变频电，实现了大功率集成。其输入电压在2.3kV 至13.8kV 之间，输出电压2.3kV ~ 6kV，容量为800kW ～5600kW ，国内为315kW～2500kW，额定效率≥96%，额定功率因数≥0.95。

(6)  电流源型中压变频器

罗克韦尔自动化推出的CSI - PWM 变频器，采用了目前中压变频业界领先的电流源技术，输入、输出电压均为6kV ，容量从100kW 至25400kW，额定效率大于98％，功率因素大于95％。所使用的功率器件为最新型高压元件SGCT ( 对称门极换流晶闸管) ，如右图。其单管双面耐压6kv 。逆变侧结构非常简单，为三相6 桥臂输出，每桥臂3 个SGCT 串联，额定耐压18kv ，极大提高了设备可靠性。3 相18 个SGCT ，为所有品牌中压变频器中最为简练的。同时，输入、输出谐波小，可兼容老式电机，不需额外虑波降容。

PF7000 PWM- CSI 变频结构

变频直流环节采用了直流电抗器，具有天生的故障电流抑制功能，同时直流电抗能消除共模电压，减小电机机座绝缘压力。变频器整流侧采用了PWM 整流，利用SHE 进行谐波消除。结合逆变侧，变频结构非常简单，故障点少。

罗克韦尔自动化中压产品部门在普通双PWM  PowerFlex7000中压变频器的基础上，通过优化SGCT 和AFE 控制及在变频器内部设置专利共模电压保护(CMP) 机构，革新推出普通双PWM  PowerFlex 7000中压变频器的升级换代产品Direct -To - Drive(简称DTD)。

DTD PowerFlex 7000 中压变频器，具有普通双PWM中压变频器的所有优异性能，且在同时省去输入和输出隔离变压器的前提条件下，依然保证电动机不受共模电压影响，可与改造或新建项目的国内外任何普通中压电动机相配套。

比较：电压型变频器一般工作在更高的开关频率，实际产生的共模电压有可能比电流型变频器更高，不加处理也会损坏电动机。三电平中压变频器和低压功率单元串联型中压变频器，抑制共模电压的方法与6 脉冲、18 脉冲PowerFlex 7000 中压变频器完全相同：输入侧隔离变压器中性点悬浮，输出侧加接地网络使电机中性点接地，把共模电压从电机转移到隔离变压器。

SGC T 功率器件

四．实际应用效果

从2007年康菲石油中国有限公司先后在蓬莱19 - 3 海上石油平台海上B , C , D, E 和F 平台使用了182 台罗克韦尔自动化生产的PowerFlex 7000 中压变频器，用于拖动采油平台的潜油泵。自投用以来其性能可靠，运行稳定，节能效果明显。其电流波形非常近似于正弦波形，高次谐波非常少，对电机、变压器和电缆损伤小，沿程损耗也小；采用高进高出的方式供电和输出方式，可以节省变压器，从而达到节约平台空间和建造费用；变频器对电机采取矢量控制，自动监测井下机组的电气性能和结构参数，根据电机的特点和运行情况确定启动参数和保护参数；可以实现电机恒转矩和平方转矩启动。

不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潜油电泵有不同的合理抽汲参数。通常，当潜油电泵的参数一定后，采用改频率( 电机转速或传动比) 的方法来调节，这样不但能省电，达到最佳的经济效益，而且电机能低于额定电流起动，以达到对电机的全面保护。由于潜油电泵属变转矩类负载，即电机在起动时需较大转矩，而停止时则负荷也很重。变频器可以实现软停机，电机转速逐渐下降，软停止对防止油下冲有明显的缓冲作用，油泵不会被打坏。Power Flex7000 中压变频器能实现输出频率在0 - 120Hz 范围内的自由调节，从而满足潜油电泵在不同井况下的运行要求；实现机组的软启和软停，有效地避免或降低了对电机、电源、泵的损害，实现了在电网电压一定的情况下，输出电压在一定范围内可调。

五．结束语

电流型中压变频器与以前的电压型变频器相比，特别是罗克韦尔自动化Power Flex 7000 中压变频器具有许多优点：电流波形非常近似于正弦波形，高次谐波非常少，对电机、变压器和电缆损伤小，沿程损耗也小；可以采用高进高出的方式供电和输出方式，可以节省变压器，从而达到节约平台空间和建造费用；变频器对电机采取矢量和模糊控制，自动监测井下机组的电气性能和结构参数，根据电机的特点和运行情况确定启动参数和保护参数；可以实现电机恒转矩和平方转矩启动。随着海上油田的大力开发，电流型中压变频器将会成为驱动潜油电泵的