岑尉平

(中海油深圳分公司流花油田，廣東 深圳 518067)

1 羅賓康中壓變頻器的工作原理

完美無諧波變頻器是羅賓康公司設(shè)計(jì)制造的脈寬調(diào)制交流變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器系列，主要具有如下優(yōu)點(diǎn):純凈的輸入特性，高功率因數(shù)，幾乎完美的正弦波輸出。

羅賓康完美無諧波系列變頻器通過將多個(gè)低壓功率單元的輸出疊加得到中壓。低壓功率單元采用簡單改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)PWM(脈寬調(diào)制)馬達(dá)變頻器，這種低壓變頻器已廣泛應(yīng)用了許多年，性能很穩(wěn)定。

如圖1所示為4160V完美無諧波系列變頻器的功率回路結(jié)構(gòu)。馬達(dá)的每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)方式采用星型接法，中線浮空。每個(gè)單元由隔離變壓器的隔離次級(jí)線圈供電。15個(gè)次級(jí)線圈的額定電壓均為480V AC，功率為總功率的1/15。變頻器在全壓輸出時(shí)保證功率單元與其次級(jí)以及對地相互絕緣。

每個(gè)單元為一個(gè)靜態(tài)變頻器，輸入電源為三相電壓480V AC，頻率為50/60Hz，輸出單相變壓(最高到480V AC)、變頻(最高120Hz)電源。每相5個(gè)單元串聯(lián)時(shí)相電壓為2400V AC，線電壓為4160V AC。功率單元都接收來自同一個(gè)中央控制器的指令。這些指令通過光纖電纜傳輸以保證絕緣等級(jí)達(dá)到5kV。

圖1 完美無諧波VFD方框圖(5單元，4160V AC)

為功率單元提供電源的變壓器次級(jí)線圈在繞制時(shí)使得相互之間產(chǎn)生一定的相位差。這消除了大部分由每個(gè)功率單元引起的諧波電流，所以初級(jí)電流近似正弦值，因而功率因數(shù)能保持較高，滿載時(shí)典型為95%。

如圖2所示為典型功率單元的原理圖。在本例中，由480V AC次級(jí)供電的三相二極管整流器將直流電容器充電至600VDC，該電壓提供給由IGBT組成的單相H橋逆變電路。在任意時(shí)刻，每個(gè)單元僅有三種可能輸出電壓，如果Q1和Q4導(dǎo)通，輸出從T1到T2為+600V;如果Q2和Q3導(dǎo)通輸出為－600V;如果Q1和Q3或Q2和Q4導(dǎo)通，輸出為0。

圖2 典型功率單元的原理圖

每相由5個(gè)功率單元串聯(lián)(即圖2所示功率單元)時(shí)可提供11個(gè)電平的相電壓(±3000V，±2400V，±1800V，±1200V，±600V或0V)?？商峁┒喾N不同電平的特點(diǎn)使得羅賓康系列變頻器能產(chǎn)生非常接近正弦波的輸出波形。

2 國內(nèi)油田的潛油電泵使用狀況分析

目前，中國海洋石油總公司所屬的各個(gè)油田為保證持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，在建海上采油平臺(tái)之初就大量使用潛油電泵，它被安裝在地下1000～3000m深的井里，泵在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將油液抽到地面通過海底管匯送到2km外的油輪進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。傳統(tǒng)的工作方式是電網(wǎng)直接供電，工程上稱其為全壓工頻工作。這種全壓工頻方式有許多弊端:

第一，對于復(fù)雜斷塊油田來說，油水井的對應(yīng)連通性差，部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足，影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。當(dāng)井下油量不富裕時(shí)，容易抽空，甚至死井，一旦死井則損失慘重。尤其海上平臺(tái)在采油時(shí)，因?yàn)橛蛯映矶却螅鲃?dòng)性差，潛油電泵在抽油的過程中不能一下運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，否則會(huì)出現(xiàn)油層因壓力變化過快而斷開，電泵只能抽到少量距井口近的油，遠(yuǎn)離井口的原油因不能夠流動(dòng)，電泵將斷液而導(dǎo)致油井報(bào)廢。并且一旦發(fā)生抽空時(shí)，定轉(zhuǎn)子將出現(xiàn)干磨，容易產(chǎn)生燒泵的事故。

第二，平臺(tái)的電網(wǎng)是由發(fā)電機(jī)組供電，過載能力較差。當(dāng)功率很大的潛油電泵在工頻全壓啟動(dòng)時(shí)，對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊電流大、沖擊扭矩大，造成電機(jī)、電纜的加速老化和電泵葉片、軸系的損壞。平臺(tái)電網(wǎng)容量有限，電機(jī)工頻對電網(wǎng)的沖擊有可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停運(yùn)。在采油過程中，由于液面經(jīng)常變化，需要經(jīng)常對電泵進(jìn)行啟停操作，頻繁的沖擊，降低了設(shè)備使用壽命，增加了維修費(fèi)用。

第三，潛油泵不能根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)整輸出功率，造成巨大的能源浪費(fèi)，難以使電泵工作在最佳工況點(diǎn)上。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

南海挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)目前采用的中壓變頻器是羅賓康完美無諧波系列交流變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，電壓等級(jí)為4160V，功率等級(jí)為600HP，用于驅(qū)動(dòng)油井下的潛油電泵。采用Profilbus DP現(xiàn)場總線控制，變頻器的運(yùn)行參數(shù)通過Profilbus DP現(xiàn)場總線傳送到中控室，中控室值班人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作變頻器，無需到現(xiàn)場操作。該變頻器能實(shí)現(xiàn)輸出頻率在0～120Hz范圍內(nèi)的自由調(diào)節(jié)，從而滿足潛油電泵在不同井況下的運(yùn)行要求。實(shí)現(xiàn)機(jī)組的軟啟軟停，有效地避免或降低了對電機(jī)、電源、泵的損害，實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)電壓一定的情況下，輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數(shù)。通常，當(dāng)潛油電泵的參數(shù)一定后，采用改頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比)的方法來調(diào)節(jié)，這樣不但能省電，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益，而且電機(jī)能低于額定電流起動(dòng)，對電機(jī)的保護(hù)全面。由于潛油電泵屬變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，即電機(jī)在起動(dòng)時(shí)需較大轉(zhuǎn)矩，而停止時(shí)則負(fù)荷也很重。變頻器可以實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，軟停止對防止油下沖有明顯的緩沖作用，因此能保護(hù)油泵不會(huì)被打壞。

4 結(jié)束語

流花油田自1996年投產(chǎn)以來，使用的羅賓康完美無諧波系列中壓變頻器一直工作狀況良好，故障率很低，維修方便，有力的保證了平臺(tái)的正常生產(chǎn)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］羅賓康.完美無諧波系列交流馬達(dá)變頻器用戶手冊［Z］.1997:10