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摘要：四象限變頻器采用PWM控制的IGBT整流技術(shù)，對整流與能量回饋的雙向控制，真正的四象限運行，可以完美解決抽油機存在能量倒灌的問題。本文介紹四象限變頻的工作原理以及在某油田的應(yīng)用案例，現(xiàn)場運行結(jié)果表明，四象限變頻器完全滿足抽油機工藝要求，節(jié)能顯著，是油田上的“綠色產(chǎn)品”。

關(guān)鍵詞：變頻器；四象限變頻技術(shù)；抽油機

1 引言

各油田普遍采用游梁式抽油機作為主要的抽采設(shè)備，存在低產(chǎn)出、高能耗、大馬拉小車的問題。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)由于具有節(jié)能、調(diào)沖次方便等優(yōu)點在油田得到廣泛的應(yīng)用。在抽油機運行過程中，電動機時常運行在發(fā)電狀態(tài)。

為了解決能量倒灌的問題，目前我國各油田抽油機主要采用兩個方案：變頻加制動單元和變頻加回饋單元。在母線上加制動單元及制動電陽，將能量直接消耗在制動電阻上，這不利于節(jié)能，而且制動電阻散熱和壽命問題很難解決；母線上并聯(lián)回饋單元，將電機工作在發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的能量通過回饋單元反饋電網(wǎng)，實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間反向流動，但解決不了能量由電網(wǎng)流向變頻器時功率因數(shù)低，諧波電流大的問題。

針對以上情況，本文設(shè)計了四象限技術(shù)的方案，可克服上述兩種方案的缺點。四象限變頻技術(shù)解決了抽油機在系統(tǒng)不平衡時的再生能量處理問題，具有四象限的運行功能，同時能提高節(jié)電效率，減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)。

2 四象限變頻技術(shù)介紹

2.1 四象限變頻原理

采用三相脈寬調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）整流代替不可控整流而構(gòu)成的四象限變頻器電路拓撲如圖1所示，可以將負載機械能轉(zhuǎn)變的電能回送給電網(wǎng)。

圖1 四象限電路拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 四象限變頻亮點

·用高速度、高運算能力的整流控制單元DSP，產(chǎn)生6路高頻的PWM脈沖控制整流側(cè)的IGBT的開通和關(guān)斷，IGBT的開通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，這樣就消除了二極管整流析產(chǎn)生的諧波，功率因數(shù)接近于1，從而消除了對電網(wǎng)的諧波污染；

·四象限變頻技術(shù)整流側(cè)采用IGBT功率模塊，可以實現(xiàn)輸入電網(wǎng)同電動機能量的雙向流動，在系統(tǒng)不平衡時，可以將不平衡產(chǎn)生的勢能回饋電網(wǎng)，從而大大降低對系統(tǒng)平衡的要求；

·當電機工作在發(fā)電狀態(tài)，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，整流側(cè)回饋控制啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達到節(jié)能的效果。

3 應(yīng)用案例

2020年4月，海南某采油廠作業(yè)區(qū)應(yīng)用了10臺37kW四象限變頻柜，現(xiàn)場圖如圖2、圖3所示。抽油機變頻柜主要有四象限變頻器、斷路器、指示燈、接觸器、電能表、防雷器、LCL電路等部分組成，其中四象限變頻器是變頻柜核心部件，選用的是深圳步科電氣公司生產(chǎn)的FV21系列四象限變頻器。

圖2 油田現(xiàn)場

圖3 四象限變頻柜

4 經(jīng)濟效益分析（如表1所示）

表1

在此次測試的10臺變頻柜中，可以得到：

（1）每日節(jié)電量為32~160度，節(jié)電率為30.01%~72.85%；

（2）平均每臺每日節(jié)電量約為87.26度，節(jié)電量中位值為73.9度，節(jié)電率平均值約為47.93%，節(jié)電率中位值為43.45%；

（3）以每天每臺節(jié)電量87.26度計算，每天節(jié)約電費87.26×0.769=67.10元；每年節(jié)約成本67.10×365=24492.5元。

5 結(jié)語

通過油田現(xiàn)場長時間的運行情況來看，F(xiàn)V21系列四象限變頻器完全能夠滿足抽油機工藝需求，四象限變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較好的節(jié)能效果，且能夠改善提高設(shè)備功率因數(shù)，經(jīng)濟效益顯著。

摘自《自動化博覽》2020年6月刊