合康变频HID520系列四象限变频器在胜利油田的应用

2014/11/24 16:32:33

1 引言

在起重、矿山、油田等应用场合，电机在运行中会产生再生能量，所产生的再生能量如果不加以有效利用，就会被浪费。如何有效利用这些再生能量，并解决输入电流的谐波含量高，功率因数低的问题，则成为客户迫切的应用需求。鉴于此，合康变频经过潜心研究，推出HID520系列四象限能量回馈变频器，致力于提升客户的节能效率与综合经济效益。

HID520系列四象限能量回馈变频器采用PWM控制的IGBT整流技术，实现对整流与回馈的双向控制，成功解决了负载在快速下降或停机时的再生发电能量处理问题，具有四象限的运行功能。同时，能满足各种位势负载的调速要求，可将电机的再生能量转换为电能输送回电网;可进一步提高节电效率，减小电源的谐波污染，提高功率因数，减小供电电流，从而减轻电网和变压器的负担，降低线损，可省去大量的增容开支。

因此，本文结合游梁式抽油机的工作原理及变频调速节能方案对比，全面地介绍合康变频HID520系列四象限变频器在胜利油田游梁式抽油机(磕头机)上的成功应用。

2 游梁式抽油机变频改造的必要性

游梁式抽油机属于有杆类抽油杆往复运动类的抽油设备，是目前应用最为广泛的一种，它由三部分组成，地面部分，井下部分和连接地面和井下的中间部分-抽油杆柱。

游梁式抽油机工作时，悬点上的负载在一个周期内是不断变化的。上冲程时，悬点要提起抽油杆柱和液柱，当抽油机未平衡时，此时负载就很重。下冲程时，抽油机杆柱对电动机做功，使电动机处于发电状态。当抽油机未平衡时，上下冲程的负载变化非常大，这样会严重影响抽油机的机械连接，影响其使用寿命。为解决此负载不均匀的问题，一般在抽油机上采用机械配重的方法来解决。增加机械配重调节平衡后，下冲程时，平衡重从低点转到高点，增加其位能。平衡配重上升时，其能量由抽油杆柱下落所释放的位能和电动机付出的部分能量两部分组成。上冲程时，平衡配重由高点转到低点，释放下冲程时储存的能量，帮电动机提升抽油柱和液柱，从而减少了减上冲程时电动机给出的能量。但即使当平衡配重调节较好时，电机仍然存在发电状态并产生能量。

抽油机在工频状态下启动时，冲击电流大，会产生尖峰电流;转矩动态大，启动过程快，会影响各机械部件的寿命;启动后，不能根据油井的实际情况调节其频率，且配重不能实时调节，所以会造成大部分能量的浪费;另外，下冲程时，电动机处于发电状态，释放的能量直接回馈给电网，会使供电系统功率因数降低，对电网质量影响非常大。所以为了降低启动时冲击电流，延长设备使用寿命，减少能源损耗，改善电网质量，有必要对抽油机进行变频改造。

3 抽油机的变频调速节能方案对比

抽油机属于位能性负载，尤其是在配重不平衡时，在抽油机的一个冲程周期中，会使电动机处于发电状态。电动机由于位能或者惯性，其转速会超过同步转速，再生能量通过与变频器逆变桥功率开关器件IGBT并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于普通的两象限的变频器，其母线是通过普通二极管整流桥供电，不能向电网回馈电压，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容充电而使母线电压升高。变频器在设计时，为了保护器件，会设置一个母线过压保护，当母线电压值达到一定值时，会触发此保护。所以再生能量会将母线电压充电到设定的过压值，会保护停机。

因此，处理抽油机再生能量的方法有以下几种：

(1)变频器加制动单元。这种方式是在母线电压上并联制动单元及制动电阻，将能量直接消耗在制动电阻上。这是一种耗能的方法，对节能不利，且制动电阻的散热及寿命问题很难解决。

(2)变频器加回馈单元。这种方式是在母线上并联回馈单元，将电机工作在发电状态时变频器直流母线上的直流泵生电压转化为与电网通过回馈单元回馈到电网，对电网质量影响严重但同样未解决功率因数低，谐波电流大的问题。

(3)四象限变频器。四象限变频器(如图1所示)可以解决以上应用中的各种缺点，不论是能量从电网到直流母线还是从母线到电网，均可保证输入谐波在5%以下，功率因数接近于1。采用PWM控制的IGBT整流技术，实现对整流与回馈的双向控制，成功解决了负载在快速下降或停机时的再生发电能量处理问题，具有四象限的运行功能。同时，能满足各种位势负载的调速要求，可将电机的再生能量转换为电能输送回电网;可进一步提高节电效率，减小电源的谐波污染，提高功率因数，减小供电电流，从而减轻电网和变压器的负担，降低线损，可省去大量的增容开支。