優(yōu)秀案例 | 步科FV21系列四象限變頻器在抽油機(jī)上的應(yīng)用

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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(duì)整流與能量回饋的雙向控制，真正的四象限運(yùn)行，可以完美解決抽油機(jī)存在能量倒灌的問題。本文介紹四象限變頻器的工作原理以及步科FV21系列四象限變頻器在某油田的應(yīng)用案例、經(jīng)濟(jì)效益分析?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，F(xiàn)V21系列四象限變頻器完全滿足抽油機(jī)工藝要求，節(jié)能顯著，是油田上真正的“綠色產(chǎn)品”。

引言

各油田普遍采用游梁式抽油機(jī)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(diǎn)在油田得到廣泛的應(yīng)用。在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)時(shí)常運(yùn)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(jī)主要采用兩個(gè)方案：

1、變頻加制動(dòng)單元和變頻加回饋單元。在母線上加制動(dòng)單元及制動(dòng)電陽，將能量直接消耗在制動(dòng)電阻上，這不僅不利于節(jié)能，而且制動(dòng)電阻散熱和壽命問題很難解決；

2、母線上并聯(lián)回饋單元，將電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量通過回饋單元反饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間反向流動(dòng)，但解決不了能量由電網(wǎng)流向變頻器時(shí)功率因數(shù)低，諧波電流大的問題。

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

四象限變頻技術(shù)介紹

• 四象限變頻器原理

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?fù)淙鐖D1所示，可以將負(fù)載機(jī)械能轉(zhuǎn)變的電能回送給電網(wǎng)。

圖1 四象限變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

• 四象限變頻器亮點(diǎn)

用高速度、高運(yùn)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(duì)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(shí)現(xiàn)輸入電網(wǎng)同電動(dòng)機(jī)能量的雙向流動(dòng)，在系統(tǒng)不平衡時(shí)，可以將不平衡產(chǎn)生的勢能回饋電網(wǎng)，從而大大降低對(duì)系統(tǒng)平衡的要求；

當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)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(dòng)，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(dá)到節(jié)能的效果。

步科FV21系列四象限變頻器優(yōu)秀應(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(tái)37KW四象限變頻柜，現(xiàn)場圖如圖2、圖3所示。抽油機(jī)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，選用的是步科FV21系列四象限變頻器。

圖2 油田現(xiàn)場                                   圖3 四象限變頻柜

油田現(xiàn)場經(jīng)濟(jì)效益分析

在此次油田現(xiàn)場測試的10臺(tái)變頻柜中，可以得到以下結(jié)論（每日數(shù)據(jù)見下表）：

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(tái)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(tái)節(jié)電量87.26度計(jì)算，每天節(jié)約電費(fèi)87.26 X 0.769 = 67.10元；每年節(jié)約成本67.10 X 365 = 24492.5元。

結(jié)語

通過油田現(xiàn)場長時(shí)間的運(yùn)行情況來看，步科FV21系列四象限變頻器完全能夠滿足抽油機(jī)工藝需求，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較好的節(jié)能效果，且能夠改善提高抽油機(jī)設(shè)備功率因數(shù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

步科是國內(nèi)屈指可數(shù)的掌握四象限變頻器技術(shù)的自動(dòng)化公司，依托多年在自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，努力讓中國制造成為全球頂級(jí)制造。

步科FV21系列四象限變頻器為高性能矢量變頻器，廣泛應(yīng)用于油田抽油機(jī)、電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)、皮帶輸送機(jī)、起重機(jī)械、離心機(jī)等多個(gè)應(yīng)用現(xiàn)場。

注：本文同時(shí)刊登在控制網(wǎng)（www.kongzhi.net）&《自動(dòng)化博覽》雜志2020年第6期“關(guān)注變頻器”技術(shù)專題

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