Die Balkenpumpe wird in verschiedenen chinesischen Ölfeldern häufig als Hauptpumpanlage eingesetzt. Sie weist jedoch Probleme wie geringe Förderleistung, hohen Energieverbrauch und einen hohen Kraftaufwand auf. In den letzten Jahren hat sich mit der Entwicklung der Leistungselektronik die Frequenzumrichtertechnologie aufgrund ihrer Vorteile wie Energieeinsparung und einfacher Frequenzregelung in der Ölindustrie weit verbreitet. Während des Betriebs der Pumpanlage läuft der Elektromotor häufig im Generatorbetrieb.
Zur Lösung des Problems des Energierückflusses gibt es derzeit zwei Hauptlösungen für Pumpeneinheiten in verschiedenen Ölfeldern in China:
•Frequenzvariable Bremseinheit und Frequenzvariable Rückkopplungseinheit. Das Hinzufügen einer Bremseinheit und eines Bremswiderstands zur Sammelschiene verbraucht direkt Energie am Bremswiderstand, was nicht nur der Energieeinsparung abträglich ist, sondern auch die Probleme der Wärmeableitung und der Lebensdauer des Bremswiderstands schwer zu lösen macht;
Parallele Rückkopplungseinheiten sind an die Sammelschiene angeschlossen, um die vom Motor während der Stromerzeugung erzeugte Energie ins Netz zurückzuspeisen und so einen umgekehrten Energiefluss zwischen Wechselrichter und Netz zu erreichen. Dies löst jedoch nicht das Problem des niedrigen Leistungsfaktors und des hohen Oberwellenstroms, der beim Energiefluss vom Netz zum Wechselrichter auftritt.
Als Reaktion auf die oben beschriebene Situation kann die Vier-Quadranten-Technologie die Nachteile der beiden zuvor genannten Lösungen überwinden. Die Vier-Quadranten-Frequenzumrichtertechnologie löst das Problem der regenerativen Energieverarbeitung von Pumpenaggregaten bei Systemungleichgewichten durch ihren Vier-Quadranten-Betrieb. Gleichzeitig verbessert sie die Energieeffizienz, reduziert die Oberwellenbelastung der Stromversorgung und optimiert den Leistungsfaktor. Der Vier-Quadranten-Frequenzumrichter nutzt die PWM-gesteuerte IGBT-Gleichrichtungstechnologie mit bidirektionaler Steuerung der Gleichrichtung und Energierückführung. Der echte Vier-Quadranten-Betrieb beseitigt das Problem des Energierückflusses in Pumpenaggregaten vollständig.
Einführung in die Vierquadranten-Frequenzumwandlungstechnologie
1. Funktionsprinzip des Vierquadranten-Frequenzumrichters
Die Topologie des Vierquadranten-Frequenzumrichterschaltkreises, der anstelle einer ungesteuerten Gleichrichtung eine dreiphasige Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet, ist in Abbildung 1 dargestellt. Er kann die mechanische Energie der Last in elektrische Energie umwandeln und diese in das Netz zurückspeisen.
Vierquadranten-Frequenzumrichter – energiesparende Lösung für Ölfeldpumpen
Abbildung 1 Topologische Struktur der Vierquadranten-Frequenzumrichterschaltung
2. Vorteile des Vierquadranten-Frequenzumrichters
Mithilfe eines leistungsstarken und rechenintensiven DSP-Steuergeräts für Gleichrichter werden sechs hochfrequente PWM-Impulse erzeugt, um das Ein- und Ausschalten des IGBT auf der Gleichrichterseite zu steuern. Das Ein- und Ausschalten des IGBT erzeugt zusammen mit der Eingangsdrossel eine sinusförmige Stromwellenform, die mit der Eingangsspannung phasengleich ist. Dadurch werden die durch Diodengleichrichtung und -analyse erzeugten Oberschwingungen eliminiert, und der Leistungsfaktor liegt nahe bei 1, wodurch die Belastung des Stromnetzes mit Oberschwingungen minimiert wird.
Die Gleichrichterseite der Vierquadranten-Frequenzumrichtertechnologie verwendet IGBT-Leistungsmodule, die einen bidirektionalen Energiefluss zwischen dem Eingangsnetz und dem Motor ermöglichen. Bei einem Ungleichgewicht im System kann die durch das Ungleichgewicht erzeugte potenzielle Energie in das Netz zurückgespeist werden, wodurch die Anforderungen an den Systemausgleich erheblich reduziert werden;
Im Generatorbetrieb wird die vom Motor erzeugte Energie über die Diode auf der Wechselrichterseite in den Zwischenkreis zurückgespeist. Die Regelung auf der Gleichrichterseite setzt ein, wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um und speist die Energie durch Steuerung von Phase und Amplitude der Wechselrichterspannung ins Netz zurück, wodurch Energieeinsparungen erzielt werden.