Les fournisseurs de convertisseurs de fréquence spécifiques au secteur pétrolier rappellent que ces convertisseurs sont largement utilisés dans la production industrielle des entreprises et dans la vie quotidienne. Leur large utilisation s'explique principalement par leurs excellentes performances en matière d'économie d'énergie et de régulation de la vitesse. La Chine figure parmi les pays affichant la plus forte production et consommation d'énergie au monde. Afin de résoudre le problème de la consommation énergétique des produits, outre les autres aspects techniques à améliorer, la régulation de la fréquence par variation continue (VFR) est devenue une solution efficace pour économiser l'énergie et améliorer la qualité des produits.
Actuellement, parmi les équipements de pompage utilisés dans la plupart des champs pétroliers, la pompe à balancier est la plus répandue et la plus répandue. Son fonctionnement repose sur un mouvement de va-et-vient continu, chaque mouvement consistant à lever la tige de pompage une fois. Cette force est fournie par deux coulisseaux en acier, d'un poids considérable, entraînés par un moteur électrique. Lors de la levée, les coulisseaux agissent comme des leviers, propulsant la tige de pompage dans le puits. Lors de la descente, la tige, chargée de pétrole, est remontée en tête de puits. Du fait de la vitesse constante du moteur, la charge diminue lors de la descente des coulisseaux, et l'énergie générée par la résistance du moteur n'est pas absorbée par cette charge. Cette énergie est inévitablement dissipée, ce qui amène le moteur à produire de l'énergie par récupération d'énergie. L'excédent d'énergie est alors réinjecté dans le réseau électrique, provoquant une augmentation de la tension du bus principal. Ceci a un impact direct sur l'ensemble du réseau, entraînant une baisse de la qualité et du facteur de puissance de l'alimentation électrique, et exposant le réseau à des amendes de la part des fournisseurs d'électricité. Les chocs électriques fréquents à haute tension peuvent endommager le moteur, qui ne bénéficie pas d'une protection fiable. Un moteur endommagé peut entraîner une baisse de la productivité et une augmentation des coûts de maintenance, ce qui nuit considérablement aux économies d'énergie et à la réduction de la consommation des équipements de pompage, et engendre des pertes économiques importantes pour l'entreprise. Par ailleurs, l'introduction de deux grands patins en acier dans le groupe de pompage à balancier pose de nombreux problèmes, notamment un fort impact au démarrage. Outre ces deux points, l'environnement géographique spécifique de la production pétrolière confère aux équipements d'extraction des caractéristiques de fonctionnement particulières. En début de production, les réserves de pétrole sont importantes et l'approvisionnement en liquide suffisant. Pour optimiser le rendement, un fonctionnement à fréquence industrielle peut être adopté afin de garantir une production élevée. En milieu et fin de production, la diminution des réserves de pétrole peut entraîner une insuffisance d'approvisionnement en liquide. Si le moteur continue de fonctionner à fréquence industrielle, il gaspillera inévitablement de l'énergie électrique et causera des pertes inutiles. Il est alors nécessaire d'adapter la vitesse du moteur et la course du piston en conséquence, afin d'améliorer le taux de remplissage. Pour résoudre les problèmes susmentionnés, la technologie de conversion de fréquence peut être introduite dans la commande des unités de pompage de faisceau.
En déterminant la fréquence de fonctionnement du moteur en fonction de l'intensité de son courant, la course du groupe de pompage peut être facilement ajustée aux variations des conditions de puits, permettant ainsi des économies d'énergie et une amélioration du facteur de puissance du réseau électrique. Le convertisseur de fréquence dispose d'un démarrage progressif à basse vitesse et sa vitesse est réglable en douceur et sur une large plage. Il intègre des protections moteur complètes contre les courts-circuits, les surcharges, les surtensions, les sous-tensions et le blocage, assurant ainsi une protection efficace du moteur et des équipements mécaniques. Ce système garantit un fonctionnement sûr et offre de nombreux avantages, tels qu'un fonctionnement fiable et régulier et un facteur de puissance amélioré. Il constitue une solution idéale pour la modernisation des équipements de production pétrolière.
Actuellement, la transformation des convertisseurs de fréquence pour les unités de pompage de faisceaux présente trois aspects principaux :
(1) La conversion de fréquence vise à améliorer la qualité du réseau électrique et à réduire son impact. Elle est principalement utilisée par les entreprises de production d'électricité qui ont des exigences élevées en matière de qualité du réseau. Afin d'éviter une dégradation de cette qualité, la régulation de fréquence variable est nécessaire, notamment pour réduire l'impact du fonctionnement des groupes de pompage sur le réseau. Cette application est prévue au sein de l'usine de production pétrolière de Linpan, dans le champ pétrolier de Shengli.
(2) Rénovation par conversion de fréquence avec pour objectif principal la conservation de l'énergie. Cette pratique est courante. D'une part, pour compenser le couple de démarrage élevé des groupes de pompage pétroliers, on utilise des moteurs électriques largement surdimensionnés par rapport à la puissance réellement requise. Le taux d'utilisation de ces moteurs en fonctionnement se situe généralement entre 20 % et 30 %, sans jamais dépasser 50 %. Les moteurs fonctionnent souvent à faible charge, ce qui entraîne un gaspillage de ressources. D'autre part, les conditions de fonctionnement du groupe de pompage varient constamment en fonction des conditions souterraines. Un fonctionnement permanent à la fréquence du réseau électrique engendrerait inévitablement un gaspillage d'énergie électrique. Afin d'économiser l'énergie et d'améliorer le rendement des moteurs électriques, une conversion de fréquence est nécessaire.
(3) La rénovation par conversion de fréquence vise à améliorer la qualité du réseau électrique et à économiser l'énergie. Cette solution combine les avantages des deux transformations précédentes et constitue une voie de développement importante pour les applications.
Lors de la mise en œuvre, de nombreux problèmes sont apparus, principalement liés au traitement de l'énergie produite par le groupe de pompage à balancier en mode générateur. Dans un premier temps, l'utilisation d'un convertisseur de fréquence classique avec un système de freinage énergivore peut s'avérer relativement simple, mais au prix d'une consommation énergétique accrue, principalement due à l'impossibilité de réinjecter l'énergie produite dans le réseau. Lorsque le convertisseur de fréquence est désactivé et que le moteur tourne, il absorbe l'énergie électrique du réseau (le compteur tourne dans un sens). En mode générateur, il libère de l'énergie (le compteur tourne dans l'autre sens) et cette énergie est directement réinjectée dans le réseau sans être consommée par les équipements locaux. Il en résulte un facteur de puissance relativement faible du système d'alimentation du groupe de pompage, ce qui a un impact significatif sur la qualité du réseau électrique. En revanche, avec un convertisseur de fréquence classique, la situation est différente. L'entrée de ce type de convertisseur est redressée par diodes, et l'énergie ne peut circuler dans le sens inverse. La partie de l'énergie électrique mentionnée ci-dessus ne peut être réinjectée dans le réseau et doit être consommée localement par des résistances, d'où la nécessité d'utiliser des unités de freinage consommatrices d'énergie. Dans les deuxième et troisième scénarios, il est indispensable de gérer correctement l'énergie électrique générée par le moteur et de la réinjecter dans le réseau. Sans cela, l'énergie économisée grâce au réglage de la course du groupe de pompage risque de ne pas compenser l'énergie consommée par le système de freinage du convertisseur de fréquence, entraînant une consommation d'énergie lors de la conversion de fréquence, ce qui va à l'encontre de l'objectif d'économie d'énergie. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de modifier le convertisseur de fréquence classique en y intégrant une structure à double modulation de largeur d'impulsion (PWM) afin de garantir la réinjection dans le réseau de l'électricité produite lors de la génération de puissance. Il convient également d'introduire une commande adaptative pour s'adapter aux variations de l'environnement de fonctionnement des groupes de pompage à balancier.