Станок-качалка широко используется в качестве основного насосного оборудования на различных нефтяных месторождениях Китая, что связано с такими проблемами, как низкая производительность, высокое энергопотребление и необходимость тянуть небольшие автомобили с помощью больших лошадиных сил. В последние годы, с развитием технологий силовой электроники, технология преобразования частоты получила широкое применение на нефтяных месторождениях благодаря своим преимуществам, таким как энергосбережение и удобство регулировки частоты. Во время работы станка-качалки электродвигатель часто работает в режиме генерации.
Для решения проблемы обратного перетока энергии в настоящее время существуют два основных решения для насосных установок на различных нефтяных месторождениях Китая:
· Частотно-регулируемый тормозной блок и блок обратной связи с переменной частотой. Добавление тормозного блока и тормозного резистора к шине приводит к непосредственному потреблению энергии тормозным резистором, что не только негативно сказывается на энергосбережении, но и затрудняет решение проблем теплоотвода и срока службы тормозного резистора;
·Параллельные блоки обратной связи подключаются к шине для возврата энергии, вырабатываемой двигателем во время выработки электроэнергии, в сеть, обеспечивая обратный поток между инвертором и сетью. Однако это не решает проблему низкого коэффициента мощности и высокого уровня гармоник тока при передаче энергии из сети в инвертор.
В ответ на вышеизложенную ситуацию, четырёхквадрантное решение позволяет преодолеть недостатки двух вышеупомянутых решений. Технология четырёхквадрантного преобразования частоты решает проблему рекуперативной обработки энергии насосных агрегатов при несбалансированной системе, обеспечивая при этом повышение энергоэффективности, снижение гармонических искажений в электросети и повышение коэффициента мощности. В четырёхквадрантном преобразователе частоты используется технология выпрямления на IGBT-транзисторах с ШИМ-управлением, обеспечивающая двунаправленное управление выпрямлением и обратную связь по энергии. Настоящий четырёхквадрантный режим работы позволяет эффективно решить проблему обратного потока энергии в насосных агрегатах.
Введение в технологию четырехквадрантного преобразования частоты
1. Принцип работы четырехквадрантного преобразователя частоты
Топология четырехквадрантной схемы преобразователя частоты, в которой вместо неуправляемого выпрямления используется трехфазное широтно-импульсное модуляционное (ШИМ) выпрямление, показана на рисунке 1. Она способна преобразовывать механическую энергию нагрузки в электрическую и возвращать ее в сеть.
Четырехквадрантный преобразователь частоты — энергосберегающее решение для насосных агрегатов нефтяных месторождений
Рисунок 1. Топологическая структура четырехквадрантной схемы преобразователя частоты
2. Преимущества четырехквадрантного преобразователя частоты
Используя высокоскоростной и высокопроизводительный блок управления выпрямителем (DSP), генерируются шесть высокочастотных ШИМ-импульсов для управления включением и выключением IGBT на стороне выпрямителя. Включение и выключение IGBT работают совместно с входным дросселем, формируя синусоидальный ток, синфазный с входным напряжением. Это устраняет гармоники, генерируемые диодным выпрямлением и анализом, а коэффициент мощности близок к 1, что исключает гармоническое загрязнение электросети.
Выпрямительная часть четырёхквадрантной технологии преобразования частоты использует силовые модули IGBT, которые обеспечивают двунаправленный поток энергии между входной сетью и двигателем. При дисбалансе системы потенциальная энергия, генерируемая дисбалансом, может быть возвращена в сеть, что значительно снижает требования к балансировке системы.
Когда двигатель находится в режиме генерации, вырабатываемая им энергия возвращается в шину постоянного тока через диод на стороне инвертора. Срабатывает система обратной связи на стороне выпрямителя, преобразуя постоянный ток в переменный и возвращая энергию в сеть, контролируя фазу и амплитуду напряжения инвертора, что обеспечивает энергосбережение.