Črpalka z žarkom se pogosto uporablja kot glavna črpalna oprema na različnih naftnih poljih na Kitajskem, kjer se pojavljajo težave, kot so nizka proizvodnja, visoka poraba energije in veliki konji, ki vlečejo majhne avtomobile. V zadnjih letih se je z razvojem tehnologije močnostne elektronike tehnologija frekvenčne pretvorbe zaradi svojih prednosti, kot sta varčevanje z energijo in priročno prilagajanje frekvence, pogosto uporabljala na naftnih poljih. Med delovanjem črpalne enote elektromotor pogosto deluje v generatorskem stanju.
Za rešitev problema povratnega toka energije trenutno obstajata dve glavni rešitvi za črpalne enote na različnih naftnih poljih na Kitajskem:
· Zavorna enota s spremenljivo frekvenco in enota s spremenljivo frekvenčno povratno zanko. Dodajanje zavorne enote in zavornega upora na vodilo neposredno porablja energijo na zavornem uporu, kar ni le škodljivo za varčevanje z energijo, temveč tudi otežuje reševanje težav z odvajanjem toplote in življenjsko dobo zavornega upora;
· Vzporedne povratne enote so priključene na zbiralko, da energijo, ki jo motor ustvari med proizvodnjo energije, vračajo v omrežje, s čimer dosežejo povratni tok med razsmernikom in omrežjem. Vendar to ne reši problema nizkega faktorja moči in visokega harmonskega toka, ko energija teče iz omrežja v razsmernik.
Kot odgovor na zgoraj navedeno situacijo lahko rešitev s štirikvadrantno tehnologijo premaga pomanjkljivosti obeh zgoraj omenjenih rešitev. Tehnologija štirikvadrantne frekvenčne pretvorbe rešuje problem regenerativne obdelave energije črpalnih enot, ko je sistem neuravnotežen, s funkcijo štirikvadrantnega delovanja, hkrati pa izboljšuje učinkovitost varčevanja z energijo, zmanjšuje harmonsko onesnaženje napajanja in izboljšuje faktor moči. Štirikvadrantni frekvenčni pretvornik uporablja tehnologijo usmerjanja IGBT, ki jo krmili PWM, z dvosmernim krmiljenjem usmerjanja in energijske povratne zanke. Pravo štirikvadrantno delovanje lahko odlično reši problem povratnega toka energije v črpalnih enotah.
Uvod v tehnologijo pretvorbe frekvenc s štirimi kvadranti
1. Načelo štirikvadrantnega frekvenčnega pretvornika
Topologija vezja štirikvadrantnega frekvenčnega pretvornika, ki namesto nenadzorovane usmerjevalnice uporablja trifazno usmerjanje s pulzno širinsko modulacijo (PWM), je prikazana na sliki 1. Pretvarja mehansko energijo bremena v električno energijo in jo vrne v omrežje.
Štirikvadrantni frekvenčni pretvornik - energetsko varčna rešitev za črpalne enote za naftna polja
Slika 1 Topološka struktura vezja štirikvadrantnega frekvenčnega pretvornika
2. Prednosti štirikvadrantnega frekvenčnega pretvornika
Z uporabo visokohitrostnega in računalniško močnega krmilnega sistema DSP se generira šest visokofrekvenčnih PWM impulzov za krmiljenje vklopa in izklopa IGBT-ja na strani usmernika. Vklop in izklop IGBT-ja delujeta skupaj z vhodno dušilko, da ustvarita sinusni val toka, ki je v fazi z vhodno napetostjo. To odpravlja harmonike, ki jih povzročata diodna usmerjevalnik in analiza, faktor moči pa je blizu 1, s čimer se odpravi harmonsko onesnaženje električnega omrežja.
Usmerniška stran tehnologije štirikvadrantne frekvenčne pretvorbe uporablja IGBT napajalne module, ki lahko dosežejo dvosmerni pretok energije med vhodnim omrežjem in motorjem. Ko je sistem neuravnotežen, se lahko potencialna energija, ki nastane zaradi neuravnoteženosti, vrne v omrežje, kar močno zmanjša potrebo po uravnoteženju sistema;
Ko je motor v stanju generiranja, se energija, ki jo ustvari motor, preko diode na strani razsmernika vrne v enosmerni vodilo. Začne se krmiljenje povratne zveze na strani usmernika, ki obrne enosmerni tok v izmenični in energijo vrne v omrežje z nadzorom faze in amplitude napetosti razsmernika, s čimer doseže učinke varčevanja z energijo.