回馈制动在抽油机变频器上的应用

回馈制动在抽油机变频器上的应用收藏此信息打印该信息添加：山东新风光电子科技发展有限公司周加胜来源：未知1引言在油田的生产中，抽油机是很普遍、应用很广的设备，游梁式抽油机因其安装、调试方便，成本低，效率高，而普遍为大多数油田应用，在生产中占有较大的比重。但是传统的抽油机采用工频控制、恒速运行。而油田在开采过程中，根据油井含油量的多少，经常要调节冲次。在油井的前期、中期、后期，含油量会有较大的不同，前期含油量丰富，要快抽，以提高产量;而后期含油量减少，要降低转速，采用缓抽。而原来采用工频控制，恒速运行，要调节冲次，只能根据运行情况，更换皮带轮，而使运行速度发生变化，从而改变运行冲程。但这种方式只能是有级调速，不能根据油量的多少随时、任意的平滑的调节转速。而且这种方式每次都需要停井，不仅耽误生产，而且费时、费力，劳动强度大，更换次数也有限。工频运行是全压启动，对电网、泵及机械部分冲击大，功率因数低，耗能严重，对电机保护不利，当出现沙卡、结蜡而负载重时，不能实施有效的保护，电机经常被烧毁。随着科技的发展，变频器在调速、节能方面体现出的优势已为大家所普遍认同。不但实现了软起、软停，而且可根据用户的需要，平滑的改变电机的转速，对抽油机的节能改造来说是很适用的。但是由于抽油机是位能性负载，在平衡块下放(或驴头抬起时)，存在着再生发电状态(即所说的泵升电压)，其发出的电能通过逆变模块的续流二极管整流，倒灌回变频器的母线，严重时将会导致母线电压升高，使主电路器件(滤波电容、igbt模块)过压损坏，因此必须对这部分能量进行处理。原来生产的变频器，都是采用制动单元，用电阻耗能的方式将这部分能量消耗掉。如图1所示：图1能耗制动这也起到了一定的效果。2006年以前的抽油机变频改造都是采用的这种方式。它实现了抽油机的软起、软停，随时、任意、平滑的调节电机的转速，从而调节了冲次，对于抽油机的节能改造起到了一定的作用。得到了油田的一致认可。但是随着技术的发展，处理泵升电压的方式，也在不断地进步。采用回馈制动，实现电机的四象限运行，将泵升电压回送电网，减小变频柜的体积，减少耗能环节，进一步增强节能效果，这是油田对抽油机变频柜的新的要求。因此，从2007年开始，笔者利用在煤矿提升机上的能量回馈单元对该类变频器进行了新的改进。并已有20多台成功运行于现场，实现了再生能量的全反馈，并收到了积极的效果。2工作原理2.1变频器的主电路带回馈单元的变频器主电路如图2所示。图2带回馈单元的变频器主电路变频器仍采用原来的交—直—交工作方式。有整流、滤波、逆变三个环节组成。将回馈单元接于母线上。用单片机实时检测母线电压，并与基准电压相比较。当母线电压高于基准电压的1.1倍时，启动回馈单元，将高出的能量回送到变频器的输入端，即电网上。2.2几个关键的问题(1)同步问题要想使回送的能量能正确无误的反馈到电网上，回送的波形相位与电网的相位同步是至关重要的问题。如不同步，回馈单元就将电网视为一个负载，而产生较大的问题，烧坏整流单元及相关器件，因此保持相位同步是作好该类变频器的关键。笔者分两步控制。一是控制部分。如图3所示。图3控制部分同步信号的处理从电网上接一个取样变压器(也可叫同步变压器)，经取样、放大、滤波后，其输出的正弦波形与单片机触发回馈单元模块的波形保持相位一致。用双踪示波器检测，其波形如图4所示。而p点即为同步点。若不同步，可调节相应的偏置予以实现。图4同步信号波形二是主电路部分。用双踪示波器检测回馈单元输出的波形和电网的波形，可用高压探针或衰减取样方式，找出三相电源与回馈输出的同相波形。二者才能接在同一相上。即如图5所示。图5回馈波形与电网的同步图5中，i为电网的波形，ii为回馈输出的波形，二者在a点同步。若不同步，可调换电源或回馈单元的另一相，直至一致为准。(2)回馈滤波回馈单元输出的是spwm波形，是按正弦规律变化的方波，并不是正弦波形，含有较多的高次谐波和杂波。这种波形施加到电网上，会造成对电网的污染。严重时会损坏同一电网内的相关设备。采用lc滤波的方式。如图6所示。图6回馈波形的滤波使输出尽量接近正弦波形，降低高次谐波和杂波成分，避免对电网的污染。(3)缓冲电路按一般的规则，igbt模块是不宜直接接电源的。这正象变频器的输入、输出不能接反一样。一旦igbt的输出端直接接电网，必将造成igbt模块的损坏。而回馈单元模块，其输出要接电网，如何解决这一问题呢？这里我们加了缓冲电路。即接触器c(参见图6)。当刚上电时，交流接触器不动作，而靠电阻r对电容c充电，其时间常数与变频器对主电路的充电时间常数一致。待母线电压确立后，即变频器的整流滤波电压稳定后，再让交流接触器c吸和。这样母线电压确立后，再接电网，就不会对igbt造成冲击而损坏了。而回馈单元输出端所接的lc滤波，一是滤波，其次也延缓了电网的电流冲击，因电感中的电流是不可突变的。3现场应用笔者分别在大港油田和青海油田分两批投放了二十多台该类变频器。经现场应用，效果良好。大港油田是55kw的抽油机，青海油田是22kw的抽油机，运行都很正常。经实测，该类变频器回馈波形良好，基本接近于正弦波，高次谐波不超过5%，符合国家标准。55kw的回馈电流为5a左右，22kw的在3a左右。回馈时滤波电抗器有轻微的“兹兹”声，是正常的。与能耗制动相比:(1)变频柜的体积缩小。原来耗能电阻占用空间较大，并且要加装风机给其散热。有的井发电量大时，会将耗能电阻烧的通红，时间长了甚至会烧断。而一旦烧断，将后果严重，会危及变频器的安全，使变频器损坏。而采用全回馈的方式，则没有这个限制，发电多少都回馈于电网，不会存在耗能电阻烧断的情况。(2)节电效果更好。据测算，比能耗单元多节电20%。效果显著。4结束语回馈制动在抽油机变频器上的应用，进一步验证了能量回馈单元在位能式负载处理再生发电状态的作用，是电梯、煤矿提升机等负载在这方面的应用拓展。这为我们以后在风能发电、水利发电等行业应用该类技术又提供了一些经验。相信回馈技术必将在其他领域得到更广泛的应用，为科技的发展拓展更宽的领域。