AFE变频器在游梁式抽油机上的应用

发布时间：2009-09-20 来源:www.cechina.cn

        0　引言
        目前,许多油井的抽油机都是采用游梁式的抽油机。游梁式抽油机工作时,驴头悬点上作用的负载是变化的。即在上冲程时,驴头悬点需要提起抽油杆柱和液柱,电动机需要付出很大的能量;在下冲程时,抽油机杆柱转而对电动机做功,使电动机处于发电状态。当抽油机未进行平衡时,上下冲程的负载极度不均匀,将严重影响抽油机的结构、减速器和电动机的效率和寿命。为此在抽油机的游梁尾部或曲柄上加有平衡重,减少电动机在上冲程时所需给出的能量,这样在抽油机的一个工作循环中,电动机有两个电动状态和两个发电状态,且转换较快。另外,上下冲程的速度又不同,给控制系统设计带来一定困难。
        随着变频技术的发展,变频器在抽油机上的应用越来越多,但由于普通变频器整流桥大多采用二极管或晶闸管整流,当电动机处于发电状态时能量不能直接回馈给电网,目前主要采取以下几种措施:
        （1）采用能耗电阻把再生能量释放掉,见图1中a部分。即采用分流电阻器RF 和开关管VB组成泵升电路,当再生电压大于直流母线规定的电压值,VB导通电能全部通过电阻释放掉。在目前大力提倡节约能源的今天,此种方法是非常不可取的。
        （2）增大直流母线滤波电容的容量,见图1中b部分。将再生能量储存起来,等电动机工作在电动状态时再释放给电动机做功,这种方法有利于节能,但电容储存的能量是有限的,因此在大容量负载或负载惯性较大时此种方法有些不妥。
        （3）另加一组逆变桥把多余的能量回馈电网,见图1中c部分。这种系统能够把多余的能量回馈给电网,但成本较高,控制较复杂,且故障率较高,对系统的维护较困难。

        从以上3种方法来看,都没有很好地解决能量回收问题,虽然采用变频器能够节约一部分能量,但效果都很不理想。更多的只是使控制系统功能增强,工作方式更加灵活,保护更加完善。
        近几年,随着新一代电力元件（ IGBT模块）的迅速发展及变频技术日趋成熟,将PWM技术引入整流器的控制中,实现了网侧电流的正弦化,功率因数可以任意调整,能量可以双向传输（可实现四象限运行） ,因而真正实现了“绿色电能变换”。
        2006年,对辽河油田的部分油井进行变频改造,采用国际先进的AFE技术变频器,实现电动机四象限运行。经过一年多的运行实践,效果良好。
        1　AFE变频调速系统主电路结构简介
        变频调速系统主电路结构如图2所示,主要由输入电抗器、电容滤波器、可控整流器、逆变器等组成。

        从图1所示的主电路结构来看,由于整流桥在变频器的前端,又丰富了很多控制功能,同时具备了很多有源的控制特点（例如功率的控制） ,故称为有源前端AFE （ active front end） 。
        输入电抗器作为储能元件,使电感上的电压与电源上的电压的向量和高于电源电压,从而可以提高变频器直流母线上的电压值,为能量回馈制动做好准备;同时抑制由电源回路流入的浪涌电压和电流以及衰减由变频器产生的谐波电流。
        可控整流器是由3组SKiiP模块组成的三相全控桥,采用AFE自换向技术。由控制板对三相全控桥实行PWM控制,可实现能量在电源侧和直流侧的双向传输,同时系统可将电源侧的功率因数调整到任何希望的数值,且电源测的电流为近似完美的正弦波。内置的P ID控制器动态调整输入电流,使直流母线电压稳定在设定值上,不受电网电压波动的影响。
        逆变器也是由三组SKiiP模块组成的三相全控桥,由控制板对三相全控桥实行PWM控制,可实现能量在电机侧和直流侧的双向传输。由于采用了矢量控制技术,使交流异步电动机的调速性能与直流电动机几乎相同。
        电容滤波器主要作为直流回路滤波和储能作用,能为电机提供所需的无功功率。由于电解电容的电容量有较大的离散性,使它们承受的电压不相等,通过在每个电容器上并联阻值相等的均压电阻来均压。
        该结构的主要特点:
        （1）采用AFE自换向技术,主电路结构大大简化,节省一组反馈电能的逆变桥,可实现四象限运行。
        （2）网侧变频器采用单独的CPU 实行PID 控制,对网侧交流电流的大小和相位进行实时监测和控制,可使网侧功率因数为任意值。
        （3）整流器采用PWM控制,使输入电流波形为正弦波,大大减少了对电网的谐波污染,总谐波电流含量小于0. 5%。
        （4）变频器采用交- 直- 交电压型主电路,整流器与逆变器结构相同,功率器件采用SKiiP模块,散热器采用高效的热管散热器,因而使整个变频器结构紧凑、体积小,节省了安装面积。
        2　控制系统的实现
        要实现PWM整流器四象限运行及功率因数控制,关键在于网侧电流的控制。一方面可以通过控制PWM整流器交流侧电压,间接控制其网侧电流;另一方面,也可通过网测电流的闭环控制来实现。

        根据上述原理,经过三相静止坐标（ a, b, c）到两相同步旋转坐标系（ d, q）的转换,在同步旋转坐标系（ d, q）中,设计出了三相VSR固定开关频率PWM电流控制原理框图,如图3所示。从框图的结构看为双闭环控制系统,电流环作为内环,电压环为外环。电压环的给定量为整流器的输出直流电压参考值,电流环分为有功电流环和无功电流环,电压调节器的输出作为有功电流指令i3的给定量,无功电流环的给定是用户根据系统所需无功电流指令i3d 的数值来设定。除此之外还采用了前馈控制, 主要目的是消除电网电动势的扰动。根据需要, 两个环都采用P ID调节器,且参数由用户来设定。
        3　AFE整流器相关参数的设置　　
        根据变频器应用场合的不同及被控对象的容量、电压、电流等参数的变化, 需要对控制系统的P ID参数进行设置,使系统达到最佳的控制效果。
        由于系统需要设置的参数较多,下面介绍几个主要参数的设置方法。
        该系统提供了一个树状结构式菜单,便于用户根据需要进行设置。操作面板由5个按键和1个显示器组成（图略） 。在菜单模式下,用户可以对系统参数进行设定,具体参数如下:
        C01 CARR IER FREQ （载波频率）
        C02 4 kHz, C03 8 kHz（只有两个值）
        C04 BUS P ID （直流母线电压P ID参数设置）
        C05 BUS PB% （直流母线电压P ID的比例系数）
        默认值: 15% ,范围: 10%～1 000%
        C06 BUS Ti sec / r （直流母线电压P ID的积分系数）
        默认值: 0. 10,范围: 0～2. 00
        C07 BUS Td sec / r （直流母线电压P ID的微分系数）
        默认值: 2. 00,范围: 0～4. 00
        C08 Reactive PID （无功电流P ID算法参数设置）
        C09 React PB% （无功电流P ID算法的比例系数）
        默认值: 300% ,范围: 10%～1 000%
        C10 React Ti sec / r （无功电流P ID的积分系数）
        默认值: 2. 00,范围: 0～20. 0
        C11 React Td sec / r （无功电流PID的微分系数）
        默认值: 0. 00,范围: 0～4. 00
        F01 BUS LEVEL （直流母线电压参考源）
        有9个可选项（R01～R09）供用户选择
        例如:若选择R01 （默认） ,则直流母线电压为1 130
        V （电源电压为660 V） 。
        F02 REACTIVE CUR （无功电流参考源）
        有8个可选项（R10～R17）供用户选择
        例如:若选择R15 ZERO （默认） ,则无功电流为零。
        4　应用效果
        系统通过一年的运行没有发生任何故障;经测试,变频器网侧电流的波形非常平滑,几乎完整的正弦波;电压略有升高,只超出电源电压的2. 3%;网侧的功率因数为1。由于在抽油过程中,整流和逆变转换频繁,将大量机械能转化为电能回馈电网,经测算,节约电能大约为30%。因此, AFE技术变频器必将在油田抽油机的变频改造中得到广泛应用。
        参考文献:
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