AFE變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用

摘要:針對目前抽油機變頻改造存在的問題,該文從理論上分析了AFE技術(shù)的原理、控制特點及有關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)置方法;詳細(xì)闡述了AFE技術(shù)改善變頻器性能,提高抽油機效率,節(jié)約電能以及推廣應(yīng)用的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞:變頻器;AFE技術(shù);整流;逆變; PWM技術(shù)

（Vocational & Technical College under Liaoning University of Petrochemical Technology, Liaoning Fushun 113001, China）
Abstract: According to the problems existing in the reformation of frequency converters for use with
an oil pumping set, the papermakers a theoretic analysis of the AFE technology, control characteristics and the method to set technical parameters. The AFE can imp rove the performance of a frequency converter, increase the efficiency of an oil pumping set and save energy. The significance of its application is also described.
Key words: frequency converter; AFE technology ;UR ;UV; PWM technology
0　引言
目前,許多油井的抽油機都是采用游梁式的抽油機。游梁式抽油機工作時,驢頭懸點上作用的負(fù)載是變化的。即在上沖程時,驢頭懸點需要提起抽油桿柱和液柱,電動機需要付出很大的能量;在下沖程時,抽油機桿柱轉(zhuǎn)而對電動機做功,使電動機處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)抽油機未進行平衡時,上下沖程的負(fù)載極度不均勻,將嚴(yán)重影響抽油機的結(jié)構(gòu)、減速器和電動機的效率和壽命。為此在抽油機的游梁尾部或曲柄上加有平衡重,減少電動機在上沖程時所需給出的能量,這樣在抽油機的一個工作循環(huán)中,電動機有兩個電動狀態(tài)和兩個發(fā)電狀態(tài),且轉(zhuǎn)換較快。另外,上下沖程的速度又不同,給控制系統(tǒng)設(shè)計帶來一定困難。
隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,變頻器在抽油機上的應(yīng)用越來越多,但由于普通變頻器整流橋大多采用二極管或晶閘管整流,當(dāng)電動機處于發(fā)電狀態(tài)時能量不能直接回饋給電網(wǎng),目前主要采取以下幾種措施:

（1）采用能耗電阻把再生能量釋放掉,見圖1中a部分。即采用分流電阻器RF 和開關(guān)管VB組成泵升電路,當(dāng)再生電壓大于直流母線規(guī)定的電壓值,VB導(dǎo)通電能全部通過電阻釋放掉。在目前大力提倡節(jié)約能源的今天,此種方法是非常不可取的。
（2）增大直流母線濾波電容的容量,見圖1中b部分。將再生能量儲存起來,等電動機工作在電動狀態(tài)時再釋放給電動機做功,這種方法有利于節(jié)能,但電容儲存的能量是有限的,因此在大容量負(fù)載或負(fù)載慣性較大時此種方法有些不妥。
（3）另加一組逆變橋把多余的能量回饋電網(wǎng),見圖1中c部分。這種系統(tǒng)能夠把多余的能量回饋給電網(wǎng),但成本較高,控制較復(fù)雜,且故障率較高,對系統(tǒng)的維護較困難。
從以上3種方法來看,都沒有很好地解決能量回收問題,雖然采用變頻器能夠節(jié)約一部分能量,但效果都很不理想。更多的只是使控制系統(tǒng)功能增強,工作方式更加靈活,保護更加完善。
近幾年,隨著新一代電力元件（ IGBT模塊）的迅速發(fā)展及變頻技術(shù)日趨成熟,將PWM技術(shù)引入整流器的控制中,實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的正弦化,功率因數(shù)可以任意調(diào)整,能量可以雙向傳輸（可實現(xiàn)四象限運行） ,因而真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”。
2006年,對遼河油田的部分油井進行變頻改造,采用國際先進的AFE技術(shù)變頻器,實現(xiàn)電動機四象限運行。經(jīng)過一年多的運行實踐,效果良好。
1　AFE變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)簡介
變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由輸入電抗器、電容濾波器、可控整流器、逆變器等組成。

從圖1所示的主電路結(jié)構(gòu)來看,由于整流橋在變頻器的前端,又豐富了很多控制功能,同時具備了很多有源的控制特點（例如功率的控制） ,故稱為有源前端AFE （ active front end） 。
輸入電抗器作為儲能元件,使電感上的電壓與電源上的電壓的向量和高于電源電壓,從而可以提高變頻器直流母線上的電壓值,為能量回饋制動做好準(zhǔn)備;同時抑制由電源回路流入的浪涌電壓和電流以及衰減由變頻器產(chǎn)生的諧波電流。
可控整流器是由3組SKiiP模塊組成的三相全控橋,采用AFE自換向技術(shù)。由控制板對三相全控橋?qū)嵭蠵WM控制,可實現(xiàn)能量在電源側(cè)和直流側(cè)的雙向傳輸,同時系統(tǒng)可將電源側(cè)的功率因數(shù)調(diào)整到任何希望的數(shù)值,且電源測的電流為近似完美的正弦波。內(nèi)置的P ID控制器動態(tài)調(diào)整輸入電流,使直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上,不受電網(wǎng)電壓波動的影響。
　　逆變器也是由三組SKiiP模塊組成的三相全控橋,由控制板對三相全控橋?qū)嵭蠵WM控制,可實現(xiàn)能量在電機側(cè)和直流側(cè)的雙向傳輸。由于采用了矢量控制技術(shù),使交流異步電動機的調(diào)速性能與直流電動機幾乎相同。
電容濾波器主要作為直流回路濾波和儲能作用,能為電機提供所需的無功功率。由于電解電容的電容量有較大的離散性,使它們承受的電壓不相等,通過在每個電容器上并聯(lián)阻值相等的均壓電阻來均壓。
該結(jié)構(gòu)的主要特點:
（1）采用AFE自換向技術(shù),主電路結(jié)構(gòu)大大簡化,節(jié)省一組反饋電能的逆變橋,可實現(xiàn)四象限運行。
（2）網(wǎng)側(cè)變頻器采用單獨的CPU 實行PID 控制,對網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進行實時監(jiān)測和控制,可使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為任意值。
（3）整流器采用PWM控制,使輸入電流波形為正弦波,大大減少了對電網(wǎng)的諧波污染,總諧波電流含量小于0. 5%。
（4）變頻器采用交- 直- 交電壓型主電路,整流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同,功率器件采用SKiiP模塊,散熱器采用高效的熱管散熱器,因而使整個變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,節(jié)省了安裝面積。
2　控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　要實現(xiàn)PWM整流器四象限運行及功率因數(shù)控制,關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制。一方面可以通過控制PWM整流器交流側(cè)電壓,間接控制其網(wǎng)側(cè)電流;另一方面,也可通過網(wǎng)測電流的閉環(huán)控制來實現(xiàn)。
根據(jù)上述原理,經(jīng)過三相靜止坐標(biāo)（ a, b, c）到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ d, q）的轉(zhuǎn)換,在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ d, q）中,設(shè)計出了三相VSR固定開關(guān)頻率PWM電流控制原理框圖,如圖3所示。從框圖的結(jié)構(gòu)看為雙閉環(huán)控制系統(tǒng),電流環(huán)作為內(nèi)環(huán),電壓環(huán)為外環(huán)。電壓環(huán)的給定量為整流器的輸出直流電壓參考值,電流環(huán)分為有功電流環(huán)和無功電流環(huán),電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流指令i3的給定量,無功電流環(huán)的給定是用戶根據(jù)系統(tǒng)所需無功電流指令i3d 的數(shù)值來設(shè)定。除此之外還采用了前饋控制, 主要目的是消除電網(wǎng)電動勢的擾動。根據(jù)需要, 兩個環(huán)都采用P ID調(diào)節(jié)器,且參數(shù)由用戶來設(shè)定。

3　AFE整流器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置　　
根據(jù)變頻器應(yīng)用場合的不同及被控對象的容量、電壓、電流等參數(shù)的變化, 需要對控制系統(tǒng)的P ID參數(shù)進行設(shè)置,使系統(tǒng)達到最佳的控制效果。
由于系統(tǒng)需要設(shè)置的參數(shù)較多,下面介紹幾個主要參數(shù)的設(shè)置方法。
該系統(tǒng)提供了一個樹狀結(jié)構(gòu)式菜單,便于用戶根據(jù)需要進行設(shè)置。操作面板由5個按鍵和1個顯示器組成（圖略） 。在菜單模式下,用戶可以對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)定,具體參數(shù)如下:
C01 CARR IER FREQ （載波頻率）
C02 4 kHz, C03 8 kHz（只有兩個值）
C04 BUS P ID （直流母線電壓P ID參數(shù)設(shè)置）
C05 BUS PB% （直流母線電壓P ID的比例系數(shù)）
默認(rèn)值: 15% ,范圍: 10%～1 000%
C06 BUS Ti sec / r （直流母線電壓P ID的積分系數(shù)）
默認(rèn)值: 0. 10,范圍: 0～2. 00
C07 BUS Td sec / r （直流母線電壓P ID的微分系數(shù)）
默認(rèn)值: 2. 00,范圍: 0～4. 00
C08 Reactive PID （無功電流P ID算法參數(shù)設(shè)置）
C09 React PB% （無功電流P ID算法的比例系數(shù)）
默認(rèn)值: 300% ,范圍: 10%～1 000%
C10 React Ti sec / r （無功電流P ID的積分系數(shù)）
默認(rèn)值: 2. 00,范圍: 0～20. 0
C11 React Td sec / r （無功電流PID的微分系數(shù)）
默認(rèn)值: 0. 00,范圍: 0～4. 00
F01 BUS LEVEL （直流母線電壓參考源）
有9個可選項（R01～R09）供用戶選擇
例如:若選擇R01 （默認(rèn)） ,則直流母線電壓為1 130
V （電源電壓為660 V） 。
F02 REACTIVE CUR （無功電流參考源）
有8個可選項（R10～R17）供用戶選擇
例如:若選擇R15 ZERO （默認(rèn)） ,則無功電流為零。

4　應(yīng)用效果
　　系統(tǒng)通過一年的運行沒有發(fā)生任何故障;經(jīng)測試,變頻器網(wǎng)側(cè)電流的波形非常平滑,幾乎完整的正弦波;電壓略有升高,只超出電源電壓的2. 3%;網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)為1。由于在抽油過程中,整流和逆變轉(zhuǎn)換頻繁,將大量機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng),經(jīng)測算,節(jié)約電能大約為30%。因此, AFE技術(shù)變頻器必將在油田抽油機的變頻改造中得到廣泛應(yīng)用。
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