AFE變頻器在游梁式抽油機上的應用

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技術的原理、控制特點及有關技術參數的設置方法;詳細闡述了AFE技術改善變頻器性能,提高抽油機效率,節約電能以及推廣應用的現實意義。
關鍵詞:變頻器;AFE技術;整流;逆變; PWM技術

（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,抽油機桿柱轉而對電動機做功,使電動機處于發電狀態。當抽油機未進行平衡時,上下沖程的負載極度不均勻,將嚴重影響抽油機的結構、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中,電動機有兩個電動狀態和兩個發電狀態,且轉換較快。另外,上下沖程的速度又不同,給控制系統設計帶來一定困難。
隨著變頻技術的發展,變頻器在抽油機上的應用越來越多,但由于普通變頻器整流橋大多采用二極管或晶閘管整流,當電動機處于發電狀態時能量不能直接回饋給電網,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 和開關管VB組成泵升電路,當再生電壓大于直流母線規定的電壓值,VB導通電能全部通過電阻釋放掉。在目前大力提倡節約能源的今天,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時再釋放給電動機做功,這種方法有利于節能,但電容儲存的能量是有限的,因此在大容量負載或負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,見圖1中c部分。這種系統能夠把多余的能量回饋給電網,但成本較高,控制較復雜,且故障率較高,對系統的維護較困難。
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約一部分能量,但效果都很不理想。更多的只是使控制系統功能增強,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）的迅速發展及變頻技術日趨成熟,將PWM技術引入整流器的控制中,實現了網側電流的正弦化,功率因數可以任意調整,能量可以雙向傳輸（可實現四象限運行） ,因而真正實現了“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技術變頻器,實現電動機四象限運行。經過一年多的運行實踐,效果良好。
1　AFE變頻調速系統主電路結構簡介
變頻調速系統主電路結構如圖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所示的主電路結構來看,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。由控制板對三相全控橋實行PWM控制,可實現能量在電源側和直流側的雙向傳輸,同時系統可將電源側的功率因數調整到任何希望的數值,且電源測的電流為近似完美的正弦波。內置的P ID控制器動態調整輸入電流,使直流母線電壓穩定在設定值上,不受電網電壓波動的影響。
　　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實行PWM控制,可實現能量在電機側和直流側的雙向傳輸。由于采用了矢量控制技術,使交流異步電動機的調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阻值相等的均壓電阻來均壓。
該結構的主要特點:
（1）采用AFE自換向技術,主電路結構大大簡化,節省一組反饋電能的逆變橋,可實現四象限運行。
（2）網側變頻器采用單獨的CPU 實行PID 控制,對網側交流電流的大小和相位進行實時監測和控制,可使網側功率因數為任意值。
（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,整流器與逆變器結構相同,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構緊湊、體積小,節省了安裝面積。
2　控制系統的實現
　　要實現PWM整流器四象限運行及功率因數控制,關鍵在于網側電流的控制。一方面可以通過控制PWM整流器交流側電壓,間接控制其網側電流;另一方面,也可通過網測電流的閉環控制來實現。
根據上述原理,經過三相靜止坐標（ a, b, c）到兩相同步旋轉坐標系（ d, q）的轉換,在同步旋轉坐標系（ d, q）中,設計出了三相VSR固定開關頻率PWM電流控制原理框圖,如圖3所示。從框圖的結構看為雙閉環控制系統,電流環作為內環,電壓環為外環。電壓環的給定量為整流器的輸出直流電壓參考值,電流環分為有功電流環和無功電流環,電壓調節器的輸出作為有功電流指令i3的給定量,無功電流環的給定是用戶根據系統所需無功電流指令i3d 的數值來設定。除此之外還采用了前饋控制, 主要目的是消除電網電動勢的擾動。根據需要, 兩個環都采用P ID調節器,且參數由用戶來設定。

3　AFE整流器相關參數的設置　　
根據變頻器應用場合的不同及被控對象的容量、電壓、電流等參數的變化, 需要對控制系統的P ID參數進行設置,使系統達到最佳的控制效果。
由于系統需要設置的參數較多,下面介紹幾個主要參數的設置方法。
該系統提供了一個樹狀結構式菜單,便于用戶根據需要進行設置。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,用戶可以對系統參數進行設定,具體參數如下:
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參數設置）
C05 BUS PB% （直流母線電壓P ID的比例系數）
默認值: 15% ,范圍: 10%～1 000%
C06 BUS Ti sec / r （直流母線電壓P ID的積分系數）
默認值: 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）
默認值: 2. 00,范圍: 0～4. 00
C08 Reactive PID （無功電流P ID算法參數設置）
C09 React PB% （無功電流P ID算法的比例系數）
默認值: 300% ,范圍: 10%～1 000%
C10 React Ti sec / r （無功電流P ID的積分系數）
默認值: 2. 00,范圍: 0～20. 0
C11 React Td sec / r （無功電流PID的微分系數）
默認值: 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） ,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） ,則無功電流為零。

4　應用效果
　　系統通過一年的運行沒有發生任何故障;經測試,變頻器網側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%;網側的功率因數為1。由于在抽油過程中,整流和逆變轉換頻繁,將大量機械能轉化為電能回饋電網,經測算,節約電能大約為30%。因此, AFE技術變頻器必將在油田抽油機的變頻改造中得到廣泛應用。
參考文獻:
[ 1 ] 　張崇巍,張　興. PWM整流器及其控制[M ]. 北京:機械工業出版社, 2003.
[ 2 ] 　陳國呈. 新型電力電子變換技術[M ]. 北京:中國電力出版社, 2004.
[ 3 ] 　吳守箴,臧英杰. 電氣傳動的脈寬調制技術[M ]. 北京:機械工業出版社, 2004.
[ 4 ] 　吳忠智,吳加林. 變頻器應用手冊[M ]. 北京:機械工業出版社, 2004.
[ 5 ] 　任致程. 電動機變頻器實用手冊[M ]. 北京:中國電力出版社, 2004.
[ 6 ] 　陳伯時,陳敏遜. 交流調速系統[M ]. 北京:機械工業出版社, 2008.
[ 7 ] 　李方圓. 變頻器行業應用實踐[M ]. 北京:中國電力出版社, 2006.