تُستخدم وحدة ضخ الشعاع بشكل شائع كجهاز ضخ رئيسي في حقول النفط المختلفة في الصين، والتي تعاني من مشاكل مثل انخفاض الإنتاج، وارتفاع استهلاك الطاقة، وجر الخيول الكبيرة للسيارات الصغيرة. في السنوات الأخيرة، ومع تطور تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، استُخدمت تقنية تحويل التردد على نطاق واسع في حقول النفط لما تتميز به من مزايا مثل توفير الطاقة وسهولة ضبط التردد. أثناء تشغيل وحدة الضخ، غالبًا ما يعمل المحرك الكهربائي في حالة توليد.
من أجل حل مشكلة ارتداد الطاقة، هناك حاليًا حلين رئيسيين لوحدات الضخ في حقول النفط المختلفة في الصين:
وحدة كبح متغيرة التردد ووحدة تغذية مرتدة متغيرة التردد. إضافة وحدة كبح ومقاوم كبح إلى قضيب التوصيل يستهلك طاقةً مباشرة على مقاوم الكبح، مما يؤثر سلبًا على توفير الطاقة، ويصعّب أيضًا حل مشاكل تبديد الحرارة وعمر مقاوم الكبح.
تُوصل وحدات التغذية المرتدة المتوازية بقضيب التوصيل لإعادة الطاقة المُولّدة من المحرك أثناء توليد الطاقة إلى الشبكة، مما يُحقق تدفقًا عكسيًا بين العاكس والشبكة. إلا أن هذا لا يُحلّ مشكلة انخفاض معامل القدرة وارتفاع التيار التوافقي عند تدفق الطاقة من الشبكة إلى العاكس.
استجابةً للوضع المذكور أعلاه، يُمكن لحل تقنية الأرباع الأربعة التغلب على عيوب الحلين المذكورين أعلاه. تُعالج تقنية تحويل التردد رباعية الأرباع مشكلة معالجة الطاقة المتجددة لوحدات الضخ عند عدم توازن النظام، من خلال وظيفة التشغيل رباعية الأرباع، مع تحسين كفاءة توفير الطاقة، وتقليل التلوث التوافقي لمصدر الطاقة، وتحسين معامل القدرة. يعتمد محول التردد رباعي الأرباع على تقنية تصحيح IGBT التي يتم التحكم بها بواسطة تعديل عرض النبضة (PWM)، مع تحكم ثنائي الاتجاه في التصحيح وردود الفعل للطاقة. يُمكن للتشغيل رباعي الأرباع الحقيقي حل مشكلة ارتداد الطاقة في وحدات الضخ بشكل مثالي.
مقدمة لتكنولوجيا تحويل التردد الرباعي
1. مبدأ محول التردد الرباعي
يظهر في الشكل 1 طوبولوجيا دائرة محول التردد رباعي الأرباع، والتي تستخدم تصحيح تعديل عرض النبضة ثلاثي الطور (PWM) بدلاً من التصحيح غير المنضبط. ويمكنها تحويل الطاقة الميكانيكية للحمل إلى طاقة كهربائية وإعادتها إلى الشبكة.
محول تردد رباعي الأرباع - حل موفر للطاقة لوحدات ضخ حقول النفط
الشكل 1 بنية طوبولوجيا دائرة محول التردد الرباعي
2. مزايا محول التردد الرباعي
باستخدام وحدة تحكم DSP عالية السرعة وقدرة حسابية عالية لمقوم التيار، يتم توليد ست نبضات PWM عالية التردد للتحكم في تشغيل وإيقاف IGBT على جانب المقوم. يعمل تشغيل وإيقاف IGBT مع مفاعل الإدخال لإنتاج شكل موجة تيار جيبي متوافق مع جهد الإدخال. هذا يُلغي التوافقيات الناتجة عن تصحيح وتحليل الثنائيات، ويصبح معامل القدرة قريبًا من 1، مما يُقلل من تلوث الشبكة الكهربائية بالتوافقيات.
يعتمد جانب المقوم في تقنية تحويل التردد رباعية الأرباع على وحدات طاقة IGBT، مما يحقق تدفقًا ثنائي الاتجاه للطاقة بين شبكة الإدخال والمحرك. في حالة اختلال توازن النظام، تُعاد الطاقة الكامنة الناتجة عن هذا الاختلال إلى الشبكة، مما يُقلل بشكل كبير من متطلبات توازن النظام.
عندما يكون المحرك في حالة توليد، تُعاد الطاقة المُولّدة منه إلى ناقل التيار المستمر عبر الصمام الثنائي على جانب العاكس. يبدأ التحكم في التغذية الراجعة من جانب المُقوّم، مما يُحوّل التيار المستمر إلى تيار متردد، ويُعيد الطاقة إلى الشبكة من خلال التحكم في طور وسعّة جهد العاكس، مما يُحقق توفيرًا للطاقة.