Le groupe de pompage à balancier est couramment utilisé comme équipement de pompage principal dans divers champs pétroliers en Chine. Il présente toutefois des inconvénients tels qu'une faible production, une forte consommation d'énergie et la nécessité d'utiliser des moteurs puissants pour actionner des engins de petite taille. Ces dernières années, grâce au développement de l'électronique de puissance, la technologie de conversion de fréquence s'est largement répandue dans les champs pétroliers en raison de ses avantages, notamment les économies d'énergie et la facilité de réglage de la fréquence. Lors du fonctionnement du groupe de pompage, le moteur électrique fonctionne généralement en mode générateur.
Afin de résoudre le problème du reflux d'énergie, il existe actuellement deux solutions principales pour les unités de pompage dans divers champs pétroliers en Chine :
• Unité de freinage à fréquence variable et unité de rétroaction à fréquence variable. L'ajout d'une unité de freinage et d'une résistance de freinage directement sur la barre omnibus consomme de l'énergie sur la résistance de freinage, ce qui est non seulement préjudiciable à la conservation de l'énergie, mais rend également difficile la résolution des problèmes de dissipation de chaleur et de durée de vie de la résistance de freinage ;
Des unités de rétroaction parallèles sont connectées à la barre omnibus pour réinjecter au réseau l'énergie produite par le moteur lors de la production d'électricité, réalisant ainsi un flux inverse entre l'onduleur et le réseau. Cependant, cela ne résout pas le problème du faible facteur de puissance et du courant harmonique élevé lorsque l'énergie circule du réseau vers l'onduleur.
Face à cette situation, la solution technologique à quatre quadrants permet de pallier les insuffisances des deux solutions précédentes. La technologie de conversion de fréquence à quatre quadrants résout le problème du traitement de l'énergie régénérative des groupes de pompage en cas de déséquilibre du système, grâce à un fonctionnement à quatre quadrants. Elle améliore ainsi l'efficacité énergétique, réduit la pollution harmonique de l'alimentation et optimise le facteur de puissance. Le convertisseur de fréquence à quatre quadrants utilise une technologie de redressement IGBT commandée par modulation de largeur d'impulsion (PWM), avec un contrôle bidirectionnel du redressement et une rétroaction d'énergie. Un véritable fonctionnement à quatre quadrants permet de résoudre efficacement le problème du reflux d'énergie dans les groupes de pompage.
Introduction à la technologie de conversion de fréquence à quatre quadrants
1. Principe du convertisseur de fréquence à quatre quadrants
La topologie du circuit convertisseur de fréquence à quatre quadrants, qui utilise une rectification par modulation de largeur d'impulsion triphasée (PWM) au lieu d'une rectification non contrôlée, est illustrée sur la figure 1. Il peut convertir l'énergie mécanique de la charge en énergie électrique et la renvoyer au réseau.
Convertisseur de fréquence à quatre quadrants - solution d'économie d'énergie pour les groupes de pompage pétroliers
Figure 1 Structure topologique d'un circuit convertisseur de fréquence à quatre quadrants
2. Avantages du convertisseur de fréquence à quatre quadrants
Grâce à un processeur de signal numérique (DSP) de commande de redresseur haute vitesse et haute puissance de calcul, six impulsions PWM haute fréquence sont générées pour commander l'activation et la désactivation de l'IGBT côté redresseur. L'activation et la désactivation de l'IGBT, combinées à la réactance d'entrée, produisent un courant sinusoïdal en phase avec la tension d'entrée. Ceci élimine les harmoniques générées par le redressement et l'analyse par diodes, et le facteur de puissance est proche de 1, réduisant ainsi la pollution harmonique du réseau électrique.
La partie redresseur de la technologie de conversion de fréquence à quatre quadrants utilise des modules de puissance IGBT, permettant un flux d'énergie bidirectionnel entre le réseau d'entrée et le moteur. En cas de déséquilibre du système, l'énergie potentielle générée par ce déséquilibre peut être réinjectée dans le réseau, réduisant considérablement les exigences d'équilibrage du système.
Lorsque le moteur fonctionne en mode générateur, l'énergie produite est réinjectée dans le réseau CC via la diode côté onduleur. Le redresseur active alors une boucle de rétroaction, convertissant le courant continu en courant alternatif et réinjectant l'énergie dans le réseau en contrôlant la phase et l'amplitude de la tension de l'onduleur, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie.