中国では、ビームポンプユニットが様々な油田の主要ポンプ設備として広く使用されていますが、生産量が少なく、エネルギー消費量が多く、大型馬が小型車を牽引するなどの問題を抱えています。近年、パワーエレクトロニクス技術の発展に伴い、周波数変換技術は省エネや周波数調整の利便性などの利点から、油田で広く利用されています。ポンプユニットの運転中、電動モーターは発電状態で運転されることが多いです。
エネルギーの逆流の問題を解決するために、現在、中国のさまざまな油田のポンプユニットには主に 2 つのソリューションがあります。
・可変周波数ブレーキユニットと可変周波数フィードバックユニット。バスバーにブレーキユニットと制動抵抗器を追加すると、制動抵抗器で直接エネルギーが消費されるため、省エネに悪影響を与えるだけでなく、制動抵抗器の放熱や寿命の問題も解決しにくくなります。
・並列フィードバックユニットをバスバーに接続することで、発電時にモータが生成したエネルギーを系統にフィードバックし、インバータと系統間の逆潮流を実現します。しかし、系統からインバータへエネルギーが流れる際に発生する力率の低下と高調波電流の増加という問題は解決されません。
上記の状況に対し、四象限技術ソリューションは、前述の2つのソリューションの欠点を克服できます。四象限周波数変換技術は、四象限動作機能により、システムの不均衡時におけるポンプユニットの回生エネルギー処理の問題を解決し、省エネ効率の向上、電源の高調波汚染の低減、力率の改善を実現します。四象限周波数コンバータは、PWM制御のIGBT整流技術を採用し、整流とエネルギーフィードバックの双方向制御を実現します。真の四象限動作により、ポンプユニットにおけるエネルギー逆流の問題を完全に解決できます。
4象限周波数変換技術の紹介
1、4象限周波数変換器の原理
図 1 に、無制御整流の代わりに 3 相パルス幅変調 (PWM) 整流を使用する 4 象限周波数コンバータ回路のトポロジを示します。この回路は、負荷の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、それをグリッドに戻すことができます。
4象限周波数変換器 - 油田ポンプユニット向け省エネソリューション
図1 4象限周波数変換回路のトポロジ構造
2、4象限周波数変換器の利点
高速・高演算能力の整流器制御ユニットDSPを用いて、6つの高周波PWMパルスを生成し、整流器側のIGBTのオン・オフを制御します。IGBTのオン・オフ制御は入力リアクトルと連動し、入力電圧と同位相の正弦波電流波形を生成します。これにより、ダイオード整流・解析によって発生する高調波が除去され、力率は1に近くなり、電力網への高調波汚染を排除します。
四象限周波数変換技術の整流器側にはIGBTパワーモジュールを採用し、入力系統とモーター間の双方向のエネルギーフローを実現します。システムに不均衡が生じた場合、不均衡によって発生する位置エネルギーを系統にフィードバックすることで、システムバランスの要件を大幅に軽減します。
モータが発電状態にある場合、モータで発電されたエネルギーはインバータ側のダイオードを介してDCバスにフィードバックされます。整流器側のフィードバック制御が開始され、DCをACに変換し、インバータ電圧の位相と振幅を制御することでエネルギーを系統にフィードバックすることで、省エネ効果を実現します。