A unidade de bombeio por viga é comumente utilizada como o principal equipamento de bombeio em diversos campos petrolíferos na China, apresentando problemas como baixa produção, alto consumo de energia e grande potência necessária para tracionar pequenos veículos. Nos últimos anos, com o desenvolvimento da tecnologia de eletrônica de potência, a tecnologia de conversão de frequência tem sido amplamente utilizada em campos petrolíferos devido às suas vantagens, como economia de energia e facilidade de ajuste de frequência. Durante a operação da unidade de bombeio, o motor elétrico frequentemente funciona em modo de geração.
Para solucionar o problema do refluxo de energia, existem atualmente duas soluções principais para unidades de bombeamento em diversos campos petrolíferos na China:
• Unidade de frenagem de frequência variável e unidade de realimentação de frequência variável. Adicionar uma unidade de frenagem e um resistor de frenagem diretamente à barra de distribuição consome energia no resistor de frenagem, o que não só é prejudicial à conservação de energia, como também dificulta a solução dos problemas de dissipação de calor e vida útil do resistor de frenagem;
Unidades de realimentação paralela são conectadas à barra de distribuição para realimentar a energia gerada pelo motor durante a geração de energia para a rede, obtendo-se o fluxo reverso entre o inversor e a rede. No entanto, isso não resolve o problema do baixo fator de potência e da alta corrente harmônica quando a energia flui da rede para o inversor.
Em resposta à situação acima, a solução tecnológica de quatro quadrantes pode superar as deficiências das duas soluções mencionadas anteriormente. A tecnologia de conversão de frequência de quatro quadrantes resolve o problema do processamento regenerativo de energia em unidades de bombeamento quando o sistema está desequilibrado, com função de operação em quatro quadrantes, ao mesmo tempo que melhora a eficiência energética, reduz a poluição harmônica da fonte de alimentação e melhora o fator de potência. O conversor de frequência de quatro quadrantes adota a tecnologia de retificação IGBT controlada por PWM, com controle bidirecional de retificação e realimentação de energia. A verdadeira operação em quatro quadrantes pode resolver perfeitamente o problema do refluxo de energia em unidades de bombeamento.
Introdução à tecnologia de conversão de frequência de quatro quadrantes
1. Princípio do Conversor de Frequência de Quatro Quadrantes
A topologia do circuito conversor de frequência de quatro quadrantes, que utiliza retificação por modulação de largura de pulso (PWM) trifásica em vez de retificação não controlada, é mostrada na Figura 1. Ele pode converter a energia mecânica da carga em energia elétrica e devolvê-la à rede.
Conversor de frequência de quatro quadrantes - solução de economia de energia para unidades de bombeamento em campos petrolíferos
Figura 1. Estrutura topológica de um circuito conversor de frequência de quatro quadrantes.
2. Vantagens do Conversor de Frequência de Quatro Quadrantes
Utilizando uma unidade de controle de retificador DSP de alta velocidade e alta capacidade de processamento, seis pulsos PWM de alta frequência são gerados para controlar a ativação e desativação do IGBT no lado do retificador. A ativação e desativação do IGBT atuam em conjunto com o reator de entrada para produzir uma forma de onda de corrente senoidal em fase com a tensão de entrada. Isso elimina os harmônicos gerados pela retificação e análise por diodo, e o fator de potência fica próximo de 1, eliminando assim a poluição harmônica na rede elétrica.
O lado retificador da tecnologia de conversão de frequência de quatro quadrantes adota módulos de potência IGBT, que permitem o fluxo bidirecional de energia entre a rede de entrada e o motor. Quando o sistema está desequilibrado, a energia potencial gerada pelo desequilíbrio pode ser injetada de volta na rede, reduzindo significativamente a necessidade de balanceamento do sistema;
Quando o motor está em estado de geração, a energia gerada é realimentada para o barramento CC através do diodo no lado do inversor. O controle de realimentação do lado do retificador é iniciado, revertendo a CC para CA e realimentando a energia para a rede, controlando a fase e a amplitude da tensão do inversor, obtendo-se assim economia de energia.