[發明專利]一種抽油機變頻器的制動電壓控制方法

在審

• 申請號: 201911354894.3
• 申請日: 2019-12-25
• 公開（公告）號: CN110855216A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 趙峰;滕奇剛;黃韋;楊嘉琦;徐鋮;王宇航;劉學軍;劉忠文;代宇航;徐慧瑤;徐傳鵬;蔡曉冬
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所;吉林石油集團有限責任公司通信公司
• 主分類號: H02P29/024
• 分類號: H02P29/024;H02P29/032;H02P27/06;H02P21/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

一種抽油機變頻器的制動電壓控制方法，當采樣得到的直流母線電壓大于控制器設定的直流母線限值時，調節控制器最小輸出轉矩限幅值，盡量減小回饋制動能量，使電機工作在第Ⅰ象限，將該部分能量轉化為機械系統的機械能，增加的機械能使得電機轉速上升；采樣的電機轉速大于控制器給定的電機最大允許轉速，恢復控制器最小輸出轉矩限幅值，電機轉速下降，直流母線電壓升高，變頻器工作在電機限速和變頻器直流母線限壓的平衡狀態下，當采樣的直流母線電壓大于控制器給定最大直流母線電壓，控制器開通制動電路，通過制動電阻R消耗能量，防止電壓過高損壞主電路功率器件和濾波電容。

技術領域

本發明涉及一種變頻器，特別是涉及一種抽油機變頻器的控制方法。

背景技術

隨著科技的發展，變頻器在調速、節能方面體現出的優勢已為大家所普遍認同。不但實現了軟起、軟停，而且可根據用戶的需要，平滑的改變電機的轉速，對抽油機的節能改造來說是很適用的。但是由于抽油機是位能性負載，在平衡塊下放或驢頭抬起時，存在著能量制動回饋狀態，即所說的再生發電，其發出的電能通過逆變模塊的續流二極管，倒灌回變頻器的母線電容，嚴重時將會導致母線電壓過高，使主電路器件：濾波電容、IGBT模塊過壓損壞，因此必須對這部分能量進行處理。

目前普遍采用的抽油機變頻器有以下兩種：

通用變頻器：主回路是二極管不可控整流和PWM可控逆變部分。為了消耗再生發電的能量，在直流橋側并聯包含電阻和晶體管的能耗電路，當直流回路的電壓超過規定值時，接通能耗電路時直流回路通過制動電阻釋放能量，該方案的不足之處是能量損耗太大，且當油井逐漸抽空或抽油機平衡效果變差時，電機發電現象逐漸嚴重，制動電阻上承受的能量逐漸增大直至最后發熱燒壞。

四象限變頻器：主回路的整流和逆變兩部分均采用PWM控制，當電機處于再生發電運行狀態時，控制逆變電路工作在整流狀態，通過逆變電路的二極管向直流側供電，而整流電路工作在逆變狀態，直流側通過IGBT向電網反饋電能。該方案缺點在于主電路成本較高，控制復雜，一般不常采用。

發明內容

本發明的目的是提供一種抽油機變頻器的制動電壓控制方法。應用本發明的抽油機變頻器和通用變頻器的拓撲結構相同，無需額外的硬件支持，也無需復雜的算法，本發明即可改善當前通用變頻器的不足。

本發明在通用變頻器的基礎上，將發電狀態下本應該直接由制動電阻消耗的再生能量轉化為配重塊的勢能，儲存在機械系統中。由于曲柄的機械換向作用，儲存的機械勢能重新轉化為動能，使得電機回饋的電能充分利用，達到節約電能的效果。

本發明的主要原理如下：

由三相交流電機工作特性可知，電機工作在Ⅰ、Ⅲ象限為電動機，工作在Ⅱ、Ⅳ象限為發電機。當抽油機系統的“負扭矩”拖動電機時，會使電動機以大于其同步轉速的轉速運動，電機輸出轉矩為負，此時電動機處于第Ⅱ象限的正向反饋制動狀態，將抽油機系統中的機械能轉換成電能，電動機成為一臺發電機，變頻器直流母線電壓升高。本發明通過檢測變頻器直流母線電壓，判斷電機處于電動狀態還是發電狀態，當電機處于發電狀態時，調節控制系統的轉矩輸出限幅值，使電機工作在第Ⅰ象限，防止阻力轉矩的產生，將本來由電機發電產生的再生能量轉化為機械能儲存在機械系統中，減少了能量的消耗。

應用本發明的抽油機變頻器主電路包括三相不控整流模塊、制動單元、濾波電容和三相逆變模塊，電壓采樣模塊檢測變頻器直流母線電壓，轉速采樣模塊檢測電機轉速，控制器根據采樣獲得的直流母線電壓、電機轉速輸出控制信號，作用于主電路的制動單元和三相逆變模塊，三相逆變模塊輸出電壓控制電機。

本發明采用三級泄放控制策略，具體如下：

所述的輸出轉矩限幅：電機處于發電狀態，電壓采樣模塊檢測到直流母線電壓升高，控制器調節輸出轉矩限幅值，使得電機輸出的最小轉矩為零，電機不再發電，從而限制了直流母線電壓，這部分能量轉化為抽油機四連桿系統的機械能，避免了能量的損失。