摘要：四象限变频器采用PWM控制的IGBT整流技术，对整流与能量回馈的双向控制，真正的四象限运行，可以完美解决抽油机存在能量倒灌的问题。本文介绍四象限变频的工作原理以及在某油田的应用案例，现场运行结果表明，四象限变频器完全满足抽油机工艺要求，节能显著，是油田上的“绿色产品”。

关键词：变频器；四象限变频技术；抽油机

1 引言

各油田普遍采用游梁式抽油机作为主要的抽采设备，存在低产出、高能耗、大马拉小车的问题。近年来，随着电力电子技术的发展，变频技术由于具有节能、调冲次方便等优点在油田得到广泛的应用。在抽油机运行过程中，电动机时常运行在发电状态。

为了解决能量倒灌的问题，目前我国各油田抽油机主要采用两个方案：变频加制动单元和变频加回馈单元。在母线上加制动单元及制动电阳，将能量直接消耗在制动电阻上，这不利于节能，而且制动电阻散热和寿命问题很难解决；母线上并联回馈单元，将电机工作在发电状态时产生的能量通过回馈单元反馈电网，实现变频器与电网之间反向流动，但解决不了能量由电网流向变频器时功率因数低，谐波电流大的问题。

针对以上情况，本文设计了四象限技术的方案，可克服上述两种方案的缺点。四象限变频技术解决了抽油机在系统不平衡时的再生能量处理问题，具有四象限的运行功能，同时能提高节电效率，减小电源的谐波污染，提高功率因数。

2 四象限变频技术介绍

2.1 四象限变频原理

采用三相脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）整流代替不可控整流而构成的四象限变频器电路拓扑如图1所示，可以将负载机械能转变的电能回送给电网。

图1 四象限电路拓扑结构

2.2 四象限变频亮点

·用高速度、高运算能力的整流控制单元DSP，产生6路高频的PWM脉冲控制整流侧的IGBT的开通和关断，IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，这样就消除了二极管整流析产生的谐波，功率因数接近于1，从而消除了对电网的谐波污染；

·四象限变频技术整流侧采用IGBT功率模块，可以实现输入电网同电动机能量的双向流动，在系统不平衡时，可以将不平衡产生的势能回馈电网，从而大大降低对系统平衡的要求；

·当电机工作在发电状态，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到直流母线，整流侧回馈控制启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网，达到节能的效果。

3 应用案例

2020年4月，海南某采油厂作业区应用了10台37kW四象限变频柜，现场图如图2、图3所示。抽油机变频柜主要有四象限变频器、断路器、指示灯、接触器、电能表、防雷器、LCL电路等部分组成，其中四象限变频器是变频柜核心部件，选用的是深圳步科电气公司生产的FV21系列四象限变频器。

图2 油田现场

图3 四象限变频柜

4 经济效益分析（如表1所示）

表1

在此次测试的10台变频柜中，可以得到：

（1）每日节电量为32~160度，节电率为30.01%~72.85%；

（2）平均每台每日节电量约为87.26度，节电量中位值为73.9度，节电率平均值约为47.93%，节电率中位值为43.45%；

（3）以每天每台节电量87.26度计算，每天节约电费87.26×0.769=67.10元；每年节约成本67.10×365=24492.5元。

5 结语

通过油田现场长时间的运行情况来看，FV21系列四象限变频器完全能够满足抽油机工艺需求，四象限变频改造不仅能够实现较好的节能效果，且能够改善提高设备功率因数，经济效益显著。

摘自《自动化博览》2020年6月刊