微能变频器的简易改造

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摘要：一般情况下，通用变频器采取的制动措施为变频器+制动单元+制动电阻形式的制动方式，简单实用，但浪费一部分电能；随着科技的发展，现在研究生产的变频器制动措施为变频器+回馈单元形式的制动方式，节能省电，但成本高，对电网造成污染，技术还不成熟。

关键词：微能变频器；电阻；改造

1 生产需求和需要解决的关键技术问题

金马公司采油作业区现有55KW微能抽油机变频器三十余台。2012年，因为故障修理的有6台，故障原因都为内置回馈单元损坏，修理的过程是将变频器内损坏部位修复，将损坏的内置回馈单元拆除，更换新回馈单元。

变频器内置回馈单元相当于一台小型变频器，负责将电机反馈回来的电流重新输回电网，每台回馈单元的市场价格为24000元，非常昂贵。仅更换回馈单元一项，这6台变频器修理就需要近15万元，而采油作业区每年需要正常运转的变频器总量约为400台，修理费用需要控制在60万元以内，所以每台变频器修理费用的高低，将直接导致单位的年度生产成本控制的执行情况。

2 研究目标和主要研究内容

怎么降低微能变频器的维修费用，从而控制好当年的维修费用，成了生产服务大队的当务之急。

金马公司绝大部分抽油机变频器的制动方式为外加制动单元和制动电阻。变频器发生故障的时候，变频器、制动单元、制动电阻这三个部分，哪个部分有问题就修理哪个部分。变频器修理是更换零件，根据零件的不同价格有所不同，变频器内部零件费用约为2000-5000元；制动单元更换的费用约为4000元；制动电阻更换的费用约为2000-7500元，针对制动线路部分，主材费用最多为10000元，比微能变频器需要更换的回馈单元价格低一半还多。即使微能变频器更换了回馈单元，也能正常使用，但还涉及到以后回馈单元的再次损坏，又要花费24000元。

如何想办法将微能变频器的维修费用降低到和其它变频器一样，成了我们的研究目标。

3 技术创新点和研究路线

3.1 技术创新点

将微能变频器的制动部分进行改动，变成与其它变频器的制动方式相同，即通过用便携式制动电阻和制动单元来代替价格昂贵的能量回馈单元的方法，对微能变频器进行简易改造，从而实现变频器正常使用性能。这样，经过改造后的微能变频器再发生制动部份故障后，将降低维修费用至少为1.4万元，而且可以实现和达到变频器各项性能及指标，减少变频器因无法维修的闲置浪费。

3.2 技术研究方案

a） 将微能变频器损坏的回馈单元进行拆除，将电流回馈引至端子排，接好正负端子；

b）将变频器装回控制箱，并进行固定；

c）安装制动单元。在变频器下方位置进行安装，这样有利于同时观察变频器和制动单元的工作情况；考虑到变频器为55KW，我们选用的制动单元为IPC-DC-1SA。

d）将变频器电流回馈正负极与制动单元的正负极接好；

e）安装刹车电阻。因为刹车电阻在工作的时候将释放热量，应选择在控制箱空间比较大的地方进行安装，我们就选在变频器安装板背面。考虑到质量问题，我们选择了三组便携式白钢电阻，（2500W 45欧）进行并联，体积小，散热好。根据抽油机负荷等情况经过计算，刹车电阻的阻值应控制在15-20欧姆之间，功率在7500W左右，这样我们在确保电阻阻值情况下，散热功率也达到设计要求。

选择在散热条件好的地方加装刹车电阻，将刹车电阻的两条端线与制动单元的两个负载端子连接；最后，考虑到散热问题，我们在原控制柜上进行开孔，安装轴流风机，并加装防尘罩，把柜内产生的热量通过强制循环排到柜外，减少柜内的温度，若柜内温度过高，变频器易产生过热报警，影响变频器正常运行，而且会降低变频器使用寿命等。

4 经济效益和应用前景

4.1 经济效益分析

金马公司共有抽油机微能变频器30台，而微能变频器每台修理费最低为2.4万元，每年修理台次为10台，则费用总和为24万元；改造后，每台修理费最高为2500元，按10台计算，共计费用总和为2.5万元，则每年至少可节约费用为24-2.5=21.5万元。

4.2 预期应用前景

改造后，微能变频器可以实现和达到变频器各项性能及指标，而且大大降低了维修的费用及维修频次，广泛应用在油田各个生产领域中。

5 前期研究基础情况和支撑条件分析

5.1 与本项目（课题）密切相关的前期研究基础情况

在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的。在变频器频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机。

只要电机的负载是位能式负载，如：油田抽油机、矿用提升机等；或大惯量负载如：风机、水泥制管、平衡机等；以及轧钢机、大型龙门刨床、机床主轴等需要快速制动类负载时，电机都不可避免地存在发电过程，即电机转子在外力的拖动或负载自身转动惯量的维持下，使得电机的实际转速大于变频器输出的同步转速，电机所发出的电能将会储存在变频器的直流母线滤波电容中，如果不把这部分能量消耗掉，那么直流母线电压就会迅速升高，影响变频器的正常工作。

在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：

a） 第一种是耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态 ，即变频器+制动单元+制动电阻形式。其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动比较），成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。一般在通用变频器中，小功率变频器（22kW以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻；而大功率变频器（22kW以上）就需外置刹车单元、刹车电阻。

b） 第二种是使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态，即变频器+回馈单元形式。实现能量回馈制动就要求电压同频同相控制、回馈电流控制等条件。它是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。回馈制动的优点是能四象限运行，电能回馈提高了系统的效率。其缺点是：①只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。②在回馈时，对电网有谐波污染。③控制复杂，成本较高。

5.2 与生产实际结合的情况

抽油机工作时，分为两个冲程，即上冲程和下冲程。在变频器、电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，抽油机上冲程时，驴头悬点需提起抽油杆柱和液柱，电动机就要付出很大的能量，这时电动机处于电动状态。在下冲程时，抽油机杆柱拉动对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升，就可能对变频器带来损坏。

一般情况下，通用变频器采取的制动措施为变频器+制动单元+制动电阻形式的制动方式，简单实用，但浪费一部分电能；随着科技的发展，现在研究生产的变频器制动措施为变频器+回馈单元形式的制动方式，节能省电，但成本高，对电网造成污染，技术还不成熟。

建议在变频器回馈单元技术还不成熟的阶段，抽油机等位能式负载最好还是采用最简单的制动方式，即加装制动单元和制动电阻形式的制动方式，从而达到生产实际的需要。