CN202634294U - 钻井节能发电机用频率变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了钻井节能发电机用频率变换器，三相桥式整流电路输出端的正、负极分别相应通过正直流母线、负直流母线对应连接每个单相逆变器直流侧的正极、负极，正直流母线和负直流母线通过直流滤波器相连接，每个单相逆变器交流侧的输出端对应连接每一整流器输入线圈的两端，三个整流器输出线圈以星形接法相互连接且每一输出线圈两端通过交流滤波器相连接，在正直流母线或负直流母线上串接有第一电感线圈，第一电感线圈两端又分别通过电磁开关对应连接电压补偿装置具有的超级电容器的两极，电压补偿装置具有的控制电路控制电磁开关导通或断开。本实用新型能进一步提高输出交流电源电压的稳定性和输出交流电源的负荷性能。

Description

钻井节能发电机用频率变换器

技术领域

本实用新型涉及交流电电源频率转换电路，特别是钻井节能发电机用频率变换器。

背景技术

目前，在钻井技术装备领域中，已被广泛应用的节能发电机能减少柴油消耗、降低成本，发电功率为800KVA。根据现场节能发电机的使用记录，节能发电机使用时间不到钻井周期的1/3，年平均不到100天，主要原因是在深井、复杂井钻进过程中，动力设备的过大负荷造成节能发电机的频率、电压不稳，导致节能发电机停机，无法满足井场正常用电和安全用电，因钻井工况的限制，节能发电机发出的电频率和电压波动范围很大，不能稳定输出400V、50Hz的电源，所以，节能发电机所发出的电频率需要通过现有的稳频装置处理，以得到电频率稳定的交流电源，但现有的稳频装置功率不足，不能长时间连续运转，输出的交流电源电压仍然不够稳定，可靠性差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种钻井节能发电机用频率变换器，能进一步提高输出交流电源电压的稳定性和输出交流电源的负荷性能。

本实用新型的目的是这样实现的：一种钻井节能发电机用频率变换器，包括三相桥式整流电路、正直流母线、负直流母线、电压补偿装置、直流滤波器、单相逆变器、变压器和交流滤波器，三相桥式整流电路由二极管配接而构成，电压补偿装置由超级电容器和控制电路组成，直流滤波器由第一电容和电阻相并联而构成，单相逆变器内设置有配合连接的绝缘栅双极型晶体管，交流滤波器由第二电感线圈和第二电容相串联而构成，三相桥式整流电路输出端的正、负极分别相应通过正直流母线、负直流母线对应连接每个单相逆变器直流侧的正极、负极，正直流母线和负直流母线通过直流滤波器相连接，每个单相逆变器交流侧的输出端对应连接每一整流器输入线圈的两端，三个整流器输出线圈以星形接法相互连接且每一输出线圈两端通过交流滤波器相连接，在正直流母线或负直流母线上串接有第一电感线圈，第一电感线圈两端又分别通过电磁开关对应连接电压补偿装置具有的超级电容器的两极，电压补偿装置具有的控制电路控制电磁开关导通或断开。

本实用新型采用交流-直流-交流结构，包括整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波器及变压器等组成部分，其中的交-直部分为桥式整流电路，桥式整流电路先将节能发电机所发出的低品质三相交流电经接触器(电磁开关)传送至电解电容滤波，得到直流电流，当经桥式整流电路输出的直流电电压突然降低时，电压补偿装置可立即感知正负直流母线间的电压突然降低，控制电路马上闭合电磁开关，使储存电能的超级电容器串接在直流母线上，将其存储的电能传输至直流母线上，当桥式整流电路输出的直流电电压上升至正常电压时，控制电路(控制器)则马上断开电磁开关，第一电感线圈则能起到提高电磁开关切换开闭速度的作用，以达到给直流母线补充电压的目的，保持变压器输出的交流电压稳定，经电解电容滤波后的直流电流继续通过三套单相逆变器(选用IGBT作为开关元件)输出相位角互差120°的三相交流电，变压器再将相位角互差120°的三相交流电转换成400V、50Hz的高品质交流电。本实用新型三个变压器原边彼此独立(相互无电气连接关系)，变压器副边则相互接成星形并输出电压更加稳定的三相交流电，每个变压器副边均可独立输出电压稳定的单相高品质交流电，作为单相电源供负载供电，从而极大提高了电源的负载适应能力。本实用新型能进一步提高输出交流电源电压的稳定性和输出交流电源的负荷性能。

附图说明

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的电路连接结构示意图；

图2为本实用新型和与其有关外围电路相连接构成的钻井节能发电机用稳频稳压系统的工作原理示意图。

具体实施方式

一种钻井节能发电机用频率变换器，如图1所示，包括三相桥式整流电路1、正直流母线5、负直流母线4、电压补偿装置9、直流滤波器10、单相逆变器7、变压器13和交流滤波器16，三相桥式整流电路1由二极管8配接而构成，电压补偿装置9由超级电容器19和控制电路20组成，直流滤波器10(阻容保护电路)由第一电容6和电阻11相并联而构成，单相逆变器7内设置有配合连接的绝缘栅双极型晶体管12(IGBT)，交流滤波器16由第二电感线圈17和第二电容18相串联而构成，三相桥式整流电路1输出端的正、负极分别相应通过正直流母线5、负直流母线4对应连接每个单相逆变器7直流侧的正极、负极，正直流母线5和负直流母线4通过直流滤波器10相连接，每个单相逆变器7交流侧的输出端对应连接每一整流器13输入线圈14的两端，三个整流器13输出线圈15以星形接法相互连接且每一输出线圈15两端通过交流滤波器16相连接，在正直流母线5或负直流母线4上串接有第一电感线圈3，第一电感线圈3两端又分别通过电磁开关2(电磁接触器)对应连接电压补偿装置9具有的超级电容器19的两极(相当于电压补偿装置9电压输出端的两极)，即超级电容器19通过两互不直接相连的电磁开关2与第一电感线圈3相并联，串接在正直流母线5或负直流母线4上，电压补偿装置9具有的控制电路20控制电磁开关2导通或断开。

与本实用新型连接的外围电路具有双闭环反馈电路，内环电流环保证非线性负载波形不失真，外环电压环保证突加负载压降＜1%，反应速度小于2mS，采用正弦脉宽调制方式(SPWM)对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经输出LC滤波电路滤波后，转换为正弦波交流电。为提高电磁兼容性能，在电源输入和输出端均接有抗干扰滤波器。三相电源的主电路及控制电路按照三套独立的单相电源进行设计。

与本实用新型相配合连接的外围电路采用三套独立的单相控制器和先进的正弦波脉宽调制(SPWM)IGBT高频逆变技术，节能发电机发出的不稳定交流电经整流器整流，由电解电容滤波成平滑的直流电，再由逆变器逆变成稳定的交流电，最终被转换为波形纯净的稳压稳频高品质电力；超级电容器具有滤波、储能的作用，减小了负载对节能发电机的冲击，节约发电燃料和能源。此外，本实用新型相配合连接的外围电路所采用的输出超隔离安全技术保证人身安全，消除了直接使用发电机供电所产生的不利因素，根本上避免了由于电压频率波动太大、波形失真大等可能造成的危害，从而保证钻井设备、照明、空调等用电设备能够安全、可靠运行，另外，当节能发电机组转速在额定转速范围内或因故障掉电时，则通过旁路给负载供电，保证负载不间断供电，提高钻机使用寿命，节能环保效果显著。

实施例：如图2所示，本实用新型以及与本实用新型相配合连接的外围电路构成钻井节能发电机用稳频稳压系统，具有无人值守、稳频稳压、操作简单、可靠性能高、适应野外的高温高寒风沙环境等优点；钻井节能发电机用稳频稳压电源控制系统主要由信号发生单元、SPWM波生成单元、反馈控制单元，显示单元、逻辑控制单元、保护单元等六大单元构成，每个单元分别由电路功能模块组成，即信号发生单元包含基准频率产生电路、正弦波产生电路，SPWM波生成单元包含三角波产生电路、SPWM波合成电路，反馈控制单元包含电压负反馈电路，显示单元包含电压、频率、电流、功率/功率因数显示电路，控制逻辑单元包含软启动电路、故障中断处理电路、RESET电路，保护单元包含过载侦测电路、过电压侦测电路、过热侦测电路、过流侦测电路、保险丝断侦测电路。钻井节能发电机用稳频稳压系统将输出交流电源电压分别控制在296V-490V，将交流电源频率控制在30Hz-80Hz，可完全满足节能发电机工作电压在340V-430V、频率在45Hz-55Hz的工作要求，使节能发电机的使用寿命将提高近1-2倍。以两台C500D5康明斯柴油发电机组为例，应用钻井节能发电机用稳频稳压系统能将节能发电机的年使用时间提高到300天，每年可节约柴油158.4吨。

钻井节能发电机用稳频稳压系统的性能特点：

1、输出高质量电能，保障钻井设备稳定工作，延长使用寿命：采用国际成熟的技术双闭环反馈控制，外环电压有效值反馈环保证稳压精度＜1%，稳频精度＜0.01%，瞬时反馈保证波形失真度THD＜3%；内环电流反馈限流使得逆变器适应强冲击电流；保障钻井设备稳定工作，延长节能发电机及钻井设备的使用寿命，过压过流短路缺相等保护功能保证钻井设备安全使用。

2、输入输出超隔离技术保证现场操作人员人身安全：发电机同负载电机之间采用安全隔离技术，从而保证现场操作人员人身安全；利用变压器自身漏抗来滤波，省掉滤波电抗，结构简单、制造容易、可靠性高，降低制造及维护成本。

3、LC滤波电路能减小对发电机组的冲击、提高效率：LC滤波器对于强冲击负载具有蓄流及功率因数补偿的作用，而且IGBT高频变换系统效率在95%以上，另外，高品质供电防止钻机电机因欠压堵转过流烧坏电机，保证电动机高效率运转，降低了电动机噪声。

4、水冷式散热技术具有更强的过载能力，电机无需降额:特有的大功率水冷式散热技术采用抽真空全封闭结构，无需加水，利用热管循环原理，非常方便，保证在最小体积下输出最大功率密度，具有极强的超载能力。

5、三相独立调节技术保证单三相负载同时使用：由于油田钻井现场不但有三相电机而且有照明控制系统、空调等单相负载，因此，要求供电能承受不平衡负载；本电源三相独立调节技术是利用三个单相逆变器(逆变全桥)分别进行变换，然后再把输出相位角相差120°的单相交流电源组合起来，三个单相逆变器是独立工作的，因而可带100%不平衡负载；相对于与原先的三个逆变半桥相比，该拓扑型逆变全桥所用功率器件增加一倍的同时，负荷性能也相应提高一倍。

在设计与本实用新型相关的钻井节能发电机用稳频稳压系统时，综合与其相关的各项国际技术标准，采用数字分频、锁相、波形瞬时值反馈控制等新技术和模块化结构，经检验的输出电压波形品质好，负载适应性强，彻底解决除断电以外的供电问题，提供电压、频率稳定、波形标准的纯净供电环境，能适用于任何负载。

Claims (2)

1.一种钻井节能发电机用频率变换器，包括三相桥式整流电路(1)、正直流母线(5)、负直流母线(4)、电压补偿装置(9)、直流滤波器(10)、单相逆变器(7)、变压器(13)和交流滤波器(16)，三相桥式整流电路(1)由二极管(8)配接而构成，电压补偿装置(9)由超级电容器(19)和控制电路(20)组成，直流滤波器(10)由第一电容(6)和电阻(11)相并联而构成，单相逆变器(7)内设置有相配合连接的绝缘栅双极型晶体管(12)，交流滤波器(16)由第二电感线圈(17)和第二电容(18)相串联而构成，三相桥式整流电路(1)输出端的正、负极分别相应通过正直流母线(5)、负直流母线(4)对应连接每个单相逆变器(7)直流侧的正极、负极，正直流母线(5)和负直流母线(4)通过直流滤波器(10)相连接，每个单相逆变器(7)交流侧的输出端对应连接每一整流器(13)输入线圈(14)的两端，三个整流器(13)输出线圈(15)以星形接法相互连接且每一输出线圈(15)两端通过交流滤波器(16)相连接，其特征在于：在正直流母线(5)或负直流母线(4)上串接有第一电感线圈(3)，第一电感线圈(3)两端又分别通过电磁开关(2)对应连接电压补偿装置(9)具有的超级电容器(19)的两极，电压补偿装置(9)具有的控制电路(20)控制电磁开关(2)导通或断开。

2.根据权利要求1所述的钻井节能发电机用频率变换器，其特征是：第一电容(6)为电解电容。

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