CN203278242U - 一种应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型关于应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，包括：补偿装置开关；控制单元，包括UPS和多个继电器，UPS与所述补偿装置开关连接；进线开关单元，其进线主开关与主电路电源和主电路回路连接，进线主开关闭合使主电路电源为主电路回路供电；电流检测模块和电压检测模块；多个电容单元；晶闸管阀模块，包括六个晶闸管，每个晶闸管的使能端均与DSP芯片连接，一组中的一个晶闸管的阴极和另一个晶闸管的阳极与进线主开关的一相连接，且该组中的另一个阳极与另一个阴极与主电路回路中的电抗器的一相连接；PLC；DSP芯片和上位机。本实用新型提高了无功补偿装置的性价比，以节能减耗并提高功率因数，从而改善了电网质量。

Description

一种应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置

技术领域

本实用新型涉及石油钻机电驱动技术，特别是涉及石油钻机电驱动系统以柴油发电机组组成的小电网中的静止型补偿装置。 

背景技术

近年来，随着全球工业化和电力系统输配电网的不断发展，除了对电能源的需求在成倍增长之外，对供电质量（如电压质量等）的要求也是越来越多。 

为保证石油钻机的稳定性，通常会在石油钻机电驱动系统中采用无功补偿技术。目前的无功补偿方式主要有如下五种： 

A、同步调相机方式；即同步调相机运行于电动机状态，不带机械负载和原动机，从而向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机，以改善电网功率因数，并维持电网电压水平。该方式的优点包括：能够改善电网功率因数；其缺点包括：响应速度慢、噪音大以及损耗大等。 

B、并联电容补偿方式；具体的，将用于补偿感性无功功率以改善功率因数的电容器并联于电网中，以改善电压质量，降低线损。该方式的优点包括：结构简单且经济方便等；其缺点包括：补偿容量固定、不能有效提高功率因数、易发生谐振、无法实现滤波功能、易放大谐波以及不具备抑制电压波动和电压闪变功能等。 

C、接触器投切电容组方式；具体的，利用接触器和电阻切合电路来实现电容器的投入与切除。该方式的优点包括：成本低且无漏电流；其缺点包括：减小了电容器合闸涌流和操作过电压，不适宜在电容器频繁投切的无功补偿场合使用；且在使用大容量电容器时，故障较多。 

D、晶闸管投切电容方式；即采用晶闸管双向反并联联接而成，通过专用的电容补偿控制器和过零触发电路来控制晶闸管的导通。该方式的优点包括：具有过欠电压保护以及电源缺相等保护功能，实现了电容器的三相共补与三相分补；其缺点包括：由于采用无源器件进行无功补偿和分级补偿，因此，不能实现连续可调，会产生谐振。 

E、低压动态无功补偿方式；即补偿负载产生的基波无功功率，滤除负载产生的谐波，以解决三相不平衡负载的平衡化。该方式的优点包括：提高了无功补偿精度以及响应速度，并具有一定的保护功能；其缺点包括：由于只能分组投切，因此，对负荷波动的跟踪速度较慢，一般为十几秒甚 至更长，且补偿能力受系统电压的影响，电压低时补偿能力变小，从而导致其稳定性变差。 

发明人在实现本实用新型过程中发现，在目前的石油钻机电驱动系统领域中，用户需要一种性价比更高的无功补偿装置，以节能减耗，并提高功率因数，从而改善电网质量。 

有鉴于现有的石油钻机电驱动系统中的无功补偿技术存在的问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验以及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的应用于油钻机小电网的静止型补偿装置，能够避免现有的石油钻机电驱动系统中的无功补偿技术存在的问题，使其更具有实用性。经过不断的研究设计,并经过反复试作样品及改进，终于创设出确具实用价值的本实用新型。 

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，克服现有的石油钻机电驱动系统中的无功补偿技术存在的问题，而提供一种新型结构的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，所要解决的技术问题包括，提高无功补偿装置的性价比，以节能减耗，并提高功率因数，从而改善电网质量。 

本实用新型的目的及解决其技术问题可采用以下的技术方案来实现。 

依据本实用新型提出的一种应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，主要包括：补偿装置开关；控制单元，包括至少一个UPS和多个继电器，各UPS均与所述补偿装置开关连接，所述补偿装置开关闭合使所述UPS为所述装置中的其他用电元件供电；进线开关单元，与控制单元、主电路电源和主电路回路分别连接，包括进线主开关，所述进线主开关与所述继电器连接，所述进线主开关闭合使主电路电源为所述主电路回路供电；至少一个电流检测模块，与所述进线主开关连接，所述进线开关单元的进线主开关闭合使电流检测模块接入主电路回路；至少一个电压检测模块，与所述进线主开关连接，所述进线开关单元的进线主开关闭合使所述电压检测模块接入所述主电路回路；多个电容单元，与所述控制单元和进线开关单元均连接，且每个电容单元均包括电容主开关和电容器，电容主开关与所述继电器以及进线主开关均连接，进线主开关和电容主开关均闭合使电容器投切入主电路回路；晶闸管阀模块，包括六个晶闸管开关及被分成三组的六个晶闸管，每个晶闸管的使能端均与数字信号处理芯片连接，三组晶闸管与所述进线主开关和主电路回路中的电抗器分别连接，且每组中一个晶闸管的阴极和另一个晶闸管的阳极与所述进线主开关的一相连接，所述一个晶闸管的阳极和所述另一个晶闸管的阴极与主电路回路中的电抗器的一相连接；可编程逻辑控制器PLC，与继电器以及晶闸管阀模块中的六个 晶闸管开关分别连接；数字信号处理芯片，与PLC、电流检测模块、电压检测模块以及各晶闸管的使能端均连接；上位机与所述控制单元和PLC分别连接。 

较佳的，前述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其中所述上位机包括：监控触控屏。 

较佳的，前述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其中所述电流检测模块包括：电流互感器。 

较佳的，前述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其中所述电压检测模块包括：电压互感器。 

较佳的，前述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其中所述晶闸管阀模块还包括：温度感测器，与所述数字信号处理芯片连接。 

借由上述技术方案，本实用新型的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置至少具有下列优点以及有益效果：本实用新型是利用晶闸管阀作为相控元件的石油钻机电驱动系统的快速动态无功补偿装置，该装置中的上位机41通过设定所需要达到的目标，使DSP芯片和PLC可以通过计算判断是否需要投切无功补偿，当达到上述设定的目标值后，本装置可以稳定在该目标值且不在继续进行投切操作，通过获得晶闸管的导通状态等信息，在达不到目标值的情况下，能够继续循环投切，使其达到目标值；从而可以通过控制无功输出来控制主电路回路上的功率因数；本实用新型应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置可以提高无功补偿装置的性价比，以节能减耗并提高功率因数，最终可以改善电网质量。 

综上所述，本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的积极技术效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。 

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合说明书附图,详细说明如下。 

附图说明

图1为本实用新型的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置示意图； 

图2为本实用新型的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置的控制流程图。 

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的应用于石 油钻机小电网的静止型补偿装置的具体实施方式、结构、特征、流程及其功效，详细说明如后。 

本实用新型的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置如图1和2所示。需要说明的是，由于图的布局限制，图1并没有完整的体现出本装置的各部件间的连接关系。 

图1中，本实用新型的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置包括：补偿装置开关100、控制单元30、进线开关单元31、多个电容单元（如图1示出了三个电容单元，即第一电容单元32、第二电容单元33以及第三电容单元34，当然，该装置所包含的电容单元的数量也可以更多或者更少）、晶闸管阀模块35、PLC（可编程逻辑控制器）37、电流检测模块38、电压检测模块39、数字信号处理芯片40（即DSP芯片）以及上位机41等。 

补偿装置开关100与控制单元30电连接。补偿装置开关100主要用于开启石油钻机电驱动系统的无功补偿装置，使该补偿装置能够处于工作状态；同时，补偿装置开关100还可用于关断石油钻机电驱动系统的无功补偿装置，使该装置处于关机状态。补偿装置开关100可以采用现有的多种形式的开关。 

控制单元30除了与补偿装置开关100连接之外，还与该装置中的其他用电元件均连接。控制单元30主要包括至少一个UPS（如两个UPS）以及多个继电器。UPS主要用于为该装置中的其他用电元件提供电能。在控制单元30包括多个UPS时，可以设置主用UPS和备用UPS。各UPS均与补偿装置开关100以及装置中的其他用电元件电连接，补偿装置开关100闭合会使至少一个UPS为本装置中的其他用电元件提供电能。多个继电器与进线开关单元31、第一电容单元32、第二电容单元33以及第三电容单元34相连接，从而控制单元30可以基于上位机41、PLC37或者DSP芯片40下发的控制信息，控制进线开关单元31、第一电容单元32、第二电容单元33以及第三电容单元34中的各开关断开/吸合。另外，控制单元30还可以包含有指示灯等元件。 

进线开关单元31可以表现为进线开关柜的形式。进线开关单元31与控制单元30、主电路电源以及主电路回路分别连接。进线开关单元31主要用于在控制单元30的控制下，将主电路电源提供给主电路回路或者切断主电路回路的主电路电源。进线开关单元31主要包括进线主开关（基于三相的开关），该进线主开关与控制单元30中的一个继电器连接，该进线主开关在继电器的控制下闭会合使主电路电源为主电路回路供电。 

电流检测模块38主要用于检测主电路回路的电流，并将检测结果传输给DSP芯片40。电流检测模块38可以设置于进线开关单元31的主电路电源入口以及出口等位置。进线开关单元31中的主开关闭合会使电流检测模 块38接入主电路回路，以检测主电路回路的电流。该电流检测模块38可以采用现有的多种型号的电流检测元件，如电流互感器等。 

电压检测模块39主要用于检测主电路回路的电压，并将检测结果传输给DSP芯片40。电压检测模块39可以设置于进线开关单元31的主电路电源入口以及出口等位置。进线开关单元31中的主开关闭合会使电压检测模块39接入主电路回路，以检测主电路回路的电压。该电压检测模块39可以采用现有的多种型号的电压检测元件，如电压互感器等。 

第一电容单元32、第二电容单元33以及第三电容单元34可以均表现为电容柜的形式，即三个电容柜。每个电容单元均与控制单元30中的继电器以及进线开关单元31连接。每个上述的电容单元均包括电容主开关（也可以成为电容柜主开关）和电容器。电容主开关与控制单元30中的继电器以及进线开关单元31均连接。对于一个电容单元来说，在进线开关单元31中的进线主开关和该电容单元中的电容主开关均闭合时，从进线开关单元31引过来的主电路电源流经该电容单元，从而该电容单元中的电容器被投切入主电路回路中。 

晶闸管阀模块35可以表现为晶闸管阀组柜的形式。晶闸管阀模块35与控制单元30、PLC37、DSP芯片40以及主电路回路中的电抗器（TCR）均连接。晶闸管阀模块35从控制单元30中的UPS处获取电能。晶闸管阀模块35主要包括六个晶闸管，进一步的，晶闸管阀模块35还可以包括六个晶闸管开关以及至少一个温度感测器。 

上述六个晶闸管被均分为三组，每组晶闸管均与进线开关单元31、DSP芯片40以及主电路回路中的电抗器连接。具体的，第一组晶闸管中的第一晶闸管的阳极与第二晶闸管的阴极连接后再与进线主开关的A相连接，第一晶闸管的阴极与第二晶闸管的阳极连接后再与电抗器的A相连接；第二组晶闸管中的第三晶闸管的阳极与第四晶闸管的阴极连接后再与进线主开关的B相连接，第三晶闸管的阴极与第四晶闸管的阳极连接后再与电抗器的B相连接；第三组晶闸管中的第五晶闸管的阳极与第六晶闸管的阴极连接后再与进线主开关的C相连接，第五晶闸管的阴极与第六晶闸管的阳极连接后再与电抗器的C相连接；且第一晶闸管至第六晶闸管的六个使能端与DSP芯片40的六个引脚连接，一个晶闸管的使能端对应一个引脚，从而DSP芯片40可以对每个晶闸管的开合角度进行控制。 

另外，上述晶闸管阀模块35还与PLC37连接，PLC37与晶闸管阀模块35中的六个晶闸管开关之间传输开关量信号，PLC37可以通过开关量信号控制各晶闸管运行和停止。晶闸管运行会使与对应的晶闸管接入主电路回路中。 

温度感测器主要用于感测晶闸管的温度，并将感测的结果信息传输给 DSP芯片40，从而DSP芯片40可以根据接收到的温度信息对晶闸管的开合角度进行控制。 

PLC37与控制单元30、DSP芯片40以及晶闸管阀模块35分别连接。PLC37从控制单元30中的UPS处获取电能。PLC37主要用于控制各电容器是否投切入主电路回路中。PLC37可以通过对控制单元30中的各继电器的控制实现对各电容器的控制。另外，PLC37还用于通过控制晶闸管开关来控制晶闸管阀模块35中的各晶闸管是否接入主电路回路。PLC37可以通过与各晶闸管对应的晶闸管开关之间传输开关量信号，来控制相应的晶闸管是否接入主电路回路。 

DSP芯片40与PLC37、各继电器以及主开关分别连接。DSP芯片40可以根据PLC37或者上位机41下发的控制信息以及其自身的运算结果对各继电器进行控制，以控制各开关的吸合/断开。DSP芯片40也可以控制主开关的断开。另外，DSP芯片40还可以根据预设的运行方式控制各晶闸管的开合角度，并根据其接收到的温度检测结果对各晶闸管的开合角度进行相应的控制。 

上位机41与PLC37以及控制单元30分别连接。上位机41从控制单元30中的UPS处获取电能，当然，本装置也可以为上位机41单独供电。上位机41可以为具有一定数据处理能力的监控触控屏，也可以为计算机等。监控触控屏可以通过对触控屏幕的点击下发相应的控制信息，该控制信息可以通过PLC37以及DSP芯片40下发至控制单元30以及晶闸管阀模块35。 

本实用新型的装置所执行的一个操作流程如附图2所示。 

图2中，首先，补偿装置开关闭合，本装置上电。之后，进行系统初始化处理；上位机通过PLC从DSP芯片中读取相应的系统信息如参数设置信息等，上位机显示其读取的参数设置信息；用户根据实际需求通过上位机设定本装置的控制参数。电流检测模块和电压检测模块将检测到的电流参数和电压参数传输给DSP芯片，DSP芯片判断检测到的电流和电压是否超过预定值，如果超过预定值，则报警，并返回上述读取相应的系统信息如参数设置信息等的步骤；如果检测到的电流和电压没有超过预定值，则判断是否按照方式1运行，如果按照方式1运行，则设定目标功率因数（例如0.95），设备运行后自动跟踪负载快速变化，使系统功率因数始终维持在设定的目标值，这种方式1的运行方式适用于对功率因数有明确要求的用户，一般都建议采用此方式运行；如果按照方式2运行，则设定电抗器（TCR）输出的无功功率，设备运行后无论负载如何变化，整套装置输出的无功功率都将是固定值，数值大小为（FC容量-TCR容量），这种方式2的运行方式适应于特定的应用场合，要求用户对功率因数没有要求，并且设备运行前，用户已经知道具体的无功功率输出量。 

综合上述两种运行方式后，因为负载是实时变化的，当采用方式1运行时，进行方式3计算来判断电容单元的投入和切除，方式3通过采集信号与给定功率因数进行比较，当功率因数不能达到要求的时候，通过差值进行投入电容单元，同时通过差值进行切除电容单元，从而实现无功补偿。 

在投入过程中，如果功率因数不满足要求时，继续检测进行比较，进入系统初始化，重复上面的工作，从而达到无功补偿；当满足延时在投入的电容单元，同时通过差值进行切除电容单元，此时就完成补偿。同理当功率因数过补偿后，它采集的数据与给定功率因数进行比较，通过差值切除电容单元，从而达到给定的功率因数，实现补偿。 

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型的技术，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。 

Claims (5)

1.一种应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其特征在于，包括： 

补偿装置开关； 

控制单元，包括至少一个UPS和多个继电器，各所述UPS均与所述补偿装置开关连接，所述补偿装置开关闭合使所述UPS为所述装置中的其他用电元件供电； 

进线开关单元，与控制单元、主电路电源和主电路回路分别连接，包括进线主开关，所述进线主开关与所述继电器连接，所述进线主开关闭合使所述主电路电源为所述主电路回路供电； 

至少一个电流检测模块，与所述进线主开关连接，所述进线开关单元的进线主开关闭合使所述电流检测模块接入所述主电路回路； 

至少一个电压检测模块，与所述进线主开关连接，所述进线开关单元的进线主开关闭合使所述电压检测模块接入所述主电路回路； 

多个电容单元，与所述控制单元和进线开关单元均连接，且每个电容单元均包括电容主开关和电容器，所述电容主开关与所述继电器以及进线主开关均连接，所述进线主开关和电容主开关均闭合使电容器投切入主电路回路； 

晶闸管阀模块，包括六个晶闸管开关及被分成三组的六个晶闸管，每个晶闸管的使能端均与数字信号处理芯片连接，三组晶闸管与所述进线主开关和主电路回路中的电抗器分别连接，且每组中一个晶闸管的阴极和另一个晶闸管的阳极与所述进线主开关的一相连接，所述一个晶闸管的阳极和所述另一个晶闸管的阴极与主电路回路中的电抗器的一相连接； 

可编程逻辑控制器PLC，与所述继电器以及晶闸管阀模块中的六个晶闸管开关分别连接； 

所述数字信号处理芯片，与PLC、电流检测模块、电压检测模块以及各晶闸管的使能端均连接； 

上位机，与所述控制单元和PLC分别连接。 

2.如权利要求1所述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其特征在于，所述上位机包括：监控触控屏。 

3.如权利要求1所述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其特征在于，所述电流检测模块包括：电流互感器。 

4.如权利要求1所述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其特征在于，所述电压检测模块包括：电压互感器。 

5.如权利要求1或2或3或4所述的应用于石油钻机小电网的静止型补偿装置，其特征在于，所述晶闸管阀模块还包括：温度感测器，与所述数字信号处理芯片连接。 

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