CN204416995U - 一种修井机动力管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种修井机动力管理系统，其监控显示单元的显示输入端与PLC控制器的显示输出端连接，PLC控制器分别通过现场总线与超级电容控制单元和可控整流器的控制输入端连接，超级电容控制单元的信号采集输入端与超级电容单元的信号输出端连接，超级电容控制单元的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接，可控整流器的整流输入端与三相电源连接，变频器的输出端与变频电动机的电源输入端连接；双向DC-DC变换器的高压侧分别与可控整流器的整流输出端和变频器的输入端连接，双向DC-DC变换器的低压侧与超级电容单元连接。本实用新型利用超级电容能量管理系统做功率补偿，可实现使用小功率的网电带动大功率变频电动机以驱动绞车进行修井作业。
Description
技术领域
本实用新型涉及修井作业领域，特别是涉及一种修井机动力管理系统。
背景技术
油田各型作业机目前普遍以柴油机为动力，柴油机工作效率仅为50%左右，不但能源浪费较为严重，作业成本高，而且还存在噪声污染等一系列环保问题。在当前国家大力推行清洁生产，实施环境评价的大环境下，有必要优化目前的作业机驱动方式，使油田企业作业施工环节更加节能环保。
目前普遍推行电力驱动作业机。电驱作业机是以电动机作为驱动动力、模块化设计的新型作业机。该作业机采用电机作为动力源，根据修井作业设备的技术要求，有必要将电动机、调速系统与作业操作控制系统有机整合，实现机、电、液一体化及智能自动化控制。
在修井作业中，无论是提升作业还是下放作业，都需要有被吊物的装卸时间。通过现场调研统计，修井机提升和下放作业时间与装卸时间之比大约是1：2，电机将有66%左右时间处于空载或者低功率运行状态，电机功率利用率低，需要增加功率补偿装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种修井机动力管理系统，利用超级电容能量管理系统做功率补偿，可实现使用小功率的网电带动大功率变频电动机以驱动绞车进行修井作业。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种修井机动力管理系统，它包括柴油机驱动系统，所述的柴油机驱动系统以柴油机为动力驱动绞车进行修井作业，它还包括监控系统、超级电容能量管理系统和电机驱动系统。
所述的监控系统包括监控显示单元和PLC控制器，超级电容能量管理系统包括双向DC-DC变换器、超级电容控制单元和超级电容单元，电机驱动系统包括可控整流器、变频器和变频电动机，电机驱动系统以变频电动机为动力驱动绞车进行修井作业。
监控显示单元的显示输入端与PLC控制器的显示输出端连接，PLC控制器分别通过现场总线与超级电容控制单元和可控整流器的控制输入端连接，超级电容控制单元的信号采集输入端与超级电容单元的信号输出端连接，超级电容控制单元的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接，可控整流器的整流输入端与三相电源连接，变频器的输出端与变频电动机的电源输入端连接。
双向DC-DC变换器的高压侧正极分别与可控整流器的整流输出端正极和变频器的输入端正极连接，双向DC-DC变换器的高压侧负极分别与可控整流器的整流输出端负极和变频器的输入端负极连接，双向DC-DC变换器的低压侧正极与超级电容单元的正极连接，双向DC-DC变换器的低压侧负极与超级电容单元的负极连接。
所述的超级电容控制单元包括电容管理主板、电容管理从板和电流信号采集器。
电容管理主板通过CAN总线与电容管理从板连接，电容管理从板的电流检测端与电流信号采集器的信号输出端连接，电流信号采集器接在超级电容单元的负极端，电容管理从板的总电压/绝缘检测端与超级电容单元的正极端连接，电容管理从板的电容信息采集端与超级电容单元的信号输出端连接，电容管理从板的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接。
所述的电流信号采集器为电流传感器或分流器。
所述的超级电容控制单元还包括充电机，充电机并联在超级电容单元的正负极两端。
所述的超级电容单元包括一个或多个依次串联的超级电容模组和一个或多个分别与各个超级电容模组一一对应连接的信号端子。
信号端子的电压信号输入端与超级电容模组的电压信号输出端连接，信号端子的过压信号输入端与超级电容模组的过压信号输出端连接，信号端子的温度信号输入端与超级电容模组的温度信号输出端连接，信号端子的输出端与超级电容单元的信号输出端连接。
所述的电机驱动系统还包括第一滤波电路，第一滤波电路并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间。
所述的第一滤波电路包括滤波电容C1，滤波电容C1并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间。
所述的超级电容能量管理系统包括DC-DC输出电路，DC-DC输出电路包括输出电容C2、预充电电阻、预充电继电器和总正继电器。
输出电容C2的一端分别与双向DC-DC变换器的低压侧正极、预充电电阻的一端和总正继电器的一端连接。
输出电容C2的另一端与超级电容单元的负极连接；预充电电阻的另一端与预充电继电器的一端连接，预充电继电器的另一端分别与总正继电器的另一端和超级电容单元的正极连接。
它还包括油管自动计量系统，油管自动计量系统包括轴编码器和PLC计数器，轴编码器安装在绞车的滚筒轴上，其信号输出端与PLC计数器的信号输入端连接，PLC计数器的信号输出端与PLC控制器的油管计量信号输入端连接。
它还包括第二滤波电路，三相电源通过第二滤波电路与可控整流器的整流输入端连接。
所述的第二滤波电路包括滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3，三相电源的三个输出端分别通过滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3与可控整流器的三个整流输入端连接。
本实用新型的有益效果是：
1）本实用新型保持原有车载柴油机动力传动功能，采用超级电容储能技术，加装变频电机动力驱动修井机绞车，在修井机油管下放作业时，超级电容能量管理系统吸收电网电能，提升油管作业时，超级电容能量管理系统与电网共同为变频电动机供电，弥补电网变压器功率不足的缺陷。
2）本实用新型通过变频器驱动变频电动机，从而驱动绞车，变频电动机可实现正反转无级调速，具有启动力矩大、结构简单、节能环保、操控性好及维护费用低等特点。
3）在本实用新型中，将绝对值编码器安装在绞车的滚筒轴上，通过PLC高数计数模块来测量油管长度，从而实现油管的自动计量。
附图说明
图1为本实用新型一种修井机动力管理系统的系统结构图；
图2为本实用新型中超级电容能量管理系统的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种修井机动力管理系统，它包括柴油机驱动系统，所述的柴油机驱动系统以柴油机为动力驱动绞车进行修井作业，它还包括监控系统、超级电容能量管理系统和电机驱动系统。
所述的监控系统包括监控显示单元和PLC控制器，超级电容能量管理系统包括双向DC-DC变换器、超级电容控制单元和超级电容单元，电机驱动系统包括可控整流器、变频器和变频电动机，电机驱动系统以变频电动机为动力驱动绞车进行修井作业。
监控显示单元的显示输入端与PLC控制器的显示输出端连接，PLC控制器分别通过现场总线与超级电容控制单元和可控整流器的控制输入端连接，超级电容控制单元的信号采集输入端与超级电容单元的信号输出端连接，超级电容控制单元的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接，可控整流器的整流输入端与三相电源连接，变频器的输出端与变频电动机的电源输入端连接。
双向DC-DC变换器的高压侧正极分别与可控整流器的整流输出端正极和变频器的输入端正极连接，双向DC-DC变换器的高压侧负极分别与可控整流器的整流输出端负极和变频器的输入端负极连接，双向DC-DC变换器的低压侧正极与超级电容单元的正极连接，双向DC-DC变换器的低压侧负极与超级电容单元的负极连接。
可控整流器的整流输出端正极通过直流母线与变频器的输入端正极连接。
其中，高压侧电压为400V～600V，低压侧电压为230 V～460V。
本实用新型还可采用一个220VAC电源，为本实用新型中的器件提供辅助电源。
本实用新型利用超级电容能量管理系统，可控快速充放电转换，精确的充放电容量设定，具有过充和过放电保护、电容欠压报警。超级电容单元是核心元件，具有功率密度大、具有瞬时大电流充放电、循环使用寿命长等特点，是功率补偿装置的合适选择。
超级电容管理系统安装于储能电容机柜内，负责对超级电容单元进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过通讯总线CAN 2.0B与监控系统联机，实现对电容进行优化的充放电管理控制。
如图2所示，所述的超级电容控制单元包括电容管理主板、电容管理从板和电流信号采集器。
电容管理主板通过CAN总线与电容管理从板连接，电容管理从板的电流检测端与电流信号采集器的信号输出端连接，电流信号采集器接在超级电容单元的负极端，电容管理从板的总电压/绝缘检测端与超级电容单元的正极端连接，电容管理从板的电容信息采集端与超级电容单元的信号输出端连接，电容管理从板的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接。
所述的电流信号采集器为电流传感器或分流器。
所述的电容管理主板可采用EV02B，电容管理从板可采用EV04C。
所述的超级电容控制单元还包括充电机，充电机并联在超级电容单元的正负极两端。当双向DC-DC变换器不支持对超级电容单元从0V起充时，需要另外配置小功率的充电机。
充电机可采用规格为450V/3A的充电机，若充电机的默认输出为2A，按照默认充电电流2A给超级电容充电，从0V起充到450V，根据下面的计算公式可计算得到所需的充电时间，该计算公式为：
I*T=C*ΔU
式中，I为充电机的充电输出电流，T为充电时间，C为超级电容单元的容值，ΔU为充电压差。假设，电流I为2A，容值C为12.7F，ΔU为450V，时间T=12.7*450/2=2857S，即充电时间为47.6分钟。
超级电容控制单元还可配置一个5.6寸的触摸显示屏，触摸显示屏与电容管理主板连接。
所述的超级电容单元包括一个或多个依次串联的超级电容模组和一个或多个分别与各个超级电容模组一一对应连接的信号端子。如可采用十个串联的超级电容模组组成超级电容单元。
信号端子的电压信号输入端与超级电容模组的电压信号输出端连接，信号端子的过压信号输入端与超级电容模组的过压信号输出端连接，信号端子的温度信号输入端与超级电容模组的温度信号输出端连接，信号端子的输出端与超级电容单元的信号输出端连接。
所述的电机驱动系统还包括第一滤波电路，第一滤波电路并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间。
所述的第一滤波电路包括滤波电容C1，滤波电容C1并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间。
所述的超级电容能量管理系统包括DC-DC输出电路，DC-DC输出电路包括输出电容C2、预充电电阻、预充电继电器和总正继电器。
输出电容C2的一端分别与双向DC-DC变换器的低压侧正极、预充电电阻的一端和总正继电器的一端连接。
输出电容C2的另一端与超级电容单元的负极连接；预充电电阻的另一端与预充电继电器的一端连接，预充电继电器的另一端分别与总正继电器的另一端和超级电容单元的正极连接。
它还包括油管自动计量系统，油管自动计量系统包括轴编码器和PLC计数器，轴编码器安装在绞车的滚筒轴上，其信号输出端与PLC计数器的信号输入端连接，PLC计数器的信号输出端与PLC控制器的油管计量信号输入端连接。
在本实用新型中，所述的变频电动机可选用至少满足以下多个参数指标的防爆抗震变频电动机：
1、额定功率：90KW；
2、额定电压：380VAC；
3、额定转速：591rpm；
4、恒功率转速：1800rpm；
5、最高转速：2200rpm；
6、冷却方式：风冷。
在本实用新型中，所述的充电机可选用至少满足以下多个参数指标的小功率充电机：
1、输入工作电压：176~264 VAC；
2、输入电流：典型值 5.2A，输入230VAC；
3、功率因素：大于0.96；
4、最大输出电压：450 VDC：
5、输出电流默认值：2A；
6、输出电流调节范围：1~3A；
7、输出电压调整率：≤±1%；
8、输出效率：≥92%（典型值）；
9、控制及保护特性：有输出短路保护，自恢复，施加24VDC时关闭输出，断开时输出正常。
充电机是一款给超级电容充电的设备，具备恒流恒压充电特性（浮充模式），其输出电压可调范围：350～450VDC。
充电机可通过对流与传导方式散热，良好的散热性能以可以提高MTBF、延长其使用寿命。充电机内部带有一个风扇，风扇受内部温控电路的自动控制。充电机的外壳起热传导作用，所以在安装时充电机要尽量降低与外界热交换的热阻。
充电机内部可设置隔离二极管，防止超级电容模组极性反接时，对充电机造成损害。
充电机可包含超级电容“电容充满”与充电机“输出正常”两个干结点状态输出；充电机可包含超级电容“电容充满”LED指示灯、充电机“输出正常”LED指示灯和交流电压“输入正常”LED指示灯等多种指示灯。
在本实用新型中，所述的双向DC/DC变换器可选用至少满足以下多个参数指标的双向DC/DC变换器：
1、低压端工作电压范围：220~480 VAC；
2、低压端电流：110 A；
3、低压端最大功率：50KW；
4、高压端工作电压范围：400~600 VDC；
5、高压端电流：110 A；
6、高压端最大功率：50KW；
7、最大效率：94；
8、宽负载范围：92；
9、控制及保护特性：具有两侧过压、欠压保护，具有两侧过留、短路保护。
本实用新型中的超级电容模组的外壳可采用铝合金材料，其表面做阳极氧化处理，其外形尺寸(L*W*H)可设计为416*190*205mm，其重量最好小于14.5Kg。
本实用新型中，可采用十个50.4V166F的超级电容模组，采用一个EV04C从控盒，采用一个EV02B主控盒，采用一台300A/75mV的电流传感器，采用一个LEV100预充电继电器，采用一个DM400M2300R315ADC750V的断路器，采用一个100欧姆/200W的预充电电阻，采用一个220VAC/DC24V-50W开关电源，采用一个400A/600V熔断器，采用一台标准柜体，采用一个EV200不带辅助触点的接触器。
本实用新型还包括第二滤波电路，三相电源通过第二滤波电路与可控整流器的整流输入端连接，第二滤波电路包括滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3，三相电源的三个输出端分别通过滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3与可控整流器的三个整流输入端连接。
本实用新型中，在使用超级电容做功率补偿后，可实现使用小功率的网电，带动大功率电机。如使用110KVA的电网变压器，在超级电容补偿50KW功率的情况下，可以带动功率为150KW的电机。
当系统需要功率补偿时，如进行提升作业时，由PLC控制器控制双向DC/DC变换器为升压模式，由超级电容单元对直流母线放电，补充变频电动机所需功率。
当系统处于待机、制动或小功率运行时，如进行卸管、下放作业时，由PLC控制器控制双向DC/DC变换器为降压模式，由直流母线对超级电容单元进行充电，同时吸收部分制动功率。
当电网停电时，超级电容还可提供一定能量，使修井机能够完成提升复位步骤。
Claims (9)
1.一种修井机动力管理系统，它包括柴油机驱动系统，所述的柴油机驱动系统以柴油机为动力驱动绞车进行修井作业，其特征在于：它还包括监控系统、超级电容能量管理系统和电机驱动系统；
所述的监控系统包括监控显示单元和PLC控制器，超级电容能量管理系统包括双向DC-DC变换器、超级电容控制单元和超级电容单元，电机驱动系统包括可控整流器、变频器和变频电动机，电机驱动系统以变频电动机为动力驱动绞车进行修井作业；
监控显示单元的显示输入端与PLC控制器的显示输出端连接，PLC控制器分别通过现场总线与超级电容控制单元和可控整流器的控制输入端连接，超级电容控制单元的信号采集输入端与超级电容单元的信号输出端连接，超级电容控制单元的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接，可控整流器的整流输入端与三相电源连接，变频器的输出端与变频电动机的电源输入端连接；
双向DC-DC变换器的高压侧正极分别与可控整流器的整流输出端正极和变频器的输入端正极连接，双向DC-DC变换器的高压侧负极分别与可控整流器的整流输出端负极和变频器的输入端负极连接，双向DC-DC变换器的低压侧正极与超级电容单元的正极连接，双向DC-DC变换器的低压侧负极与超级电容单元的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的超级电容控制单元包括电容管理主板、电容管理从板和电流信号采集器；
电容管理主板通过CAN总线与电容管理从板连接，电容管理从板的电流检测端与电流信号采集器的信号输出端连接，电流信号采集器接在超级电容单元的负极端，电容管理从板的总电压/绝缘检测端与超级电容单元的正极端连接，电容管理从板的电容信息采集端与超级电容单元的信号输出端连接，电容管理从板的变换器控制输出端与双向DC-DC变换器的控制输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的电流信号采集器为电流传感器或分流器。
4.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的超级电容控制单元还包括充电机，充电机并联在超级电容单元的正负极两端。
5.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的超级电容单元包括一个或多个依次串联的超级电容模组和一个或多个分别与各个超级电容模组一一对应连接的信号端子；
信号端子的电压信号输入端与超级电容模组的电压信号输出端连接，信号端子的过压信号输入端与超级电容模组的过压信号输出端连接，信号端子的温度信号输入端与超级电容模组的温度信号输出端连接，信号端子的输出端与超级电容单元的信号输出端连接。
6.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的电机驱动系统还包括第一滤波电路，第一滤波电路并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间；
所述的第一滤波电路包括滤波电容C1，滤波电容C1并联在可控整流器的整流输出端的正负极之间。
7.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：所述的超级电容能量管理系统包括DC-DC输出电路，DC-DC输出电路包括输出电容C2、预充电电阻、预充电继电器和总正继电器；
输出电容C2的一端分别与双向DC-DC变换器的低压侧正极、预充电电阻的一端和总正继电器的一端连接；
输出电容C2的另一端与超级电容单元的负极连接；预充电电阻的另一端与预充电继电器的一端连接，预充电继电器的另一端分别与总正继电器的另一端和超级电容单元的正极连接。
8.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：它还包括油管自动计量系统，油管自动计量系统包括轴编码器和PLC计数器，轴编码器安装在绞车的滚筒轴上，其信号输出端与PLC计数器的信号输入端连接，PLC计数器的信号输出端与PLC控制器的油管计量信号输入端连接。
9.根据权利要求1所述的一种修井机动力管理系统，其特征在于：它还包括第二滤波电路，三相电源通过第二滤波电路与可控整流器的整流输入端连接；
所述的第二滤波电路包括滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3，三相电源的三个输出端分别通过滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电感L3与可控整流器的三个整流输入端连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Zhiwu Inventor after: Liu Qing Inventor before: Xu Zhiwu Inventor before: Qian Cunbin |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150624 Termination date: 20180205 |