CN202488138U - 一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置 - Google Patents

一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置 Download PDF

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张建军
王蓉
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Abstract

本实用新型涉及石油开采***中的石油钻机技术领域，具体一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，该装置包括连接电网的电源保护隔离回路、功率补偿模块、滤波模块，以及连接电源保护隔离回路的控制模块，该控制模块还与功率补偿模块、滤波模块连接，所述控制模块包括对电流、电压进行采样的采样单元，对采样单元采集到的信号进行处理的数字信号处理单元。本实用新型在钻机特殊工况(钻机下钻，起钻，不同地层，不同负载等情况)下，也能快速动态跟踪、迅速反映消除电路中的谐波以及对电路的补偿，从而对钻机设备、电路起到保护作用，延长使用寿命。

Description

一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置
技术领域
本实用新型涉及石油开采***中的石油钻机技术领域，具体一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置。
背景技术
在钻井电控***中谐波源主要为绞车、转盘(或顶驱)、泥浆泵变频器，井场用电，负载比较复杂，而占整个钻井设备装机总容量的80％以上的是传动***的用电。随着钻井工况的需要，产生各次谐波电流幅值随着一般钻井负载工况、重载工况变化有所不同，属于波动变化的谐波。谐波的畸变率平均达到30％，功率因数平均为0.5-0.65之间，其危害如下：
(1)引起柴油机油耗增大效率降低，发电机过热输出功率降低；
(2)司钻操作站和监视控制站组态画面图形畸变、亮度波动，数据处理错误；
(3)引发电机转轴扭曲振动问题。严重时候会使发电机不能启动和正常工作；
(4)发电机与主电机的电缆截面选型至少加大30％，当谐波频率接近网络谐振点附近的谐振区时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大；
(5)谐波电流会在三角形联接的辅助变压器绕组中形成环流，增加铜耗使绕组过热，绝缘加速老化、寿命缩短甚至损坏。
目前对上述问题的解决办法是：在钻井电控***配套时普遍采用提高发电机组额定容量，加大发电机的短路容量，加粗主电缆截面，增大辅助变压器容量，以及选用遮断能力强、整定值较大的断路器、熔断器等保护元件的办法，不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，造成了投资浪费，并增加供电***隐患。
另外有少数单位设计出了电容补偿***和谐波处理设备，但存在如下的问题：
(1)不能有效的工作在全周期上，由于钻机负载的特殊性，谐波产生的瞬时性(ms级别)，导致谐波依然存在(某时间段)；
(2)功率补偿***不能正常投入运行，经常发生烧坏，导致不必要的损失；
(3)这种滤波***产生的信号和基波电流的重叠加，更增加设备的负担，甚至烧坏设备；
(4)柴油发电机***和电网供电***不能很好的切换使用，导致设备在某些情况下不能使用；
(5)由于钻机***的复杂性(工况和地质)，有些研究只是停留在书面上，还没有一家使用到油田的***中。
发明内容
针对上述技术问题，本实用新型提供一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，其能够在石油钻机运行时，将对设备产生的冲击和影响的谐波进行动态处理，从根源上消除谐波对钻井设备的危害，延长钻机设备以及整个电路的使用寿命。
实现本实用新型的技术方案如下：
一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，该装置包括连接电网的电源保护隔离回路、功率补偿模块、滤波模块，以及连接电源保护隔离回路的控制模块，该控制模块还与功率补偿模块、滤波模块连接，所述控制模块包括对电流、电压进行采样的采样单元，对采样单元采集到的信号进行处理的数字信号处理单元。
电源保护隔离回路是对钻机设备的主线路进行保护和隔离操作的安全电路；功率补偿模块补偿回路，以提高整个***的功率因素；滤波模块用于处理钻机***中的谐波；采样单元用于采集电路中的电压、电流信号并将信号传输给数字信号处理单元；数字信号处理单元对接收到的信号进行精确运算，并向功率补偿模块、滤波模块发出指令，对电路进行补偿。
所述控制模块还包括连接数字信号处理单元的人机界面、与人机界面连接的输入/输出单元，该输入/输出单元与功率补偿模块连接，以及连接数字信号处理单元的驱动单元。
所述采样单元与数字信号处理单元通过接口单元连接。
采用了上述方案，本实用新型能够对钻机各子路发电机(或电网)的电流、电压信号进行实时采样跟踪检测，将采样后的信号进行矢量均值运算，得到采样样品，将采样样品进行次波含量的分析分解，分离出基波电流，对其他电流进行实时分析分解，分解出2-50次的谐波分量，同时通过转换电路将其转换成数字信号处理单元中的数字化信号，同时通过数字信号处理单元产生PWM脉宽调制信号，即时的产生与不同次谐波大小相同方向相反的电流信号，使谐波信号叠加消除，达到消除谐波的目的。即使本实用新型在钻机特殊工况(钻机下钻，起钻，不同地层，不同负载等情况)下，也能快速动态跟踪、迅速反映消除电路中的谐波以及对电路的补偿，从而对钻机设备、电路起到保护作用，延长使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型的电路框图；
附图中，1为电网，2为电源保护隔离回路，3为功率补偿模块，4为滤波模块，5为控制模块，6为电抗器组，7为电流互感器组，8为采样单元，9为数字信号处理单元，10为人机界面，11为输入/输出单元，12为驱动单元，13为接口单元，14为非线性负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。
参见图1，一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，该装置包括连接电网1的电源保护隔离回路2、功率补偿模块3、滤波模块4，以及连接电源保护隔离回路2的控制模块5，电网1为钻机发电机组、其他设备及负载提供交流电；电网上连接有电网主回路电抗器组6，以及电流互感器组7以及非线性负载14。控制模块5还与功率补偿模块3、滤波模块4连接，控制模块5包括对电流、电压进行采样的采样单元8，对采样单元采集到的信号进行处理的数字信号处理单元9。控制模块还包括连接数字信号处理单元9的人机界面10、与人机界面10连接的输入/输出单元11，该输入/输出单元11与功率补偿模块3连接，以及连接数字信号处理单元9的驱动单元12。驱动单元12控制对应设备动作回路的动作。人机界面10用于人工的调试和参数设置和显示，以及数据查询等；输入/输出单元11为数字量和模拟量的通道；采样单元8与数字信号处理单元9通过接口单元13连接，接口单元用于交换数字信号处理单元与外部数据的交换。
本实用新型考虑到了钻机的特殊性、负荷的冲击性、快速性、网压波动、基波无功、滤波容量等：考虑直流调速设备和交流调速设备产生谐波的相同和不同，在设备的设计时考虑滤波和补偿的同时作用，满足母线侧月平均功率因数达到0.95，同时各滤波支路分配的容量必须大于谐波容量。由于每一滤波器支路具有功率因数补偿和谐波滤波双重作用，故先采取功率因数补偿作为滤波器容量；此装置的设计采用智能型无功控制策略，以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考限量，依据模糊控制理论智能选择电容器组合，电容投切控制采用智能控制理论，自动及时地投切电容补偿，补偿无功功率容量；投切采用过零技术，以保证完全消谐并及时补偿的作用。

Claims (3)

1.一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，其特征在于：该装置包括连接电网的电源保护隔离回路、功率补偿模块、滤波模块，以及连接电源保护隔离回路的控制模块，该控制模块还与功率补偿模块、滤波模块连接，所述控制模块包括对电流、电压进行采样的采样单元，对采样单元采集到的信号进行处理的数字信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，其特征在于：所述控制模块还包括连接数字信号处理单元的人机界面、与人机界面连接的输入/输出单元，该输入/输出单元与功率补偿模块连接，以及连接数字信号处理单元的驱动单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种石油钻机动态谐波抑制和功率补偿装置，其特征在于：所述采样单元与数字信号处理单元通过接口单元连接。
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Patentee after: Jiangsu Enfine Intelligent Technology Co., Ltd.

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