一種機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種能消除沖擊負(fù)荷的智能控制系統(tǒng)，具體涉及一種機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)通訊連接；智能控制子系統(tǒng)分別與調(diào)峰子系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)通訊連接；機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)還包括與智能控制系統(tǒng)通訊連接的升壓整流子系統(tǒng)。本實(shí)用新型通過增加升壓整流子系統(tǒng)，為調(diào)峰子系統(tǒng)的逆變器及飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)的飛輪電機(jī)提供直流電源，飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)既可以通過調(diào)峰子系統(tǒng)發(fā)電反饋來儲(chǔ)能也可以通過升壓整流子系統(tǒng)提供直流電源來儲(chǔ)能。儲(chǔ)能充足，與柴油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)或者天然氣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配合適，節(jié)能效果明顯。
【專利說明】
一種機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種能消除沖擊負(fù)荷的智能控制系統(tǒng)，具體涉及一種機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆機(jī)是油氣田勘探開發(fā)過程中必不可少的重要鉆井施工設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)鉆機(jī)中機(jī)械鉆機(jī)占有很大比重，在國(guó)家實(shí)施能源戰(zhàn)略以來，節(jié)能、高效、環(huán)保已經(jīng)成為石油鉆機(jī)作業(yè)的重中之重。然而，機(jī)械鉆機(jī)在施工過程中負(fù)載波動(dòng)大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和柴油機(jī)形成較大的沖擊負(fù)荷，由于這種沖擊負(fù)荷的存在產(chǎn)生了以下問題:
[0003](I)起下鉆作業(yè)時(shí)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生很大的突變，為了及時(shí)補(bǔ)償瞬時(shí)高負(fù)荷而不致柴油機(jī)停機(jī)，單機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率配置會(huì)偏高，這樣會(huì)浪費(fèi)很大一部分閑置功率。
[0004](2)當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，為了保證輸出功率柴油機(jī)會(huì)出現(xiàn)燃燒不充分冒黑煙情況，造成柴油機(jī)燃油效率降低。
[0005](3)由于突變負(fù)載的沖擊，柴油機(jī)的部件疲勞損壞加劇，影響柴油機(jī)運(yùn)行壽命。
[0006](4)限制了節(jié)能環(huán)保的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。
[0007]為了克服以上問題，可以在機(jī)械鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中增加調(diào)峰控制系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)處于空載或負(fù)載較小的情況時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)在柴油機(jī)組帶動(dòng)下發(fā)電運(yùn)行，給儲(chǔ)能器提供電能，由儲(chǔ)能器存儲(chǔ)能量。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)有突加負(fù)載時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)切換到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，由儲(chǔ)能器輸出電能，經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制調(diào)峰電機(jī)輸出動(dòng)力，承擔(dān)突加負(fù)載的沖擊，待負(fù)載穩(wěn)定后逐漸退出，達(dá)到平抑負(fù)載對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，保障動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷沖擊工況得到了較好的改善，但是仍然存在儲(chǔ)能器儲(chǔ)能不足，節(jié)能效果不明顯的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種能源利用率高、節(jié)能效果好的新型機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:所提供的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng);所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)通訊連接;所述智能控制子系統(tǒng)分別與調(diào)峰子系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)通訊連接;其特殊之處在于:所述機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)還包括與智能控制系統(tǒng)通訊連接的升壓整流子系統(tǒng)。飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)既可以通過調(diào)峰子系統(tǒng)發(fā)電反饋來儲(chǔ)能也可以通過升壓整流子系統(tǒng)提供直流電源來儲(chǔ)能，節(jié)能效果明顯。
[0010]上述升壓整流子系統(tǒng)包括依次連接的輔助發(fā)電機(jī)、升壓變壓器和整流器;所述整流器通過直流母線與智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)以及飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)相連。輔助發(fā)電機(jī)輸出的低壓交流電通過升壓變壓器和整流器后整流為高壓直流電，為飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)提供直流電源。
[0011]上述升壓整流子系統(tǒng)還包括與直流母線相連的制動(dòng)模塊，可有效確保直流母線電壓穩(wěn)定，防止因電壓太高損壞其他設(shè)備或危及人員安全。
[0012]上述機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)還包括與智能控制系統(tǒng)通訊連接的能量回收子系統(tǒng)，所述能量回收子系統(tǒng)通過直流母線與飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)相連，在游車下放過程中將勢(shì)能通過能量回收電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再通過直流母線傳輸至飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)中，提高了能源的利用率。
[0013]上述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)之間通過MODBUS協(xié)議通訊連接;所述智能控制子系統(tǒng)內(nèi)部采用工業(yè)以太網(wǎng)；所述智能控制子系統(tǒng)連接一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，再通過CAN0PEN協(xié)議與調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、升壓整流子系統(tǒng)以及能量回收子系統(tǒng)通訊連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除了因網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的時(shí)滯。
[0014]上述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括速度傳感器、壓力開關(guān)、懸重傳感器和編碼器，采集速度信號(hào)、懸重信號(hào)、離合信號(hào)等信息。
[0015]上述智能控制子系統(tǒng)包括上位機(jī)HM1、工況機(jī)、系統(tǒng)PLC和智能控制器CPU，通過實(shí)時(shí)計(jì)算精確控制調(diào)峰電機(jī)的工作狀態(tài)以及輸出功率。
[0016]上述調(diào)峰子系統(tǒng)包括調(diào)峰電機(jī)、減速箱和逆變器;所述調(diào)峰電機(jī)通過減速箱與并車傳動(dòng)箱相連，既可以作為電動(dòng)機(jī)給并車傳動(dòng)箱提供動(dòng)力，又可以作為發(fā)電機(jī)將并車傳動(dòng)箱的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
[0017]上述飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)包括飛輪電機(jī)和飛輪;所述飛輪電機(jī)與逆變器相連。逆變器用于控制飛輪電機(jī)。
[0018]上述飛輪電機(jī)為永磁電機(jī)，所述飛輪為合金鋼飛輪;永磁電機(jī)通過永磁軸承與合金鋼飛輪相連，飛輪電機(jī)與飛輪之間進(jìn)行電能和動(dòng)能的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換。
[0019]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020](I)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化:本實(shí)用新型通過增加升壓整流子系統(tǒng)，為調(diào)峰子系統(tǒng)的逆變器及飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)的飛輪電機(jī)提供直流電源，飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)既可以通過調(diào)峰子系統(tǒng)發(fā)電反饋來儲(chǔ)能也可以通過升壓整流子系統(tǒng)提供直流電源來儲(chǔ)能。儲(chǔ)能充足，與柴油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)或者天然氣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配合適，節(jié)能效果明顯。
[0021](2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化:本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)之間通過MODBUS協(xié)議通訊連接；智能控制子系統(tǒng)內(nèi)部采用工業(yè)以太網(wǎng)；智能控制子系統(tǒng)連接一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，再通過CAN0PEN協(xié)議與調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、升壓整流子系統(tǒng)以及能量回收子系統(tǒng)通訊連接。可以消除因網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的時(shí)滯，調(diào)峰系統(tǒng)跟隨性強(qiáng)，補(bǔ)峰及時(shí)，同時(shí)可以抑制偶然性干擾信號(hào)的出現(xiàn)，抗干擾性強(qiáng)。
[0022](3)系統(tǒng)算法優(yōu)化:本實(shí)用新型采用系統(tǒng)前饋算法，將實(shí)際懸重、栗載以及柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量同時(shí)納入算法中，消除負(fù)荷突變到系統(tǒng)反應(yīng)的時(shí)間差，使調(diào)峰電機(jī)及時(shí)投入運(yùn)行，緩解柴油機(jī)功率輸出，調(diào)峰電機(jī)功率緩慢最后切出，柴油機(jī)輸出功率緩慢上升。
[0023](4)系統(tǒng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì):本實(shí)用新型優(yōu)化系統(tǒng)硬件、合理規(guī)劃元器件布置及控制電纜的走線、完善接地及屏蔽設(shè)計(jì)，消除因信號(hào)干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)計(jì)算不準(zhǔn)確滿足系統(tǒng)EMC要求并對(duì)核心控制器及部件做EMC測(cè)試。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的使用狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]參見圖1，本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、升壓整流子系統(tǒng)和能量回收子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)通過CAN0PEN協(xié)議通訊連接，智能控制子系統(tǒng)內(nèi)部采用工業(yè)以太網(wǎng)。智能控制子系統(tǒng)連接一個(gè)以太網(wǎng)/CAN0PEN協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，再通過CAN0PEN協(xié)議與調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、升壓整流子系統(tǒng)以及能量回收子系統(tǒng)通訊連接。
[0027]參見圖2，本實(shí)用新型提供了一種在鉆井起下鉆工況下消除此工況所帶來的沖擊負(fù)荷的控制方案。通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械鉆機(jī)的負(fù)載狀況進(jìn)行采集和分析，自動(dòng)判斷傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)處于空載或負(fù)載較小的情況時(shí)，通過智能控制子系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)在柴油機(jī)組帶動(dòng)下發(fā)電運(yùn)行，給儲(chǔ)能器提供電能，由儲(chǔ)能器存儲(chǔ)能量。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)有突加負(fù)載時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制調(diào)峰電機(jī)切換到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，由儲(chǔ)能器輸出電能，經(jīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制調(diào)峰電機(jī)輸出動(dòng)力，承擔(dān)突加負(fù)載的沖擊，待負(fù)載穩(wěn)定后逐漸退出，達(dá)到平抑負(fù)載對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，保障動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行。
[0028]在此基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型增加了升壓整流子系統(tǒng)，鉆機(jī)井場(chǎng)輔助發(fā)電機(jī)輸出的400VAC交流三線電源，經(jīng)過400VAC/690VAC升壓變壓器升壓至690VAC三相交流電源，再通過整流器整流為900VDC直流電源，為調(diào)峰子系統(tǒng)的逆變器及飛輪系統(tǒng)提供直流電源，飛輪系統(tǒng)即可以通過調(diào)峰子系統(tǒng)發(fā)電反饋來儲(chǔ)能也可以通過升壓整流系統(tǒng)提供直流電源來儲(chǔ)能。在直流母線上并配有制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩組制動(dòng)單元，分別連接兩組制動(dòng)電阻，單組額定制動(dòng)電流為85A最大制動(dòng)電流為300A，可有效確保直流母線電壓穩(wěn)定，防止因電壓太高損壞其他設(shè)備或危及人員安全。增加能量回收子系統(tǒng)，在游車下放過程中將勢(shì)能通過能量回收電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能輸?shù)街绷髂妇€上，通過飛輪逆變器控制存單元使飛輪電機(jī)加速，將能量存儲(chǔ)在飛輪儲(chǔ)能器中，提高了能源的利用率。
[0029]智能控制子系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以太網(wǎng)，消除因網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的時(shí)滯，以西門子S7_1200PLC作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，鉆臺(tái)區(qū)子站S7_smart200PLC，上位機(jī)HM1、CAN0PEN/以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器為網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)。鉆臺(tái)區(qū)子站S7_smart200PLC用于采集鉆臺(tái)區(qū)離散量數(shù)據(jù)及懸重信號(hào)，做初步數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)HMI用于參數(shù)設(shè)定，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，故障診斷。CAN0PEN/以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器用于將升壓整流子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、能量回收子系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)打包。CAN0PEN網(wǎng)絡(luò)中，CAN0PEN/以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為網(wǎng)絡(luò)主站，升壓整流子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、能量回收子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)從站。Mod-bus網(wǎng)絡(luò)中，S7_1200PLC作為主站，ICU200作為網(wǎng)絡(luò)從站。
[0030]系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu):直接控制級(jí)、過程控制級(jí)、系統(tǒng)管理級(jí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括工控機(jī)、上位軟件、下位采集設(shè)備、傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。其中工控機(jī)采用研華工控機(jī)，上位軟件采用西門子監(jiān)控軟件、傳感器包括速度傳感器、懸重傳感器、壓力開關(guān)、編碼器，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通訊協(xié)議。
[0031]智能控制器CPU采用DSP控制芯片，有數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出，485串口，24VDC供電。將采集到的數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)判斷此時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)是處于輕載狀態(tài)或是沖擊負(fù)荷狀態(tài)。同時(shí)，控制器可以通過控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出此時(shí)應(yīng)輸出扭矩，使動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到柔性輸出運(yùn)行狀態(tài)。
[0032]調(diào)峰電機(jī)，額定電壓600VDC，額定電流1138，額定功率1000kW，額定轉(zhuǎn)速799r/min，最高轉(zhuǎn)速1198r/min。在動(dòng)力系統(tǒng)空載或者輕載的時(shí)候，可以作為發(fā)電機(jī)，當(dāng)遇到突變負(fù)載時(shí)，可以作為電動(dòng)機(jī)。
[0033]飛輪儲(chǔ)能器的基本特征，采用合金鋼飛輪，采用永磁軸承、永磁電機(jī)，采用IGBT功率模塊，最高工作轉(zhuǎn)速2700r/min。在動(dòng)力系統(tǒng)空載或者輕載時(shí)，可以通過永磁電機(jī)加速提高飛輪轉(zhuǎn)速，將電能以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存，在動(dòng)力系統(tǒng)遇到突變負(fù)載時(shí)，飛輪將存儲(chǔ)的動(dòng)能以電能的方式輸出。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng);所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)通訊連接;所述智能控制子系統(tǒng)分別與調(diào)峰子系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)通訊連接； 其特征在于:所述機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)還包括與智能控制系統(tǒng)通訊連接的升壓整流子系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述升壓整流子系統(tǒng)包括依次連接的輔助發(fā)電機(jī)、升壓變壓器和整流器;所述整流器通過直流母線與智能控制子系統(tǒng)、調(diào)峰子系統(tǒng)以及飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述升壓整流子系統(tǒng)還包括與直流母線相連的制動(dòng)模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)還包括與智能控制系統(tǒng)通訊連接的能量回收子系統(tǒng)，所述能量回收子系統(tǒng)通過直流母線與飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)相連。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與智能控制子系統(tǒng)之間通過MODBUS協(xié)議通訊連接;所述智能控制子系統(tǒng)內(nèi)部采用工業(yè)以太網(wǎng)；所述智能控制子系統(tǒng)連接一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，再通過CAN0PEN協(xié)議與調(diào)峰子系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)、升壓整流子系統(tǒng)以及能量回收子系統(tǒng)通訊連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括速度傳感器、壓力開關(guān)、懸重傳感器和編碼器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述智能控制子系統(tǒng)包括上位機(jī)HM1、工況機(jī)、系統(tǒng)PLC和智能控制器CPU。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述調(diào)峰子系統(tǒng)包括調(diào)峰電機(jī)、減速箱和逆變器;所述調(diào)峰電機(jī)通過減速箱與并車傳動(dòng)箱相連。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)包括飛輪電機(jī)和飛輪;所述飛輪電機(jī)與逆變器相連。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)械調(diào)峰電控系統(tǒng)，其特征在于:所述飛輪電機(jī)為永磁電機(jī)，所述飛輪為合金鋼飛輪;永磁電機(jī)通過永磁軸承與合金鋼飛輪相連。
【文檔編號(hào)】G05B19/04GK205540048SQ201620180846
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年3月9日
【發(fā)明人】呂邦凱, 李彬, 郭巧合, 馬海濤, 唐獻(xiàn)偉
【申請(qǐng)人】西安寶德自動(dòng)化股份有限公司