一種集成整流、有源濾波和能量反饋制動功能的復合電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井平臺的（還包括其它提升類負載，卷揚機負載等） 整流、有源濾波及能量反饋制動電路，屬于電力諧波抑制及能量反饋制動技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前，我國在石油鉆采工程上大量使用電驅動鉆機，而石油鉆機系統(tǒng)通常其動力 配備主要是由柴油發(fā)電機組或者公共電網提供。當使用公共電網供電時大量的非線性電子 裝置如逆變器、整流器及各種開關電源的使用，使得600V電網系統(tǒng)中存在大量的諧波，從 而對600V電網上的其它用電設備（比如線路、發(fā)電機及井場照明）帶來不良影響，諧波及 無功損耗加大。目前常用的諧波抑制方法是采用有源電力濾波器（APF)來補償電網中存在 的諧波與無功。有源電力濾波器的基本原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運 算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補 償電流與負載電流中要補償的諧波和無功等電流相互抵消，最終得到期望的電源電流。
[0003] 目前常用在石油鉆機平臺中的電氣傳動控制系統(tǒng)為VFD系統(tǒng)（變頻調速傳動控制 系統(tǒng)），該系統(tǒng)中的每個鉆機系統(tǒng)單元將電網AC600V交流電先用二極管整流或晶閘管整流 成直流電，經大容量電容器濾波，再用IGBT三相橋完成逆變過程，得到電壓和頻率均可調 的交流電，驅動該單元上的絞車、泥漿泵和頂驅或轉盤等電機類設備。
[0004] 目前市場上常用于解決電網輸入諧波和能量反饋問題的方案有兩種，分別如圖1 和圖2所示。圖1采用的是不可控整流加APF的復合電路，并且配置了另外的能量消耗制 動電路。該方案的優(yōu)點在于二極管整流電路簡單可靠，APF容量小。圖2采用的四象限全 控整流能量可回饋的電路方式，雖然與前一方案相比器件數量較少，電路簡單，但前者全控 模塊（APF)容量只為后者全控整流模塊容量的40%左右，所以該方案的成本較高。
[0005] VFD系統(tǒng)在減速過程中，電機類負載是處于發(fā)電狀態(tài)的，發(fā)出來的電經IGBT管的 寄生二極管全波整流后反饋給直流母線上的電容，使電容兩端的電壓上升。為了將電容器 上多余的電荷釋放掉，這就需要接入制動電阻，通過制動電阻轉換成熱能消耗掉。這就會造 成能量的損失。
[0006] 一般情況下諧波均是由非線性負載產生的，因此防止諧波電流注入鉆機平臺電網 的最有效的辦法是在諧波源附近安裝濾波器，使濾波器中流過的諧波正好與諧波源的諧波 相抵消，從而可以有效阻止諧波流入系統(tǒng)中。對于VFD系統(tǒng)而言，為了取得較好的諧波補償 效果，最好在每個VFD附近安裝APF單元。這無疑增加了系統(tǒng)的復雜度，也不利于集成化設 計。
[0007] 從上述分析可以看出，如圖1所示的不可控整流加APF方案需要獨立配置有源濾 波單元與斬波制動單元，實際工作時，各單元均分時工作。制動時，電源側的輸入電流為零， 無需APF單元工作，APF處于閑置狀態(tài)；牽引時，制動單元處于閑置狀態(tài)，此時只需要APF工 作。因此該方案不僅增加了系統(tǒng)的復雜程度和成本，還降低了設備的利用率。圖2所示的 四象限全控整流方案可以實現能量的雙向流動，故可實現整流和能量反饋制動功能，并且 無需配APF濾波裝置。但由于反饋制動功率通常為牽引功率的40%左右，使得設備的利用 率降低，全控整流方案的成本也高于不可控整流加少量的APF方案，并且不控整流比全控 整流可靠性更高。

【發(fā)明內容】

[0008] 為了解決上述兩種常用方案存在的缺點，本發(fā)明按照一體化設計理念，將有源電 力濾波單元和能量消耗制動單元的功能復合到一起，用有源電力濾波單元（APF)完成濾波 和能量回饋制動功能，然后整流單元和有源電力濾波單元組合到一起，提高設備利用率，降 低VFD系統(tǒng)的成本和復雜度。
[0009] 本發(fā)明具體采用如下技術方案：
[0010] 一種集成了整流、有源濾波和能量反饋功能的復合電路，其特征在于包括整流單 元、有源濾波及無功補償單元和鉗位電路，整流單元與有源濾波及無功補償單元在交流側 直接相連，并通過鉗位電路在直流側連接，鉗位電路連接在有源濾波及無功補償單元與直 流母線之間，為能量反饋提供回路。
[0011] 本發(fā)明將整流單元與有源電力濾波單元組合在一起，使得補償環(huán)路變短，同時也 構成共母線輸出，從而可以使得直流母線上的設備相互交換功率，以提高能量利用率。當電 網電源輸出電流從不可控整流器的交流部分流向直流部分時，電流中含有大量的諧波和無 功，因此需要有源濾波器進行濾波和無功補償；直流部分后接的負載（比如絞車）減速或者 下降時，有能量反饋到直流部分，引起直流母線電壓升高，二極管鉗位電路接在有源電力濾 波單元與直流母線之間，為能量從制動負載經有源濾波單元回饋電網提供回路，從而穩(wěn)定 直流電壓。本裝置可對鉆井平臺電網中的諧波電流進行較好的補償，還解決了直流部分后 接的負載（如絞車）下降時所產生的過電壓影響，反饋負載制動能量到電網，節(jié)能效率高。
[0012] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0013] 1、實現整流、有源濾波、能量反饋制動的一體化設計，將APF電路與能量反饋電路 整合到一起，省掉能耗制動電路及其制動電阻，降低了設備制造成本；
[0014] 2、整流單元與有源電力濾波單元裝在一起使得補償環(huán)路變短，便于獲得較好的補 償效果，同時也構成共母線輸出，從而可以充分的利用母線上的能量；
[0015] 3、本發(fā)明電路可在有源濾波狀態(tài)和能量反饋狀態(tài)之間相互切換，分時工作，與整 流工況和能量反饋工況的分時工作相適應，以提高設備利用率；
[0016] 4、不可控整流中含有大量的諧波，加入APF單元后對電網輸入電源中的諧波及無 功電流進行較好的補償，降低了電網的損耗，減少了諧波電流；
[0017] 5、二極管整流較IGBT可控整流可靠性更高，即使本發(fā)明中的APF裝置損壞，沒有 濾波功能和能量反饋功能，也不影響后續(xù)負載的直流供電，制動時也可采取機械制動來消 耗制動的能量，從而不影響后續(xù)電機負載的牽引和制動。
【附圖說明】
[0018] 圖1是不可控整流加APF復合方案結構圖。
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