一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于石油钻井平台的（还包括其它提升类负载，卷扬机负载等） 整流、有源滤波及能量反馈制动电路，属于电力谐波抑制及能量反馈制动技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，我国在石油钻采工程上大量使用电驱动钻机，而石油钻机系统通常其动力 配备主要是由柴油发电机组或者公共电网提供。当使用公共电网供电时大量的非线性电子 装置如逆变器、整流器及各种开关电源的使用，使得600V电网系统中存在大量的谐波，从 而对600V电网上的其它用电设备（比如线路、发电机及井场照明）带来不良影响，谐波及 无功损耗加大。目前常用的谐波抑制方法是采用有源电力滤波器（APF)来补偿电网中存在 的谐波与无功。有源电力滤波器的基本原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运 算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补 偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流相互抵消，最终得到期望的电源电流。
[0003] 目前常用在石油钻机平台中的电气传动控制系统为VFD系统（变频调速传动控制 系统），该系统中的每个钻机系统单元将电网AC600V交流电先用二极管整流或晶闸管整流 成直流电，经大容量电容器滤波，再用IGBT三相桥完成逆变过程，得到电压和频率均可调 的交流电，驱动该单元上的绞车、泥浆泵和顶驱或转盘等电机类设备。
[0004] 目前市场上常用于解决电网输入谐波和能量反馈问题的方案有两种，分别如图1 和图2所示。图1采用的是不可控整流加APF的复合电路，并且配置了另外的能量消耗制 动电路。该方案的优点在于二极管整流电路简单可靠，APF容量小。图2采用的四象限全 控整流能量可回馈的电路方式，虽然与前一方案相比器件数量较少，电路简单，但前者全控 模块（APF)容量只为后者全控整流模块容量的40%左右，所以该方案的成本较高。
[0005] VFD系统在减速过程中，电机类负载是处于发电状态的，发出来的电经IGBT管的 寄生二极管全波整流后反馈给直流母线上的电容，使电容两端的电压上升。为了将电容器 上多余的电荷释放掉，这就需要接入制动电阻，通过制动电阻转换成热能消耗掉。这就会造 成能量的损失。
[0006] 一般情况下谐波均是由非线性负载产生的，因此防止谐波电流注入钻机平台电网 的最有效的办法是在谐波源附近安装滤波器，使滤波器中流过的谐波正好与谐波源的谐波 相抵消，从而可以有效阻止谐波流入系统中。对于VFD系统而言，为了取得较好的谐波补偿 效果，最好在每个VFD附近安装APF单元。这无疑增加了系统的复杂度，也不利于集成化设 计。
[0007] 从上述分析可以看出，如图1所示的不可控整流加APF方案需要独立配置有源滤 波单元与斩波制动单元，实际工作时，各单元均分时工作。制动时，电源侧的输入电流为零， 无需APF单元工作，APF处于闲置状态；牵引时，制动单元处于闲置状态，此时只需要APF工 作。因此该方案不仅增加了系统的复杂程度和成本，还降低了设备的利用率。图2所示的 四象限全控整流方案可以实现能量的双向流动，故可实现整流和能量反馈制动功能，并且 无需配APF滤波装置。但由于反馈制动功率通常为牵引功率的40%左右，使得设备的利用 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。
【发明内容】
[0008] 为了解决上述两种常用方案存在的缺点，本发明按照一体化设计理念，将有源电 力滤波单元和能量消耗制动单元的功能复合到一起，用有源电力滤波单元（APF)完成滤波 和能量回馈制动功能，然后整流单元和有源电力滤波单元组合到一起，提高设备利用率，降 低VFD系统的成本和复杂度。
[0009] 本发明具体采用如下技术方案：
[0010] 一种集成了整流、有源滤波和能量反馈功能的复合电路，其特征在于包括整流单 元、有源滤波及无功补偿单元和钳位电路，整流单元与有源滤波及无功补偿单元在交流侧 直接相连，并通过钳位电路在直流侧连接，钳位电路连接在有源滤波及无功补偿单元与直 流母线之间，为能量反馈提供回路。
[0011] 本发明将整流单元与有源电力滤波单元组合在一起，使得补偿环路变短，同时也 构成共母线输出，从而可以使得直流母线上的设备相互交换功率，以提高能量利用率。当电 网电源输出电流从不可控整流器的交流部分流向直流部分时，电流中含有大量的谐波和无 功，因此需要有源滤波器进行滤波和无功补偿；直流部分后接的负载（比如绞车）减速或者 下降时，有能量反馈到直流部分，引起直流母线电压升高，二极管钳位电路接在有源电力滤 波单元与直流母线之间，为能量从制动负载经有源滤波单元回馈电网提供回路，从而稳定 直流电压。本装置可对钻井平台电网中的谐波电流进行较好的补偿，还解决了直流部分后 接的负载（如绞车）下降时所产生的过电压影响，反馈负载制动能量到电网，节能效率高。
[0012] 本发明具有如下有益效果：
[0013] 1、实现整流、有源滤波、能量反馈制动的一体化设计，将APF电路与能量反馈电路 整合到一起，省掉能耗制动电路及其制动电阻，降低了设备制造成本；
[0014] 2、整流单元与有源电力滤波单元装在一起使得补偿环路变短，便于获得较好的补 偿效果，同时也构成共母线输出，从而可以充分的利用母线上的能量；
[0015] 3、本发明电路可在有源滤波状态和能量反馈状态之间相互切换，分时工作，与整 流工况和能量反馈工况的分时工作相适应，以提高设备利用率；
[0016] 4、不可控整流中含有大量的谐波，加入APF单元后对电网输入电源中的谐波及无 功电流进行较好的补偿，降低了电网的损耗，减少了谐波电流；
[0017] 5、二极管整流较IGBT可控整流可靠性更高，即使本发明中的APF装置损坏，没有 滤波功能和能量反馈功能，也不影响后续负载的直流供电，制动时也可采取机械制动来消 耗制动的能量，从而不影响后续电机负载的牵引和制动。
【附图说明】
[0018] 图1是不可控整流加APF复合方案结构图。
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