[实用新型]一种集成整流、有源滤波和能量反馈制动功能的复合电路

说明书

技术领域

本实用新型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

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。

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。

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。

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。

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。

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

为了解决上述两种常用方案存在的缺点，本实用新型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。

本实用新型具体采用如下技术方案：

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。