一种用于修井车的变频驱动系统的制作方法

1.本实用新型一般地涉及油田工程领域。更具体地，本实用新型涉及一种用于修井车的变频驱动系统。


背景技术：

2.目前，越来越多的特种作业车用于油气生产中，例如修井车就是其中之一。修井车是修井和井下作业施工中最基本、最主要的动力来源。修井车在井场作为动力源，为了应对不同的需求，一般需要设置变频驱动系统来驱动不同的电机或泵等用电设备。而现有的修井车上只配备了少量通用的变频驱动系统，例如，驱动修井车上的行车电机、绞车电机的变频驱动系统，而一些特种作业的用电设备的变频驱动系统则一般配置在井场中，例如，井场中的主油泵、防喷器等的变频驱动系统。这就导致在每次作业时，都需要在现场对这些变频驱动系统进行调试，而且日常维护也需要工作人员到现场进行。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种用于修井车的变频驱动系统，以解决现有用于油气生产设备的变频驱动系统一部分安装在井场中，一部分安装在修井车上，使得修井车不能兼顾所有井场生产，且工作人员需要到现场进行检修维护的问题。
4.为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于修井车的变频驱动系统，包括：供电单元和组合驱动单元，所述供电单元的输出端与组合驱动单元的电源输入端连接；所述组合驱动单元包括若干条并联连接的变频支路，每条变频支路包括一台变频器，变频器具有相应的输出接口，所述输出接口用于连接对应的外部用电设备；所述组合驱动单元设置于一个变频驱动系统柜中。
5.在一个实施例中，所述供电单元采用电池组供电。
6.在一个实施例中，所述组合驱动单元还包括辅助供电支路，所述辅助供电支路包括依次连接的辅助断路器、逆变器和变压器。
7.在一个实施例中，变频支路包括主变频支路和至少一条辅助变频支路，主变频支路上连接有主变频器，主变频器的输出接口用于连接外部主用电设备；辅助变频支路上连接有辅助变频器，辅助变频器的输出接口用于连接外部辅助用电设备。
8.在一个实施例中，所述主变频支路上还设置有双电源转换开关，所述主变频器通过所述双电源转换开关连接两台外部主用电设备。
9.在一个实施例中，所述主变频支路上还设置有若干个级联的双电源转换开关，所述主变频器通过所述级联的双电源转换开关连接至少两台外部主用电设备。
10.在一个实施例中，所述组合驱动单元还包括控制单元，所述控制单元包括信号采集模块、485通讯模块和处理器，所述信号采集模块分别连接所述主变频器和辅助变频器，用于采集所述主变频器和所述辅助变频器的运行状态及故障信息；所述处理器分别与所述信号采集模块和485通讯模块电连接，用于将所述主变频器和辅助变频器的运行状态及故
障信息上送。
11.在一个实施例中，所述变频驱动系统柜的面板上还设置有主变频器调试口与辅助变频器调试口，用于对变频参数进行调整。
12.在一个实施例中，所述变频驱动系统柜的面板上还设置有用于显示变频器工作状态的指示灯，所述指示灯与所述变频器一一对应。
13.本实用新型与现有技术的区别在于，本实用新型将井场中所有设备的变频驱动设备集成在修井车上的变频驱动系统柜中，实现了利用修井车就能够为各井场中所有用电设备的供电。而且，工作人员只需要对修井车上的变频驱动系统柜进行检修维护，不需要再去现场，不仅能够降低工作人员的劳动强度，也能够提高油气生产的效率。
附图说明
14.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
15.图1是根据本实用新型一种实施例的用于修井车的变频驱动系统的结构示意图；
16.图2是根据本实用新型一种实施例的用于修井车的变频驱动系统的电路结构示意图；
17.图3是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜中变频支路组成示意图；
18.图4是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜中主变频支路结构示意图；
19.图5是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜中多个级联的双电源转换开关结构示意图；
20.图6是根据本实用新型一种实施例的组合驱动单元的控制单元结构示意图；
21.图7是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜外形示意图；
22.图8是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜前面板示意图；
23.图9是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜左面板示意图；
24.图10是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜后面板示意图；
25.图11是根据本实用新型一种实施例的变频驱动系统柜底部面板示意图；
26.图12是根据本实用新型一种实施例的修井车供电连线示意图。
具体实施方式
27.修井车是石油专用钻采设备，配置有大型发电机，是修井和井下作业施工中最基本、最主要的动力来源。目前的修井车上，通常都配置有发动机、发电机、电动机、井架、绞车部分、变频驱动系统等，提供起下作业、井内循环作业、旋转作业等作业项目。
28.变频驱动系统通过改变频率实现无级调速，即通过改变电源频率的方式同步改变电机转速。随着电力电子技术的不断发展进步，变频驱动系统得到了广泛的应用。目前，在油田工程机械设备上，变频驱动系统也成为至关重要的系统组成。例如，利用变频器驱动修井车行车电机、绞车电机、油泵、油管举升机、风机等。修井车在井场作为动力源，为了应对不同的需求，一般需要设置相应的变频驱动系统来驱动不同的电机或泵等用电设备，因而，不同的电机对应不同的变频器设备。
29.通常情况下，变频驱动系统与其驱动的用电设备布置在附近，更有甚者，将变频器与电机等一体化设置。尤其在油气田生产中，一些特种作业的用电设备的变频驱动系统一般配置在井场中，例如，井场中的主油泵、防喷器等的变频驱动系统。这就导致作业时需要在现场对这些变频驱动系统进行调试、检修、维护，并且，在出现故障时，需要派工作人员到现场进行检修、维护，显著降低了生产效率。而且，在实际生产中，现有的修井车上只配备了少量通用的变频驱动系统，例如，用来驱动修井车上的行车电机、空压机等设备的变频驱动系统。这种情况下，生产系统中各类变频驱动设备一部分设置在修井车上，一部分分布在井场中，布置相对分散，不利于检修维护。
30.本实用新型的基本构思是：在修井车上设置变频驱动系统柜，将分布在井场中的变频系统和修井车上的变频驱动系统统一集成于变频驱动系统柜中，即将生产中所有可能用到的变频设备都集成在变频驱动系统柜中，使得修井车就能够提供井场中各种类型的变频需求。而且，工作人员只需要对修井车进行检修维护，不需要去现场。
31.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
32.在一个实施例中，如图1所示的修井车的变频驱动系统，包括供电单元1和组合驱动单元2。组合驱动单元2设置于一个变频驱动系统柜100中。供电单元1的输出端与组合驱动单元2的电源输入端连接，从而为组合驱动单元2提供供电电源。供电单元1根据用户需求，可采用不同的供电形式。供电单元1作为变频驱动系统柜的动力源，可以采用电池组供电，例如，标称电压640vdc，工作电压范围540v到720v的电池组。也可采用发电机供电、电网供电等其他的供电方式，可根据需要进行调整。
33.上述组合驱动单元2包括若干条并联连接的变频支路21，每条变频支路包括一台变频器，变频器具有相应的输出接口，以连接外部用电设备5。在一种实施方式中，外部用电设备5可以为电机、泵等。组合驱动单元2的实质是通过多个变频器组成的可驱动多种外部用电设备的结构。而常规设计的变频驱动系统与本实施例的区别在于，常规设计中各类变频器通常一部分设置在井场中，而部分通用型的变频器才设置在修井车上。
34.进一步地，如图2所示的一种用于修井车的变频驱动系统。变频驱动系统中的组合驱动单元2，包括通过分线铜排210形成的8条变频支路：变频支路l1、变频支路l2、变频支路l3、变频支路l4、变频支路l5、变频支路l6、变频支路l7、变频支路l8，这8条变频支路通过主断路器209连接组合驱动单元2的电源输入端。每条变频支路上都设置有对应的变频器：变频器201、变频器202、变频器203、变频器204、变频器205、变频器206、变频器207、变频器208，从而驱动不同需求的用电设备。例如，8个变频器分别为功率为355kw或280kw的逆变器、功率为30kw的逆变器、功率为18kw的逆变器、两个功率为11kw的逆变器、两个功率为5kw的逆变器。分别可以驱动标称电压为380vac的用电设备，包括行车电机、绞车电机、主油泵、防喷器、转向油泵、油管举升机、空压机、风机1和风机2等。组合驱动单元2还设置有辅助供电支路22。具体地，图2中示出了辅助供电支路的一种组成结构，辅助供电支路包括依次连接的辅助断路器221、逆变器222和变压器223。可提供380vac和220vac的工频生活用电，以及可在变压器后223连接一个dcdc变换器，实现24v直流电输出。
35.以上实施例将井场中所有可能用到的变频驱动设备都集成在变频驱动系统柜中，一方面，将井场中分散的变频器都设置在一个变频驱动系统柜中，有利于油田生产中所用的变频驱动设备的工业生产；另一方面，实现了仅利用修井车就能够驱动所有井场用电设备，而不需要再单独对井场中的设备进行变频驱动配置，检修维护时，工作人员也不需要再去现场。
36.在一个实施例中，如图3所示出的组合驱动单元中的变频支路，包括主变频支路l1和至少一条辅助变频支路l2等，主变频支路l1上连接有主变频器201，主变频器201的输出接口用于连接外部主用电设备；辅助变频支路l2上连接有辅助变频器202等，辅助变频器202的输出接口用于连接外部辅助用电设备。
37.进一步地，变频器的工作原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。基于所采用的供电电源是电池组，主变频器和辅助变频器采用逆变器实现，在其他实施方式中，也可以根据供电电源的形式或是用户需求，采用其他形式的变频器，例如交流
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直流
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交流方式的变频器等。另外，本实施例中采用的变频器应当具有缺相、过压、欠压、过热、过载、过流、短路、通讯断线等保护，可以更加可靠的维护变频与电机运转。
38.在一个实施例中，主变频支路l1上还设置有双电源转换开关s11，如图4所示出的主变频支路结构中，主变频器通过双电源转换开关s11连接两台外部主用电设备。这种情况下，主变频器201可以具有两套宏。以变频驱动系统柜中的主变频器201可驱动修井车355kw行车电机与280kw绞车电机为例，驱动车辆行驶电机与绞车工作电机通过双电源转换开关s11进行切换，当双电源转换开关s11旋至车辆行驶时，主变频器201按照用户宏1方式工作，驱动355kw行车电机；当双电源转换开关s11旋至绞车工作时，主变频器201驱动按照用户宏2方式工作，驱动280kw绞车电机工作。而变频驱动系统的其他7个辅助变频器可以用来驱动修井车与井场其他用电设备。本实施例中所采用的双电源转换开关s11，双电源转换开关的输入端具有互为主备的两套三相电源接口，本实施例中仅需要其中一个电源输入接口，故将备用电源接口短接即可。而双电源转换开关s11的输出端则有两套u、v、w三相输出，因此能够实现两台外部主用电设备的用电切换。
39.在一个实施例中，如图5所示出的级联的多个双电源转换开关，在主变频器到外部主用电设备之间连接线路上，双电源转换开关通过级联的方式进行连接，通过级联的若干个双电源转换开关能够实现一台主变频器驱动多个外部主用电设备。在对这多个外部主用电设备进行供电时，可通过可编程逻辑控制器(plc)控制多个级联的双电源转换开关进行切换，从而实现对多个不同的外部主用电设备之间进行供电切换。例如，当使用三个双电源转换开关进行级联时，第一级设置有一个双电源转换开关，第二级设置有两个双电源转换开关，则在第二级的两个双电源转换开关支持连接4台外部主用电设备。当然，这里支持连接4台外部主用电设备并不意味着本发明的方案必须要连接4台，技术人员可以根据现场要求和外部主用电设备的数目来灵活的连接，例如仅连接1台或者连接2或3台。
40.在一个实施例中，如图6所示的用于修井车的变频驱动系统的控制单元4，用于采集各个变频器信息以及调节变频器参数。变频器在进行工作时，需要结合实际情况对运行参数等进行调整，此时就需要对变频器设置对应的信息采集及能够调试参数的机构配置。
41.具体地，控制单元4的具体结构主要包括信号采集模块401和处理器402，处理器
402与信号采集模块401电连接。信号采集模块401分别连接主变频器、辅助变频器，用于采集主变频器、辅助变频器的运行状态及故障信息。采集模块可以包括电流采集模块、电压采集模块等采集模块或采集设备。处理器402分别与主变频器、辅助变频器电连接，用于调节对应变频器参数。例如，在一种实施方式中，变频器为逆变器，则可以通过控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。那么，用户就可以通过这种方式改变变频器参数，得到所需要的设置。
42.进一步地，控制单元4还包括485通讯模块403，485通讯模块403连接处理器402，用于将主变频器、辅助变频器的运行状态及故障信息上送到车载控制plc系统6，例如，电机运行数据及故障代码可以通过控制单元中的485通讯传输出来。处理器还可根据采集的信息计算各个变频支路的负载情况，将负载信息上送给车载控制plc系统6，方便用户及时进行调整。
43.图7
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图11示出了变频驱动系统柜100，图7示出了变频驱动系统柜的外形，图8示出了变频驱动系统柜的前面板设置，图9示出了左面板设置，图10示出了后面板设置，图11示出了底部面板设置，下面具体描述：在变频驱动系统柜100的前面板上设置多个调试口230，调试口230可对电机变频参数进行设置，并且调试口230可设置为不同的接口类型。例如，调试口设置为两个，分别为主变频器调试口与辅助变频器调试口，其中5芯威普调试口为主变频器调试口，当调试主变频器时，直接插上调试线即可调试。网口为辅助变频器调试口，即可将上述7个辅助变频器的调试口汇聚成一个网口，当调试辅助变频器时，只需要在网口上插上调试线，并选择对应的辅助变频器，即可实现对辅助变频器的调试。调试口230可设置在变频驱动系统柜的柜门(即前面板)上，例如进风百叶窗231的上部或者顶部，在其他实施方式中，用户可根据需要选择设置位置和设置方式。变频驱动系统柜前面板上还设置有指示灯，能够表示变频器的运行状态，当变频驱动系统运行时，相对应的指示灯就会亮起。变频驱动系统柜100上的左侧面板上设置有各类断路器把手，包括主断路器把手232、辅助供电支路断路器把手233、切换开开关把手234，工作人扳动把手便可切断供电，在后面板上又设置有散热器235以及对应的散热风机237等，并且，在后面板上还设置有直流进线口236。变频驱动系统柜100的底部面板上还设置有进出线口238，以便从对应的出线口引出线缆，利用引出的线缆连接外部用电设备实现对外部用电设备供电。
44.在一个实施例中，如图12所示的一种修井车，车上装载有变频驱动系统柜100，通过变频驱动系统柜100上的出线口能够引出相应的电缆线，电缆线的输出供电接口端7安装固定在修井车上，例如在修井车的车身一侧安装专门的排插，作为供电接口端。在修井车行驶进入井场后，工作人员可以直接将井场中的用电设备5(例如井口用的风机501、电机502)的电源接口插在修井车上对应规格的供电接口处，即可实现修井车对井场设备的供电。例如，修井车进入井场后，在绞车设置完成后，将绞车电机连接对应的供电接口，以及将井场中的风机501、防喷器502分别连接车身上对应规格的供电接口，从而实现修井车上的变频驱动系统柜100能够同时为井场中的各种用电设备提供动力。
45.在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通
过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。
47.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体地限定。
48.虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。