钻机无功补偿和谐波抑制控制器的研究与设计

摘要

随着我国石油工业的发展，电驱动钻机在石油钻井行业中的应用日益普及，而钻机电驱动系统中绝大多数用电设备属于感性负载，不仅降低了系统的功率因数，而且带来了谐波污染问题，严重恶化了电能质量，干扰了其它用电设备的运行。因此，补偿系统的无功功率、抑制谐波、提升电驱动钻机的功率因数，已成为一个现实而又紧迫的课题。 本文针对目前常用的晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）无功补偿装置各自的缺点，结合钻机负载的实际情况，设计了一种TCR+TSC混合型动态无功补偿和谐波抑制控制器，实现了对钻机无功功率的动态补偿，并能够有效地抑制谐波。 在硬件设计方面，本文采用TMS320F2812DSP作为控制器的主CPU，同时设计了信号调理电路、锁相环电路、通信接口电路、驱动及保护电路以及液晶显示等功能电路，能够实现电压电流信号的采集、有功无功及谐波的计算、电容器和电抗器的投切触发、主电路的故障保护以及人机交互等功能，具有比传统的单片机控制运算速度高，实时性好的特点。在软件方面，采用C语言和汇编语言混合编程，设计编写了控制器的控制程序，遵循模块化设计原则，提高了软件的通用性和易维护性。在无功补偿原则上，以无功功率作为判据，与常见的以功率因数为判据相比，可以避免轻载时的投切振荡，使无功调节更为合理。 本文完成了控制器样机的研制，并通过试验对控制器的功能进行了初步的验证。试验结果表明，所研制的TCR+TSC混合型无功补偿和谐波抑制控制器设计合理，计算精度高，响应速度快，具有较好的应用前景。

目录

文摘

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声明

第1章 引言

1.1课题的研究背景及意义

1.2无功补偿和谐波抑制技术的现状及发展趋势

1.2.1无功补偿和谐波抑制技术的现状

1.2.2无功补偿和谐波抑制技术的发展趋势

1.3课题的主要研究内容

第2章无功补偿和谐波抑制装置的总体设计

2.1钻机无功及谐波情况分析

2.2无功补偿装置的工作原理分析

2.2.1 晶闸管控制电抗器(TCR)

2.2.2晶闸管投切电容器(TSC)

2.2.3TCR+TSC混合型无功补偿装置

2.3TCR+TSC混合型补偿装置主电路的设计

2.3.1主电路接线方式的选择

2.3.2补偿电容器分组方式的设计

2.3.3补偿电路的保护及谐波抑制功能设计

2.4无功补偿控制量的选择

2.5无功和谐波检测算法的选择

2.5.1 几种检测算法的比较

2.5.2基于FFT的谐波及无功功率的测量

2.6本章小结

第3章无功补偿和谐波抑制控制器的硬件设计与实现

3.1控制器硬件总体结构设计

3.2主控电路板的设计

3.2.1 CPU的选型

3.2.2电源供电电路

3.2.3信号调理电路

3.2.4开关量输出电路

3.2.5通信接口电路

3.3驱动及保护电路板的设计

3.3.1TSC驱动及保护电路板

3.3.2TCR驱动及保护电路板

3.4人机交互电路板的设计

3.5硬件电路抗干扰设计

3.6本章小结

第4章无功补偿和谐波抑制控制器的软件设计与实现

4.1主控电路板的软件设计

4.1.1 主程序

4.1.2数据采集模块

4.1.3参数计算模块

4.1.4故障保护模块

4.1.5投切控制模块

4.1.6通讯模块

4.2驱动及保护电路板的软件设计

4.3人机交互电路板的软件设计

4.4软件抗干扰设计

4.5本章小结

第5章试验及结果分析

5.1试验平台介绍

5.2试验结果分析

5.3本章小结

总结及展望

参考文献

致谢