井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置的製作方法
2023-09-20 19:04:05 2
專利名稱：井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種油井井下工具供電裝置，特別是關於ー種井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置。
背景技術：
·[0002]井下渦輪發電機的工作原理是通過渦輪將鑽井液的能量轉化為電能。關於井下渦輪發電機的設計，國內已有數十項專利技木。從隨鑽測量和井下控制的エ況以及隨鑽測量儀器和工具的功能、結構來分析，用發電機作為井下主電源應是ー種較佳的選擇。因為在隨鑽エ況下，高速流動的鑽井液為發電機提供了持續的動力，只要鑽機工作、鑽井液循環流動，發電機就能為隨鑽測量儀器和工具提供充足的電力。井下渦輪式交流發電機電源的優點是可長時間為系統提供電力，能夠適應井下高溫高壓環境，工作壽命長，因而可以傳輸更多參數，代表了測量技術的發展趨勢；其缺點是產生的電流不穩定，這也在一定程度上限制了其發展，因此需要對其進行整流穩壓以提高系統的穩定性。現有渦輪發電機整流穩壓供電電源裝置系統存在以下缺點1、電壓紋波較大，通常為模擬電源或者線性電源，轉換效率低，發熱量大，不能滿足井下高溫工作環境。2、現有模塊缺少保護裝置，在出現過載過壓等情況下，損毀發電裝置以及後端的負載裝置，存在極大的安全隱患，安全性和可靠性差。
發明內容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種能滿足井下高溫工作環境，安全性和可靠性較好的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置。為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案ー種井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在幹它包括渦輪發電機、整流濾波模塊、輸入級過流過壓欠壓保護模塊、DC/DC開關變換器、電源管理控制器和二次濾波輸出模塊；所述渦輪發電機將鑽井液的能量轉化為大功率交流電能輸入所述整流濾波模塊內，將交流電壓轉換為直流大紋波電壓後傳輸至所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊內；所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸出的電壓信號分別輸入所述DC/DC開關變換器和電源管理控制器，所述電源管理控制器將接收到的電壓信號轉換為PWM信號，傳輸至所述DC/DC開關變換器內控制其通斷；所述DC/DC開關變換器輸出端連接所述二次濾波輸出模塊，電壓信號經所述二次濾波輸出模塊濾波後生成低紋波穩定直流電壓，輸入至所述電源管理控制器內。所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊包括由兩個串聯電阻構成的第一分壓電路、傳感電阻、場效應管、由兩個串聯電阻構成的第二分壓電路和控制器，所述控制器內設置有欠壓判斷模塊、過流判斷模塊、過壓判斷模塊和主控制器；所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸入端與所述第一分壓電路並聯，輸入端還依次與所述傳感電阻和場效應管串聯；所述第一分壓電路將檢測到的輸入端電壓信號輸入所述欠壓判斷模塊內與預設的欠壓保護閾值比較；所述傳感電阻將檢測到的電流信號輸入所述過流判斷模塊內與預設的過流保護閾值比較，所述欠壓判斷模塊和過流判斷模塊分別將其比較結果輸入所述主控制器；所述場效應管源極連接所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸出端，在該輸出端與所述場效應管源極之間並聯所述第二分壓電路；所述第二分壓電路將檢測到的輸出端電壓信號輸入所述過壓判斷模塊內，與預設的過壓保護閾值比較，並將比較結果輸入所述主控制器內；所述主控制器根據各比較結果控制所述場效應管斷開/導通。所述欠壓判斷模塊內的欠壓保護閾值Vmd_ltag。為Vmd_ltage= VinX (R2/(R1+R2))，式中，Vin是所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊的輸入電壓，Rl、R2是所述第一分壓電路中兩個串聯的電阻。所述過流判斷模塊內的過流保護閾值Iment為I—rent= Vsenseset/Rsense,式中，Vsmsesrt為所述傳感電阻兩端預設電壓，Rsense為所述傳感電阻的阻值。所述過壓判斷模塊內的過壓保護閾值Vtjvemltage為VOTOTltage= Vout X (R4/(R3+R4))，式中，Vout是所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊的輸出電壓，R3、R4是所述第二分 壓電路中兩個串聯的電阻。所述電源管理控制器包括輔助電源、邏輯控制PWM生成器、電壓電流反饋檢測器、輸出過壓過流保護單元和邏輯與非門；所述輔助電源將所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸入的高壓直流電降壓後，生成低壓輔助電源輸入所述邏輯控制PWM生成器內，並為所述電源管理控制器供電；所述電壓電流反饋檢測器將接收到的由所述二次濾波輸出模塊輸出的低紋波穩定直流電壓分別輸入所述邏輯控制PWM生成器和輸出過壓過流保護單元內；所述邏輯控制PWM生成器依據檢測得到的電壓電流反饋信號，與預設的期望值比較後生成PWM輸出信號；所述輸出過壓過流保護單元將接收到的反饋電壓電流信號與預設的期望值比較，判斷其是否超過該期望值10%，並與所述邏輯控制PWM生成器的PWM輸出信號生成所述邏輯與非門通斷的控制PWM信號；控制PWM信號輸入所述DC/DC開關變換器內控制其通斷。所述整流濾波模塊包括整流濾波橋電路和大容量耐高溫電解電容，所述渦輪發電機輸出的電能經所述整流濾波橋電路轉換為單向直流電，輸入所述大容量耐高溫電解電容儲能濾波，將單向直流電轉換為直流大紋波電壓輸出。本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本實用新型由於採用渦輪發電機、整流濾波模塊、輸入級過流過壓欠壓保護模塊、DC/DC開關變換器、電源管理控制器和二次濾波輸出模塊構成的穩壓供電裝置，有效解決了渦輪發電機直接供電所固有的電壓幅值頻率不固定缺陷，可以為井下用電工具提供更穩定的直流供電電壓，能滿足井下高溫工作環境。2、本實用新型採用的渦輪發電機，使用油井鑽井過程中的泥漿流量驅動渦輪發電機的運轉，使得泥漿所具有的動能轉換為渦輪發電機生成的電能，該電能具有寬範圍變頻變幅的特點。3、本實用新型由於採用輸入級過流過壓欠壓保護模塊，輸入級過壓過流欠壓保護模塊通過與主電路的串並聯連接，實時檢測輸入端主電路的並聯電壓與串聯電流信號，通過控制邏輯比較判斷，在過壓、過流、欠壓情況下保護斷開主迴路。因此，有效的增加了安全保護措施，避免了因為渦輪發電機工作狀態不穩定導致過壓欠壓過流等異常狀態所帯來的用電設備安全故障，提高了整體系統的安全性和可靠性。4、本實用新型由於在主電路輸出端採用二次濾波輸出模塊，實現對DC/DC開關變換器所輸出的高頻脈寬電壓進行濾波，並生成低紋波穩定直流電壓。本實用新型可以廣泛在油井井下用電工具中應用。
圖I是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是本實用新型的過壓欠壓過流保護模塊結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖I所示，本實用新型包括渦輪發電機I、整流濾波模塊2、輸入級過流過壓欠壓保護模塊3、DC/DC開關變換器4、電源管理控制器5和二次濾波輸出模塊6。渦輪發電機I將鑽井液的能量轉化為大功率交流電能後，經整流濾波模塊2將交流電壓轉換為直流大紋波電壓後，傳輸至輸入級過流過壓欠壓保護模塊3，實現對傳輸電路輸入端過壓、過流及欠壓保護。輸入級過流過壓欠壓保護模塊3輸出的電壓信號分別輸入 DC/DC開關變換器4和電源管理控制器5，電源管理控制器5將接收到的電壓信號轉換為PWM信號，傳輸至DC/DC開關變換器4內，控制DC/DC開關變換器4的通斷。DC/DC開關變換器4輸出端連接二次濾波輸出模塊6,電壓信號經二次濾波輸出模塊6濾波後生成低紋波穩定直流電壓，輸入至電源管理控制器5內，構成閉環控制系統。上述實施例中，渦輪發電機I將鑽井液的能量轉化為大功率交流電能，是通過油井鑽井過程中的泥漿流量驅動渦輪發電機I的運轉，使得泥漿所具有的動能轉換為渦輪發電機I的電能，該電能具有寬範圍變頻變幅的特點，具體的輸出電壓幅值頻率與通過的泥漿流速相關。上述各實施例中，整流濾波模塊2包括整流濾波橋電路和大容量耐高溫電解電容，渦輪發電機I輸出的電能經整流濾波橋電路轉換為單向直流電，輸入大容量耐高溫電解電容儲能濾波，將單向直流電轉換為直流大紋波電壓輸出。上述各實施例中，如圖2所示，輸入級過流過壓欠壓保護模塊3包括由兩個串聯電阻Rl、R2構成的第一分壓電路31、傳感電阻Rsense、場效應管Ql、欠壓判斷模塊32、過流判斷模塊33、主控制器34、由兩個串聯電阻R3、R4構成的第二分壓電路35和過壓判斷模塊36，其中，欠壓判斷模塊32、過流判斷模塊33、主控制器34和過壓判斷模塊36設置在控制器37內。輸入級過流過壓欠壓保護模塊3輸入端與第一分壓電路31並聯，輸入端還依次與傳感電阻Rsense和場效應管Ql串聯。第一分壓電路31將檢測到的輸入端電壓信號輸入欠壓判斷模塊32內與預設的欠壓保護閾值比較；傳感電阻Rsense將檢測到的電流信號輸入過流判斷模塊33內與預設的過流保護閾值比較，欠壓判斷模塊32和過流判斷模塊33分別將其比較結果輸入主控制器34。場效應管Ql源極連接輸入級過流過壓欠壓保護模塊3輸出端，在輸出端與場效應管Ql源極之間並聯第二分壓電路35。第二分壓電路35將檢測到的輸出端電壓信號輸入過壓判斷模塊36內與預設的過壓保護閾值比較，並將比較結果輸入主控制器34內。主控制器34根據各比較結果控制場效應管Ql斷開/導通，當任何ー個比較結果超過保護閾值吋，則場效應管Ql斷開，反之，導通。其中，欠壓判斷模塊32內的欠壓保護閾值Vundemltage、過流判斷模塊33內的過流保護閾值I_ t以及過壓判斷模塊36內的過壓保護閾值Vototv-可以分別通過以下公式進行預先設置[0022]Vmdervoltage = VinX (R2/ (R1+R2))，(I)I0Vercurrent = Vsenseset/RsenSe,(2)Vovervoltage = Vout X (R4/ (R3+R4))，(3)式中，Vin是輸入級過流過壓欠壓保護模塊3的輸入電壓，Vmdervoltage為欠壓保護閥值，Vovervoltage為過壓保護閥值，Iovercurrent為過流保護閥值，Vsenseset為傳感電阻Rsense兩端預設電壓，Vout是輸入級過流過壓欠壓保護模塊3的輸出電壓。在使用吋，當輸入電壓Vin經過電阻R1、R2分壓後大於欠壓保護閾值Vunderoltage吋，則欠壓保護邏輯使能；當輸出電壓Vwt經過電阻R3、R4分壓後大於過壓保護閾值
時，過壓保護邏輯使能；當電流經過傳感電阻Rsense產生的壓降大於預設電壓Vsmsesrt吋， 即流經輸入級過流過壓欠壓保護模塊3的電流大於過流保護閥值IOTeK;urMt時，過流保護邏輯使能；當出現欠壓、過壓、過流保護邏輯使能情況下，主控制器34輸出關斷信號，場效應管Ql截止，進入保護模式，停止輸出。需要說明的是，實際設置值與具體理論計算公式有一定的差別，本領域的普通技術人員還需要根據實際場景與情況進行設置。上述各實施例中，電源管理控制器5包括輔助電源51、邏輯控制PWM生成器52、電壓電流反饋檢測器53、輸出過壓過流保護單元54和邏輯與非門55。輔助電源51將輸入級過流過壓欠壓保護模塊3輸入的高壓直流電降壓後，生成低壓輔助電源輸入邏輯控制PWM生成器52內，同時，低壓輔助電源還為電源管理控制器5供電。電壓電流反饋檢測器53將接收到的由二次濾波輸出模塊6輸出的低紋波穩定直流電壓分別輸入邏輯控制PWM生成器52和輸出過壓過流保護單元54內。邏輯控制PWM生成器52依據檢測得到的電壓電流反饋信號，與預設的期望值比較後，生成PWM輸出信號；輸出過壓過流保護單元54將接收到的反饋電壓電流信號與預設的期望值比較，判斷其是否超過該期望值10%，進而與邏輯控制PWM生成器52的PWM輸出信號生成邏輯與非門55通斷的控制PWM信號。控制PWM信號輸入DC/DC開關變換器4，控制DC/DC開關變換器4的通斷，進而實現對本實用新型整個裝置傳輸電路導通的控制。其中，當輸出過壓過流保護單元54接收到的反饋電壓電流信號超過期望值10%吋，則執行輸出過壓保護動作，即DC/DC開關變換器4進入關斷狀態，反之不超過期望值10%時，DC/DC開關變換器4為導通可控狀態。需要說明的是，邏輯控制PWM生成器52可以使用ASIC專用晶片實現，也可以通過單片機、DSP、ARM等通用型晶片控制實現，具體的控制邏輯算法包括但布局限於PID控制、模糊控制等常見算法，本領域的普通技術人員還需要根據實際場景與情況進行參數的具體設置。綜上所述，本實用新型能夠有效地將井下泥漿流動所具有的能量轉換為渦輪發電機的輸出電能，並進ー步轉換為低紋波高穩定性高安全性的直流穩壓電源，以提供給井下用電設備穩定持久的電源供應。上述各實施例僅用於說明本實用新型，各部件的連接和結構都是可以有所變化的，在本實用新型技術方案的基礎上，凡根據本實用新型原理對個別部件的連接和結構進行的改進和等同變換，均不應排除在本實用新型的保護範圍之外。
權利要求1.一種井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於它包括渦輪發電機、整流濾波模塊、輸入級過流過壓欠壓保護模塊、DC/DC開關變換器、電源管理控制器和二次濾波輸出模塊；所述渦輪發電機將鑽井液的能量轉化為大功率交流電能輸入所述整流濾波模塊內，將交流電壓轉換為直流大紋波電壓後傳輸至所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊內；所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸出的電壓信號分別輸入所述DC/DC開關變換器和電源管理控制器，所述電源管理控制器將接收到的電壓信號轉換為PWM信號，傳輸至所述DC/DC開關變換器內控制其通斷；所述DC/DC開關變換器輸出端連接所述二次濾波輸出模塊，電壓信號經所述二次濾波輸出模塊濾波後生成低紋波穩定直流電壓，輸入至所述電源管理控制器內。
2.如權利要求I所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊包括由兩個串聯電阻構成的第一分壓電路、傳感電阻、場效應管、由兩個串聯電阻構成的第二分壓電路和控制器，所述控制器內設置有欠壓判斷模塊、過流判斷模塊、過壓判斷模塊和主控制器； 所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸入端與所述第一分壓電路並聯，輸入端還依次與所述傳感電阻和場效應管串聯；所述第一分壓電路將檢測到的輸入端電壓信號輸入所述欠壓判斷模塊內與預設的欠壓保護閾值比較；所述傳感電阻將檢測到的電流信號輸入所述過流判斷模塊內與預設的過流保護閾值比較，所述欠壓判斷模塊和過流判斷模塊分別將其比較結果輸入所述主控制器；所述場效應管源極連接所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸出端，在該輸出端與所述場效應管源極之間並聯所述第二分壓電路；所述第二分壓電路將檢測到的輸出端電壓信號輸入所述過壓判斷模塊內，與預設的過壓保護閾值比較，並將比較結果輸入所述主控制器內；所述主控制器根據各比較結果控制所述場效應管斷開/導通。
3.如權利要求2所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述欠壓判斷模塊內的欠壓保護閾值Vumtemltage為 Vundervoltage = ^inX (R2/ (R1+R2))， 式中，Vin是所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊的輸入電壓，RU R2是所述第一分壓電路中兩個串聯的電阻。
4.如權利要求2所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述過流判斷模塊內的過流保護閾值為 T= V/Rcpri cp 丄 overcuirentv senseset711式中，vsms_t為所述傳感電阻兩端預設電壓，Rsense為所述傳感電阻的阻值。
5.如權利要求2所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述過壓判斷模塊內的過壓保護閾值Vototv-為 ^overvoltage = ^outX (R4/ (R3+R4))， 式中，Vrat是所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊的輸出電壓，R3、R4是所述第二分壓電路中兩個串聯的電阻。
6.如權利要求I或2或3或4或5所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述電源管理控制器包括輔助電源、邏輯控制PWM生成器、電壓電流反饋檢測器、輸出過壓過流保護單元和邏輯與非門； 所述輔助電源將所述輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸入的高壓直流電降壓後，生成低壓輔助電源輸入所述邏輯控制PWM生成器內，並為所述電源管理控制器供電；所述電壓電流反饋檢測器將接收到的由所述二次濾波輸出模塊輸出的低紋波穩定直流電壓分別輸入所述邏輯控制PWM生成器和輸出過壓過流保護單元內；所述邏輯控制PWM生成器依據檢測得到的電壓電流反饋信號，與預設的期望值比較後生成PWM輸出信號；所述輸出過壓過流保護單元將接收到的反饋電壓電流信號與預設的期望值比較，判斷其是否超過該期望值10%，並與所述邏輯控制PWM生成器的PWM輸出信號生成所述邏輯與非門通斷的控制PWM信號；控制PWM信號輸入所述DC/DC開關變換器內控制其通斷。
7.如權利要求I或2或3或4或5所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述整流濾波模塊包括整流濾波橋電路和大容量耐高溫電解電容，所述渦輪發電機輸出的電能經所述整流濾波橋電路轉換為單向直流電，輸入所述大容量耐高溫電解電容儲能濾波，將單向直流電轉換為直流大紋波電壓輸出。
8.如權利要求6所述的井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，其特徵在於所述整流濾波模塊包括整流濾波橋電路和大容量耐高溫電解電容，所述渦輪發電機輸出的電能經所述整流濾波橋電路轉換為單向直流電，輸入所述大容量耐高溫電解電容儲能濾波，將單向直流電轉換為直流大紋波電壓輸出。
專利摘要本實用新型涉及一種井下渦輪發電機整流穩壓供電裝置，它包括渦輪發電機、整流濾波模塊、輸入級過流過壓欠壓保護模塊、DC/DC開關變換器、電源管理控制器和二次濾波輸出模塊；渦輪發電機將鑽井液的能量轉化為大功率交流電能輸入整流濾波模塊內，將交流電壓轉換為直流大紋波電壓後傳輸至輸入級過流過壓欠壓保護模塊內；輸入級過流過壓欠壓保護模塊輸出的電壓信號分別輸入DC/DC開關變換器和電源管理控制器，電源管理控制器將接收到的電壓信號轉換為PWM信號，傳輸至DC/DC開關變換器內控制其通斷；DC/DC開關變換器輸出端連接二次濾波輸出模塊，電壓信號經二次濾波輸出模塊濾波後生成低紋波穩定直流電壓，輸入至電源管理控制器內。本實用新型可以廣泛在油井井下用電工具中應用。
文檔編號H02H3/20GK202617058SQ20122017119
公開日2012年12月19日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者陳紅新, 蔣世全, 張新超, 侯增廣, 周建良, 李鵬峰, 李漢興, 閆研, 牛海峰, 程載斌, 吳光武, 李峰飛 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院