油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，包括依次連接的電源整流濾波電路、PWM控制器、DC-DC開關(guān)電源、逆變器、非接觸變壓器和穩(wěn)壓整流濾波電路；非接觸變壓器包括初級線圈、初級諧振補償電路、初級側(cè)鐵氧體、次級線圈、次級諧振補償電路和次級側(cè)鐵氧體，初級線圈繞在初級側(cè)鐵氧體上并與初級諧振補償電路連接，次級線圈繞在與次級側(cè)鐵氧體上并與次級諧振補償電路連接，初級諧振補償電路與次級諧振補償電路的作用是使電路的諧振頻率穩(wěn)定在200kHz；穩(wěn)壓整流濾波電路用于轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電。該系統(tǒng)將三相交流電形成符合要求的直流電，向油田井下無線傳輸電能，解決了線圈自諧振頻率太高難以實現(xiàn)的問題。
【專利說明】油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種井下電能無線傳輸方法及系統(tǒng)，屬于油田井下電能傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]油田井下設(shè)備供電常采用的方式是通過接觸式滑環(huán)，由于鉆井中的中心鉆桿不停轉(zhuǎn)動，使用一段時間后，滑環(huán)會因磨損而脫離接觸，導(dǎo)致失效，無法繼續(xù)向負(fù)載供電。因此需要經(jīng)常更換滑環(huán)，耽誤工作進度并且需要大量費用。
[0003]現(xiàn)在已經(jīng)問世的無線供電技術(shù)，根據(jù)其電能傳輸原理，大致上可以分為三類:
[0004]第一類是非接觸式充電技術(shù)所采用的電磁感應(yīng)原理，這種非接觸式充電技術(shù)在許多便攜式終端里應(yīng)用日益廣泛。這種類型中，將兩個線圈放置于鄰近位置上，當(dāng)電流在一個線圈中流動時，所產(chǎn)生的磁通量成為媒介，導(dǎo)致另一個線圈中也產(chǎn)生電動勢。
[0005]第二類是最接近實際應(yīng)用的一種技術(shù)，它直接應(yīng)用了電磁波能量可以通過天線發(fā)送和接收的原理。直接在整流電路中將電波的交流波形變換成直流后加以利用，但不使用放大電路等。
[0006]第三類是利用電磁場的諧振方法。諧振技術(shù)在電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是，在供電技術(shù)中應(yīng)用的不是電磁波或者電流，而只是利用電場或者磁場。
[0007]無線供電與泥漿發(fā)電機主要用在無線隨鉆測量(MWD)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)以及垂直鉆井系統(tǒng)中。采用非接觸式變壓器后，電能通過電磁感應(yīng)原理通過無線方式供給測井儀器，不會產(chǎn)生磨損等問題，可以向負(fù)載長時間供電，不僅節(jié)約了成本，而且提高了工作效率。
[0008]現(xiàn)有的井下電能無線傳輸系統(tǒng)存在的最主要問題是電能在非接觸變壓器周圍空間的損耗較大，電能的傳輸效率較低。不采用補償電容的情況下，非接觸變壓器線圈的諧振頻率太高，實現(xiàn)比較困難，頻率太高，電能的損耗較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對現(xiàn)有電能無線傳輸技術(shù)存在的不足，提供一種能夠向油田井下無線傳輸電能、節(jié)約成本，提高油田鉆井的生產(chǎn)效率的油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明的油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，采用以下技術(shù)方案:
[0011]該系統(tǒng)，包括依次連接的電源整流濾波電路、PWM控制器、DC-DC開關(guān)電源、逆變器、非接觸變壓器和穩(wěn)壓整流濾波電路；電源整流濾波電路用于將發(fā)電機發(fā)出的電能整流濾波，轉(zhuǎn)換成電壓不穩(wěn)定的直流電，輸送到DC-DC開關(guān)電源；DC-DC開關(guān)電源用于產(chǎn)生電壓穩(wěn)定的直流電；逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成頻率ΙΟΚ-ΙΟΟΚΗζ的交流電，發(fā)送給非接觸變壓器的初級線圈；非接觸變壓器包括初級線圈、初級諧振補償電路、初級側(cè)鐵氧體、次級線圈、次級諧振補償電路和次級側(cè)鐵氧體，初級線圈繞在初級側(cè)鐵氧體上并與初級諧振補償電路連接，次級線圈繞在與次級側(cè)鐵氧體上并與次級諧振補償電路連接，初級諧振補償電路與次級諧振補償電路的作用是使電路的諧振頻率穩(wěn)定在200kHz ;穩(wěn)壓整流濾波電路用于轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電。
[0012]PWM控制器、DC-DC開關(guān)電源、逆變器和整流濾波電路均采用現(xiàn)有通用電路。
[0013]初級線圈與次級線圈之間的距離為10mm-20mm。距離較近可以減少損耗，電能傳輸效果較好。
[0014]初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的形狀采用U型或E型。
[0015]初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的作用是增強兩個線圈之間的磁場強度，提高電能的傳輸效率。固定在油井的中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面。中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面均有鐵氧體涂層，用于增強鉆井內(nèi)的磁場強度，也具有屏蔽電磁場的作用，可以減少金屬材質(zhì)的中心鉆桿與外側(cè)鉆桿中產(chǎn)生的渦流。
[0016]初級線圈和次級線圈的繞法主要有三種:
[0017]初級線圈與次級線圈分別圍繞在中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面，中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面均有鐵氧體涂層，以中心鉆桿與外側(cè)鉆桿作為初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體；初級線圈與次級線圈分別圍繞在初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體上，然后將鐵氧體材料固定在鉆桿上；將初級與次級線圈分別圍繞在E型鐵氧體材料的中柱上，然后將鐵氧體材料固定在鉆桿上。
[0018]初級諧振補償電路與次級諧振補償電路采用補償電容的方式，兩者可以采用串聯(lián)串聯(lián)補償、串聯(lián)并聯(lián)補償、并聯(lián)串聯(lián)補償、并聯(lián)并聯(lián)補償?shù)确绞?。考慮到各種方式實現(xiàn)的難易程度，及對傳輸效率的影響，實際采用的初次級線圈分別串聯(lián)電容的形式。
[0019]本發(fā)明對泥漿發(fā)電機發(fā)出的三相交流電通過穩(wěn)壓變頻處理，輸入到初級線圈進行發(fā)送，次級線圈接收后感應(yīng)出的電能經(jīng)電路處理后，形成符合要求的直流電供給用電設(shè)備，采用鐵氧體材料與補償電容，可以顯著提高電能的傳輸效率，解決了線圈自諧振頻率太高，難以實現(xiàn)的問題，能夠向油田井下無線傳輸電能、節(jié)約成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明井下電能無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0021]圖2為本發(fā)明中非接觸變壓器包含諧振電路的示意圖。
[0022]圖3為非接觸變壓器初級與次級線圈第一種繞法示意圖。
[0023]圖4為非接觸變壓器初級與次級線圈第二種繞法示意圖。
[0024]圖5為非接觸變壓器初級與次級線圈第三種繞法示意圖。
[0025]圖6為非接觸變壓器的鐵氧體分布示意圖。
[0026]圖7是初級諧振補償電路與次級諧振補償電路采用電容補償?shù)碾娐穲D。

【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，包括依次連接的電源整流濾波電路、PWM控制器、DC-DC開關(guān)電源、逆變器、非接觸變壓器和穩(wěn)壓整流濾波電路。電源整流濾波電路設(shè)置于泥漿發(fā)電機一側(cè)，穩(wěn)壓整流濾波電路設(shè)置于用電設(shè)備一側(cè)。泥漿發(fā)電機固定在油井的中心鉆桿處。
[0028]電源處理電路用于將發(fā)電機發(fā)出的電能整流濾波，轉(zhuǎn)換成電壓不穩(wěn)定的直流電，輸送到DC-DC開關(guān)電源。電源整流濾波電路放置在泥漿發(fā)電機之后，處理發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電，由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較低，因而頻率較低。經(jīng)過整流濾波電路后輸出電壓為45-150V的直流電。泥漿發(fā)電機的功率發(fā)出的電能與井下泥漿排量，井下溫度及壓力有關(guān)。泥漿發(fā)電機的功率范圍為90W到300W，泥漿發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為1500RPM到5000RPM。
[0029]DC-DC開關(guān)電源用于產(chǎn)生電壓穩(wěn)定的直流電。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成頻率ΙΟΚ-ΙΟΟΚΗζ的交流電。由于反激電源傳輸?shù)墓β瘦^小，不適合在井下向負(fù)載供電，所以采用的是適合傳輸較大功率的正激電源。DC-DC開關(guān)電源與PWM控制器對經(jīng)過整流濾波后的直流電進行處理，輸出電壓為36V的穩(wěn)定直流電，采用DC-DC開關(guān)電源的目的是在損耗很低的情況下進行電壓變換，產(chǎn)生需要的36V直流電。
[0030]逆變器將36V直流電轉(zhuǎn)換為ΙΟΚ-ΙΟΟΚΗζ (最好為200kHz)的交流電，經(jīng)進一步處理后輸送到非接觸變壓器的初級線圈進行發(fā)送。
[0031]如圖2所示，非接觸變壓器包括初級線圈、初級諧振補償電路、初級側(cè)鐵氧體、次級線圈、次級諧振補償電路和次級側(cè)鐵氧體，初級線圈繞在初級側(cè)鐵氧體上并與初級諧振補償電路連接，次級線圈繞在與次級側(cè)鐵氧體上并與次級諧振補償電路連接，初級諧振補償電路與次級諧振補償電路的作用是使電路的諧振頻率穩(wěn)定在200kHz。
[0032]初級線圈與次級線圈之間的距離為10mm-20mm。距離較近可以減少損耗，電能傳輸效果較好。
[0033]初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的形狀采用U型或E型，初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的作用是增強兩個線圈之間的磁場強度，提高電能的傳輸效率。固定在油井的中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面。中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面均有鐵氧體涂層，用于增強鉆井內(nèi)的磁場強度，也具有屏蔽電磁場的作用，可以減少金屬材質(zhì)的中心鉆桿與外側(cè)鉆桿中產(chǎn)生的渦流。
[0034]初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的放置方式與初級線圈和次級線圈的繞線方式主要有三種。
[0035]如圖3所示，初級線圈與次級線圈分別圍繞在中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面，中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面均有鐵氧體涂層，以中心鉆桿與外側(cè)鉆桿作為初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體。如圖4所示，初級線圈與次級線圈分別圍繞在初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體上，然后將鐵氧體材料固定在鉆桿上。如圖5所示，將初級與次級線圈分別圍繞在E型鐵氧體材料的中柱上，然后將鐵氧體材料固定在鉆桿上。選擇所用銅線的線徑時應(yīng)考慮銅線電阻與線徑的關(guān)系，線圈中電流的熱效應(yīng)，趨附深度等因素，保證所選材料能正常工作即可。非接觸變壓器的鐵氧體分布如圖6所示。
[0036]在中心鉆桿與外側(cè)鉆桿表面均涂一層鐵氧體，用于減少金屬桿內(nèi)的渦流損耗。工作時中心鉆桿旋轉(zhuǎn)，電能從非接觸變壓器的初級線圈耦合到次級線圈
[0037]初級諧振補償電路與次級諧振補償電路可以采用串聯(lián)串聯(lián)補償、串聯(lián)并聯(lián)補償、并聯(lián)串聯(lián)補償、并聯(lián)并聯(lián)補償?shù)确绞?。采用均為電容補償，其電路如圖7所示，采用電容的目的是與線圈的電感相匹配，使電路盡可能處于或接近諧振狀態(tài)。最好采用串聯(lián)電容的形式，因為串聯(lián)方式比較容易實現(xiàn)和理解，加入補償電路后，整個變壓器等效電路處于諧振狀態(tài)，無功功率的傳輸最少，電能的傳輸效果較好。
[0038]穩(wěn)壓整流濾波電路用于轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電，供給用電設(shè)備。用電設(shè)備端的逆變電路用于將非接觸變壓器次級端輸出的交流電進行處理，產(chǎn)生36V直流電。36V直流電供給用電設(shè)備，電壓值能使負(fù)載正常工作。
【權(quán)利要求】
1.一種油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，包括依次連接的電源整流濾波電路、PWM控制器、DC-DC開關(guān)電源、逆變器、非接觸變壓器和穩(wěn)壓整流濾波電路；其特征是:電源整流濾波電路用于將發(fā)電機發(fā)出的電能整流濾波，轉(zhuǎn)換成電壓不穩(wěn)定的直流電，輸送到DC-DC開關(guān)電源；DC-DC開關(guān)電源用于產(chǎn)生電壓穩(wěn)定的直流電；逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成頻率ΙΟΚ-ΙΟΟΚΗζ的交流電，發(fā)送給非接觸變壓器的初級線圈；非接觸變壓器包括初級線圈、初級諧振補償電路、初級側(cè)鐵氧體、次級線圈、次級諧振補償電路和次級側(cè)鐵氧體，初級線圈繞在初級側(cè)鐵氧體上并與初級諧振補償電路連接，次級線圈繞在與次級側(cè)鐵氧體上并與次級諧振補償電路連接，初級諧振補償電路與次級諧振補償電路的作用是使電路的諧振頻率穩(wěn)定在200kHz ;穩(wěn)壓整流濾波電路用于轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述初級線圈與次級線圈之間的距離為10mm-20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述初級側(cè)鐵氧體和次級側(cè)鐵氧體的形狀采用U型或E型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述油田井下電能無線傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述初級諧振補償電路與次級諧振補償電路采用補償電容。
【文檔編號】H02J17/00GK104393690SQ201410777921
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】孔凡敏, 郭鐵軍 申請人:山東大學(xué)