CN101459352A - 一种高密度电能发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高密度电能发射装置，其包括：一单片机；第一、二驱动电路，其分别连接所述单片机的输出端；第一、二脉冲变压器，其分别连接所述第一、二驱动电路的输出端；第一、二整流电路，其分别连接所述第一、二脉冲变压器的输出端；一三电极高压开关，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接一球形触发开关，再另一端连接一发射线圈；所述球形触发开关的另一端连接所述第二整流电路的输出端；一比较器，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接所述单片机。本发明减小了系统体积，提高了抗电磁干扰的能力，并可防止高压电容器放电过程中产生的冲击大电流而引起的强电磁冲击使单片机程序跳飞，获得良好的测量效果。

Description

一种高密度电能发射装置

技术领域

本发明涉及一种电能发射装置，特别是关于一种非接触式电能传输中的高密度电能发射装置。

背景技术

目前在旋转导向钻井工具中，一种关键的技术是非旋转的导向套筒与旋转的钻杆之间的能量传递。井下测量与控制系统所需要的电能由涡轮发电机提供，电能的传输需要在旋转件和非旋转件之间传递。传统的方法是采用集流环，即炭刷—滑环结构，存在的主要问题是：对滑动接触面的清洁度要求高、通道扩展困难、需要经常维护更换滑环结构。而钻井过程中高温、高压、强机械冲击及泥浆的存在使得集流环的工作环境非常恶劣，使得可靠性方面的问题突出。

电磁耦合是非接触式电能传输的主要方法，其发展方向是大容量、高效率、低成本、小体积、大气隙、高稳定性，但在发展过程中也面临着很多挑战。非接触式电能传输技术的基础理论是功率变换技术，比较突出的问题是如何提高发射能量的密度，在电磁耦合方式中具体表现为如何提高发射电流和工作频率，并采用小体积、高电压、大电流的电子元器件，实现高效率的电能传输。目前，非接触式电能传输系统的研究多集中在变换技术的改进上，通过改变变换器的结构来达到提高效率的目的。对如何采用小体积、高电压、大电流器件来提高发射能量的密度，还没有太多的论述。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种体积小、高电压、大电流的非接触式电能传输中的高密度电能发射装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高密度电能发射装置，其特征在于它包括：一单片机；第一、二驱动电路，其分别连接所述单片机的输出端；第一、二脉冲变压器，其分别连接所述第一、二驱动电路的输出端；第一、二整流电路，其分别连接所述第一、二脉冲变压器的输出端；一三电极高压开关，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接一球形触发开关，再另一端连接一发射线圈；所述球形触发开关的另一端连接所述第二整流电路的输出端；一比较器，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接所述单片机。

所述第一驱动电路包括：第一缓冲驱动芯片的输入端连接在所述单片机的脉冲输出端，所述第一缓冲驱动芯片的输出端连接第一光电隔离器件的阳极端，所述第一缓冲驱动芯片的输出端还通过电阻R1连接电源，所述第一光电隔离器件的阴极端接地，所述第一光电隔离器件的发射极连接第二缓冲驱动芯片的输入端，所述第一光电隔离器件的发射极还通过电阻R2接地，所述第一光电隔离器件的集电极连接+5V电源，所述第二缓冲驱动芯片的输出端通过电阻R3连接+9V电源，所述第二缓冲驱动芯片的输出端还连接第一高速脉冲开关的栅极，所述第一高速脉冲开关源极接地、漏极连接所述第一脉冲变压器的原边发射线圈，所述第一脉冲变压器的原边发射线圈连接+9V电源。

所述第二驱动电路包括：第三缓冲驱动芯片的输入端连接在所述单片机的放电控制端，所述第三缓冲驱动芯片的输出端连接第二光电隔离器件的阳极端，所述第三缓冲驱动芯片的输出端还通过电阻R9连接电源，所述第二光电隔离器件的阴极端接地，所述第二光电隔离器件的发射极连接第四缓冲驱动芯片的输入端，所述第二光电隔离器件的发射极还通过电阻R10接地，所述第二光电隔离器件的集电极连接+5V电源，所述第四缓冲驱动芯片的输出端通过电阻R11连接+9V电源，所述第四缓冲驱动芯片的输出端还连接第二高速脉冲开关的栅极，所述第二高速脉冲开关源极接地、漏极连接所述第二脉冲变压器的原边发射线圈，所述第二脉冲变压器的原边发射线圈连接+9V电源。

所述第一整流电路包括：在所述第一脉冲变压器副边线圈通过二极管D1连接高压电容器C13，所述高压电容器C13的另一端与所述第一脉冲变压器副边线圈共同接地，在所述二极管D1和高压电容器C13两端并联连接二极管D4，所述二极管D4的阳极连接所述高压开关。

所述第二整流电路包括：在所述第二脉冲变压器副边线圈通过二极管D2连接高压电容器C15，所述高压电容器C15的另一端与所述第二脉冲变压器副边线圈共同接地，在所述二极管D2和高压电容器C15的两端并联连接二极管D5，所述二极管D5的阳极接地。

所述高压电容器C13两端并联连接分压电阻R4和R5，所述电阻R5两端并联连接滤波电容器C14，所述高压电容器C13的电压端通过电阻R12和发射线圈连接所述三电极高压开关的G1端，所述分压电阻R4和R5的接点连接所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述单片机的反馈输入端连接，所述比较器的输出端连接串联分压电阻R6和R7，所述电阻R6和R7的接点连接所述比较器的同相输入端，所述电阻R7的一端接基准电压V_R，所述比较器的输出端通过一稳压管D3接地。

还包括一发射线圈中的电流测量系统，其包括：一罗果夫斯基线圈，一从所述罗果夫斯基线圈中心穿过的传输被测电流的导体，一测量电缆与所述罗果夫斯基线圈连接，所述测量电缆通过R、C积分电路连接一示波器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用单片机PIC12C508A作为微处理器，减小了系统体积，提高了抗电磁干扰的能力，并可防止高压电容器放电过程中产生的冲击大电流而引起的强电磁冲击使单片机程序跳飞。2、本发明由于采用驱动电路对单片机输出的脉冲信号进行驱动，提高了单片机输出信号的驱动能力。3、本发明由于采用脉冲变压器输出高压波形，在振荡电路的驱动下可将几伏至几十伏的电压升至几千伏，因此可使发射线圈两端形成高电压。4、本发明由于在驱动电路之间设置了光电隔离器件，可防止脉冲变压器输出的高压对单片机产生的影响，对单片机起到了保护作用。5、本发明由于在脉冲变压器输出端设置了整流电路对高压电容器充电，因此克服了脉冲变压器由于绕组中分布电容及漏感的影响而输出畸变波形的不理想状态。6、本发明由于采用了三电极高压开关和球形触发开关组成的高压开关控制，在与充电回路类似的放电回路控制中，单片机发出脉冲信号经过光电隔离器件、信号缓冲驱动芯片、脉冲变压器、整流电路后对触发电容器充电，当电容器充电电压达到一定值后，球形触发开关的两个小球被击穿，对三电极高压开关的控制极提供了一个很陡的正脉冲，使得三电极高压开关的两极击穿，从而接通放电回路，充电回路的高压电容器很快放电，因此，给发射线圈提供大电流。7、本发明采用罗果夫斯基线圈对发射电流进行测量，由于在测量过程中采用双屏蔽电缆和缩短接地回路等噪声抑制措施，获得了良好的测量效果。本发明可适用于旋转导向钻井中的非接触式电能传输系统。

附图说明

图1是本发明结构示意框图

图2是本发明电路原理图

图3是本发明充电原理示意图

图4是本发明放电原理示意图

图5是本发明充电过程波形示意图

图6是本发明采用罗果夫斯基线圈测量电流的原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供了一种基于瞬态电磁功率脉冲的非接触式电能发射装置。如图1所示，本发明包括：一PIC单片机1，两分别连接单片机1的第一驱动电路2a和第二驱动电路2b，分别连接第一驱动电路2a和第二驱动电路2b的第一脉冲变压器3a和第二脉冲变压器3b，分别连接第一脉冲变压器3a和第二脉冲变压器3b的第一整流电路4a和第二整流电路4b，第一整流电路4a的另一端分别连接一高压开关5和一比较器6，高压开关5的另一端连接一发射线圈7，比较器6的另一端连接PIC单片机1，第二整流电路4b的另一端连接一球形触发开关8，球形触发开关8的另一端连接高压开关5。

如图2所示，本发明的单片机1采用PIC12C508A微处理器IC1，它是一次性写入的8脚单片机芯片，可以减小系统体积，提高抗电磁干扰的能力，并可防止高压电容器放电过程中产生的冲击大电流而引起的强电磁冲击使单片机程序跳飞。

本发明的第一驱动电路2a包括：一缓冲驱动芯片IC2A，其输入端连接在单片机1的脉冲输出端，缓冲驱动芯片IC2A的输出端连接一光电隔离器件IC3A的阳极端，缓冲驱动芯片IC2A的输出端还通过电阻R1连接电源，光电隔离器件IC3A的阴极端接地，光电隔离器件IC3A的发射极连接一缓冲驱动芯片IC4A的输入端，光电隔离器件IC3A的发射极还通过电阻R2接地，光电隔离器件IC3A的集电极连接+5V电源，缓冲驱动芯片IC4A的输出端通过电阻R3连接+9V电源，缓冲驱动芯片IC4A的输出端还连接高速脉冲开关T1的栅极，高速脉冲开关T1的源极接地、漏极连接脉冲变压器3a的原边发射线圈一端，脉冲变压器3a原边发射线圈另一端连接+9V电源。

本发明的第二驱动电路2b包括：一缓冲驱动芯片IC2B，其输入端连接单片机1的放电控制端，缓冲驱动芯片IC2B的输出端连接一光电隔离器件IC3B的阳极端，缓冲驱动芯片IC2B的阳极端还通过电阻R9连接电源，光电隔离器件IC3B的阴极端接地，光电隔离器件IC3B的发射极连接缓冲驱动芯片IC4B的输入端，光电隔离器件IC3B的发射极还通过电阻R10接地，光电隔离器件IC3B的集电极连接+5V电源，缓冲驱动芯片IC4B的输出端通过电阻R11连接+9V电源，缓冲驱动芯片IC4B的输出端还连接高速脉冲开关T2的栅极，高速脉冲开关T2的源极接地、漏极连接脉冲变压器3b的原边发射线圈一端，脉冲变压器3b原边发射线圈另一端连接+9V电源。

本发明第一、二脉冲变压器3a、3b是一种小型变压器TRANS1和TRANS2(为通用名)，具有很高的变比，可以使整个发射系统的体积很小。

本发明的第一整流电路4a包括：在脉冲变压器3a的副边线圈一端通过一二极管D1连接高压电容器C13，高压电容器C13的另一端与脉冲变压器3a的副边线圈另一端共同接地，在二极管D1和高压电容器C13两端并联连接一二极管D4，二极管D4的阳极与高压开关5的主电极G0端共同接地。

本发明的第二整流电路4b包括：在脉冲变压器3b的副边线圈一端通过一二极管D2连接高压电容器C15，高压电容器C15的另一端与脉冲变压器3b的副边线圈另一端共同接地，在二极管D2和高压电容器C15两端并联连接二极管D5，二极管D5的阳极接地。

本发明在高压电容器C13两端并联连接分压电阻R4和R5，电阻R5两端并联连接滤波电容器C14，高压电容器C13的电压端通过电阻R12和发射线圈7连接高压开关5的G1端，分压电阻R4和R5的接点连接比较器6的反相输入端，比较器6的输出端与单片机1的反馈输入端连接，比较器6的输出端还连接分压电阻R6和R7，电阻R6和R7的接点连接比较器6的同相输入端，电阻R7的另一端接基准电压V_R，比较器6的输出端通过一稳压管D3接地。

本发明通过第一驱动电路2a、高速脉冲开关T1、第一脉冲变压器3a、第一整流电路4a和高压电容器C13组成充电电路。

本发明通过第二驱动电路2b、高速脉冲开关T2、第二脉冲变压器3b、第二整流电路4b、高压电容器C15、电阻R8、高压开关5和球形触发开关8组成放电电路的控制部分。

本发明通过充电高压电容器C13的分压电阻R4和R5，滤波电容器C14，比较器6，基准电压的分压电阻R6和R7，稳压二极管D3组成充电电压的监测电路。

本实施例中缓冲驱动芯片IC2采用SN7407芯片，该芯片内部设有A、B两路，其中一路(即IC2A)用于充电电路，另一路(即IC2B)用于放电控制电路，缓冲驱动芯片IC4也采用SN7407芯片，内部也设有IC4A、IC4B两路，分别用于充电电路和放电控制电路，比较器6采用高精度运算放大器OP07，光电隔离器件IC3采用4路光电隔离器TLP521-4，本发明采用了其中的A、B两路，其中一路(即IC3A)用于充电电路，另一路(即IC3B)用于放电控制电路。

本实施例中采用型号为MC7805和MC7905的稳压器为整个能量发射装置提供电源(图中未示出)。

本发明采用PIC系列单片机1输出产生如图1所示的脉冲波形，波形的占空比为1：3。如图2所示，因为脉冲变压器3a、3b将输出高压，为了防止高电压对单片机1产生的影响，分别采用光电隔离器件IC3A、IC3B将单片机1的地信号和脉冲变压器3a、3b的地信号分离，对单片机1起到了保护作用。为了提高单片机1输出信号的驱动能力，并满足光电隔离器件IC3A、IC3B和高速脉冲开关T1、T2的输入要求，采用了缓冲驱动芯片IC2A、IC4A、IC2B、IC4B对单片机1输出的脉冲进行驱动，进而连接到脉冲变压器3a、3b原边侧的高速开关T1、T2。

单片机1的输出信号经驱动后由脉冲变压器3a和3b输出高压波形，在振荡电路的驱动下可将几伏至几十伏的电压升至几千伏，负载为发射线圈7，是冲击电流的作用对象。脉冲变压器3a和3b的作用是输出高压脉冲信号，在该脉冲信号E作用下高压电容器C13、C15的充电过程原理如图3所示，若近似认为二极管的伏安特性是线性的，则二极管存在正向电阻和反向电阻，高压电容器C13、C15在高电平T_Z期间充电，低电平TN期间经过电阻R缓慢放电(如图5所示)。

对理想的脉冲变压器而言，当初级输入矩形脉冲时，在次级上将得到变化规律与之完全相同的波形，但实际上由于变压器绕组中分布电容及漏感的影响，其输出波形并不是理想的矩形脉冲，而是包括了上冲、顶降及反冲在内的畸变波形，其中反冲对耦合效率有一些影响，因此在本装置中采用第一、二整流电路对高压电容器C13、C15充电。

高压电容器C13、C15是一种无感式电容器，其耐压为5kV，可以在瞬间释放出峰值为8kA的电流，并能以很高的放电频率工作，其放电过程原理如图4所示。

高压电容器C13、C15其充电过程中伴随着缓慢的放电过程，如图5所示。如果用k表示周期数，U_CZ，K+1表示第k+1个周期的Tz期间电容器电压Uc的变化规律，它是以第k个周期中t＝T_N时U_CF，K为初始条件而按指数规律上升的，U_CF，K+1表示第k+1个周期的T_N期间电容器的电压，它是以该周期中t＝Tz时的电压U_Cz，K+1为初始条件按指数规律缓慢降低的。

本发明通过电阻R4和R5对高压电容器C13的充电过程进行监测，PIC单片机1采集信号，当达到一定的充电电压值后启动高压开关5对高压电容器C13放电。电压监测电路由电压比较器6、电阻R6、R7和稳压管D3组成。比较器6的任务是将高压电容器的电压值反馈给控制电路，其输出端与PIC单片机1的反馈输入端相连，进行信号采集和决策。电阻R7的一端接基准电压V_R，由于比较器6不能直接承受高压电容器的电压，所以采用电阻R4和R5分压，分压后的输出电压接入比较器6反相输入端。为了使分压值输出波形平滑，电路中接入了滤波电容器C14，另外为了能够产生较高的冲击电流峰值，R6与R7的取值很大。

本发明中高压开关5采用三电极高压开关TRG，球形触发开关8采用TBG触发开关，高压开关5和球形触发开关8组成高压控制开关。高压控制开关能够承受的耐压为6kV，导通速度小于50nS，导通电阻小于10mΩ。

本发明中R1、R2、R9、R10均为1KΩ，电阻R3、R11均为500Ω，电阻R4为100KΩ，R5为10Ω，R6为800Ω、R7为200Ω、R8为8Ω、R12为8Ω，高压电容器C13、C15为0.2μf，电容C14为0.1μf。

本发明是这样工作的：PIC单片机1发出脉冲信号，同时输出给充、放电两回路系统，充、放电两路系统分别经过光电隔离器件IC3A、IC3B，信号缓冲驱动芯片IC2A、IC4A、IC2B、IC4B、脉冲变压器3a、3b和整流电路4a、4b后对各路的高压电容器C13、C15充电，当放电回路的高压电容器C15的充电电压达到一定值后，球形触发开关8的两个小球被击穿，对高压开关5的控制极提供了一个很陡的正脉冲，使得高压开关5的两极击穿，从而接通放电回路，高压电容器C13很快放电，给发射线圈7提供大电流。放电完成后开始下一次的充电过程，依此不断反复。

如图6所示，本发明发射线圈7中的电流在分析计算的同时采用罗果夫斯基线圈进行测量，其测量系统结构包括：一罗果夫斯基线圈9，一传输被测电流的导体10从罗果夫斯基线圈9的中心穿过，一测量电缆11与罗果夫斯基线圈9连接，测量电缆11通过R、C积分电路连接一示波器12。

罗果夫斯基线圈9实质是一种原边为单匝线圈、副边为多匝线圈的电流互感器，这种测量线圈本身与电流回路只是通过电磁场耦合，因此与主回路有良好的电气绝缘，再加上这种线圈结构简单、易于加工和安装，工作性能可靠，频带较宽，自身的上升时间可以做得很小，所以，罗果夫斯基线圈非常适合于测量脉冲电流。

设电流传输导线与罗果夫斯基线圈每匝中心的距离为r，被测电流为i(t)，穿过线圈每匝的磁感应强度为B_r，则可得出磁感应强度B_r与r和i(t)函数关系，可以推算出图6中的电压u(t)与被测电流i(t)的导数成正比。为了得到u(t)与i(t)的正比关系，在电路中设置了R、C积分电路。当电缆电阻Z远远大于罗果夫斯基线圈的感抗ωL时，可略去测量线圈的内压降，可近似认为u(t)全部降落在电缆的电阻Z上。

另外，通过对积分电路中R、C的选择可使通过C的电流 $i_C\left(t\right)\≈\frac{u\left(t\right)}{R},$ 故C上的电压u_C(t)与被测电流成正比。

测量过程中需要消除强磁场在电缆外皮中产生的噪声电流而引起的共模干扰，这种噪声电流引起的电压降将耦合到被测信号上。干扰信号的大小与电缆的耦合阻抗有关，采取的措施是：(1)采用双屏蔽电缆，减小感生电流和耦合阻抗。(2)缩短接地回路，消除地电位升高而造成的影响。采用以上措施后获得良好的测量效果，发射线圈7上的实测电流峰值可以在瞬间为8kA，从而提高了电能发射装置的能量密度。

Claims (7)

1、一种高密度电能发射装置，其特征在于它包括：

一单片机；

第一、二驱动电路，其分别连接所述单片机的输出端；

第一、二脉冲变压器，其分别连接所述第一、二驱动电路的输出端；

第一、二整流电路，其分别连接所述第一、二脉冲变压器的输出端；

一三电极高压开关，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接一球形触发开关，再另一端连接一发射线圈；所述球形触发开关的另一端连接所述第二整流电路的输出端；

一比较器，其一端连接所述第一整流电路的输出端，另一端连接所述单片机。

2、如权利要求1所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：所述第一驱动电路包括：第一缓冲驱动芯片的输入端连接在所述单片机的脉冲输出端，所述第一缓冲驱动芯片的输出端连接第一光电隔离器件的阳极端，所述第一缓冲驱动芯片的输出端还通过电阻(R1)连接电源，所述第一光电隔离器件的阴极端接地，所述第一光电隔离器件的发射极连接第二缓冲驱动芯片的输入端，所述第一光电隔离器件的发射极还通过电阻(R2)接地，所述第一光电隔离器件的集电极连接+5V电源，所述第二缓冲驱动芯片的输出端通过电阻(R3)连接+9V电源，所述第二缓冲驱动芯片的输出端还连接第一高速脉冲开关的栅极，所述第一高速脉冲开关源极接地、漏极连接所述第一脉冲变压器的原边发射线圈，所述第一脉冲变压器的原边发射线圈连接+9V电源。

3、如权利要求1所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：所述第二驱动电路包括：第三缓冲驱动芯片的输入端连接在所述单片机的放电控制端，所述第三缓冲驱动芯片的输出端连接第二光电隔离器件的阳极端，所述第三缓冲驱动芯片的输出端还通过电阻(R9)连接电源，所述第二光电隔离器件的阴极端接地，所述第二光电隔离器件的发射极连接第四缓冲驱动芯片的输入端，所述第二光电隔离器件的发射极还通过电阻(R10)接地，所述第二光电隔离器件的集电极连接+5V电源，所述第四缓冲驱动芯片的输出端通过电阻(R11)连接+9V电源，所述第四缓冲驱动芯片的输出端还连接第二高速脉冲开关的栅极，所述第二高速脉冲开关源极接地、漏极连接所述第二脉冲变压器的原边发射线圈，所述第二脉冲变压器的原边发射线圈连接+9V电源。

4、如权利要求1所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：所述第一整流电路包括：在所述第一脉冲变压器副边线圈通过二极管(D1)连接高压电容器(C13)，所述高压电容器(C13)的另一端与所述第一脉冲变压器副边线圈共同接地，在所述二极管(D1)和高压电容器(C13)两端并联连接二极管(D4)，所述二极管(D4)的阳极连接所述高压开关。

5、如权利要求1所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：所述第二整流电路包括：在所述第二脉冲变压器副边线圈通过二极管(D2)连接高压电容器(C15)，所述高压电容器(C15)的另一端与所述第二脉冲变压器副边线圈共同接地，在所述二极管(D2)和高压电容器(C15)的两端并联连接二极管(D5)，所述二极管(D5)的阳极接地。

6、如权利要求1或4所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：所述高压电容器(C13)两端并联连接分压电阻(R4)和(R5)，所述电阻(R5)两端并联连接滤波电容器(C14)，所述高压电容器(C13)的电压端通过电阻(R12)和发射线圈连接所述三电极高压开关的(G1)端，所述分压电阻(R4)和(R5)的接点连接所述比较器的反相输入端，所述比较器的输出端与所述单片机的反馈输入端连接，所述比较器的输出端连接串联分压电阻(R6)和(R7)，所述电阻(R6)和(R7)的接点连接所述比较器的同相输入端，所述电阻(R7)的一端接基准电压V_R，所述比较器的输出端通过一稳压管(D3)接地。

7、如权利要求1所述的一种高密度电能发射装置，其特征在于：还包括一发射线圈中的电流测量系统，其包括：一罗果夫斯基线圈，一从所述罗果夫斯基线圈中心穿过的传输被测电流的导体，一测量电缆与所述罗果夫斯基线圈连接，所述测量电缆通过R、C积分电路连接一示波器。

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