CN102647138B - 一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，它包括涡轮发电机、整流滤波模块、输入级过流过压欠压保护模块、DC/DC开关变换器、电源管理控制器和二次滤波输出模块；涡轮发电机将钻井液的能量转化为大功率交流电能输入整流滤波模块，将交流电压转换为直流大纹波电压传输至输入级过流过压欠压保护模块内，对传输电路输入端过压、过流及欠压保护；输入级过流过压欠压保护模块输出的电压信号分别输入DC/DC开关变换器和电源管理控制器，电源管理控制器将接收到的电压信号转换为PWM信号，传输至DC/DC开关变换器内控制其通断；DC/DC开关变换器输出端连接二次滤波输出模块，电压信号经二次滤波输出模块滤波后生成低纹波稳定直流电压，输入至电源管理控制器内，构成闭环控制系统。

Description

一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置

技术领域

本发明涉及一种油井井下工具供电装置，特别是关于一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置。

背景技术

井下涡轮发电机的工作原理是通过涡轮将钻井液的能量转化为电能。关于井下涡轮发电机的设计，国内已有数十项专利技术。从随钻测量和井下控制的工况以及随钻测量仪器和工具的功能、结构来分析，用发电机作为井下主电源应是一种较佳的选择。因为在随钻工况下，高速流动的钻井液为发电机提供了持续的动力，只要钻机工作、钻井液循环流动，发电机就能为随钻测量仪器和工具提供充足的电力。井下涡轮式交流发电机电源的优点是可长时间为系统提供电力，能够适应井下高温高压环境，工作寿命长，因而可以传输更多参数，代表了测量技术的发展趋势；其缺点是产生的电流不稳定，这也在一定程度上限制了其发展，因此需要对其进行整流稳压以提高系统的稳定性。

现有涡轮发电机整流稳压供电电源装置系统存在以下缺点：1、电压纹波较大，通常为模拟电源或者线性电源，转换效率低，发热量大，不能满足井下高温工作环境。2、现有模块缺少保护装置，在出现过载过压等情况下，损毁发电装置以及后端的负载装置，存在极大的安全隐患，安全性和可靠性差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能满足井下高温工作环境，安全性和可靠性较好的井下涡轮发电机整流稳压供电装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：它包括涡轮发电机、整流滤波模块、输入级过流过压欠压保护模块、DC/DC开关变换器、电源管理控制器和二次滤波输出模块；所述涡轮发电机将钻井液的能量转化为大功率交流电能输入所述整流滤波模块内，将交流电压转换为直流大纹波电压后传输至所述输入级过流过压欠压保护模块内，对传输电路输入端过压、过流及欠压保护；所述输入级过流过压欠压保护模块输出的电压信号分别输入所述DC/DC开关变换器和电源管理控制器，所述电源管理控制器将接收到的电压信号转换为PWM信号，传输至所述DC/DC开关变换器内控制其通断；所述DC/DC开关变换器输出端连接所述二次滤波输出模块，电压信号经所述二次滤波输出模块滤波后生成低纹波稳定直流电压，输入至所述电源管理控制器内，构成闭环控制系统。

所述输入级过流过压欠压保护模块包括由两个串联电阻构成的第一分压电路、传感电阻、场效应管、由两个串联电阻构成的第二分压电路和控制器，所述控制器内设置有欠压判断模块、过流判断模块、过压判断模块和主控制器；所述输入级过流过压欠压保护模块输入端与所述第一分压电路并联，输入端还依次与所述传感电阻和场效应管串联；所述第一分压电路将检测到的输入端电压信号输入所述欠压判断模块内与预设的欠压保护阈值比较；所述传感电阻将检测到的电流信号输入所述过流判断模块内与预设的过流保护阈值比较，所述欠压判断模块和过流判断模块分别将其比较结果输入所述主控制器；所述场效应管源极连接所述输入级过流过压欠压保护模块输出端，在该输出端与所述场效应管源极之间并联所述第二分压电路；所述第二分压电路将检测到的输出端电压信号输入所述过压判断模块内，与预设的过压保护阈值比较，并将比较结果输入所述主控制器内；所述主控制器根据各比较结果控制所述场效应管断开/导通。

所述欠压判断模块内的欠压保护阈值V_undervoltage为：V_undervoltage＝V_in×(R2/(R1+R2))，式中，V_in是所述输入级过流过压欠压保护模块的输入电压，R1、R2是所述第一分压电路中两个串联的电阻。

所述过流判断模块内的过流保护阈值I_overcurrent为：I_overcurrent＝V_senseset/Rsense，式中，V_senseset为所述传感电阻两端预设电压，Rsense为所述传感电阻的阻值。

所述过压判断模块内的过压保护阈值V_overvoltage为：V_overvoltage＝V_out×(R4/(R3+R4))，式中，V_out是所述输入级过流过压欠压保护模块的输出电压，R3、R4是所述第二分压电路中两个串联的电阻。

所述电源管理控制器包括辅助电源、逻辑控制PWM生成器、电压电流反馈检测器、输出过压过流保护单元和逻辑与非门；所述辅助电源将所述输入级过流过压欠压保护模块输入的高压直流电降压后，生成低压辅助电源输入所述逻辑控制PWM生成器内，并为所述电源管理控制器供电；所述电压电流反馈检测器将接收到的由所述二次滤波输出模块输出的低纹波稳定直流电压分别输入所述逻辑控制PWM生成器和输出过压过流保护单元内；所述逻辑控制PWM生成器依据检测得到的电压电流反馈信号，与预设的期望值比较后生成PWM输出信号；所述输出过压过流保护单元将接收到的反馈电压电流信号与预设的期望值比较，判断其是否超过该期望值10％，进而与所述逻辑控制PWM生成器的PWM输出信号生成所述逻辑与非门通断的控制PWM信号；控制PWM信号输入所述DC/DC开关变换器内控制其通断。

当所述输出过压过流保护单元接收到的反馈电压电流信号超过预设的期望值10％时，则所述DC/DC开关变换器进入关断状态，反之，所述DC/DC开关变换器为导通可控状态。

所述整流滤波模块包括整流滤波桥电路和大容量耐高温电解电容，所述涡轮发电机输出的电能经所述整流滤波桥电路转换为单向直流电，输入所述大容量耐高温电解电容储能滤波，将单向直流电转换为直流大纹波电压输出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用涡轮发电机、整流滤波模块、输入级过流过压欠压保护模块、DC/DC开关变换器、电源管理控制器和二次滤波输出模块构成的稳压供电装置，有效解决了涡轮发电机直接供电所固有的电压幅值频率不固定缺陷，可以为井下用电工具提供更稳定的直流供电电压，能满足井下高温工作环境。2、本发明采用的涡轮发电机，使用油井钻井过程中的泥浆流量驱动涡轮发电机的运转，使得泥浆所具有的动能转换为涡轮发电机生成的电能，该电能具有宽范围变频变幅的特点。3、本发明由于采用输入级过流过压欠压保护模块，输入级过压过流欠压保护模块通过与主电路的串并联连接，实时检测输入端主电路的并联电压与串联电流信号，通过控制逻辑比较判断，在过压、过流、欠压情况下保护断开主回路。因此，有效的增加了安全保护措施，避免了因为涡轮发电机工作状态不稳定导致过压欠压过流等异常状态所带来的用电设备安全故障，提高了整体系统的安全性和可靠性。4、本发明由于在主电路输出端采用二次滤波输出模块，实现对DC/DC开关变换器所输出的高频脉宽电压进行滤波，并生成低纹波稳定直流电压。本发明可以广泛在油井井下用电工具中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的过压欠压过流保护模块结构示意图。

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。

如图1所示，本发明包括涡轮发电机1、整流滤波模块2、输入级过流过压欠压保护模块3、DC/DC开关变换器4、电源管理控制器5和二次滤波输出模块6。

涡轮发电机1将钻井液的能量转化为大功率交流电能后，经整流滤波模块2将交流电压转换为直流大纹波电压后，传输至输入级过流过压欠压保护模块3，实现对传输电路输入端过压、过流及欠压保护。输入级过流过压欠压保护模块3输出的电压信号分别输入DC/DC开关变换器4和电源管理控制器5，电源管理控制器5将接收到的电压信号转换为PWM信号，传输至DC/DC开关变换器4内，控制DC/DC开关变换器4的通断。DC/DC开关变换器4输出端连接二次滤波输出模块6，电压信号经二次滤波输出模块6滤波后生成低纹波稳定直流电压，输入至电源管理控制器5内，构成闭环控制系统。

上述实施例中，涡轮发电机1将钻井液的能量转化为大功率交流电能，是通过油井钻井过程中的泥浆流量驱动涡轮发电机1的运转，使得泥浆所具有的动能转换为涡轮发电机1的电能，该电能具有宽范围变频变幅的特点，具体的输出电压幅值频率与通过的泥浆流速相关。

上述各实施例中，整流滤波模块2包括整流滤波桥电路和大容量耐高温电解电容，涡轮发电机1输出的电能经整流滤波桥电路转换为单向直流电，输入大容量耐高温电解电容储能滤波，将单向直流电转换为直流大纹波电压输出。

上述各实施例中，如图2所示，输入级过流过压欠压保护模块3包括由两个串联电阻R1、R2构成的第一分压电路31、传感电阻Rsense、场效应管Q1、欠压判断模块32、过流判断模块33、主控制器34、由两个串联电阻R3、R4构成的第二分压电路35和过压判断模块36，其中，欠压判断模块32、过流判断模块33、主控制器34和过压判断模块36设置在控制器37内。输入级过流过压欠压保护模块3输入端与第一分压电路31并联，输入端还依次与传感电阻Rsense和场效应管Q1串联。第一分压电路31将检测到的输入端电压信号输入欠压判断模块32内与预设的欠压保护阈值比较；传感电阻Rsense将检测到的电流信号输入过流判断模块33内与预设的过流保护阈值比较，欠压判断模块32和过流判断模块33分别将其比较结果输入主控制器34。场效应管Q1源极连接输入级过流过压欠压保护模块3输出端，在输出端与场效应管Q1源极之间并联第二分压电路35。第二分压电路35将检测到的输出端电压信号输入过压判断模块36内与预设的过压保护阈值比较，并将比较结果输入主控制器34内。主控制器34根据各比较结果控制场效应管Q1断开/导通，当任何一个比较结果超过保护阈值时，则场效应管Q1断开，反之，导通。

其中，欠压判断模块32内的欠压保护阈值V_undervoltage、过流判断模块33内的过流保护阈值I_overcurrent以及过压判断模块36内的过压保护阈值V_overvoltage可以分别通过以下公式进行预先设置：

V_undervoltage＝V_in×(R2/(R1+R2))，(1)

I_overcurrent＝V_senseset/Rsense，  (2)

V_overvoltage＝V_out×(R4/(R3+R4))，(3)

式中，V_in是输入级过流过压欠压保护模块3的输入电压，V_undervoltage为欠压保护阀值，V_overvoltage为过压保护阀值，I_overcurrent为过流保护阀值，V_senseset为传感电阻Rsense两端预设电压，V_out是输入级过流过压欠压保护模块3的输出电压。

在使用时，当输入电压V_in经过电阻R1、R2分压后大于欠压保护阈值V_undervoltage时，则欠压保护逻辑使能；当输出电压V_out经过电阻R3、R4分压后大于过压保护阈值V_overvoltage时，过压保护逻辑使能；当电流经过传感电阻Rsense产生的压降大于预设电压V_senseset时，即流经输入级过流过压欠压保护模块3的电流大于过流保护阀值I_overcurrent时，过流保护逻辑使能；当出现欠压、过压、过流保护逻辑使能情况下，主控制器34输出关断信号，场效应管Q1截止，进入保护模式，停止输出。需要说明的是，实际设置值与具体理论计算公式有一定的差别，本领域的普通技术人员还需要根据实际场景与情况进行设置。

上述各实施例中，电源管理控制器5包括辅助电源51、逻辑控制PWM生成器52、电压电流反馈检测器53、输出过压过流保护单元54和逻辑与非门55。辅助电源51将输入级过流过压欠压保护模块3输入的高压直流电降压后，生成低压辅助电源输入逻辑控制PWM生成器52内，同时，低压辅助电源还为电源管理控制器5供电。电压电流反馈检测器53将接收到的由二次滤波输出模块6输出的低纹波稳定直流电压分别输入逻辑控制PWM生成器52和输出过压过流保护单元54内。逻辑控制PWM生成器52依据检测得到的电压电流反馈信号，与预设的期望值比较后，生成PWM输出信号；输出过压过流保护单元54将接收到的反馈电压电流信号与预设的期望值比较，判断其是否超过该期望值10％，进而与逻辑控制PWM生成器52的PWM输出信号生成逻辑与非门55通断的控制PWM信号。控制PWM信号输入DC/DC开关变换器4，控制DC/DC开关变换器4的通断，进而实现对本发明整个装置传输电路导通的控制。其中，当输出过压过流保护单元54接收到的反馈电压电流信号超过期望值10％时，则执行输出过压保护动作，即DC/DC开关变换器4进入关断状态，反之不超过期望值10％时，DC/DC开关变换器4为导通可控状态。

需要说明的是，逻辑控制PWM生成器52可以使用ASIC专用芯片实现，也可以通过单片机、DSP、ARM等通用型芯片控制实现，具体的控制逻辑算法包括但布局限于PID控制、模糊控制等常见算法，本领域的普通技术人员还需要根据实际场景与情况进行参数的具体设置。

综上所述，本发明能够有效地将井下泥浆流动所具有的能量转换为涡轮发电机的输出电能，并进一步转换为低纹波高稳定性高安全性的直流稳压电源，以提供给井下用电设备稳定持久的电源供应。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：它包括涡轮发电机、整流滤波模块、输入级过流过压欠压保护模块、DC/DC开关变换器、电源管理控制器和二次滤波输出模块；所述涡轮发电机将钻井液的能量转化为大功率交流电能输入所述整流滤波模块内，将交流电压转换为直流大纹波电压后传输至所述输入级过流过压欠压保护模块内，对传输电路输入端过压、过流及欠压保护；所述输入级过流过压欠压保护模块输出的电压信号分别输入所述DC/DC开关变换器和电源管理控制器，所述电源管理控制器将接收到的电压信号转换为PWM信号，传输至所述DC/DC开关变换器内控制其通断；所述DC/DC开关变换器输出端连接所述二次滤波输出模块，电压信号经所述二次滤波输出模块滤波后生成低纹波稳定直流电压，输入至所述电源管理控制器内，构成闭环控制系统；

所述输入级过流过压欠压保护模块包括由两个串联电阻构成的第一分压电路、传感电阻、场效应管、由两个串联电阻构成的第二分压电路和控制器，所述控制器内设置有欠压判断模块、过流判断模块、过压判断模块和主控制器；

所述输入级过流过压欠压保护模块输入端与所述第一分压电路并联，输入端还依次与所述传感电阻和场效应管串联；所述第一分压电路将检测到的输入端电压信号输入所述欠压判断模块内与预设的欠压保护阈值比较；所述传感电阻将检测到的电流信号输入所述过流判断模块内与预设的过流保护阈值比较，所述欠压判断模块和过流判断模块分别将其比较结果输入所述主控制器；所述场效应管源极连接所述输入级过流过压欠压保护模块输出端，在该输出端与所述场效应管源极之间并联所述第二分压电路；所述第二分压电路将检测到的输出端电压信号输入所述过压判断模块内，与预设的过压保护阈值比较，并将比较结果输入所述主控制器内；所述主控制器根据各比较结果控制所述场效应管断开/导通。

2.如权利要求1所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述欠压判断模块内的欠压保护阈值V_undervoltage为：

V_undervoltage=V_in×(R2/(R1+R2))，

式中，V_in是所述输入级过流过压欠压保护模块的输入电压，R1、R2是所述第一分压电路中两个串联的电阻。

3.如权利要求1所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述过流判断模块内的过流保护阈值I_overcurrent为：

I_overcurrent=V_senseset/Rsense，

式中，V_senseset为所述传感电阻两端预设电压，Rsense为所述传感电阻的阻值。

4.如权利要求1所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述过压判断模块内的过压保护阈值V_overvoltage为：

V_overvoltage=V_out×(R4/(R3+R4))，

式中，V_out是所述输入级过流过压欠压保护模块的输出电压，R3、R4是所述第二分压电路中两个串联的电阻。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述电源管理控制器包括辅助电源、逻辑控制PWM生成器、电压电流反馈检测器、输出过压过流保护单元和逻辑与非门；

所述辅助电源将所述输入级过流过压欠压保护模块输入的高压直流电降压后，生成低压辅助电源输入所述逻辑控制PWM生成器内，并为所述电源管理控制器供电；所述电压电流反馈检测器将接收到的由所述二次滤波输出模块输出的低纹波稳定直流电压分别输入所述逻辑控制PWM生成器和输出过压过流保护单元内；所述逻辑控制PWM生成器依据检测得到的电压电流反馈信号，与预设的期望值比较后生成PWM输出信号；所述输出过压过流保护单元将接收到的反馈电压电流信号与预设的期望值比较，判断其是否超过该期望值10%，进而与所述逻辑控制PWM生成器的PWM输出信号生成所述逻辑与非门通断的控制PWM信号；控制PWM信号输入所述DC/DC开关变换器内控制其通断。

6.如权利要求5所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：当所述输出过压过流保护单元接收到的反馈电压电流信号超过预设的期望值10%时，则所述DC/DC开关变换器进入关断状态，反之，所述DC/DC开关变换器为导通可控状态。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述整流滤波模块包括整流滤波桥电路和大容量耐高温电解电容，所述涡轮发电机输出的电能经所述整流滤波桥电路转换为单向直流电，输入所述大容量耐高温电解电容储能滤波，将单向直流电转换为直流大纹波电压输出。

8.如权利要求5所述的一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，其特征在于：所述整流滤波模块包括整流滤波桥电路和大容量耐高温电解电容，所述涡轮发电机输出的电能经所述整流滤波桥电路转换为单向直流电，输入所述大容量耐高温电解电容储能滤波，将单向直流电转换为直流大纹波电压输出。

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