CN105932757A - 一种深井脉冲电容器的恒流充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，包括设置在地面上的第一装置、电缆、设置在井下的第二装置和脉冲电容器。第一装置将工频220V交流电源变为中频高压交流电源，然后经电缆将其传输到第二装置，第二装置再将此中频高压电源变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电。脉冲电容器的电压通过电阻分压器来实现测量，控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来改变平均充电电流，形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。本发明采用闭环控制方法，实现了深井脉冲电容器的恒流充电，提高了充电速度和能量利用率，简化了井下装置的结构，提高了充电系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于高电压技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种深井脉冲电容器的恒流充电系统。
背景技术
随着对脉冲功率技术研究的不断深入，脉冲功率装置被越来越多地应用到工业及民用领域，油井解堵、矿井物探和水下目标探测等是其中重要的一方面。然而由于这些领域的特殊性，脉冲功率装置一般需要工作在数千米的井下，因此对深井脉冲电容器充电系统提出了较高要求。
目前，深井脉冲电容器充电系统普遍采用恒压充电方式，通过测井电缆将地面的工频市电直接传输到井下升压变压器，或经变频后传输到井下升压变压器，变压器升压后经过整流电路和限流电阻后给脉冲电容器充电。这种充电方式的缺点是能量利用率很低，充电速度较慢，并且限流电阻的发热对井下装置的整体运行不利。采用恒流充电的方式可以很好地解决上述问题，然而普通的高频谐振式恒流充电电路应用于深井中时，面临井下部分体积大、复杂程度高等问题，而且由于电力电子器件工作在井下，需要承受较高温度，导致其工作可靠性较低、故障率高，在过深的井中甚至完全不能正常运行。因此，需要一种能够应用于深井中的新型脉冲电容器恒流充电系统。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种深井中脉冲电容器恒流充电系统，旨在解决现有充电装置充电速度慢，井下部件体积大、能量利用率低的问题。
本发明提供了一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，包括设置在地面上的第一装置、设置在井下的第二装置以及用于连接所述第一装置和所述第二装置的电缆；所述第一装置用于将地面工频220V交流电源转换为中频高压交流电源；所述第二装置的输出端用于连接脉冲电容器；所述第二装置用于将地面传输的中频高压电源转换为所需的高压直流电源并对所述脉冲电容器充电；
更进一步地，所述第一装置包括依次连接的工频变压器、整流滤波电路和逆变电路，以及其输入端用于连接所述电缆的第一输出端且输出端用于连接所述逆变电路的低压控制电路。
更进一步地，所述第二装置包括高温中频变压器、高温整流电路和电阻分压器，所述高温中频变压器的输入端连接至所述电缆的第二输出端，所述高温整流电路的输入端连接至所述高温中频变压器的输出端，所述电阻分压器的输入端连接至所述高温整流电路的输出端，所述电阻分压器的输出端连接至所述电缆的第二输入端；所述高温中频变压器用于将地面传输下来的电压升高到脉冲电容器充电所需的电压值；所述高温整流电路用于将高温中频变压器输出的交流电压转换成直流电压；所述电阻分压器用于实现对脉冲电容器电压的测量。
更进一步地，所述低压控制电路包括主控制芯片、功率驱动电路、信号隔离与调理电路、充电过压保护电路和显示电路；所述信号隔离与调理电路的输入端作为低压控制电路的输入端连接至电缆的第一输出端，充电过压保护电路的输入端连接至信号隔离与调理电路的第一输出端，主控制芯片的第一输入端连接至充电过压保护电路的输出端，主控制芯片的第二输入端连接至信号隔离与调理电路的输出端，主控制芯片的第一输出端连接至功率驱动电路的输入端，主控制芯片的第二输出端连接至显示电路，功率驱动电路的输出端作为低压控制电路的输出端连接至逆变电路；所述主控芯片对信号隔离与调理电路输出的信号进行A/D转换，并将转换结果传输到显示电路，从而完成对脉冲电容器充电电压的检测；所述主控芯片对充电过压保护电路输出的充电过压进行判断，当出现充电过压时产生报警信号；所述主控芯片通过计算平均充电电流，并通过功率驱动电路实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。
更进一步地，所述电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值、芯线数n≥4的测井电缆，其中两根芯线用作能量传输线，另两根芯线用作测量信号传输线。
更进一步地，所述高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的总电感。
更进一步地，所述高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
(1)采用闭环控制的方法，控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。与传统的恒压充电方式相比，不需要在井下再接限流电阻，减小了井下部件的发热量，提高了充电系统的能量利用率，减小了能量损耗。
(2)将脉冲电容器的恒流充电系统分成地面、井下两部分，其中将电力电子器件置于地面，从而使其不需要承受井下的高温，这样可以降低电力电子器件的故障率，提高充电系统运行可靠性；井下部分仅有变压器、整流电路和高压分压器等高压器件，这样大大降低了井下装置的复杂程度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统的原理框图。
图3是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中低压控制电路的结构原理框图。
图4是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中全桥逆变电路的驱动信号图。
图5是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中信号隔离与调理电路原理图。
图6是本发明实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中恒流控制程序流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明包括设置在地面上的第一装置、电缆、设置在井下的第二装置和脉冲电容器。其中第一装置由工频变压器、整流滤波电路、逆变电路以及低压控制电路组成，第二装置由高温中频变压器、高温整流电路以及电阻分压器组成。地面的工频220V交流电源经工频变压器、整流滤波电路、逆变电路后得到中频高压交流电源，再经电缆传输到井下，然后再经高温中频变压器、高温整流电路后变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电。脉冲电容器两端并联的电阻分压器，其输出信号经电缆传输到地面的低压控制电路，实现对脉冲电容器电压的测量；控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来改变平均充电电流，形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。
所述逆变电路采用全控型开关器件，并运用定频调宽的控制方式，即驱动信号的频率保持不变，通过改变驱动脉宽的方式来改变平均充电电流。
所述低压控制电路主要由主控制芯片、功率驱动电路、信号隔离与调理电路、充电过压保护电路及显示电路组成。主控制芯片可以是单片机或DSP；功率驱动电路用于驱动逆变电路中的开关器件；信号隔离与调理电路是对电阻分压器输出的信号进行调理、放大、隔离；充电过压保护电路为了防止脉冲电容器电压出现过充。
所述电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值、芯线数n≥4的测井电缆，选其中两根芯线用作能量传输线，其首端接到逆变电路的输出端，末端接到高温中频变压器的原方绕组端；另选两根芯线用作测量信号传输线，其首端接到信号隔离与调理电路的输入接口，末端接到电阻分压器的信号输出端。
所述高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的总电感。
所述高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成；可以达到体积小、结构紧凑、工作可靠性高的目的。
所述电阻分压器的低压臂电阻远大于电缆电阻。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的深井脉冲电容器的恒流充电系统，现结合附图和具体实例详述如下：
如图1和图2所示，包括设置在地面上的第一装置101、电缆102、设置在井下的第二装置103和脉冲电容器104。设置在地面上的第一装置101的输出接口通过电缆102与设置在井下的第二装置103的输入接口连接；电缆102有至少四根芯线；设置在井下的第二装置103的输出接口与脉冲电容器104连接，并共同密封在一个直径为102mm的钢管内。
其中第一装置由工频变压器201、整流滤波电路202、逆变电路203以及低压控制电路207组成。工频变压器201的原边绕组接220V工频交流电源，副边绕组接整流滤波电路202的输入端；整流滤波电路202的输出端连接到逆变电路203的输入端；逆变电路203的输出端接电缆102地面端的两根充电芯线；低压控制电路207的检测输入端接电缆102地面端的两根测量芯线，低压控制电路207的驱动输出端接到逆变电路203的开关管驱动极上。第一装置主要用于把工频220V交流电源变为中频恒流流电源，然后经电缆将其传输到井下部分。
第二装置由高温中频变压器204、高温整流电路205以及电阻分压器206组成。高温中频变压器204的原边绕组接电缆102井下端的两根充电芯线，其副边绕组接高温整流电路205的输入端；高温整流电路205的输出端连接脉冲电容器104；电阻分压器206的高压臂两端接在脉冲电容器104上，其低压臂输出端接在电缆102井下端的两根测量芯线上。井下部分主要将地面传输下来的中频高压电源变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电，并完成对脉冲电容器充电电压的测量。
如图3所示，低压控制电路主要由主控制芯片301、功率驱动电路302、信号隔离与调理电路303、充电过压保护电路304及显示电路305组成。信号隔离与调理电路303的输入端(即低压控制电路207的检测输入端)接在电缆102地面端的两根测量芯线上；信号隔离与调理电路303的输出端接到主控制芯片301的A/D转换引脚上；信号隔离与调理电路303的输出端还接到充电过压保护电路304的输入端；充电过压保护电路304的输出端接到主控制芯片301；主控制芯片301的PWM输出引脚接到功率驱动电路302的输入端；功率驱动电路302的输出端(即低压控制电路207的驱动输出端)接到逆变电路203的开关管驱动极上。低压控制电路主要通过实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。
工频220V交流电源经工频变压器、整流滤波电路、逆变电路后得到中频高压交流电源，再经电缆传输到井下，然后再经高温中频变压器、高温整流电路后变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电。脉冲电容器两端并联的电阻分压器，其输出信号经电缆传输到地面的低压控制电路，实现对脉冲电容器电压的测量；控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来改变平均充电电流，形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。
逆变电路采用全桥逆变，由四个相同的全控型开关器件S1～S4组成，逆变电路的输出电压峰值为1800V。全桥逆变电路采用定频调宽的控制方式，驱动信号的频率保持1kHz不变，通过改变驱动脉宽的方式来改变平均充电电流。相对桥臂(如S1和S3)的驱动信号相同，相同桥臂(如S1和S2)的驱动信号相位相差180°，所有桥臂的驱动信号脉宽相同，如图4所示。
主控制芯片可以是单片机、DSP或其他控制芯片。主控制芯片主要实现以下功能：对信号隔离与调理电路输出的信号进行A/D转换，并将转换结果传输到显示电路，从而完成对脉冲电容器充电电压的检测；对充电过压进行判断，当出现充电过压时产生报警信号；通过程序计算平均充电电流，并通过实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。
功率驱动电路由四个相同的开关管集成驱动模块组成，每个开关器件对应一个集成驱动模块，集成驱动模块的输入开关控制信号由主控制芯片提供，集成驱动模块的输出接到相应开关器件的控制极上。功率驱动电路的供电电源与主控制电路的电源要隔离。
信号隔离与调理电路是对电阻分压器输出的信号进行调理、放大、隔离，然后输入到主控制芯片进行A/D转换，从而用于程序控制和数字显示。图5是信号隔离与调理电路原理图，主要由滤波、放大、隔离、电压跟随组成。来自分压器的信号先经过共模电感GLM、电容来滤除交流信号。然后经过放大器INA128将信号放大50倍，由于放大器具有很大的输入阻抗，可以降低电缆电阻对测量值的影响。采用运算放大器OPA27和光耦LOC111组成隔离电路，LOC111内部结构为一个红外线发光二极管与两个光电三极管形成的光耦合，与一般的光耦隔离不同，此电路将LOC111光耦合器设置在伺服模式，其中的一个光电三极管在伺服反馈机制中对发光二极管的导通电流予以补偿，另一个光电三极管用于提供输入及输出电路间的电流隔离，从而使此隔离电路具有良好的线性度。最后将隔离后的输出信号经过一个电压跟随电路再输入到A/D转换接口，这样可以避免A/D接口的输入电阻对测量信号的影响。
充电过压保护电路是通过一个电压比较器来实现的，当充电电压大于30kV的设定值时，电压比较器输出高电平，用于报警，并且立即停止充电。
电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值的七芯测井电缆，选其中两根芯线为充电芯线，用作充电能量传输线，其地面端接到逆变电路的输出端，井下端接到高温中频变压器的原方绕组端；另选两根芯线为测量芯线，用作测量信号传输线，其地面端接到信号隔离与调理电路的输入接口，井下端接到电阻分压器的低压臂输出端。
高温中频变压器采用多个高温特性良好的磁芯串联实现，原方绕组电感为623mH，而经测量3km的七芯电缆电感约为2.67mH，高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的电感。高温中频变压器整体灌封在直径为69mm的圆柱体中。
高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成，可以达到体积小、结构紧凑、工作可靠性高的目的。所有SiC二极管都布置在PCB电路板上，并用环氧树脂灌封在直径为69mm的圆柱体中。
图6是主控制芯片中的恒流控制程序流程图。程序先读取A/D转换的结果V1，然后与30kV的设定值Vset对比，若充电电压达到了此设定值，则禁止脉宽输出，停止充电。若还没有达到30kV的设定值，则经过t＝2ms后再读取充电电压V2，以t＝2ms时间内电压的增量计算平均充电电流I：
式中，C是脉冲电容器的电容量，在本实施例中C＝3μF。然后再将计算的平均充电电流I与设定的充电电流Iset＝15mA对比，若计算的平均充电电流I小于设定的充电电流Iset，则增大驱动脉宽Ton，若计算的平均充电电流I大于设定的充电电流Iset，则减小驱动脉宽Ton，如此形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，其特征在于，包括设置在地面上的第一装置(101)、设置在井下的第二装置(103)以及用于连接所述第一装置和所述第二装置的电缆(102)；
所述第一装置(101)用于将地面工频220V交流电源转换为中频高压交流电源；
所述第二装置(103)的输出端用于连接脉冲电容器(104)；所述第二装置(103)用于将地面传输的中频高压电源转换为所需的高压直流电源并对所述脉冲电容器(104)充电。
2.如权利要求1所述的恒流充电系统，其特征在于，所述第一装置(101)包括依次连接的工频变压器(201)、整流滤波电路(202)和逆变电路(203)，以及其输入端用于连接所述电缆(102)的第一输出端且输出端用于连接所述逆变电路的低压控制电路(207)。
3.如权利要求1或2所述的恒流充电系统，其特征在于，所述第二装置(103)包括高温中频变压器(204)、高温整流电路(205)和电阻分压器(206)，所述高温中频变压器(204)的输入端连接至所述电缆的第二输出端，所述高温整流电路(205)的输入端连接至所述高温中频变压器(204)的输出端，所述电阻分压器(206)的输入端连接至所述高温整流电路(205)的输出端，所述电阻分压器(206)的输出端连接至所述电缆(102)的第二输入端；
所述高温中频变压器(204)用于将地面传输下来的电压升高到脉冲电容器充电所需的电压值；所述高温整流电路(205)用于将高温中频变压器输出的交流电压转换成直流电压；所述电阻分压器(206)用于实现对脉冲电容器电压的测量。
4.如权利要求2所述的恒流充电系统，其特征在于，所述低压控制电 路(207)包括主控制芯片(301)、功率驱动电路(302)、信号隔离与调理电路(303)、充电过压保护电路(304)和显示电路(305)；
所述信号隔离与调理电路(303)的输入端作为低压控制电路(207)的输入端连接至电缆(102)的第一输出端，充电过压保护电路(304)的输入端连接至信号隔离与调理电路(303)的第一输出端，主控制芯片(301)的第一输入端连接至充电过压保护电路(304)的输出端，主控制芯片(301)的第二输入端连接至信号隔离与调理电路(303)的输出端，主控制芯片(301)的第一输出端连接至功率驱动电路(302)的输入端，主控制芯片(301)的第二输出端连接至显示电路(305)，功率驱动电路(302)的输出端作为低压控制电路(207)的输出端连接至逆变电路(203)；
所述主控芯片(301)对信号隔离与调理电路(303)输出的信号进行A/D转换，并将转换结果传输到显示电路(305)，从而完成对脉冲电容器充电电压的检测；所述主控芯片(301)对充电过压保护电路(304)输出的充电过压进行判断，当出现充电过压时产生报警信号；所述主控芯片(301)通过计算平均充电电流，并通过功率驱动电路(302)实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。
5.如权利要求1-4任一项所述的恒流充电系统，其特征在于，所述电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值、芯线数n≥4的测井电缆，其中两根芯线用作能量传输线，另两根芯线用作测量信号传输线。
6.如权利要求1-5任一项所述的恒流充电系统，其特征在于，所述高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的总电感。
7.如权利要求1-6任一项所述的恒流充电系统，其特征在于，所述高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成。
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