CN106300702A - 非接触电能传输系统及其在井下旋转导向机构中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触电能传输系统及其在井下旋转导向机构中的应用，涉及石油钻井器械技术领域。该电能传输系统，通过可分离式旋转变压器，完成了电能从转动部件与非转动部件之间的能量传输，避免了接触式能量传输的种种弊端，极大的提高了系统的安全性与可靠性。从而满足了井下旋转导向设备用电需求，同时，旋转变压器的初级和次级电路不需任何信号交互，大大降低了电路复杂程度，另外，通过软开关技术和谐振技术降低了系统损耗，提高传输效率。

Description

非接触电能传输系统及其在井下旋转导向机构中的应用

技术领域

本发明涉及石油钻井器械技术领域，具体涉及一种非接触电能传输系统及其在井下旋转导向机构中的应用。

背景技术

旋转导向和随钻测井系统代表着当今世界钻井、测井技术的最高水平，在纠斜活套上设计有旋转导向系统的液压驱动机构，其所需电能由钻铤上的泥浆发电机提供，而钻铤与纠斜活套间存在相对转动。目前，一般采用接触式滑环实现能量传输，然而井下工作环境非常恶劣，在强烈的冲击与振动下，滑环极易磨损，其寿命与可靠性不能得到保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触电能传输系统及其在井下旋转导向机构中的应用，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种非接触电能传输系统，按照电流方向依次包括：交流发电机、初级工频整流滤波电路、高频逆变电路、旋转变压器、次级高频整流滤波电路、稳压电路和直流电机，所述旋转变压器包括转子和定子，所述转子位于所述定子的内部，所述转子可相对所述定子发生转动，且所述转子与所述定子之间留有气隙，

所述转子的外圆面上设置有初级磁芯，所述定子的内圆面上设置有次级磁芯，所述初级磁芯和所述次级磁芯均为E型磁芯，两个所述E型磁芯的开口面相对，形成两个小窗，在小窗内分别设置有初级线圈和次级线圈，所述初级磁芯和所述次级磁芯满足下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{m}\\ 0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{n}\\ \mathrm{\&theta;}=k\frac{360}{p},k=1,2,\mathrm{3...}\end{array}\right.,$

式中，m、n分别是转子和定子的磁芯数量；p为m、n的最小公倍数；θ为磁芯宽度角。

优选地，所述转子的外圆面和所述定子的内圆面上均沿轴线加工有若干均匀分布的矩形凹槽，所述初级磁芯和所述次级磁芯分别安装在所述凹槽内。

优选地，所述初级线圈串联，所述次级线圈并联。

优选地，在所述高频逆变电路和所述旋转变压器之间设置有初级补偿电路，所述初级补偿电路采用串联补偿电容方式。

优选地，在所述旋转变压器和所述次级高频整流滤波电路之间设置有次级补偿电路，所述次级补偿电路采用并联补偿电容方式。

优选地，还包括DSP控制芯片，所述DSP控制芯片与所述高频逆变电路连接。

优选地，所述高频逆变电路包括功率管和谐振极电容，所述功率管和谐振极电容并联，且所述谐振极电容和驱动PWM波形的死区时间满足下列公式：

${\mathrm{\&delta;}}_0\left(\min \right)={\mathrm{\&omega;t}}_{off}\left(min\right)=arccos(1-\frac{2{\mathrm{\&omega;u}}_{T}C}{I_m}),$

式中，δ₀(min)为最小死区时间角；ω为开关角频率；t_off为死区时间；u_T为谐振电压，I_m为谐振电流；C为谐振极电容。

优选地，所述稳压电路采用反激式PWM变换器，所述初级工频整流滤波电路和所述次级高频整流滤波电路均采用全桥整流、电容滤波电路。

优选地，还包括第一供电电路和第二供电电路，所述第一供电电路从所述初级主电路取电，为所述初级主电路的控制芯片和驱动芯片供电，所述第二供电电路从所述次级主电路取电，为所述次级主电路的控制芯片和驱动芯片供电；

所述交流发电机与所述旋转变压器之间的电路为初级主电路，所述旋转变压器与所述直流电机之间的电路为次级电路；

所述第一供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述初级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V、3.3V和1.8V电压；

所述第二供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述次级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V电压。

一种非接触电能传输系统在井下旋转导向机构中的应用，所述交流发电机为泥浆发电机，所述转子为钻铤，所述定子为纠斜活套。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的非接触电能传输系统，通过可分离式旋转变压器，完成了电能从转动部件与非转动部件之间的能量传输，避免了接触式能量传输的种种弊端，极大的提高了系统的安全性与可靠性。从而满足了井下旋转导向设备用电需求，同时，旋转变压器的初级和次级电路不需任何信号交互，大大降低了电路复杂程度，另外，通过软开关技术和谐振技术降低了系统损耗，提高传输效率。

附图说明

图1是本发明非接触电能传输系统的结构框图；

图2是本发明旋转变压器结构框图；

图3是本发明旋转变压器的线圈连线图；

图4是本发明谐振频率跟踪示意图；

图5是本发明软开关实现原理图；

图6是本发明系统供电规划图。

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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种非接触电能传输系统，按照电流方向依次包括：交流发电机、初级工频整流滤波电路、高频逆变电路、旋转变压器、次级高频整流滤波电路、稳压电路和直流电机，所述旋转变压器包括转子和定子，所述转子位于所述定子的内部，所述转子可相对所述定子发生转动，且所述转子与所述定子之间留有气隙，所述转子的外圆面上设置有初级磁芯，所述定子的内圆面上设置有次级磁芯，所述初级磁芯和所述次级磁芯均为E型磁芯，两个所述E型磁芯的开口面相对，形成两个小窗，在小窗内分别设置有初级线圈和次级线圈，所述初级磁芯和所述次级磁芯满足下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{m}\\ 0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{n}\\ \mathrm{\&theta;}=k\frac{360}{p},k=1,2,\mathrm{3...}\end{array}\right.,$

式中，m、n分别是转子和定子的磁芯数量；p为m、n的最小公倍数；θ为磁芯宽度角。

如图1所示，上述结构的非接触电能传输系统，其工作流程为：

首先需要将泥浆发电机发出的不稳定的交流电进行整流、滤波，转换为稳定的直流电，然后通过高频逆变电路为可分离变压器的初级绕组供高频正弦交流电，初级绕组产生交变磁场，次级绕组以电磁感应的方式产生感应电压，经过整流和滤波后变为直流电流，最后经过三路开关稳压电路为驱动液压泵的直流电机提供电能。

其中，高频逆变电路通过全桥逆变电路，将滤波后的直流电转化为旋转变压器所需要的高频交流电；

上述结构的变压器，为一种可分离式旋转变压器，其中，定子和转子上的磁芯共同构成变压器的磁通回路，由于初、次级磁芯满足下列公式，则在转子连续相对转动下，磁路磁阻保持不变，保证了传输效率的稳定性：

$\left\{\begin{array}{c}0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{m}\\ 0<\mathrm{\&theta;}<\frac{360}{n}\\ \mathrm{\&theta;}=k\frac{360}{p},k=1,2,3\end{array}\right..$

上述结构的非接触电能传输系统，由于能够保证传输效率的稳定性，所以，可以适应强烈的冲击与振动的工作环境，避免采用接触式滑环实现能量传输时，造成的滑环磨损，寿命与可靠性得不到保证的问题。

本发明实施例中，所述转子的外圆面和所述定子的内圆面上均沿轴线加工有若干均匀分布的矩形凹槽，所述初级磁芯和所述次级磁芯分别安装在所述凹槽内。

采用上述结构，便于操作，而且可以使得初级磁芯和次级磁芯牢固的安装，不容易受到损坏。

如图3所示，本发明实施例中，所述初级线圈串联，所述次级线圈并联。

采用上述线圈绕线方式，可保证上下两个窗口在转子上产生的涡流大小相等，方向相反，相互抵消，有效提高能量的传递效率。

本发明实施例中，在所述高频逆变电路和所述旋转变压器之间设置有初级补偿电路(参见图1)，所述初级补偿电路采用串联补偿电容方式。

采用上述初级补偿电路，可以平衡原边的漏感抗和副边的映射感抗，减小泥浆发电机的视在功率，提高功率因数和旋转变压器的输出功率，同时实现逆变电路的零电流关断，降低开关损耗。

本发明实施例中，在所述旋转变压器和所述次级高频整流滤波电路之间设置有次级补偿电路(参见图1)，所述次级补偿电路采用并联补偿电容方式。

采用上述次级补偿电路，可以抵消变压器次级感抗，增加系统的输出功率，并为负载提供恒压源，保证旋转变压器输出电压不随负载的改变而改变。

本发明实施例中，还包括DSP控制芯片，所述DSP控制芯片与所述高频逆变电路连接。

逆变电路的驱动PWM波形工作频率和占空比由DSP控制器控制。其谐振频率跟踪流程，如图4所示，逆变电路的输出电压和电流信号，经过施密特触发器做过零比较后，送至DSP控制芯片的eCAP1和eCAP2输入捕捉通道，经DSP计算出电流和电压的相位差，并设定ePWM模块下一周期的时基周期寄存器TBPRD值，从而控制PWM输出频率，驱动全桥逆变电路。

在本发明的一个优选实施例中，所述高频逆变电路包括功率管和谐振极电容，所述功率管和谐振极电容并联，且所述谐振极电容和驱动PWM波形的死区时间满足下列公式：

${\mathrm{\&delta;}}_0\left(\min \right)={\mathrm{\&omega;t}}_{off}\left(min\right)=arccos(1-\frac{2{\mathrm{\&omega;u}}_{T}C}{I_m}),$

式中，δ₀(min)为最小死区时间角；ω为开关角频率；t_off为死区时间；u_T为谐振电压，I_m为谐振电流；C为谐振极电容。

如图5所示，上述特点的非接触电能传输系统，可实现高频逆变电路功率管的软开关，即可在功率管开通前，通过谐振极电容的相互充放电，完成零电压开通；零电流关断是通过补偿电容实现谐振来完成的。

本发明实施例中，所述稳压电路采用反激式PWM变换器，所述初级工频整流滤波电路和所述次级高频整流滤波电路均采用全桥整流、电容滤波电路。

初级工频整流滤波电路通过全桥整流电路和电容滤波电路，将交流发电机发出的三相工频交流电转化为直流电，为接下来的高频逆变做准备；

次级高频整流滤波电路通过全桥整流、电容滤波电路，将旋转变压器次级线圈耦合得到的高频交流电流转化为直流电，为接下来的稳压电路做准备；

稳压电路通过反激式PWM变换器，将高频整流滤波后的直流电转化为负载所需要的稳定的直流电压。

本发明实施例提供的非接触电能传输系统，还可以包括第一供电电路和第二供电电路，所述第一供电电路从所述初级主电路取电，为所述初级主电路的控制芯片和驱动芯片供电，所述第二供电电路从所述次级主电路取电，为所述次级主电路的控制芯片和驱动芯片供电；

所述交流发电机与所述旋转变压器之间的电路为初级主电路，所述旋转变压器与所述直流电机之间的电路为次级电路；

所述第一供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述初级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V、3.3V和1.8V电压；

所述第二供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述次级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V电压。

由于旋转变压器将初级和次级电路完全隔离，必须对初级电路的控制芯片、驱动芯片和次级电路的控制芯片、驱动芯片分别供电。

其中，第一供电电路和第二供电电路及其工作过程，可如图6所示，首先，初级和次级的控制电路分别从主电路上稳压出12V直流电源；然后，利用L7805和ADR425等电压转换芯片，将12V电压转化为所需要的5V、3.3V和1.8V电压。供电系统的“地”包含“强电地”和“数字地”两种，为避免强电地对数字地造成干扰，影响控制系统的正常运行，在PCB布线时，要将这两类地线独立布置，最终通过磁珠单点对接。

实施例二

本发明实施例提供了一种非接触电能传输系统在井下旋转导向机构中的应用，所述交流发电机为泥浆发电机，所述转子为钻铤，所述定子为纠斜活套。

其中，非接触电能传输系统的结构和功能在实施例一中进行了详述，在此不再赘述。

当所述交流发电机为泥浆发电机，所述转子为钻铤，所述定子为纠斜活套时，非接触电能传输系统能够应用在井下旋转导向机构中，满足井下旋转导向机构的用电需求，避免了接触式能量传输的种种弊端，极大的提高了系统的安全性与可靠性。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的非接触电能传输系统，通过可分离式旋转变压器，完成了电能从转动部件与非转动部件之间的能量传输，避免了接触式能量传输的种种弊端，极大的提高了系统的安全性与可靠性。从而满足了井下旋转导向设备用电需求，同时，旋转变压器的初级和次级电路不需任何信号交互，大大降低了电路复杂程度，另外，通过软开关技术和谐振技术降低了系统损耗，提高传输效率。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非接触电能传输系统，其特征在于，按照电流方向依次包括：交流发电机、初级工频整流滤波电路、高频逆变电路、旋转变压器、次级高频整流滤波电路、稳压电路和直流电机，所述旋转变压器包括转子和定子，所述转子位于所述定子的内部，所述转子可相对所述定子发生转动，且所述转子与所述定子之间留有气隙，

所述转子的外圆面上设置有初级磁芯，所述定子的内圆面上设置有次级磁芯，所述初级磁芯和所述次级磁芯均为E型磁芯，两个所述E型磁芯的开口面相对，形成两个小窗，在小窗内分别设置有初级线圈和次级线圈，所述初级磁芯和所述次级磁芯满足下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}0<\mathrm{\&theta;}\frac{360}{m}\\ 0<\mathrm{\&theta;}\frac{360}{n}\\ \mathrm{\&theta;}=k\frac{360}{p},k=1,2,\mathrm{3...}\end{array}\right.,$

式中，m、n分别是转子和定子的磁芯数量；p为m、n的最小公倍数；θ为磁芯宽度角。

2.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，所述转子的外圆面和所述定子的内圆面上均沿轴线加工有若干均匀分布的矩形凹槽，所述初级磁芯和所述次级磁芯分别安装在所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，所述初级线圈串联，所述次级线圈并联。

4.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，在所述高频逆变电路和所述旋转变压器之间设置有初级补偿电路，所述初级补偿电路采用串联补偿电容方式。

5.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，在所述旋转变压器和所述次级高频整流滤波电路之间设置有次级补偿电路，所述次级补偿电路采用并联补偿电容方式。

6.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，还包括DSP控制芯片，所述DSP控制芯片与所述高频逆变电路连接。

7.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，所述高频逆变电路包括功率管和谐振极电容，所述功率管和谐振极电容并联，且所述谐振极电容和驱动PWM波形的死区时间满足下列公式：

${\mathrm{\&delta;}}_0\left(min\right)={\mathrm{\&omega;t}}_{off}\left(\min \right)=arccos(1-\frac{2{\mathrm{\&omega;u}}_{T}C}{I_m}),$

式中，δ₀(min)为最小死区时间角；ω为开关角频率；t_off为死区时间；u_T为谐振电压，I_m为谐振电流；C为谐振极电容。

8.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，所述稳压电路采用反激式PWM变换器，所述初级工频整流滤波电路和所述次级高频整流滤波电路均采用全桥整流、电容滤波电路。

9.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，还包括第一供电电路和第二供电电路，所述第一供电电路从所述初级主电路取电，为所述初级主电路的控制芯片和驱动芯片供电，所述第二供电电路从所述次级主电路取电，为所述次级主电路的控制芯片和驱动芯片供电；

所述交流发电机与所述旋转变压器之间的电路为初级主电路，所述旋转变压器与所述直流电机之间的电路为次级电路；

所述第一供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述初级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V、3.3V和1.8V电压；

所述第二供电电路包括反激式稳压电路和多个电压转换芯片，所述反激式稳压电路从所述次级主电路稳压出12V直流电，通过多个所述电压转换芯片，将12V电压转化为需要的5V电压。

10.一种非接触电能传输系统在井下旋转导向机构中的应用，其特征在于，所述交流发电机为泥浆发电机，所述转子为钻铤，所述定子为纠斜活套。