CN108757287A - 一种煤矿井下涡轮发电机系统及其工控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机系统及其工控方法，属于煤炭开采设备领域，具体是涉及一种煤矿井下涡轮发电机系统及其工控方法。包括定子涡轮、转子涡轮、磁力耦合装置、驱动轴、发电机组件、电控电路、储能短节、外管和输出接口。通过泥浆冲刷转子涡轮2，转子涡轮2通过磁力耦合装置3带动驱动轴4旋转，从而驱动发电机组件5产生电能，经过交流电压变换电路6和电控电路7对储能短节8进行充电，储能短节8提供电能给配套的井下测量仪器。

Description

一种煤矿井下涡轮发电机系统及其工控方法

技术领域

本发明涉及一种电机系统及其工控方法，属于煤炭开采设备领域，具体是涉及一种煤矿井下涡轮发电机系统及其工控方法。

背景技术

在煤矿井下水平定向钻进施工过程中，需要测量钻孔的轨迹参数、工程参数和地质参数等，所需的测量仪器也越来越多，这就对煤矿井下定向钻进过程中电能的供给提出了更高的要求。目前通过有缆供电的形式，受到煤安限制，提供的电压和电流都非常有限，无法满足孔中仪器的正常工作需求；无线随钻测量系统，无论是电磁波还是泥浆脉冲方式，目前都采用电池供电，由于煤安要求，电池容量有一定限制，这将导致钻孔施工时，要频繁的停钻、起钻、更换电池，这不仅降低了钻进效率，还大大增加了井下工人的工作强度。

在石油钻井领域国内外大功率的涡轮发电机在现场已经有了应用，但对于煤炭领域由于多种原因使用受到了限制。主要是因为第一，相比较石油钻井，煤炭领域钻井液排量较小，无法驱动现有随钻涡轮发电机转子达到稳定的转速，从而无法提供稳定的电能；第二，现有涡轮发电机尺寸无法满足煤矿井下尺寸要求；第三，由于煤安对煤矿井下设备的结构和输出功率有着一定的限制，现有的发电机输出电能的稳定性和安全性，不能满足煤矿井下防爆要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的电池容量受限且现有的发电技术难以满足煤矿钻探安全性要求等技术问题，提供了一种煤矿井下涡轮发电机系统及其工控方法；该系统及方法使用不同叶片角度的定子涡轮和转子涡轮满足不同泥浆排量，通过稳压、过压过流保护电路保证电气的安全性，使轮发电机系统能够在煤矿井下爆炸性气体环境下进行工作，其具有实用性强、实现难度小、集成度高和便于推广等优点。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种矿用防爆型涡轮发电机系统，包括：

内管，套于外管腔体中，其内设置有储能短节，以及与所述储能短节耦合的电控电路；

转子涡轮，设置于内管上，通过磁力耦合装置与安装于内管内部的发电机组相连，所述发电机组通过交流电压变换电路与所述储能短节耦合。

在本发明的至少一个实施例中，所述外管与内管之间装有定子涡轮，泥浆进入外管后经过定子涡轮改变冲刷角度后进入转子涡轮叶片流道。

在本发明的至少一个实施例中，磁力耦合装置包括分别安装于驱动轴和转子涡轮上的内磁钢、外磁钢；所述驱动轴与发电机组件相连。

在本发明的至少一个实施例中，所述交流电压变换电路包括依次连接的整流模块，滤波模块，稳压模块；

其中，所述整流模块电路包括：

输入端口P1，其1脚连接二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极、电容C1的另一端，极性电容C2的正极，10V电源输出端；其2脚连接二极管D1的正极和二极管D5的负极，其3脚连接二极管D2的正极和二极管D6的负极，其4脚连接二极管D3的正极和二极管D7的负极，其5脚连接电容C1的一端和电容C4的一端，其6脚连接二极管D5的正极、二极管D6的正极、二极管D7的正极、电容C4的另一端，电容C2的另一端，接地端。

在本发明的至少一个实施例中，所述稳压模块电路包括：

所述逻辑单元LTC1871,其1脚通过电容C6、电阻R4并联接地；其5脚、8脚通过电容C7接地；其2脚通过电阻R5和电容C8串联，再和电容C9并联接地，并连接至三极管Q2集电极；其4脚通过电阻R6接地；其6脚直接接地；其3脚通过电阻R7接地，并通过电阻R8连接二极管D8负极；其1脚与输入电压相连，并通过电感L1连接其10脚，其7脚连接MOS管Q1栅极；

所述MOS管Q1漏极直接接地，源极通过电容C30连接二极管D8正极；所述三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R32接地，并通过电阻R31、电容C31连接二极管D8负极；所述二极管D8负极与输出电源+15V相连。

在本发明的至少一个实施例中，所述储能短节包括：依次连接的充电保护电路、电池组、过压过流保护电路，所述充电保护电路与交流电压变换电路输出相连；所述过压过流保护电路与输出接口相连；

其中，所述过压过流保护电路包括：

输入端Vin，连接型号为max14571的逻辑单元U5的1-3输入端口，并通过电容C18接地,通过电阻R16和电阻R19的串联电路接地，通过电阻R17和电阻R20的串联电路接地；

所述逻辑单元U5的4脚、5脚、6脚分别通过电阻R20，电阻R19，电阻R21接地，其14脚，13脚，12脚与输出端Vout1连接，其10脚，9脚接使能电压，其8脚接地；

所述输出端Vout1分别通过电容C19、电容C20接地；

型号为max14571的逻辑单元U6，其输入端1-3与输出端Vout1连接，并通过电阻R23、R25、R28组成的串联电路接地，通过电阻R24、电阻R26、电阻R29组成的串联电路接地；其4脚通过电阻R26、电阻R29接地，其5脚通过电阻R25、电阻R28接地，其6脚通过电阻R27接地，其7脚接地，其8脚接地，其9-10脚接使能输入，其12-14脚连接电容C21的一端，二极管D10的负极，所述电容C21的另一端以及二极管D10的另一端接地；所述二极管D10的负极通过电阻R22、整流二极管DS1接地；所述逻辑单元U6的12-14脚与输出端P2连接。

在本发明的至少一个实施例中，所述电控电路包括：分别与MCU连接的转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块；所述转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块实现驱动轴4转速、发电机组件5产生的电压电流实时监测，并将监测结果送入MCU处理；所述MCU与输出接口9连接，实现与配套无线随钻测量系统的数据传输。

一种上述发电机系统的工控方法，包括：

泥浆泵将泥浆注入到井下时，泥浆经过定子涡轮1，按定子涡轮1叶片设定方向转过一定角度，增加泥浆的冲刷力度；

高速流动的泥浆进入转子涡轮2叶片流道，泥浆冲击叶片产生旋转力矩，带动转子涡轮2高速旋转；

转子涡轮2通过磁力耦合装置3带动驱动轴4旋转，从而驱动发电机组件5的转子旋转，产生交流电能；

交流电压变换电路对交流电能进行整流、滤波和稳压处理，将交流电能转化为直流电后与储能短节连接；

储能短节经过充电保护模块，对电池组进行充电。

在本发明的至少一个实施例中，工控方法，包括：

电池组一路经直流电压变换模块输出至电控电路，为电控电路中的MCU4、电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块提供所需电能，MCU将电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块测量得到的电压值、电流值和转速值储存并输出至发电机系统的输出接口；

电池组另一路输出至过压过流保护模块，经过过压过流保护模块后输出至发电机系统的输出接口给所要连接的测量仪器供电,当输出电压或电流高于设定值时，过压过流保护模块自动切断输出以保证煤矿井下电气安全。

因此，本发明具有如下优点：

(1)本发明在发电机系统内部安装有储能短节，正常打钻时发电机给储能短节充电，停钻测量时储能短节给配套仪器供电，减小了电池容量对设备使用的限制。

(2)本发明采用防爆结构设计，外径不超过适用于煤矿井下大部分钻孔测量仪器的供电。

(3)电控电路测量发电机转速、发电机输出的电流、电压，监测发电机系统运行状态，能够根据状态了解当前孔内施工情况。

附图说明

图1为本发明煤矿井下涡轮发电机系统结构示意图；

图2为本发明煤矿井下涡轮发电机系统电气连接示意图；

图3-1至3-3为本发明交流电压变换电路6电路图；

图4-1至4-4为本发明电控电路7电路图；

图5-1至5-3为本发明过流过压保护模块电路图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1、图2所示，该涡轮发电机系统包括：定子涡轮1、转子涡轮2、磁力耦合装置3、驱动轴4、发电机组件5、交流电压变换电路6、电控电路7、储能短节8、输出接口9和外管9；所述定子涡轮1、转子涡轮2、输出接口9安装在外管9外部；所述驱动轴4、发电机组件5、交流电压变换电路6、电控电路7、储能短节8安装在外管9内部；所述磁力耦合装置3分为内磁钢、外磁钢两部分，分别安装在驱动轴4和转子涡轮2上；所述发电机组件5依次与交流电压变换电路6、电控电路7、储能短节8、输出接口9连接；所述外管9与发电机组件5、输出接口9通过螺纹连接，螺纹连接方式满足煤矿井下防爆要求。

所述交流电压变换电路6包括整流模块、滤波模块、稳压模块；所述电控电路7包括MCU、转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块；所述整流模块输入端与发电机组件5连接，输出端依次与滤波模块、稳压模块、充电保护模块连接，实现将发电机组件5产生的交流电转换为可供储能短节8充电的直流电的功能；所述转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块分别与MCU连接，实现驱动轴4转速、发电机组件5产生的电压电流实时监测，并将监测结果送入MCU处理；所述MCU与输出接口9连接，实现与配套无线随钻测量系统的数据传输。

所述储能短节8包括充电保护模块、电池组、过流过压保护模块和直流电压变换模块；所述充电保护模块与电池组连接；所述电池组与过流过压保护模块连接，产生的符合本安要求的电压电流通过输出接口9供给配套无线随钻测量系统；所述电池组还与直流电压变换模块连接，直流电压变换模块与电控电路7中的MCU、电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块连接。

本发明实施例提供一种矿用防爆型涡轮发电机系统工控方法，该方法为：

1.泥浆泵将泥浆注入到井下时，泥浆经过定子涡轮1，按定子涡轮1叶片设定方向转过一定角度，增加泥浆的冲刷力度。

2.高速流动的泥浆进入转子涡轮2叶片流道，泥浆冲击叶片产生旋转力矩，带动转子涡轮2高速旋转。定子涡轮1和转子涡轮2为可更换部件，根据不同的泥浆流量，可更换不同叶片角度的定子涡轮1和转子涡轮2以提高转子涡轮2的转速。

3.转子涡轮2通过磁力耦合装置3带动驱动轴4旋转，从而驱动发电机组件5的转子旋转，产生交流电能；

4.交流电压变换电路6对交流电能进行整流、滤波和稳压处理，将交流电能转化为直流电后与储能短节8连接。

5.储能短节8经过充电保护模块，对电池组进行充电。电池组一路经直流电压变换模块输出至电控电路7，为电控电路7中的MCU、电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块提供所需电能，MCU将电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块测量得到的电压值、电流值和转速值储存并输出至发电机系统的输出接口9。

6.电池组另一路输出至过压过流保护模块，经过过压过流保护模块后输出至发电机系统的输出接口9给所要连接的测量仪器供电,当输出电压或电流高于设定值时，过压过流保护模块自动切断输出以保证煤矿井下电气安全。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，包括：

内管，套于外管腔体中，其内设置有储能短节，以及与所述储能短节耦合的电控电路；

转子涡轮，设置于内管上，通过磁力耦合装置与安装于内管内部的发电机组相连，所述发电机组通过交流电压变换电路与所述储能短节耦合。

2.根据权利要求1所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，所述外管与内管之间装有定子涡轮，泥浆进入外管后经过定子涡轮改变冲刷角度后进入转子涡轮叶片流道。

3.根据权利要求1所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，磁力耦合装置包括分别安装于驱动轴和转子涡轮上的内磁钢、外磁钢；所述驱动轴与发电机组件相连。

4.根据权利要求1所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，所述交流电压变换电路包括依次连接的整流模块，滤波模块，稳压模块；

其中，所述整流模块电路包括：

输入端口P1，其1脚连接二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极、电容C1的另一端，极性电容C2的正极，10V电源输出端；其2脚连接二极管D1的正极和二极管D5的负极，其3脚连接二极管D2的正极和二极管D6的负极，其4脚连接二极管D3的正极和二极管D7的负极，其5脚连接电容C1的一端和电容C4的一端，其6脚连接二极管D5的正极、二极管D6的正极、二极管D7的正极、电容C4的另一端，电容C2的另一端，接地端。

5.根据权利要求4所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，所述稳压模块电路包括：

所述逻辑单元LTC1871,其1脚通过电容C6、电阻R4并联接地；其5脚、8脚通过电容C7接地；其2脚通过电阻R5和电容C8串联，再和电容C9并联接地，并连接至三极管Q2集电极；其4脚通过电阻R6接地；其6脚直接接地；其3脚通过电阻R7接地，并通过电阻R8连接二极管D8负极；其1脚与输入电压相连，并通过电感L1连接其10脚，其7脚连接MOS管Q1栅极；

所述MOS管Q1漏极直接接地，源极通过电容C30连接二极管D8正极；所述三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R32接地，并通过电阻R31、电容C31连接二极管D8负极；所述二极管D8负极与输出电源+15V相连。

6.根据权利要求1所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，所述储能短节包括：依次连接的充电保护电路、电池组、过压过流保护电路，所述充电保护电路与交流电压变换电路输出相连；所述过压过流保护电路与输出接口相连；

其中，所述过压过流保护电路包括：

输入端Vin，连接型号为max14571的逻辑单元U5的1-3输入端口，并通过电容C18接地,通过电阻R16和电阻R19的串联电路接地，通过电阻R17和电阻R20的串联电路接地；

所述逻辑单元U5的4脚、5脚、6脚分别通过电阻R20，电阻R19，电阻R21接地，其14脚，13脚，12脚与输出端Vout1连接，其10脚，9脚接使能电压，其8脚接地；

所述输出端Vout1分别通过电容C19、电容C20接地；

型号为max14571的逻辑单元U6，其输入端1-3与输出端Vout1连接，并通过电阻R23、R25、R28组成的串联电路接地，通过电阻R24、电阻R26、电阻R29组成的串联电路接地；其4脚通过电阻R26、电阻R29接地，其5脚通过电阻R25、电阻R28接地，其6脚通过电阻R27接地，其7脚接地，其8脚接地，其9-10脚接使能输入，其12-14脚连接电容C21的一端，二极管D10的负极，所述电容C21的另一端以及二极管D10的另一端接地；所述二极管D10的负极通过电阻R22、整流二极管DS1接地；所述逻辑单元U6的12-14脚与输出端P2连接。

7.根据权利要求1所述的一种矿用防爆型涡轮发电机系统，其特征在于，所述电控电路包括：分别与MCU连接的转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块；所述转速测量模块、电压测量模块、电流测量模块实现驱动轴4转速、发电机组件5产生的电压电流实时监测，并将监测结果送入MCU处理；所述MCU与输出接口9连接，实现与配套无线随钻测量系统的数据传输。

8.一种权利要求1-7所述发电机系统的工控方法，其特征在于，包括：

泥浆泵将泥浆注入到井下时，泥浆经过定子涡轮1，按定子涡轮1叶片设定方向转过一定角度，增加泥浆的冲刷力度；

高速流动的泥浆进入转子涡轮2叶片流道，泥浆冲击叶片产生旋转力矩，带动转子涡轮2高速旋转；

转子涡轮2通过磁力耦合装置3带动驱动轴4旋转，从而驱动发电机组件5的转子旋转，产生交流电能；

交流电压变换电路对交流电能进行整流、滤波和稳压处理，将交流电能转化为直流电后与储能短节连接；

储能短节经过充电保护模块，对电池组进行充电。

9.根据权利要求8所述的工控方法，其特征在于，包括：

电池组一路经直流电压变换模块输出至电控电路，为电控电路中的MCU4、电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块提供所需电能，MCU将电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块测量得到的电压值、电流值和转速值储存并输出至发电机系统的输出接口；

电池组另一路输出至过压过流保护模块，经过过压过流保护模块后输出至发电机系统的输出接口给所要连接的测量仪器供电,当输出电压或电流高于设定值时，过压过流保护模块自动切断输出以保证煤矿井下电气安全。