CN110098666B - 一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法，包括以下步骤：S1、利用电磁感应耦合的原理，得到电磁耦合无线能量传输方式的等效电路；S2、对上述电路内的次级线圈进行并联电容拓扑补偿，得到能够达到传输效率要求的并联谐振电路；S3、建立与外电路连接的铁芯模型；S4、依据设计要求，确定绕制在铁芯上的耦合线圈的参数，S5、形成井上设备与井下设备之间的信号传输。本发明选取感应耦合的方式进行无线供电，使得井下仪器与电缆脱离接触，进而使得井下仪器能够更好的得到维护；极大地降低了作业费用和系统风险；同时避免了有线供电在获取能量的过程中带来的产生电火花、导线裸露等问题，降低了系统风险，且有效减轻作业成本。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法。
背景技术
井下环境差，高温高压等问题给井下作业带来了极大的困难。电缆供电永置式仪器在安装和使用的过程中，一旦损坏，便需返工，以此带来的风险和损失是巨大的。将井下仪器与电缆脱离接触，仪器一旦损坏后，只需把仪器取出即可，避免了整个系统返工。该技术应用于井下压力、温度、密度、流量等参数测量以及井下开关控制等领域，均有良好的实际应用价值。
有线供电在获取能量的过程中带来的问题可能有产生电火花、导线裸露等。无线供电技术又称为非接触电能传输技术，它的一大优点即摆脱了传统导线的束缚，使得供电与用电之间更加的安全。无线供电基于电磁感应耦合的原理，将传统的变压器初级线圈和次级线圈分开，初级和次级线圈之间不存在任何的电气连接，通过电磁感应耦合完成给负载供电。与此同时也带来另外一个问题，即传输效率的问题，由于初级和次级线圈之间存在气隙，相比于传统变压器，效率下降明显，此时需要对初次级线圈进行拓扑补偿来提高传输效率。拓扑补偿采用初次级并联电容的方法。在保证一定的传输效率下，通过系统的传输效率公式，在给定供电电压、频率等已知量的条件下反推出线圈的匝数，以此对线圈进行一定的优化设计。
发明内容
本发明提供一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法，有效地解决了传统供电在获取能量时产生的一些不安全因素以及减轻井下作业的成本问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法，包括以下步骤：
S1、利用电磁感应耦合的原理，得到电磁耦合无线能量传输方式的等效电路；
S2、对上述电路内的次级线圈进行并联电容拓扑补偿，得到能够达到传输效率要求的并联谐振电路；
S3、建立与外电路连接的铁芯模型；
S4、在保证传输效率基础上，确定绕制在铁芯上的耦合线圈的参数；
S5、形成井上设备与井下设备之间的信号耦合电路。
作为上述方案的优选，所述铁芯包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯与转子铁芯同轴设置，定子铁芯上绕制有初级线圈，转子铁芯上绕制有次级线圈，初级线圈与次级线圈之间设有间隙。
作为上述方案的优选，所述定子铁芯为两端开口的圆筒状结构，定子铁芯与井筒径向垂直设置，所述转子铁芯设于定子铁芯内部，转子铁芯两侧的定子铁芯内壁上对称绕制有匝数相同的初级线圈。
作为上述方案的优选，所述定子铁芯与转子铁芯上下对称设于井筒内，且铁芯方向与井筒径向平行，定子铁芯和转子铁芯外套设有铁芯外套。
作为上述方案的优选，步骤S4中线圈参数包括初级线圈和次级线圈各自的线圈总匝数、线圈在铁芯上绕制时每层绕制的线圈匝数以及线圈的绕制层数。
作为上述方案的优选，步骤S4中线圈参数的计算包括：
S41、根据电压和功率，计算得出电流；
S42、根据基尔霍夫电压定律(KVL)得到初级线圈与次级线圈的耦合电路方程，并根据耦合电路方程计算得到次级线圈的总匝数；
S43、根据初级线圈与次级线圈之间线圈匝数的关系，计算得到初级线圈的总匝数；
S44、根据电流，通过查阅铜线规格表得知绕制线圈所需要铜线的直径，据此分别计算初级线圈和次级线圈绕制在铁芯上时每层绕制的线圈匝数及线圈的绕制层数。
作为上述方案的优选，所述信号耦合电路包括依次电性连接的编码器、变频器和驱动器，所述编码器的输入端接收来自设备的CPU输出信号，编码器的输出端与变频器的输入端连接，变频器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与耦合线圈电性连接，耦合线圈通过电缆分别与井上设备和井下设备连接。
作为上述方案的优选，所述信号耦合电路还包括滤波器和比较器，所述滤波器的输入端与耦合线圈电性连接，输出端与比较器的输入端电性连接。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
1、该电磁感应能量与信号传输方法选取感应耦合的方式进行无线供电，使得井下仪器与电缆脱离接触，仪器一旦损坏后，只需把仪器取出即可，进而使得井下仪器能够更好的得到维护；同时避免了整个系统返工，有效减轻作业成本；
2、该电磁感应能量与信号传输方法摆脱了传统导线的束缚，有效避免了有线供电在获取能量的过程中带来的产生电火花、导线裸露等问题，降低了系统风险；
3、该电磁感应能量与信号传输方法选采用对次级线圈进行并联电容拓扑补偿的方式，减小无功功率，进而保证达到传输效率要求；
4、在保证一定的传输效率下，通过传输效率公式，在给定供电电压、频率等已知量的条件下反推出耦合线圈的参数，最大限度的降低功率损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明步骤S4的细化流程示意图；
图3为本发明的等效电路模拟图；
图4至图6为本发明实施例一的绕制铁芯的结构示意图；
图7为本发明信号由井上设备向井下设备传输时的结构示意图；
图8为本发明信号由井下设备向井上设备传输时的结构示意图；
图9、图10为本发明实施例二的绕制铁芯的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1至图8所示，本发明提供一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法，包括以下步骤：
S1、利用电磁感应耦合的原理，得到电磁耦合无线能量传输方式的等效电路；
S2、对上述电路内的次级线圈进行并联电容拓扑补偿，得到能够达到传输效率要求的并联谐振电路；
S3、建立与外电路连接的铁芯模型；
S4、在保证传输效率基础上，确定绕制在铁芯上的耦合线圈的参数；
S5、形成井上设备与井下设备之间的信号耦合电路。
在步骤S3中，所述铁芯包括定子铁芯1和转子铁芯2，定子铁芯1与转子铁芯2同轴设置，定子铁芯1上绕制有初级线圈4，转子铁芯2上绕制有次级线圈3，初级线圈4与次级线圈3之间设有间隙。
在本实施例中，所述定子铁芯1为两端开口的圆筒状结构，定子铁芯1与井筒5径向垂直设置，所述转子铁芯2设于定子铁芯1内部，转子铁芯2两侧的定子铁芯1内壁上对称绕制有匝数相同的初级线圈4。
步骤S4中线圈参数包括初级线圈和次级线圈各自的线圈总匝数、线圈在铁芯上绕制时每层绕制的线圈匝数以及线圈的绕制层数。
步骤S4中线圈参数的计算包括以下步骤：
S41、根据电压和功率，计算得出电流；
S42、根据基尔霍夫电压定律(KVL)得到初级线圈与次级线圈的耦合电路方程，并根据耦合电路方程计算得到次级线圈的总匝数；
S43、根据初级线圈与次级线圈之间线圈匝数的关系，计算得到初级线圈的总匝数；
S44、根据电流，通过查阅铜线规格表得知绕制线圈所需要铜线的直径，据此分别计算初级线圈和次级线圈绕制在铁芯上时每层绕制的线圈匝数及线圈的绕制层数。
具体地，首先，根据以下公式(1)，分别得到输入电流I1和输出电流I2，用来查寻绕制线圈所需要铜线的直径：
式中，P1为输入功率，U1为输入电压，P2为输出功率，U2为输出电压。
在计算次级线圈的总匝数之前，首先对发射端和接收端分别采用KVL定理得到初级线圈与次级线圈的耦合电路方程，即公式(2)：
式中，IL为负载电流，C2为次级线圈端的并联电容，ω为角频率，f为工作频率；
因R2<<ωL2，故在计算中R2忽略不计，L3用来接控制信号端。并联总电感为:
根据公式(2)此得到发射端、输出端的功率表达式(3)：
然后根据以下公式(4)，计算得到次级线圈的总匝数N2：
式中，η为传输效率，R1、R2、RL分别为初级线圈电阻、次级线圈电阻和负载电阻，L2为次级线圈的自感系数，L’为单位长度的自感系数，M为互感系数，M’为单位长度的互感系数，N2为次级线圈的总匝数。
再根据初级线圈与次级线圈之间线圈匝数的关系，公式(5)，得到初级线圈的线圈总匝数N1：
最后，根据以下公式(6)，分别计算初级线圈和次级线圈每层绕制的线圈匝数n及线圈的绕制层数m：
式中，h为线圈宽度，r为根据电流通过查阅铜线规格表所查得的线圈铜线的直径；
根据初级线圈和次级线圈各自的电流，分别查得各自的导线直径，并根据上式分别计算出初级线圈和次级线圈在绕制线圈时每层绕制的匝数，以及绕制的层数。
以上各公式中的电压、功率、频率、电阻均为给定值，所述线圈的传输效率为假定值，所述单位长度的自感系数和单位长度的互感系数均为实验测量值。
其中，单位长度的互感系数M’的测量方法为：在磁芯上绕制已知匝数的初级线圈与次级线圈，在初级线圈上施加一个交流电压，通过交流电压表与交流电流表分别测得此时的电压与电流，通过RLC测量仪测得自感系数L0，并根据公式可求得互感系数M0，再用M0除以线圈匝数即可得到单位长度的互感系数M’，自感系数L0除以线圈匝数即可得到单位长度的自感系数L’。
步骤S5中的信号耦合电路包括依次电性连接的编码器、变频器、驱动器。所述信号耦合电路包括依次电性连接的编码器、变频器和驱动器，所述编码器的输入端接收来自设备的CPU输出信号，编码器的输出端与变频器的输入端连接，变频器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与耦合线圈电性连接，耦合线圈通过电缆分别与井上设备和井下设备连接。还包括滤波器和比较器，所述滤波器的输入端与耦合线圈电性连接，输出端与比较器的输入端电性连接。
当信号由井上设备向井下设备传输时，井上设备的的CPU输出信号(能量信号及控制信号)首先传输至编码器，编码器对输入信号进行编制和转换，使其成为能够用于通讯、传输和存储的信号，然后编码器将该信号传输至变频器，变频器对信号进行频率转换后，传输至驱动器驱动系统，传输至耦合线圈的初级线圈，初级线圈通过电磁感应将信号传递给次级线圈，由次级线圈传输至与次级线圈通过电缆连接的井下设备，以此完成一个信号的传递过程。同时，传输至耦合线圈的信号经由滤波器和比较器后解码输出，滤波器的主要作用在于将不需要的谐波处理掉，信号在传输过程中会产生干扰，导致波形变形，而采用滤波器就能够过滤掉谐波；比较器的作用是将模拟信号转换为数字信号，用于对输入的模拟信号进行量化，解码过程由可编程逻辑器件(FPGA)实现。本实施例中，编码器和变频器的CPU分别采用stm32f103和stm32f107系列，滤波器的型号为EJHL-N1450VDC，比较器采用MAX917系列的比较器，FPGA的型号为XC7A35T-ICPG236C。
当信号由井下设备向井上设备传输时，井下设备的CPU输出信号同样通过编码器、变频器、驱动器之后传输至次级线圈，次级线圈通过电磁感应将信号传递给初级线圈，由初级线圈经电缆传输至井上设备，与此同时，也有一个经由滤波器和比较器后解码输出的过程。当传输信号经过变频器之后，会产生新的频率成分，基波以及调制波等各种频率成分的组合，利用积化和差公式的原理来分析此时的信号，根据公式(7)得到和频与差频，频率相加为上变频，频率相减为下变频，将此时信号进行一个上下变频处理，最终的信号可以看成是不同频率的正弦波线性叠加而成的，通过滤波只允许一定范围内的信号通过，得到我们所需的合适频率的信号传输到次级线圈，次级线圈通过电磁感应将信号传递给初级线圈，最终由初级线圈通过电缆将信号传输至井上设备。
式中，ω1和ω2分别为不同信号的角频率，sin和cos为三角函数符号。
实施例二：
如图9、图10所示，与实施例一基本相同，所不同的是：所述定子铁芯1与转子铁芯2上下对称设于井筒5内，且铁芯方向与井筒5径向平行，定子铁芯和转子铁芯外套设有铁芯外套6，用以保护铁芯。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于井下设备的电磁感应能量与信号传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用电磁感应耦合的原理，得到电磁耦合无线能量传输方式的等效电路；
S2、对上述电路内的次级线圈进行并联电容拓扑补偿，得到能够达到传输效率要求的并联谐振电路；
S3、建立与外电路连接的铁芯模型；
S4、在保证传输效率基础上，确定绕制在铁芯上的耦合线圈的参数；
S5、形成井上设备与井下设备之间的信号耦合回路；
所述铁芯包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯与转子铁芯同轴设置，定子铁芯上绕制有初级线圈，转子铁芯上绕制有次级线圈，初级线圈与次级线圈之间设有间隙；
所述定子铁芯为两端开口的圆筒状结构，定子铁芯与井筒径向垂直设置，所述转子铁芯设于定子铁芯内部，转子铁芯两侧的定子铁芯内壁上对称绕制有匝数相同的初级线圈；
步骤S4中线圈参数包括初级线圈和次级线圈各自的线圈总匝数、线圈在铁芯上绕制时每层绕制的线圈匝数以及线圈的绕制层数；
步骤S4中线圈参数的计算包括：
S41、根据电压和功率，计算得出电流；
S42、根据基尔霍夫电压定律得到初级线圈与次级线圈的耦合电路方程，并根据耦合电路方程计算得到次级线圈的总匝数；
S43、根据初级线圈与次级线圈之间线圈匝数的关系，计算得到初级线圈的总匝数；
S44、根据电流，通过查阅铜线规格表得知绕制线圈所需要铜线的直径，据此分别计算初级线圈和次级线圈绕制在铁芯上时每层绕制的线圈匝数及线圈的绕制层数。
2.根据权利要求1所述的电磁感应能量与信号传输方法，其特征在于：所述定子铁芯与转子铁芯上下对称设于井筒内，且铁芯方向与井筒径向平行，定子铁芯和转子铁芯外套设有铁芯外套。
3.根据权利要求1所述的电磁感应能量与信号传输方法，其特征在于：所述信号耦合回路包括依次电性连接的编码器、变频器和驱动器，所述编码器的输入端接收来自设备的CPU输出信号，编码器的输出端与变频器的输入端连接，变频器的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与耦合线圈电性连接，耦合线圈通过电缆分别与井上设备和井下设备连接。
4.根据权利要求3所述的电磁感应能量与信号传输方法，其特征在于：所述信号耦合回路还包括滤波器和比较器，所述滤波器的输入端与耦合线圈电性连接，输出端与比较器的输入端电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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