CN111682652A - 一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法，电源端通过输入功耗测量单元分别与非接触传输电能变换模块和磁场调控电能变换模块，所述非接触传输电能变换模块通过调谐阻波电路连接发射线圈，所述发射线圈对应设置有接收线圈，接受线圈设置在阻波电路上，阻波电路通过整流稳压电路和输出功耗测量模块连接至负载端，所述发射线圈和接受线圈的两端均并联有带有控制器和信号调制解调模块的信号加载提取模块；所述磁场调控电能变换模块也通过一个阻波电路连接有补偿线圈。

Description

一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法。
背景技术
非接触电能传输又称无线电力传输，无线电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。
非接触电能传输通过电场耦合作用，将电能与信号以非接触方式进行传输，解决了旋转导向系统中旋转部件间的供能和信息交互难题。非接触电能传输效率由发射线圈和接收线圈的耦合系数决定，而耦合系数受磁芯材质、形状及线圈距离等参数影响，在产品开发阶段往往通过实验测试，确定适用于目标特性的最佳耦合系数，以此完成非接触传输磁机构的实物设计，实现能量最优传递。
如现有技术中公开号为CN102570627A，公开时间为2012年7月11日，名称为“供电装置和设置有供电装置的非接触式供电系统”的中国发明专利文献，公开了一种使用电磁谐振耦合方法的供电装置和一种非接触式供电系统。对供电装置中和/或受电装置内部的电磁感应耦合的耦合系数进行优化，以提高谐振频率的电力传输效率而不论供电装置和受电装置的位置如何。提供了一种供电装置或者一种非接触式供电系统，其中监控S11参数，S11参数是从供电装置的高频电源输出的电力的反射部分，并且改变供电装置中传输线圈和第一谐振线圈的位置以及受电装置中接收线圈和第二谐振线圈的位置中的一个或者两者，以调整电磁感应耦合的耦合系数。
但是，在钻井导向的使用环境里，井底往往存在高温、高压和泥浆介质等复杂环境，使得磁机构的最佳耦合系数出现偏移，这就导致特制开发的非接触传输磁机构在实际应用过程中无法实现能量最优传递，极端情况下，传输效率会大幅降低。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明旨在于提供一种耦合系数动态可调的非接触传输磁机构设计思路，增加一补偿线圈，对发射线圈或者接收线圈的磁场施加影响，根据耦合系数的偏移情况，增加或者减少磁场强度，从而改变磁机构的耦合系数，实现能量最优传递的非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统和方法。
本发明的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，其特征在于：电源端通过输入功耗测量单元分别与非接触传输电能变换模块和磁场调控电能变换模块，所述非接触传输电能变换模块通过调谐阻波电路连接发射线圈，所述发射线圈对应设置有接收线圈，接受线圈设置在阻波电路上，阻波电路通过整流稳压电路和输出功耗测量模块连接至负载端，所述发射线圈和接受线圈的两端均并联有带有控制器和信号调制解调模块的信号加载提取模块；所述磁场调控电能变换模块也通过一个阻波电路连接有补偿线圈。
所述磁场调控电能变换模块的阻波电路，包括三相分别通过双向二极管接入带有电流方向调控装置的补偿电容和补偿线圈并联电路，所述双向二极管通过PWM脉冲控制导通和截止。
所述信号调制解调模块、控制器、信号加载提取模块，均是实现信号的无线交互和传输，作用和逻辑是：控制器与外部设备通讯，获取需要传输的数据信号；信号调制解调模块则是接收控制器的指令，将待传数据信号按照设定规则进行调制或者将能量中带有的已调制数据信号解调；信号加载提取模块则是将调制好的数据信号加载至能量中同步传输或者将能量中的数据信号进行提取。
进一步的，所述信号加载提取模块提取所述发射线圈和接受线圈的两端的电信号并通过所述信号调制解调模块的解调生成供所述控制器识别的信号，所述控制器根据接收到的信号向所述信号调制解调模块发出控制指令，所述信号调制解调模块将控制指令转换为对所述信号加载提取模块的控制信号。
磁场调节回路中各部分作用为，磁场调控电能变换模块负责改变输出至补偿线圈的电流大小和方向，以实现磁场的增强或减少；阻波电路实现电流滤波，使得电流更加平滑；而补偿线圈由利兹导线绕制而成，通过电流后即可产生磁场。
对应上述的非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，本发明的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整方法，其特征在于：非接触能量传输端和接收端均设置有用于接触传输系统发射功率和接收功率的监测用以计算能量的传递效率的功率监测装置，即能量的传递效率=接收功率/发射功率，若能量传递效率变低，则每隔固定时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流进行测试，共测试N次，计算能量传递效率；
若N次测试中，能量传递效率变化趋势为单调增加，则继续以固定间隔时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流，并实时计算能量传递效率直至传递效率变化趋势开始降低，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，并持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率增加并出现极值，则以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率单调降低，则开启反向电流调节，每隔固定时间X向补偿线圈施加大小为C的反向电流使能量传递效率增加直至并出现极值，并以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈。
优选地，每次增加正向电流或施加反向电流固定时间间隔为100ms，且每次增加正向电流或施加反向电流的大小为10mA。
进一步的，测试次数N为≧3的整数。
此外，最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈后，还包括继续按照固定时间间隔继续记录分别提取发射线圈的输入功率和接受线圈的输出功率，计算能量传递效率，若能量传递效率出现降低，则重复进行上述调整。
与现有技术方案相比，本发明技术方案的有益效果如下：
该发明的优点在于实现了磁机构耦合系数的动态调节，可确保系统在任一环境下工作在最佳能效状态，提高系统适应性和经济性。电磁耦合电能传输的原理是利用发射线圈和接收线圈间的磁场，以实现电能的无线传输，根据传输理论，能量传输效率是由线圈间的耦合系数（磁场的一种特性）决定的，两者关系不成线性变化，因此，在设计时，往往通过模拟目标工况在室内试验中确定系统最佳耦合系数，以指导完成非接触传输磁机构设计（耦合系数固定）。但是，井下环境，井底温度、压力等往往会变化，受此影响，最佳耦合系数会出现漂移，导致原设计的固有耦合系数无法使系统处于最优传能状态。为此，本方案增加了一个补偿线圈，补偿磁场的影响参数有电流大小、方向和线圈匝数，通过改变通过该线圈的电流和方向，可在发射线圈和接收线圈之间形成一个补偿磁场，该补偿磁场与发射线圈和接收线圈间的固定磁场进行叠加/抵消，以改变发射线圈和接收线圈间的磁场，即动态调节非接触传输磁机构耦合系数，使得非接触传输磁机构一直处于最优状态。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为本发明的一种优选方案的系统结构示意图；
图2为本发明磁场调控电能变换模块的阻波电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本发明系统一种具体的实施方案，如图1，公开了一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，电源端通过输入功耗测量单元分别与非接触传输电能变换模块和磁场调控电能变换模块，所述非接触传输电能变换模块通过调谐阻波电路连接发射线圈，所述发射线圈对应设置有接收线圈，接受线圈设置在阻波电路上，阻波电路通过整流稳压电路和输出功耗测量模块连接至负载端，所述发射线圈和接受线圈的两端均并联有带有控制器和信号调制解调模块的信号加载提取模块；所述磁场调控电能变换模块也通过一个阻波电路连接有补偿线圈。所述信号调制解调模块、控制器、信号加载提取模块，均是实现信号的无线交互和传输，作用和逻辑是：控制器与外部设备通讯，获取需要传输的数据信号；信号调制解调模块则是接收控制器的指令，将待传数据信号按照设定规则进行调制或者将能量中带有的已调制数据信号解调；信号加载提取模块则是将调制好的数据信号加载至能量中同步传输或者将能量中的数据信号进行提取。
电磁耦合电能传输的原理是利用发射线圈和接收线圈间的磁场，以实现电能的无线传输，根据传输理论，能量传输效率是由线圈间的耦合系数（磁场的一种特性）决定的，两者关系不成线性变化，因此，在设计时，往往通过模拟目标工况在室内试验中确定系统最佳耦合系数，以指导完成非接触传输磁机构设计（耦合系数固定）。但是，井下环境，井底温度、压力等往往会变化，受此影响，最佳耦合系数会出现漂移，导致原设计的固有耦合系数无法使系统处于最优传能状态。为此，本方案增加了一个补偿线圈，补偿磁场的影响参数有电流大小、方向和线圈匝数，通过改变通过该线圈的电流和方向，可在发射线圈和接收线圈之间形成一个补偿磁场，该补偿磁场与发射线圈和接收线圈间的固定磁场进行叠加/抵消，以改变发射线圈和接收线圈间的磁场，即动态调节非接触传输磁机构耦合系数，使得非接触传输磁机构一直处于最优状态。
实施例2
作为本发明系统一种优选地实施方案，在上述实施例1的技术方案基础上，进一步的，如图2，所述磁场调控电能变换模块的阻波电路，包括三相分别通过双向二极管接入带有电流方向调控装置的补偿电容和补偿线圈并联电路，所述双向二极管通过PWM脉冲控制导通和截止。
更进一步的，所述信号加载提取模块提取所述发射线圈和接受线圈的两端的电信号并通过所述信号调制解调模块的解调生成供所述控制器识别的信号，所述控制器根据接收到的信号向所述信号调制解调模块发出控制指令，所述信号调制解调模块将控制指令转换为对所述信号加载提取模块的控制信号。
磁场调节回路中各部分作用为，磁场调控电能变换模块负责改变输出至补偿线圈的电流大小和方向，以实现磁场的增强或减少；阻波电路实现电流滤波，使得电流更加平滑；而补偿线圈由利兹导线绕制而成，通过电流后即可产生磁场。
本方案的这种耦合系数动态可调的非接触传输磁机构设计思路，增加一补偿线圈，对发射线圈或者接收线圈的磁场施加影响，根据耦合系数的偏移情况，增加或者减少磁场强度，从而改变磁机构的耦合系数，实现能量最优传递。实现了磁机构耦合系数的动态调节，可确保系统在任一环境下工作在最佳能效状态，提高系统适应性和经济性。
实施例3
对应上述实施例1和2技术方案中的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，进一步的，本实施例还提供了一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整方法，在非接触能量传输端和接收端均设置有用于接触传输系统发射功率和接收功率的监测用以计算能量的传递效率的功率监测装置，即能量的传递效率=接收功率/发射功率，若能量传递效率变低，则每隔固定时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流进行测试，共测试N次，计算能量传递效率；
若N次测试中，能量传递效率变化趋势为单调增加，则继续以固定间隔时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流，并实时计算能量传递效率直至传递效率变化趋势开始降低，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，并持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率增加并出现极值，则以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率单调降低，则开启反向电流调节，每隔固定时间X向补偿线圈施加大小为C的反向电流使能量传递效率增加直至并出现极值，并以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈。
并且，优选地，每次增加正向电流或施加反向电流固定时间间隔为100ms，且每次增加正向电流或施加反向电流的大小为10mA。
进一步的，测试次数N为≧3的整数。
此外，最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈后，还包括继续按照固定时间间隔继续记录分别提取发射线圈的输入功率和接受线圈的输出功率，计算能量传递效率，若能量传递效率出现降低，则重复进行上述调整
即本方案的具体思路为：
1、实验室标定最佳耦合系数下，系统能量传递效率，即输出功率/输入功率；
2、入井工作中，监测系统能量传递效率，若传递效率偏移，启动磁场调节回路，动态优化系统耦合系数。
磁场调节回路中各部分作用为，磁场调控电能模块，负责改变输出至补偿线圈的电流大小和方向，以实现磁场的增强或减少；阻波电路，实现电流滤波，使得电流更加平滑；补偿线圈由利兹导线绕制而成，通过电流后即可产生磁场。
2.1 开启正向电流调节，每隔100ms，增加正向10ma电流，并记录能量传递效率，共测试3次；
2.2若能量传递效率单调增加，则每隔100ms，增加正向10ma电流，并记录能量传递效率，直至传递效率降低，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，并持续输出该电流给补偿线圈；
2.3若能量传递效率增加并出现极值，则，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈；
2.4若能量传递效率降低，开启反向电流调节，每隔100ms，施加反向10ma电流，直至传递效率降低，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，并持续输出该电流给补偿线圈。
3、监测能量传递效率，若效率降低，则重复步骤2，使磁机构耦合系数能动态响应环境变化，确保非接触能量传递效率始终最佳。

Claims (7)

1.一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，其特征在于：电源端通过输入功耗测量单元分别与非接触传输电能变换模块和磁场调控电能变换模块，所述非接触传输电能变换模块通过调谐阻波电路连接发射线圈，所述发射线圈对应设置有接收线圈，接受线圈设置在阻波电路上，阻波电路通过整流稳压电路和输出功耗测量模块连接至负载端，所述发射线圈和接受线圈的两端均并联有带有控制器和信号调制解调模块的信号加载提取模块；所述磁场调控电能变换模块也通过一个阻波电路连接有补偿线圈。
2.如权利要求1所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，其特征在于：所述磁场调控电能变换模块的阻波电路，包括三相分别通过双向二极管接入带有电流方向调控装置的补偿电容和补偿线圈并联电路，所述双向二极管通过PWM脉冲控制导通和截止。
3.如权利要求1或2所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统，其特征在于：所述信号加载提取模块提取所述发射线圈和接受线圈的两端的电信号并通过所述信号调制解调模块的解调生成供所述控制器识别的信号，所述控制器根据接收到的信号向所述信号调制解调模块发出控制指令，所述信号调制解调模块将控制指令转换为对所述信号加载提取模块的控制信号。
4.如权利要求1所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统对应的动态调整方法，其特征在于：非接触能量传输端和接收端均设置有用于接触传输系统发射功率和接收功率的监测用以计算能量的传递效率的功率监测装置，即能量的传递效率=接收功率/发射功率，若能量传递效率变低，则每隔固定时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流进行测试，共测试N次，计算能量传递效率；
若N次测试中，能量传递效率变化趋势为单调增加，则继续以固定间隔时间X向补偿线圈增加大小为C的正向电流，并实时计算能量传递效率直至传递效率变化趋势开始降低，以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，并持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率增加并出现极值，则以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈；
若N次测试中，能量传递效率单调降低，则开启反向电流调节，每隔固定时间X向补偿线圈施加大小为C的反向电流使能量传递效率增加直至并出现极值，并以最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈。
5.如权利要求4所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统对应的动态调整方法，其特征在于：每次增加正向电流或施加反向电流固定时间间隔为100ms，且每次增加正向电流或施加反向电流的大小为10mA。
6.如权利要求4或5所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统对应的动态调整方法，其特征在于：测试次数N为≧3的整数。
7.如权利要求4所述的一种非接触传输磁机构耦合系数动态调整系统对应的动态调整方法，其特征在于：最大传递效率时对应的电流为最终校正电流，持续输出该电流给补偿线圈后，还包括继续按照固定时间间隔继续通过发射线圈和接受线圈的两端带有控制器和信号调制解调模块的信号加载提取模块的记录分别提取发射线圈的输入功率和接受线圈的输出功率，计算能量传递效率，若能量传递效率出现降低，则重复进行上述调整。
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