CN112234706A - 一种井下直流供电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种井下直流供电装置及方法，所述装置包括：取电模块、整流滤波模块、稳压控制模块、电池模块；所述取电模块从电机的定子绕组抽取交流电压，并传输至所述整流滤波模块；所述整流滤波模块将所述交流电压转换为直流电压后传输至所述稳压控制模块；所述稳压控制模块输出的直流电压与所述电池模块输出的直流电压并联传输至负载，实现对所述负载不间断供电。本发明在充分了解井下电机内部结构和仪器供电要求的基础上，结合井下电机运行时绕组本身带电的特点，选择直接从电机绕组中取电，由于电压等级较低，可以减小功率器件体积、降低成本，并且在电机不工作时，通过电池为井下仪器供电，实现低成本、长时间稳定供电。

Description

一种井下直流供电装置及方法
技术领域
本发明属于井下供电技术领域，更具体地，涉及一种井下直流供电装置及方法。
背景技术
随着油气田井下现代化水平的不断提高，井下测井工具和控制工具使用的传感器和控制执行器越来越多，对井下供电系统的可靠性、安全性和连续性的要求越来越高。目前，为井下仪器供电的主要方法有三种：
一是采用电池供电。电池大多为高性能锂电池，具有结构紧凑、安装方便等优点，但受井下高温高压影响，持续工作时间较短，逐渐不能满足深井长时间连续供电的需求。在容量有限的情况下频繁更换电池，成本高，作业工作量大，且存在密封泄露等安全问题。
二是由电缆输送电能到井下设备。长电缆输送电能存在着压降和损耗问题，成本较高。而且，在电能传输过程中，电缆易受地型干扰，可靠性较差。
三是井下涡轮发电机供电。部分随钻测井设备采用井下涡轮发电机供电，节能环保，寿命长，避免了电池耗尽的问题。但涡轮发电机必须由钻井液或其他介质驱动，使用范围窄。
由此可见，现有的井下直流供电装置存在成本高、可靠性较差、应用场合受限等问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种井下直流供电装置，用以解决现有的井下直流供电装置存在成本高、可靠性较差、应用场合受限的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种井下直流供电装置，包括：取电模块、整流滤波模块、稳压控制模块、电池模块；
所述取电模块从电机的定子绕组抽取交流电压，并传输至所述整流滤波模块；
所述整流滤波模块将所述交流电压转换为直流电压后传输至所述稳压控制模块；
所述稳压控制模块输出的直流电压与所述电池模块输出的直流电压并联传输至负载，实现对所述负载不间断供电。
进一步地，当所述电机的定子绕组带有中间抽头时，所述取电模块从所述中间抽头抽取交流电压；
当所述电机的定子有两套或两套以上绕组，且各绕组相互电气隔离时，所述取电模块从其中一套绕组抽取交流电压。
进一步地，所述整流滤波模块包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为不控整流电路或可控整流电路或半可控整流电路；所述滤波电路为电感电容滤波电路，用于滤除整流后输出电压中的交流分量。
进一步地，所述稳压控制模块包括稳压电路和控制电路，所述稳压电路为双管Buck-Boost电路，所述控制电路采用基于平均电流的电压、电流双环控制。
进一步地，所述电池模块为高温锂电池或铅酸电池。
进一步地，所述电池模块输出端串接二极管后连接所述负载。
本发明另一方面提供了一种井下直流供电方法，采用上述的井下直流供电装置，包括：
当所述电机工作时，从所述电机的定子绕组取电，经过整流、滤波、稳压处理后，给所述负载供电；
当所述电机不工作时，由所述电池模块给所述负载供电。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在充分了解井下电机内部结构和仪器供电要求的基础上，结合井下电机运行时绕组本身带电的特点，选择直接从电机绕组中取电，由于电压等级较低，可以减小功率器件体积、降低成本，并且在电机不工作时，通过电池为井下仪器供电，实现低成本、长时间稳定供电。
(2)本发明通过直接在电机绕组取电，避免了长电缆输电带来的损耗和压降；同时，本发明适用于不同深度油气井，尤其是中深井的油气钻探或开采，拓宽了应用范围。
(3)本发明中稳压电路采用双管Buck-Boost电路，开关应力更小，损耗更低；控制电路采用基于平均电流的电压、电流双环控制系统，相比于现有技术常用的单电压环控制系统，具有更快的动态响应速度和更高的功率因数。
(4)本发明通过在电池模块输出端串接二极管，防止电流倒灌，烧坏电池。
附图说明
图1为本发明提供的一种井下直流供电装置结构示意图；
图2为本发明提供的井下直流供电装置具体结构示意图；
图3为本发明提供的电机绕组中间抽头取电电路图；
图4为本发明提供的双三相电机取电电路图；
图5为本发明提供的三相桥式不控整流滤波电路图；
图6为本发明提供的稳压电路图；
图7为本发明提供的稳压控制电路图；
图8为本发明提供的电池电路图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，结合图2，本发明提供了一种井下直流供电装置，包括：取电模块、整流滤波模块、稳压控制模块、电池模块。
所述取电模块从电机的定子绕组抽取交流电压，并传输至所述整流滤波模块；
所述整流滤波模块将所述交流电压转换为直流电压后传输至所述稳压控制模块；
所述稳压控制模块输出的直流电压信号与所述电池模块输出的直流电压信号并联传输至负载，实现对所述负载不间断供电。
需要说明的是，本发明所指负载包括测井仪器及微电机等。
具体地，从电机绕组取电包括两种方式，一是定子绕组带有中间抽头的电机，从绕组的中间抽头取电，如图3所示；二是定子有两套或两套以上绕组的电机，绕组相互电气隔离，利用其中独立的一套绕组提供交流电，如图4所示。与现有技术中的有线供电和涡轮发电机供电相比，从电机绕组中间抽头或者单独的低压绕组所取的电压更低，因此后续功率变换电路体积更小，相应成本更低。
进一步地，整流滤波模块包括整流电路和滤波电路，其中，整流电路将交流电能转换为直流电，可以利用不控整流，也可以利用可控或半可控整流电路；其中可控整流电路包括了使用半控型开关器件晶闸管的相控整流电路和使用全控型开关器件的高频整流电路。再通过电感电容滤波电路滤除整流后输出电压电流中的交流分量。其中，一种三相不控整流滤波电路如图5所示。
进一步地，经整流滤波后的电压进入稳压及其控制电路进行稳压控制。功率开关管的控制方式采用脉冲宽度调制技术，通过对输出电压的采样来激励脉宽控制器，从而改变加到开关调整管的脉冲的宽度，即占空比，以调节开关管的导通与截止的时间比，进而调整输出电压。本发明稳压电路采用双管Buck-Boost电路，开关应力更小，损耗更低，如图6所示，实际应用不局限于此电路。控制电路采用基于平均电流控制的双环控制系统，相比于现有技术常用的单电压环控制系统，具有更快的动态响应速度和更高的功率因数，如图7所示。
进一步地，高温锂电池或铅酸电池与整流稳压后的直流输出并联，对井下仪器进行不间断供电。具体电路如图8所示。当潜油电机不工作，无法从电机绕组中取电时，电池开始为井下仪器供电，实现了稳定持续供电。电池输出端可以串接二极管，防止电流倒灌，烧坏电池。
本发明另一方面提供了一种井下直流供电方法，采用上述的井下直流供电装置，包括：当所述电机工作时，从所述电机的定子绕组取电，经过整流、滤波、稳压处理后，给所述负载供电；当所述电机不工作时，由所述电池模块给所述负载供电。
现有的技术都只是从电机系统外部来考虑井下仪器电源的来源，比如电池、地面电源和涡轮发电机，没有结合井下电机内部的结构和性能特点来设计。而本发明结合井下电机运行时绕组本身带电的特点，选择直接从电机绕组中取电，由此省去长电缆输电，并且由于电压等级较低，可以减小功率器件体积、降低成本，同时在电机不工作时，通过电池为井下仪器供电，实现低成本、长时间稳定供电。
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)

1.一种井下直流供电装置，其特征在于，包括：取电模块、整流滤波模块、稳压控制模块、电池模块；
所述取电模块从电机的定子绕组抽取交流电压，并传输至所述整流滤波模块；
所述整流滤波模块将所述交流电压转换为直流电压后传输至所述稳压控制模块；
所述稳压控制模块输出的直流电压与所述电池模块输出的直流电压并联传输至负载，实现对所述负载不间断供电。
2.如权利要求1所述的井下直流供电装置，其特征在于，
当所述电机的定子绕组带有中间抽头时，所述取电模块从所述中间抽头抽取交流电压；
当所述电机的定子有两套或两套以上绕组，且各绕组相互电气隔离时，所述取电模块从其中一套绕组抽取交流电压。
3.如权利要求1或2所述的井下直流供电装置，其特征在于，
所述整流滤波模块包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为不控整流电路或可控整流电路或半可控整流电路；所述滤波电路为电感电容滤波电路，用于滤除整流后输出电压中的交流分量。
4.如权利要求1或2所述的井下直流供电装置，其特征在于，
所述稳压控制模块包括稳压电路和控制电路，所述稳压电路为双管Buck-Boost电路，所述控制电路采用基于平均电流的电压、电流双环控制。
5.如权利要求1或2所述的井下直流供电装置，其特征在于，
所述电池模块为高温锂电池或铅酸电池。
6.如权利要求5所述的井下直流供电装置，其特征在于，
所述电池模块输出端串接二极管后连接所述负载。
7.一种井下直流供电方法，采用权利要求1至6任一项所述的井下直流供电装置，其特征在于，包括：
当所述电机工作时，从所述电机的定子绕组取电，经过整流、滤波、稳压处理后，给所述负载供电；
当所述电机不工作时，由所述电池模块给所述负载供电。
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