CN112769342B - 一种钻井无线随钻仪的宽范围ac-dc电源转换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钻井无线随钻仪的宽范围AC‑DC电源转换系统及方法，包括：三相整流电路与滤波均压电路连接，用于将三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；滤波均压电路与双侧双BUCK PWM变换电路连接，双侧双BUCK PWM变换电路与冲激稳压变压器连接，双侧双BUCK PWM变换电路包括第一MOS管、第二MOS管、驱动电路和PWM变换电路；在滤波均压电路的正极和中点电压之间，中点电压和负极之间分别接入第一MOS管和第二MOS管，通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，在双MOS管未同步动作时，冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压。对井下三相发电机输出的AC50‑500V电压实现AC‑DC转换，并稳定工作。

Description

一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统及方法
技术领域
本发明涉及油田钻井无线随钻系统技术领域，特别是涉及一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
油田钻井过程中，无线随钻系统中有光谱测量和旋转导向系统，这两种系统必须由大功率电源供电，且只有利用井下发电机才能实现这种供电。然而，井下发电机的驱动力来自于钻井时循环的泥浆流，其流量和压力取决于泥浆泵的工作状态，导致井下发电机的输出电压波动很大，实际测试中为AC50-500V，这对AC-DC转换电路中的器件提出了极高的要求，如滤波电容的耐压在125℃情况下达到600V，PWM电路中MOS管的耐压达到1200V，而目前高温电容的耐压一般400V，硅MOS管的极限耐压950V，碳化硅MOS管耐压能达到1200V，但价格几千元一只。如果用低电压、大电流的发电机体积太大，无法安装，高电压发电机需要先用交流变压器降压，不仅效率低，同时会产生温升，而且体积大，无法在钻杆里安装。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统及方法，采用高低侧双侧双BUCK PWM变换电路和冲激稳压变压器，使电容、MOS管的工作电压降低一半，在井下宽范围交流输入情况下，对井下三相发电机输出的AC50-500V电压实现AC-DC转换，并保证电路稳定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，包括：三相整流电路、滤波均压电路、双侧双BUCK PWM变换电路和冲激稳压变压器；
所述三相整流电路与滤波均压电路连接，用于将三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；
所述滤波均压电路与双侧双BUCK PWM变换电路连接，双侧双BUCK PWM变换电路与冲激稳压变压器连接，所述双侧双BUCK PWM变换电路包括第一MOS管、第二MOS管、驱动电路和PWM变换电路；
在滤波均压电路的正极和中点电压之间，中点电压和负极之间分别接入第一MOS管和第二MOS管，通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，在双MOS管未同步动作时，冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压。
第二方面，本发明提供一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换方法，包括：
对获取的三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；
通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压；
若双MOS管未同步动作时，由冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种油田钻井环境下，井下大功率仪器供电的AC-DC稳压系统，创造性运用高低侧双侧双BUCK PWM变换电路和冲激稳压变压器，使电容、MOS管的工作电压降低一半，对井下三相发电机输出的AC50-500V电压实现AC-DC转换、稳压，输出电压DC200V，输出功率200W，发电机输出电压达到80V以上，低于80V处于非正常工作状态，效率达98％，并能在该环境下长期稳定工作。
本发明的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统要求效率高于95％，能够降低温升，提高使用寿命，实现井下宽范围交流输入情况下，大功率AC-DC的转换。
本发明的宽范围AC-DC电源转换系统中，双MOS管的工作电压为半压，解决MOS管耐压低的问题，且双MOS管同步工作，实现高速通断切换。
本发明的宽范围AC-DC电源转换系统中，由两只耐压400V的滤波电容串联组成滤波均压电路，一方面解决600V高压的滤波，将直流脉动电压滤波成直流电压，另一方实现在两只串联滤波电容的中点取出中点电压。
本发明的宽范围AC-DC电源转换系统中，当双MOS管未同步动作时，即一只MOS管导通，另一只截止或半导通时，通过冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，使双MOS管保持半压，使中点电位保持恒定，避免没导通的MOS管因电压击穿而损坏问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统框图；
其中，1、三相整流二极管组，2、滤波电容，3、高侧MOS管，4、低侧MOS管，5、高侧续流二极管，6、低侧续流二极管，7、驱动电路，8、PWM变换电路，9、差模冲激稳压变压器，10、取样电路，11、输出端滤波均压电容。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，包括：三相整流电路、滤波均压电路、双侧双BUCK PWM变换电路、冲激稳压变压器、取样电路和高频滤波电路；
所述三相整流电路与滤波均压电路连接，所述三相整流电路将发电机输出的三相交流电压经整流转换输出直流脉动电压至滤波均压电路；
所述滤波均压电路用于将直流脉动电压进行滤波，输出直流电压。
在本实施例中，所述三相整流电路包括三相整流二极管组1，将发电机输出的50-500V三相交流电压整流成直流脉动电压；
所述滤波均压电路包括两个串联的滤波电容2，所述滤波均压电路一方面解决600V高压的滤波，将直流脉动电压滤波为直流电压，另一方面对未稳压的直流电压建立中点电压，在两个串联的滤波电容2的中点获取直流电压的中点电压，即半压。
优选地，所述滤波电容2耐压400V。
所述滤波均压电路与双侧双BUCK PWM变换电路连接，双侧双BUCK PWM变换电路与冲激稳压变压器连接；所述双侧双BUCK PWM变换电路包括第一MOS管、第二MOS管、驱动电路、PWM变换电路、第一二极管和第二二极管；
在滤波均压电路的正极和中点电压之间，中点电压和负极之间分别接入第一MOS管和第二MOS管，通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，在双MOS管未同步动作时，冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压。
在本实施例中，双侧双BUCK PWM变换电路在滤波均压电路的电压正、中点电压、电压负(地)之间建立两级PWM变换电路，双MOS管的Vds工作电压均为半压，解决MOS管耐压低的问题，且双MOS管同步工作，实现高速通断切换。
优选地，第一MOS管和第二MOS管均为N沟道。
优选地，第一MOS管和第二MOS管对应于图1所示的高侧MOS管3和低侧MOS管4；高侧MOS管3和低侧MOS管4由驱动电路7和PWM变换电路8控制，根据输入电压和负载变化，控制高侧MOS管3和低侧MOS管4同步实现脉宽调制高速通断切换。
优选地，在高侧MOS管3和低侧MOS管4之间连接第一二极管和第二二极管，即连接高侧续流二极管5和低侧续流二极管6，用于实现MOS管切换过程中的续流，保证电路稳定。
由于双MOS管不可能完全同步导通和截止，当某一瞬间一只MOS管导通，另一只MOS管截止或半导通时，由于电流的作用，会使中点偏移，甚至为最高值或0，此时没导通的MOS管的Vds等于全压，会立即损坏；
所以，在本实施例中，采用冲激稳压变压器，冲激稳压变压器即差模冲激稳压变压器9，为高频变压器，当高侧MOS管3和低侧MOS管4没有完全同步时，如一只MOS管导通，另一只MOS管截止或半导通时，与导通MOS管连接的变压器线圈内电流迅速增加，其反抗电动势立即升高，在线圈两端产生电压；根据变压器的特性，在另一组线圈两端也将感应出电压值相同且极性相反的感应电压，用于稳定主电路两端的电压，保证中点电压稳定，使高侧MOS管3和低侧MOS管4的Vds电压处于半压，不会因电压击穿而损坏。
优选地，差模冲激稳压变压器9的两组线圈圈数和线径相同，同名端相反；同时由于同名端相反，两个线圈的电压通过负载串联后相互抵消，不会影响另一MOS管的工作，中点电位能够保持恒定，当两个MOS管都导通后，电路处于对称状态，均压工作。
在本实施例中，取样电路10与高频滤波电路连接，高频滤波电路由输出端滤波均压电容组成，根据取样电路确定目标输出电压值，根据高频滤波电路对PWM调制后的直流电压进行滤波后输出目标直流电压。
优选地，高频滤波电路的输出端滤波均压电容，一方面实现对高频电压的滤波，另一方面建立输出电压中点，以满足高低侧反馈电路的建立，实现电路平衡。
在更多实施例中，还提供上述一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统的实现方法，用于对井下三相发电机输出电压进行AC-DC转换，包括：
对获取的三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；
通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压；
若双MOS管未同步动作时，由冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压状态。
本实施例提供在油田钻井环境下，井下大功率仪器供电的AC-DC稳压系统，对井下三相发电机输出的AC50-500V电压实现AC-DC转换、稳压，输出电压DC200V，输出功率200W，发电机输出电压达到80V以上，低于80V处于非正常工作状态，效率达98％。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，包括：三相整流电路、滤波均压电路、双侧双BUCK PWM变换电路和冲激稳压变压器；
所述三相整流电路与滤波均压电路连接，用于将三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；
所述滤波均压电路与双侧双BUCK PWM变换电路连接，双侧双BUCK PWM变换电路与冲激稳压变压器连接，所述双侧双BUCK PWM变换电路包括第一MOS管、第二MOS管、驱动电路和PWM变换电路；
在滤波均压电路的正极和中点电压节点之间，中点电压节点和负极之间分别接入第一MOS管和第二MOS管，通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，在双MOS管未同步动作时，冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压；
所述滤波均压电路包括两个串联的滤波电容，用于将整流后得到的直流脉动电压滤波为直流电压；在所述两个串联的滤波电容的中点为中点电压节点；
所述冲激稳压变压器的两组线圈圈数和线径均相同，同名端相反。
2.如权利要求1所述的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，所述三相整流电路包括三相整流二极管组，将50-500V的三相交流电压整流为直流脉动电压。
3.如权利要求1所述的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，根据输入电压和负载的变化，驱动电路和PWM变换电路控制第一MOS管和第二MOS管同步进行脉宽调制通断切换。
4.如权利要求1所述的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，所述第一MOS管和第二MOS管均为N沟道。
5.如权利要求1所述的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，在第一MOS管和第二MOS管之间连接第一二极管和第二二极管。
6.如权利要求1所述的一种钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换系统，其特征在于，所述系统还包括相互连接的取样电路与高频滤波电路，根据取样电路确定目标电压值，根据高频滤波电路对PWM调制后的直流电压进行滤波后输出目标电压。
7.一种基于如权利要求1-6任一项所述的转换系统的钻井无线随钻仪的宽范围AC-DC电源转换方法，其特征在于，包括：
对获取的三相交流电压经整流与滤波后输出直流电压；
通过驱动电路和PWM变换电路控制双MOS管动作，以对直流电压进行PWM调制后输出目标电压；
若双MOS管未同步动作时，由冲激稳压变压器双边线圈产生电压相同且极性相反的感应电压，以使双MOS管保持半压状态。
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