CN113036939B - 非接触电磁转换供电装置及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触电磁转换供电装置及供电方法，所述供电装置包括驱动模块、LC谐振模块、波形检测模块和控制变换模块；所述驱动模块用于基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号并传输至所述LC谐振模块；所述LC谐振模块用于将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换将所述谐振电能传输至所述控制变换模块；所述波形检测模块用于检测所述谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号并传输至所述驱动模块；所述控制变换模块用于对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号，本发明采用变频的方式最大限度实现谐振变换，提高效率，降低电磁噪声。

Description

非接触电磁转换供电装置及供电方法

技术领域

本发明涉及非接触电磁转换供电技术领域，尤其涉及一种非接触电磁转换供电装置及供电方法。

背景技术

井下高温钻井作业中，前端的电机执行机构处于高速旋转状态下，同时由于井下的特殊高温环境，电机的供电以及信号不能简单的采用滑环或导线类实现。因此，在旋转导向产品中，通常采用旋转状态下的磁机构将电能在高温工作条件下进行传递。

采用非接触磁机构形式实现电磁转换的功能，这种磁耦合模式不足之处是漏感较大，对供电变换电路要求较高。当前多用LC谐振方式消除漏感带来的高频损耗，最大限度的提高传输效率，在变压器副边直接采用整流变换的方式供其他直流用电负载使用。但井下条件复杂，温度和结构对磁耦合性能产生多不确定性，导致LC固有的谐振频率发生频点变化，降低传输效率，并会产生较多的电磁干扰，变压器副边直接整流的方式会造成变压器开关脉冲电流较大，大漏感导致过大铁损，对井下设备高效工作产生影响。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种非接触电磁转换供电装置，采用变频的方式最大限度实现谐振变换，提高效率，降低电磁噪声。本发明的另一个目的在于提供一种非接触电磁转换供电方法。

为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种非接触电磁转换供电装置，包括驱动模块、LC谐振模块、波形检测模块和控制变换模块；

所述驱动模块用于基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号并传输至所述LC谐振模块；

所述LC谐振模块用于将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换将所述谐振电能传输至所述控制变换模块；

所述波形检测模块用于检测所述谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号并传输至所述驱动模块；

所述控制变换模块用于对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号。

优选的，所述波形检测模块包括波形检测单元和数字控制单元；

所述波形检测单元用于检测LC谐振模块输出的谐振电能的正弦电流，并将检测的电流传输至所述数字控制单元；

所述数字控制单元用于确定所述电流的相位，根据所述电流的相位以及预设标准信号输出PWM控制信号。

优选的，所述波形检测单元包括电流互感器、整形比较器和电平转换电路；

所述电流互感器用于采集检测LC谐振模块输出的谐振电能的正弦电流；

所述整形比较器用于将所述正弦电流波形整形为方波；

所述电平转换电路用于调整所述方波的电压后传输至所述数字控制单元。

优选的，所述驱动模块包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、第一信号输出端和第二信号输出端；

所述第一开关元件和所述第二开关元件的第一端与直流电源正极连接，第二端分别与第一信号输出端和第二信号输出端连接；

所述第三开关元件和所述第四开关元件的第一端与直流电源负极连接，第二端分别与第一信号输出端和第二信号输出端连接；

第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件的控制端分别与波形检测模块连接，基于输入电源信号和PWM控制信号形成通过第一信号输出端和第二信号输出端输出的功率驱动信号。

优选的，所述LC谐振模块包括电容器和非接触变压器；

所述电容器的第一端与第一信号输出端连接，第二端与所述非接触变压器原边线圈的第一端连接；

所述非接触变压器原边线圈的第二端与所述第二信号输出端连接，所述非接触变压器副边线圈的第一端和第二端分别与所述控制变换模块连接。

优选的，所述电容器为薄膜电容或多个薄膜电容的并联。

优选的，所述控制变换模块包括整流桥、功率单元和控制单元；

所述整流桥用于对所述LC谐振模块传输的谐振电能进行整形得到直流信号；

所述控制单元用于获取所述直流信号，根据所述直流信号和电压基准得到跟随参考信号；

所述功率单元用于基于所述跟随参考信号对所述直流信号进行升压得到输出信号。

优选的，所述功率单元为BOOST升压电路。

优选的，所述控制单元包括波形处理单元、PI调制单元、PWM控制器、乘法器和直流给定单元；

所述波形处理单元用于将整流桥输出的直流信号通过电阻分压后得到采样电压；

所述直流给定单元用于获取功率单元输出的直流输出信号；

所述PI调制单元用于对所述直流给定单元采集并传输的直流输出信号进行电压幅值调节得到直流幅值信号；

所述乘法器用于将直流幅值与所述直流信号相乘，得到跟随参考信号；

所述PWM控制器用于根据所述跟随参考信号得到控制信号，并将所述控制信号传输至功率单元，以使功率单元基于控制信号对整流桥传输的直流信号进行升压得到直流输出信号。

本发明还公开了一种非接触电磁转换供电方法，包括：

基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号，其中，PWM控制信号根据检测的基于功率驱动信号形成的谐振电能及预设标准信号得到；

将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换传输所述谐振电能；

对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号。

本发明在供电前级通过波形检测模块检测LC谐振模块输出的谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号，实现高温条件下自动检测LC谐振特征并变频，通过变频的方式最大限度实现谐振变换，自动调节谐振频率和初始谐振点，实现良好谐振，提高效率，降低噪声。进一步的，在供电后级通过控制变换模块对电流进行整行和跟踪，将交流信号转换为直流信号并基于电压基准对直流信号进行升压得到输出信号，通过直流的输出信号可对用电负载进行供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一种非接触电磁转换供电装置一个具体实施例的结构图；

图2示出本发明一种非接触电磁转换供电装置一个具体实施例驱动模块的结构图；

图3示出本发明一种非接触电磁转换供电装置一个具体实施例LC谐振模块的结构图；

图4示出本发明一种非接触电磁转换供电装置一个具体实施例控制变换模块的结构图；

图5示出本发明一种非接触电磁转换供电装置一个具体实施例控制单元的结构图；

图6示出本发明一种非接触电磁转换供电方法一个具体实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种非接触电磁转换供电装置。如图1所示，所述非接触电磁转换供电装置包括驱动模块1、LC谐振模块2、波形检测模块3和控制变换模块4。

其中，所述驱动模块1用于基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号并传输至所述LC谐振模块2。

所述LC谐振模块2用于将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换将所述谐振电能传输至所述控制变换模块4。

所述波形检测模块3用于检测所述谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号并传输至所述驱动模块1。

所述控制变换模块4用于对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号。

本发明在供电前级通过波形检测模块3检测LC谐振模块2输出的谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号，实现高温条件下自动检测LC谐振特征并变频，通过变频的方式最大限度实现谐振变换，自动调节谐振频率和初始谐振点，实现良好谐振，提高效率，降低噪声。进一步的，在供电后级通过控制变换模块4对电流进行整行和跟踪，将交流信号转换为直流信号并基于电压基准对直流信号进行升压得到输出信号，通过直流的输出信号可对用电负载进行供电。

在优选的实施方式中，所述波形检测模块3包括波形检测单元31和数字控制单元32。其中，所述波形检测单元31用于检测LC谐振模块2输出的谐振电能的正弦电流，并将检测的电流传输至所述数字控制单元32。所述数字控制单元32用于确定所述电流的相位，根据所述电流的相位以及预设标准信号输出PWM控制信号。

可以理解的是，数字控制单元32根据检测得到的LC谐振模块2输出的电流的相位以及预设标准信号输出PWM控制信号，PWM控制信号可控制驱动模块1输出的功率驱动信号，即本发明通过电流跟踪方式实现功率变换，自动调节谐振频率和初始谐振点，实现良好谐振，提高效率，降低噪声。优选的，数字控制单元32可通过数字控制器实现正弦电流的锁相跟踪、定频和算法运算，根据正弦电流的相位与预设标准信号形成调整功率驱动信号的PWM控制信号，以使LC谐振模块输出的谐振电能稳定。该预设标准信号可根据需求的谐振电能确定，数字控制器的主控芯片优选的可采用PIC24HJ128GP502，采用该芯片的数字控制器经过多次高温井下试验验证，能够满足高温环境下的算法运算工作要求，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需求通过数字控制器设置数字控制单元32的具体电路结构，在此不再赘述。在优选的实施方式中，所述波形检测单元31包括电流互感器、整形比较器和电平转换电路。其中，所述电流互感器用于采集检测LC谐振模块2输出的谐振电能的正弦电流。所述整形比较器用于将所述正弦电流波形整形为方波。所述电平转换电路用于调整所述方波的电压后传输至所述数字控制单元32。优选的，整形比较器可选用LM193，以满足快速响应和温度特性的要求。电平转换电路可采用OP2277芯片将方波电压的高电平转换为数字控制单元32适用的接口电平。在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需求设置波形检测单元31的具体电路结构，在此不再赘述。

可以理解的是，波形检测单元31可以实现LC谐振模块2输出电流的检测和处理，将LC谐振模块2输出的电流处理成电压幅值在预设范围内的方波电流信号，便于数字控制单元32对于方波电流信号的处理。数字控制单元32根据方波电流信号和预设标准信号进行比较，根据高温条件下LC谐振模块2的输出电流确定LC谐振模块2的工作状态，调整LC谐振模块2的PWM控制信号以调节PWM控制信号输出的谐振电能。

在优选的实施方式中，如图2所示，所述驱动模块1包括第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL。其中，在一个具体例子中，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL的连接关系可为：所述第一开关元件Q1和所述第二开关元件Q2的第一端与直流电源DC正极连接，第二端分别与第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL连接；所述第三开关元件Q3和所述第四开关元件Q4的第一端与直流电源DC负极连接，第二端分别与第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL连接；第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3和第四开关元件Q4的控制端分别与波形检测模块3连接，基于输入电源信号和PWM控制信号形成通过第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL输出的功率驱动信号。

第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3和第四开关元件Q4桥臂上的开关元件，第一开关元件Q1和第四开关元件Q4为一组，第二开关元件Q2和第三开关元件Q3为一组，两组开关元件分别以频率f交替循环导通，从而使第一信号输出端ACH和第二信号输出端ACL输出矩形波交流脉冲的功率驱动信号。

在优选的实施方式中，如图3所示，所述LC谐振模块2包括电容器C和非接触变压器L。其中，所述电容器C的第一端与第一信号输出端ACH连接，第二端与所述非接触变压器L原边线圈的第一端连接，所述非接触变压器L原边线圈的第二端与所述第二信号输出端ACL连接，所述非接触变压器L副边线圈的第一端和第二端分别与所述控制变换模块4连接。其中，非接触变压器L的电感值为自身电感和漏感之和，功率驱动信号经过电容器C的非接触变压器L形成谐振电能，并以非接触传输的方式传输至控制变换模块4。

优选的，为了更好的满足钻井作业的高温作业环境，根据LC谐振模块2形成的初始谐振频率选择电容器C，电容器C选型要求主要满足温度特性和良好的低内阻谐振特性，例如可选用高温薄膜电容，为进一步提高温度可靠性并适应探管结构，可选择3只同型号薄膜电容并联形成LC谐振模块2的电容器C。由此，本实施例的非接触电磁转换供电装置特别适用于井下高温钻井作业中旋转导向供电产品。

在优选的实施方式中，如图4所示，所述控制变换模块4包括整流桥41、功率单元42和控制单元43。其中，所述整流桥41用于对所述LC谐振模块2传输的谐振电能进行整形得到直流信号。所述控制单元43用于获取所述直流信号，根据所述直流信号和电压基准得到跟随参考信号。所述功率单元42用于基于所述跟随参考信号对所述直流信号进行升压得到输出信号。其中，优选的，整流桥41可采用不控整流桥41，更优选的，不控整流桥41可选用TQD10A600V-P，该整流桥41采用SiC工艺及良好散热结构，可满足高温要求。功率单元42可采用经典BOOST电路，为本领域技术人员公知，可根据实际需求设置。

可以理解的是，通过非接触形式传输得到的谐振电能需进一步处理得到负载可用的直流输出信号，才能够为负载供电。控制变换模块4首先采用整流桥41对谐振电能的交流波形进行整形得到直流信号，进一步通过控制单元43获取整形后的直流信号，结合电压基准形成跟随参考信号，通过调整跟随参考信号控制功率单元42对直流信号的升压过程，从而实现良好的阻抗匹配，利于非接触电磁转换过程中良好谐振条件下的最大效率输出。

在优选的实施方式中，如图5所示，所述控制单元43包括波形处理单元431、PI调制单元432、PWM控制器433、乘法器434和直流给定单元435。

其中，所述波形处理单元431用于将整流桥41输出的直流信号通过电阻分压后得到采样电压。所述直流给定单元435用于获取功率单元42输出的直流输出信号。所述PI调制单元432用于对所述直流给定单元435采集并传输的直流输出信号进行电压幅值调节得到直流幅值信号。所述乘法器434用于将直流幅值与所述直流信号相乘，得到跟随参考信号。所述PWM控制器433用于根据所述跟随参考信号得到控制信号，并将所述控制信号传输至功率单元42，以使功率单元42基于控制信号对整流桥41传输的直流信号进行升压得到直流输出信号。控制单元43采用基于高温PWM电流控制器的分立控制，环路控制方面，外部采用电压闭环，将输出电压通过电阻分压与电压基准进行PI调节，PI调节后的直流幅值与整流后的波形通过乘法器进行计算，并传给高温PWM电流控制器的pin1，该给定值作为BOOST中电流采样的跟随参考，实现良好的阻抗匹配，利于非接触变压器L在良好谐振条件下的最大效率输出。

基于相同原理，本实施例还公开了一种非接触电磁转换供电方法。如图6所示，本实施例中，所述方法包括：

S100：基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号，其中，PWM控制信号根据检测的基于功率驱动信号形成的谐振电能及预设标准信号得到。

S200：将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换传输所述谐振电能。

S300：对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号。

由于该方法解决问题的原理与以上装置类似，因此，本方法的实施可以参见装置的实施，在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种非接触电磁转换供电装置，其特征在于，包括驱动模块、LC谐振模块、波形检测模块和控制变换模块；

所述驱动模块用于基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号并传输至所述LC谐振模块；波形检测模块包括波形检测单元和数字控制单元；所述波形检测单元用于检测LC谐振模块输出的谐振电能的正弦电流，并将检测的电流传输至所述数字控制单元；所述数字控制单元用于确定所述电流的相位，根据所述电流的相位以及预设标准信号输PWM控制信号；

所述LC谐振模块用于将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换将所述谐振电能传输至所述控制变换模块；

所述波形检测模块用于检测所述谐振电能并基于预设标准信号得到所述PWM控制信号并传输至所述驱动模块；

所述控制变换模块包括所述控制变换模块包括整流桥、功率单元和控制单元；控制单元包括波形处理单元、PI调制单元、PWM控制器、乘法器和直流给定单元；

所述整流桥用于对所述LC谐振模块传输的谐振电能进行整形得到直流信号；

所述波形处理单元用于将整流桥输出的直流信号通过电阻分压后得到采样电压；所述直流给定单元用于获取功率单元输出的直流输出信号；所述PI调制单元用于对所述直流给定单元采集并传输的直流输出信号进行电压幅值调节得到直流幅值信号；所述乘法器用于将直流幅值与所述直流信号相乘，得到跟随参考信号；所述PWM控制器用于根据所述跟随参考信号得到控制信号，并将所述控制信号传输至功率单元；

所述功率单元用于基于所述跟随参考信号对所述直流信号进行升压得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，所述波形检测单元包括电流互感器、整形比较器和电平转换电路；

所述电流互感器用于采集检测LC谐振模块输出的谐振电能的正弦电流；

所述整形比较器用于将所述正弦电流波形整形为方波；

所述电平转换电路用于调整所述方波的电压后传输至所述数字控制单元。

3.根据权利要求1所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，所述驱动模块包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、第一信号输出端和第二信号输出端；

所述第一开关元件和所述第二开关元件的第一端与直流电源正极连接，第二端分别与第一信号输出端和第二信号输出端连接；

所述第三开关元件和所述第四开关元件的第一端与直流电源负极连接，第二端分别与第一信号输出端和第二信号输出端连接；

第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件的控制端分别与波形检测模块连接，基于输入电源信号和PWM控制信号形成通过第一信号输出端和第二信号输出端输出的功率驱动信号。

4.根据权利要求3所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，所述LC谐振模块包括电容器和非接触变压器；

所述电容器的第一端与第一信号输出端连接，第二端与所述非接触变压器原边线圈的第一端连接；

所述非接触变压器原边线圈的第二端与所述第二信号输出端连接，所述非接触变压器副边线圈的第一端和第二端分别与所述控制变换模块连接。

5.根据权利要求4所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，所述电容器为薄膜电容或多个薄膜电容的并联。

6.根据权利要求1所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，所述功率单元为BOOST升压电路。

7.一种非接触电磁转换供电方法，采用了如权利要求1所述的非接触电磁转换供电装置，其特征在于，包括：

基于输入电源信号和PWM控制信号形成功率驱动信号，其中，PWM控制信号根据检测的基于功率驱动信号形成的谐振电能及预设标准信号得到；

将所述功率驱动信号转换为谐振电能并通过非接触电磁转换传输所述谐振电能；

对所述谐振电能进行整形得到直流信号并基于电压基准对所述直流信号进行升压得到输出信号。