CN113852215A - 一种用于井下电能和信号传输的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油领域井下仪器技术领域，涉及一种用于井下电能和信号传输的装置。本发明用于井下电能和信号传输的装置,包括电能传输电路和信号传输电路，电能传输电路包括三相交流电发电机、整流滤波电路、DC‑DC开关电源、电能主控电路、逆变器以及第一非接触式变压器；信号传输电路包括第二非接触式变压器、下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、基带信号发生电路、混频电路以及驱动电路。根据本发明的用于井下电能和信号传输的装置，可以提高井下设备系统的稳定性、安全性和可扩展性，降低系统作业成本并且提高作业效率。
Description
技术领域
本发明属于石油领域井下仪器技术领域，涉及一种用于井下电能和信号传输的装置。
背景技术
油田井下设备通常通过接触式滑环井下供电，由于钻井中的中心钻杆不停转动，使用一段时间后，滑环会因磨损而脱离接触，导致失效，无法继续向负载供电，需要经常更换滑环，耽误工作进度并且需要大量维修和更换费用。因此，电能的无线传输供给是领域内研究的重要内容和方向，将电能的无线传输集成于随钻测量(MWD)、旋转导向系统(RSS)以及垂直钻井系统中，与传统的接触式电能传输供给相比，不会产生磨损等问题，可以向负载长时间供电，节约系统的维修成本，并且可以提高系统的作业效率和安全性。在实际应用时，由于井下设备还需要复杂的信号传输组件来进行井下数据的获取、传输和处理，因此，信号和电能的传输的集成是当下领域内产品的难点，如何在降低井下设备各短节以及各短节之间连接机构复杂程度的前提下，高效地集成电能和信号传输组件，实现信号和电能的无线传输，提高井下设备系统的稳定性、安全性和可扩展性，具有重要意义。
发明内容
为了提高井下设备系统的稳定性和安全性，本发明旨在提供一种用于井下电能和信号传输的装置。
根据本发明的一方面，一种用于井下电能和信号传输的装置，包括电能传输电路和信号传输电路，电能传输电路包括三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器以及第一非接触式变压器，三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器依次连接，第一非接触式变压器分别与整流滤波电路和逆变器连接；信号传输电路包括第二非接触式变压器、下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、基带信号发生电路、混频电路以及驱动电路，下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、混频电路、驱动电路以及第二非接触式变压器依次连接形成循环闭合电路，基带信号发生电路的与调制信号发生电路并联于主控信号电路和混频电路之间；其中，电能主控电路包括可在175℃下工作的PIC单片机，电能主控电路用于控制逆变器，将直流电能转换成200kHz电能信号输出至第一非接触式变压器的初级线圈，将电能高效率传输给第一非接触式变压器的次级线圈；信号主控电路用于控制调制信号发生电路产生调制信号和控制基带信号发生电路产生基带信号。
进一步地，整流滤波电路为采用电容滤波方式的三相全桥整流电路，用于将三相交流电发电机输出的交流电能以及第一非接触式变压器的次级感应交流电转换为直流电能，并输出至DC-DC开关电源。
进一步地，DC-DC开关电源为正激式开关电源，用于对整流滤波电路输出的直流电能进行电压变换，输出稳定的低压直流电供电能主控电路工作。
进一步地，逆变器包括电压型全桥逆变器电路，用于将整流滤波电路输出的36V直流电能转换成传输效率更高的高频交流电，输出至第一非接触式变压器的初级线圈。
进一步地，下混频电路包括乘法器和低通滤波器，下混频电路将载波信号与发射端基带信号输至乘法器，再经过低通滤波器滤除基带信号，获得调制信号。
进一步地，鉴频电路包括运放电路和比较器，鉴频电路采用运放电路将调制信号调理至合适电压范围，并采用比较器将检测信号传输给单片机获取调制信号的频率，从而实现调制信号的解码。
进一步地，基带信号发生电路采用集成数字频率合成器，所述基带信号发生电路用于产生高频基带信号并传输至混频电路。
进一步地，调制信号发生电路包括集成数字频率合成器和数模转换器集成芯片，所述调制信号发生电路用于产生低频调制信号并传输至混频电路。
进一步地，混频电路包括集成数字频率合成器，混频电路用于耦合调制信号和基带信号，输出载波信号至驱动电路。
进一步地，驱动电路包括由功率MOS管组成的D类功率放大器，所述驱动电路用于为第二非接触式变压器传输载波信号提供足够的功率。
第二非接触式变压器包括高温磁钢骨架以及耐高温线圈，所述第二非接触式变压器用于将初级载波信号通过非接触的方式传输至下混频电路。
与现有技术相比，根据本发明实施例的用于井下电能和信号传输的装置，可以提高井下设备系统的稳定性、安全性和可扩展性，降低系统作业成本并且提高作业效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于井下电能和信号传输的装置的电能传输电路示意图；
图2为根据本发明实施例的用于井下电能和信号传输的装置的信号传输电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，根据本发明实施例的一种用于井下电能和信号传输的装置，包括电能传输电路和信号传输电路，电能传输电路包括三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器以及第一非接触式变压器，三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器依次连接，第一非接触式变压器分别与整流滤波电路和逆变器连接；信号传输电路包括第二非接触式变压器、下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、基带信号发生电路、混频电路以及驱动电路，下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、混频电路、驱动电路以及第二非接触式变压器依次连接形成循环闭合电路，基带信号发生电路的与调制信号发生电路并联于主控信号电路和混频电路之间；其中，电能主控电路包括可在175℃下工作的PIC单片机，电能主控电路用于控制逆变器，将直流电能转换成200kHz电能信号输出至第一非接触式变压器的初级线圈，将电能高效率传输给第一非接触式变压器的次级线圈；信号主控电路用于控制调制信号发生电路产生调制信号和控制基带信号发生电路产生基带信号。
整流滤波电路为采用电容滤波方式的三相全桥整流电路，用于将三相交流电发电机输出的交流电能以及第一非接触式变压器的次级感应交流电转换为直流电能，并输出至DC-DC开关电源。
DC-DC开关电源为正激式开关电源，用于对整流滤波电路输出的直流电能进行电压变换，输出稳定的低压直流电供电能主控电路工作。
逆变器包括电压型全桥逆变器电路，用于将整流滤波电路输出的36V直流电能转换成传输效率更高的高频交流电，输出至第一非接触式变压器的初级线圈。
下混频电路包括乘法器和低通滤波器，下混频电路将载波信号与发射端基带信号输至乘法器，再经过低通滤波器滤除基带信号，获得调制信号。
鉴频电路包括运放电路和比较器，鉴频电路采用运放电路将调制信号调理至合适电压范围，并采用比较器将检测信号传输给单片机获取调制信号的频率，从而实现调制信号的解码。
基带信号发生电路采用集成数字频率合成器，所述基带信号发生电路用于产生高频基带信号并传输至混频电路。
调制信号发生电路包括集成数字频率合成器和数模转换器集成芯片，所述调制信号发生电路用于产生低频调制信号并传输至混频电路。
混频电路包括集成数字频率合成器，混频电路用于耦合调制信号和基带信号，输出载波信号至驱动电路。
驱动电路包括由功率MOS管组成的D类功率放大器，所述驱动电路用于为第二非接触式变压器传输载波信号提供足够的功率。第二非接触式变压器包括高温磁钢骨架以及耐高温线圈，所述第二非接触式变压器用于将初级载波信号通过非接触的方式传输至下混频电路。
本发明用于井下电能和信号传输的装置的运行原理如下：
三相交流电发电机在泥浆冲击下发生转动，三相交流电发电机内部绕组切割磁感线产生周期性变化的三相交流电；三相交流电经过整流滤波电路产生锯齿波，在电容滤波的作用下，使得锯齿波变成相对平滑的直流电；正激式开关电源对整流滤波电路输出的直流电能进行电压变换，输出稳定的低压直流电；低压稳定的直流电为电能主控电路供电，以控制逆变器电路输出频率，电能主控电路中PIC单片机输出不同频率以及占空比的控制信号，控制逆变器电路的H桥，为第一非接触式变压器的初级线圈输出固定功率的电能；第一非接触式变压器的次级线圈与三相交流电发电机直连的电路板连接，作为电能输入口。
信号主控电路由主控芯片和外围电路组成，根据基带信号频率和调制信号频率，分别控制独立的集成数字频率合成器产生对应的正弦信号；基带信号和调制信号经过混频电路获得需要传输的载波信号；载波信号通过驱动电路，增加信号的发送功率，传输至第二非接触式变压器初级线圈，保证数据传输准确性；第二非接触式变压器的次级线圈感应到载波信号，载波信号和基带信号进入下混频电路，下混频电路包括乘法器和低通滤波器，由此获取调制信号；调制信号为FSK信号，通过鉴频电路获取信号频率，结果传输至信号主控电路，信号主控电路根据通信协议解码获取数据信息。
上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，所述用于井下电能和信号传输的装置包括电能传输电路和信号传输电路，电能传输电路包括三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器以及第一非接触式变压器，三相交流电发电机、整流滤波电路、DC-DC开关电源、电能主控电路、逆变器依次连接，第一非接触式变压器分别与整流滤波电路和逆变器连接；信号传输电路包括第二非接触式变压器、下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、基带信号发生电路、混频电路以及驱动电路，下混频电路、鉴频电路、信号主控电路、调制信号发生电路、混频电路、驱动电路以及第二非接触式变压器依次连接形成循环闭合电路，基带信号发生电路与调制信号发生电路并联于主控信号电路和混频电路之间；其中，电能主控电路包括可在175℃下工作的PIC单片机，所述电能主控电路用于控制逆变器，将直流电能转换成200kHz电能信号输出至第一非接触式变压器的初级线圈，将电能高效率传输给第一非接触式变压器的次级线圈；信号主控电路用于控制调制信号发生电路产生调制信号和控制基带信号发生电路产生基带信号。
2.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，整流滤波电路为采用电容滤波方式的三相全桥整流电路，用于将三相交流电发电机输出的交流电能以及第一非接触式变压器的次级感应交流电转换为直流电能，并输出至DC-DC开关电源。
3.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，DC-DC开关电源为正激式开关电源，用于对整流滤波电路输出的直流电能进行电压变换，输出稳定的低压直流电供电能主控电路工作。
4.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，逆变器包括电压型全桥逆变器电路，用于将整流滤波电路输出的36V直流电能转换成传输效率更高的高频交流电，输出至第一非接触式变压器的初级线圈。
5.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，下混频电路包括乘法器和低通滤波器，所述下混频电路将载波信号与发射端基带信号输至乘法器，再经过低通滤波器滤除基带信号，获得调制信号。
6.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，鉴频电路包括运放电路和比较器，所述鉴频电路采用运放电路将调制信号调理至合适电压范围，并采用比较器将检测信号传输给单片机获取调制信号的频率，从而实现调制信号的解码。
7.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，基带信号发生电路采用集成数字频率合成器，所述基带信号发生电路用于产生高频基带信号并传输至混频电路。
8.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，调制信号发生电路包括集成数字频率合成器和数模转换器集成芯片，所述调制信号发生电路用于产生低频调制信号并传输至混频电路。
9.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，混频电路包括集成数字频率合成器，所述混频电路用于耦合调制信号和基带信号，输出载波信号至驱动电路。
10.根据权利要求1所述的用于井下电能和信号传输的装置，其特征在于，驱动电路包括由功率MOS管组成的D类功率放大器，所述驱动电路用于为第二非接触式变压器传输载波信号提供足够的功率。
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