CN202759384U - 一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，包括：变压器、串联谐振逆变电路、整流输出电路和逆变控制电路，其中的变压器为分离式变压器，其包括彼此分离的初级磁芯和次级磁芯，钻井系统的动力主轴的外圆面上及纠斜活套的内圆面上分别成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，初级磁芯设置于动力主轴的凹槽内，次级磁芯设置于所述纠斜活套的凹槽内，次级磁芯表面圆弧相对于动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足一定关系，使初级磁芯与次级磁芯间的磁阻恒定，不受旋转运动影响；通过检测逆变电路的输出电压和输出电流信号计算出电压和电流之间的相位差，通过调节开关频率使其工作在谐振状态，不仅简化硬件电路，而且提高了相位检测的灵活性。

Description

一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井领域，更具体地讲，本实用新型涉及自动垂直钻井系统中动力主轴与纠斜活套之间的非接触电能传输设备。

背景技术

塔里木、克拉玛依、玉门等西部油田，是我国重要的石油、天然气基地，西部油气产量直接关系到国计民生和国防安全。因西部地区钻遇高陡构造地层，且井深相对较深，导致井眼易斜，钻速较低，防斜打快已成为西部油气开发中钻井技术的瓶颈。目前常规井斜控制技术对于高陡构造及造斜力强的地层，井斜控制效果难以保证。而自动垂直钻井工具是一种井下闭环控制系统，它可实现井下主动纠斜并保持井眼垂直。这种工具特别适用于高陡构造地层及深井的垂直钻井，在我国西部石油资源的开发中有着良好的应用前景。

在自动垂直钻井系统中，纠斜活套上井下电子测控系统的供电电源通常是由钻杆内的高压泥浆带动涡轮发电机发电提供，通过密封导电滑环实现电能传输。导电滑环虽然结构简单、易于实现，但缺点是对滑动接触面的清洁度要求较高，通道扩展困难，电刷被磨损需要经常维护更换滑环。钻井过程中高温、高压、强振动冲击及泥浆的存在，使得导电滑环的工作环境非常恶劣，性能可靠性方面的问题较为突出。

非接触电能传输是基于电磁感应理论的功率变换技术，其发展方向是大容量、高效率、低成本、小体积、大气隙及高稳定性，在发展过程中也面临着诸多挑战，比较突出的问题是如何提高电能传输的效率。为了减小垂直钻井系统非接触电能传输系统变压器的尺寸，功率逆变电路采取高频运行，但是过高的开关损耗势将不容忽视。为了降低开关损耗和容许高频运行，谐振软开关技术已经得到了发展。这些技术采用正弦方式处理电力，开关器件能够实现软换流，使得开关损耗与噪声大为降低。

美国专利US 6540032公开了一种井下钻具中静止部件与旋转部件之间非接触电能传输的方法和装置，虽然该专利提出的变压器原理结构可行，但并未提及功率变换主电路以及控制方式，而且整个装置体积较大，不利于抗井下强烈振动和冲击。

中国专利CN 102005924A公开了一种用于非接触电能传输的控制方法，该方法通过检测非接触电能传输系统逆变器的输出电压与电流的相位差，采用纯硬件电路(PLL锁相环)实现自适应谐振控制功能，保证逆变器的输出电压与电流的相位差为零，使得系统传输功率和效率达最大值。但逆变器远离谐振点时输出电流波形会产生畸变，导致电流相位错乱，硬件电路很难准确检测电流波形；PLL锁相环电路受环境温度影响较大，导致系统谐振控制功能不稳定；变压器副边没有进行补偿，当负载较重时传输效率会降低。

中国专利CN 101789637A公开了一种感应式电能传输装置，可分离变压器的原边和副边的其中一端串接谐振电容，目的是使得变压器原边、副边绕组漏感与谐振电容在谐振状态时其串联阻抗为零，以此提高非接触电能系统的传输效率。但该方法没有考虑到负载和环境温度变化对系统谐振频率的影响。

其他与非接触电能传输相关的专利均是针对地面设备应用(参见CN101540554A、CN1015521223A、CN101026033A)，没有考虑到井下高温、高压、强振动冲击、结构空间小及泥浆冲蚀等恶劣条件，因此无法用于自动垂直钻井工具。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足之处，针对垂直钻井系统中动力主轴与纠斜活套之间相对转动的特点以及井下恶劣工况，本实用新型提供了一种传输效率高、噪声低、体积小、抗振动冲击、便于维护的井下非接触电能传输系统，使安装在动力主轴上的初级磁芯与纠斜活套上的次级磁芯之间的磁阻保持恒定，不受旋转运动的影响，并能自动锁定逆变电路的谐振点，消除因环境温度导致电路偏离谐振点，使功率传输效率降低的弊端。

所述技术方案如下：

一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，包括：

变压器，用于实现电能的传输；

串联谐振逆变电路，与所述变压器的初级绕组连接；

整流输出电路，分别与所述变压器的次级绕组及钻井系统的纠斜电控系统连接，用于对所述次级绕组所输出的电流进行整流并输送至所述纠斜电控系统；

逆变控制电路，与所述串联谐振逆变电路连接，用于对所述串联谐振逆变电路的输出电压与电流进行同相位控制；

所述变压器为分离式变压器，其包括彼此分离的初级磁芯和次级磁芯，所述钻井系统的动力主轴的外圆面上及所述纠斜活套的内圆面上分别成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，所述初级磁芯设置于所述动力主轴的凹槽内，所述次级磁芯设置于所述纠斜活套的凹槽内，所述次级磁芯表面圆弧相对于所述动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足以下表达式：

$\mathrm{\θ}=k\frac{2\mathrm{\π}}{p}$

其中p为定子块数与转子块数的最小公倍数，k为正整数。

优选，所述初级磁芯和次级磁芯均为E形磁芯，所述初级绕组和次级绕组分别在各自磁芯的两个窗口上反向绕制。

进一步，串联谐振逆变电路包括：

输入直流电源，接收所述钻井系统中的泥浆涡轮发电机所产生的直流电；

半桥式LLC谐振变换器，其输入端与所述输入直流电源连接，其输出端与所述变压器的初次绕组连接；

其中半桥式LLC谐振变换器中的谐振电容为薄膜电容。

所述逆变控制电路包括：信号检测电路、信号整形电路、功率管驱动器和数字信号控制器；

所述信号检测电路分别与所述信号整形电路、LLC谐振变换器连接，用于检测所述LLC谐振变换器的输出电压和输出电流信号；

所述信号整形电路与所述数字信号控制器连接，用于对所接收的电压信号和电流信号整形为方波信号；

所述功率管驱动器分别与数字信号控制器、LLC谐振变换器连接，用于对所述LLC谐振变换器的功率管进行驱动；

所述数字信号控制器包括输入捕捉模块、相位差测量模块和脉宽调制模块；

所述输入捕捉模块接收所述信号检测电路所检测到电压和电流信号，并对电压与电流的波形进行捕捉；所述相位差测量模块用于对所捕捉到的电压波形和电流波形进行相位差计算；所述脉宽调制模块接收所述相位差测量模块的相位差测量信号，用于对所述LLC谐振变换器的开关频率进行调整。

进一步，根据所述相位差测量模块所测的电压与电流的相位差对所述LLC谐振变换器的开关频率进行调整，具体包括：

当所测电流信号滞后于电压信号时，增大所述LLC谐振变换器的开关频率，并使电压信号与电流信号之间的相位差趋向于零；

当所测电流信号超前于电压信号时，减少所述LLC谐振变换器的开关频率，并使电压与电流信号之间的相位差趋向于零；

当所测电流信号和电压信号之间相位差小于一定值时，保持所述LLC谐振变换器的开关频率恒定。

优选，所述次级绕组上还设有次级补偿电容，用于补偿所述初级绕组中电流的无功分量。

进一步，所述次级补偿电容为次级并联补偿电容，其取值满足于所述次级绕组的电感在所述LLC谐振变换器处的开关频率谐振时，所述次级网络感纳与其容纳相抵消。

进一步优选，所述整流输出电路中还设有调压电路，所述调压电路由至少两个单端反激式变换器并联连接而成，所述纠斜电控系统由多个纠斜电控单元组成，每个所述单端反激式变换器单独对应其中一路所述纠斜电控单元，各所述单端反激式变换器根据各自输出负载大小对其功率开关管的占空比进行调整，实现其电压的恒定输出。

所述单端反激式变换器的功率变压器为平面变压器。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果是：

(1)本实用新型的变压器为分离式变压器，其中钻井系统的动力主轴的外圆面上及所述纠斜活套的内圆面上分别均布成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，初级磁芯设置于动力主轴的凹槽内，次级磁芯设置于纠斜活套的凹槽内，因动力主轴和纠斜活套之间存在相对旋转运动，为了保证分离式变压器旋转时，磁路的磁阻保持不变，根据磁芯表面圆弧对轴心所张的角度，分离式变压器的初、次级磁芯采用不同的数量。次级磁芯表面圆弧相对于动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足以下表达式

(2)各个磁芯采用E形磁芯，为了进一步提高分离式变压器的传输效率，变压器初级绕组和次级绕组分别在各自的E形磁芯两个窗口内反向绕制，从而有效抑制了本体上产生的涡流损耗。

(3)通过安装在动力主轴上的初级磁芯与纠斜活套上的次级磁芯之间的磁阻保持恒定，不受旋转运动的影响；通过检测半桥式谐振逆变电路的输出电压和输出电流信号，通过相位差测量模块计算出电压和电流之间的相位差，进而调节LLC谐振逆变器的开关频率使其工作在谐振状态，不仅简化了硬件电路，而且提高了相位检测的灵活性。

(4)本实用新型对逆变电路中元器件受到温度漂移影响和负载变化导致谐振点偏离具有自适应控制能力，从而保证非接触电能传输系统始终工作在谐振状态，使得输出功率和传输效率达到最大值，对于井下相对旋转部件之间非接触电能传输实际应用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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是本实用新型分离式变压器结构示意图；

图2是本实用新型分离式变压器绕组原理图；

图3是本实用新型电能传输控制原理框图；

图4是本实用新型相位差检测模块检测流程图；

图5是本实用新型电压和电流波形示意图；

图6是本实用新型平面变压器结构图；

图7是本实用新型输出调压电路原理图。

图中：

1-动力主轴；2-纠斜活套；3-初级磁芯；4-次级磁芯；5-初级绕组；6-次级绕组；7-气隙。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

参见图1和图2所示，本实用新型提供了一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，包括：变压器，用于实现电能的传输；

串联谐振逆变电路，与所述变压器的初级绕组连接；

整流输出电路，分别与所述变压器的次级绕组及钻井系统的纠斜电控系统连接，用于对所述次级绕组所输出的电流进行整流并输送至所述纠斜电控系统；

逆变控制电路，与所述串联谐振逆变电路连接，用于对所述串联谐振逆变电路的输出电压与电流进行同相位控制；

所述变压器为分离式变压器，其包括彼此分离的初级磁芯和次级磁芯，所述钻井系统的动力主轴的外圆面上及所述纠斜活套的内圆面上分别均布成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，所述初级磁芯设置于所述动力主轴的凹槽内，所述次级磁芯设置于所述纠斜活套的凹槽内，因动力主轴和纠斜活套之间存在相对旋转运动，为了保证分离式变压器旋转时，磁路的磁阻保持不变，根据磁芯表面圆弧对轴心所张的角度，分离式变压器的初、次级磁芯采用不同的数量。所述次级磁芯表面圆弧相对于所述动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足以下表达式：

$\mathrm{\θ}=k\frac{2\mathrm{\π}}{p}$

其中，p为定子块数与转子块数的最小公倍数，k为正整数。

满足如下关系： $0<{\mathrm{\&theta;}}_1<\frac{2\mathrm{\&pi;}}{m}$ 和 $0<{\mathrm{\&theta;}}_2<\frac{2\mathrm{\&pi;}}{n}$

只要θ₁，θ₂有一个满足上式，即可满足活套与主轴发生转动时变压器磁阻不变的要求。

本实用新型中的初级磁芯和次级磁芯均为E形磁性，其中初级磁芯与次级磁芯之间的气隙为钻井液，初级磁芯安装在旋转的动力主轴上，次级磁芯则安装在相对静止的纠斜活套上，各个磁芯与凹槽之间采用高强度、耐高温、快速粘接剂进行联接。

由于E形磁芯有两个绕组窗口，为了进一步提高分离式变压器的传输效率，变压器初级绕组和次级绕组分别在各自的E形磁芯两个窗口内反向绕制，从而有效抑制了本体上产生的涡流损耗。如图2所示，初级绕组为AB，次级绕组为CD，其中，初级绕组AB可以等效为两个绕组的串联，即绕组1-11和绕组2-22串联，其中11和22为同名端。同理，次级绕组CD也可等效为两个绕组的串联，即绕组3-33和绕组4-44串联，其中的33和44为同名端。

如图3所示，其中的串联谐振逆变电路包括输入直流电源和半桥式LLC谐振变换器，采用半桥式LLC谐振变换器作为主电路，LLC谐振变换器是一种改进型的串联谐振变换器，通过在变压器初级绕组放置一个并联电感Lm而得以实现，采用并联电感Lm可以增加初级绕组的环流，有利于电路运行。LLC谐振变换器具有许多超越串联谐振变换器的优点，它能够在较宽的电源和负载波动范围内调节输出，而开关频率波动却较小。整个工作范围内能够获得零电压开关(ZVS)，全部固有的寄生参数均可以用于实现软开关，包括所有功率开关管结电容、变压器漏感与励磁电感。来自泥浆涡轮发电机输出电压经过整流、稳压后作为串联谐振逆变电路的输入直流电源，其中的谐振电容Cr为耐高温、低内阻、450V耐压的薄膜电容。

逆变控制电路包括：功率管驱动电路、信号检测电路、信号整形电路和数字信号控制器(DSC)。利用数字信号控制器(DSC)的脉冲调制模块(MCPWM模块)产生一对互补驱动信号，经过功率管驱动器(半桥驱动器IR2101)后驱动两只功率开关管；串联谐振逆变电路工作在谐振状态时，谐振臂两端的电压与电流同相位，忽略后级电路以及驱动电路的延时，数字信号控制器输出的电压信号与谐振臂两端的电压信号同相位，故可将其作为电压信号用于测量相位差的基准；然后采用双向高端电流检测器AD8210检测并放大采样电阻Rs两端流过的电流信号，经过滤波降噪后通过2.5V偏置电路和比较电路后将其整型成TTL电平的方波信号得到电流信号；然后通过数字信号控制器的相位差测量模块测量谐振臂两端的电压、电流之间相位差，在图4中，t1表示电流滞后于电压的相位差，t2表示电流超前于电压的相位差。

将电流信号和电压信号一起分别接入到数字信号控制器的输入捕捉模块，利用软件方式测量出谐振臂两端的电压与电流的相位差，参见图5。利用两个输入捕捉通道IC1和IC2分别捕捉电压与电流波形的上升沿，IC1和IC2采用同一个时钟源TMR3，就将得到相位差分别存入变量PhaseLead和PhaseLag中。根据所测得的相位差大小和方向，即当电流信号滞后于电压信号时(π＞PhaseLag＞ε)，则增大LLC半桥式变换器的开关频率使电压和电流之间的相位差趋向于零；当电流信号超前于电压信号时(π＞PhaseLead＞ε)，则减小LLC半桥式变换器的开关频率使电压和电流之间的相位差趋向于零；当电流信号和电压信号之间相位差小于一定值时(PhaseLag＜ε或者PhaseLead＜ε)，则保持LLC半桥式变换器的开关频率恒定，从而保证串联谐振逆变电路始终处于谐振状态，从而使得非接触电能传输系统的传输效率和功率达到最大值。

非接触电能传输系统中，因气隙存在着较大的漏电感，限制了其传输的有功功率。为了尽量减少系统消耗的无功功率，一般采用补偿容抗来平衡电路中的感抗。次级补偿电容是为了减小次级绕组的无功功率，增大非接触电能传输系统的输出功率。其中的次级补偿电容为次级并联补偿电容，流过次级并联补偿电容的电流补偿了初级绕组中电流的无功分量，从而降低了对高频电源的电流要求。当次级并联补偿电容Cs的取值满足于所述次级绕组的电感在所述LLC谐振变换器处的开关频率谐振时，次级网络感纳与容纳相抵消，即为纯电导，此时，输出电压与负载无关，等效于输出电压为次级短路电流，理论上电能传输不受限制。在非接触电能传输系统中，次级电路对初级电路的工作的影响，可以用次级电路反映至初级电路的反映阻抗Zr来表示。即：

式中，Z_o为对应次级网络阻抗，ω为开关频率，M为耦合系数。

次级交流电压经过高频整流桥、滤波电容后将得到直流电压接入调压电路的输入端。由于非接触电能传输系统是一个开环系统，LLC谐振变换器采用固定占空比控制，当输出负载发生变化时，非接触电能传输系统的次级输出电压也会变化，为此需要对该输出电压要根据负载变化进行调压，方可给纠斜活套电子系统进行供电。在经过次级补偿、整流后，考虑到纠斜电控系统的功率要求和机械结构的限制，将三个纠斜单元的供电各自进行调压控制，于是增加了三个单端反激式变换器分别给三个纠斜电控单元提供电源，每个单端反激式变换器根据各自的输出负载大小调节单端反激式变换器功率开关管的占空比，从而实现输出电压恒定的目的。由于受到空间结构的限制，变换器的功率变压器采用平面变压器，其外观结构参见图6，单端反激式变换器的数量根据具体情况设定其数量。

为了尽可能减小调压电路的体积，并提高其功率密度，本实用新型中单端反激式变换器的开关频率选择200kHz，采用电流性脉宽调制器UC1842作为变换器的控制器U1，如图7所示，其芯片的供电采用将输入电压通过电阻降压方式实现，省去了一个供电绕组，简化了平面变压器的结构，在功率管的栅极加了一个15V稳压管，将驱动信号的幅值控制在15V左右，并在栅源极之间接有一个电阻R7，漏原极之间接有RC吸收网络(R3、C4)，由电阻R5、R8分压得到反馈电压Vfb后接到控制器U1的2脚，电阻Rs将变压器初级电流采样后，经过RC低通滤波(R6、C6)后接到控制器U1的3脚，在每个PWM周期里调节驱动信号的脉宽。非接触电能传输系统的次级整流后直流电压通过电压、电流双闭环调节电路后，将稳定的直流电压提供给纠斜活套电子系统进行供电。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本实用新型实施例中的全部或部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，包括：

变压器，用于实现电能的传输；

串联谐振逆变电路，与所述变压器的初级绕组连接；

整流输出电路，分别与所述变压器的次级绕组及钻井系统的纠斜电控系统连接，用于对所述次级绕组所输出的电流进行整流并输送至所述纠斜电控系统；

逆变控制电路，与所述串联谐振逆变电路连接，用于对所述串联谐振逆变电路的输出电压与电流进行同相位控制；

其特征在于，所述变压器为分离式变压器，其包括彼此分离的初级磁芯和次级磁芯，所述钻井系统的动力主轴的外圆面上及所述纠斜活套的内圆面上分别成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，所述初级磁芯设置于所述动力主轴的凹槽内，所述次级磁芯设置于所述纠斜活套的凹槽内，所述次级磁芯表面圆弧相对于所述动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足以下表达式：

其中p为定子块数与转子块数的最小公倍数，k为正整数。

2.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述初级磁芯和次级磁芯均为E形磁芯，所述初级绕组和次级绕组分别在各自磁芯的两个窗口上反向绕制。

3.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

串联谐振逆变电路包括：

输入直流电源，接收所述钻井系统中的泥浆涡轮发电机所产生的直流电；

半桥式LLC谐振变换器，其输入端与所述输入直流电源连接，其输出端与所述变压器的初次绕组连接；

其中半桥式LLC谐振变换器中的谐振电容为薄膜电容。

4.根据权利要求1所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述逆变控制电路包括：信号检测电路、信号整形电路、功率管驱动器和数字信号控制器；

所述信号检测电路分别与所述信号整形电路、LLC谐振变换器连接，用于检测所述LLC谐振变换器的输出电压和输出电流信号； 

所述信号整形电路与所述数字信号控制器连接，用于对所接收的电压信号和电流信号整形为方波信号；

所述功率管驱动器分别与数字信号控制器、LLC谐振变换器连接，用于对所述LLC谐振变换器的功率管进行驱动；

所述数字信号控制器包括输入捕捉模块、相位差测量模块和脉宽调制模块；

所述输入捕捉模块接收所述信号检测电路所检测到电压和电流信号，并对电压与电流的波形进行捕捉；所述相位差测量模块用于对所捕捉到的电压波形和电流波形进行相位差计算；所述脉宽调制模块接收所述相位差测量模块的相位差测量信号，用于对所述LLC谐振变换器的开关频率进行调整。

5.根据权利要求4所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

根据所述相位差测量模块所测的电压与电流的相位差对所述LLC谐振变换器的开关频率进行调整，具体包括：

当所测电流信号滞后于电压信号时，增大所述LLC谐振变换器的开关频率，并使电压信号与电流信号之间的相位差趋向于零；

当所测电流信号超前于电压信号时，减少所述LLC谐振变换器的开关频率，并使电压与电流信号之间的相位差趋向于零；

当所测电流信号和电压信号之间相位差小于一定值时，保持所述LLC谐振变换器的开关频率恒定。

6.根据权利要求1-5任一所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述次级绕组上还设有次级补偿电容，用于补偿所述初级绕组中电流的无功分量。

7.根据权利要求6所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述次级补偿电容为次级并联补偿电容，其取值满足于所述次级绕组的电感在所述LLC谐振变换器处的开关频率谐振时，所述次级网络感纳与其容纳相抵消。

8.根据权利要求6所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述整流输出电路中还设有调压电路，所述调压电路由至少两个单端反激式变换器并联连接而成，所述纠斜电控系统由多个纠斜电控单元组成，每个所述单端反激式变换器单独对应其中一路所述纠斜电控单元，各所述单端反激式变换器根据各自输出负载大小对其功率开关管的占空比进行调整，实现其电压的恒定输出。 

9.根据权利要求8所述的非接触电能传输系统，其特征在于，

所述单端反激式变换器的功率变压器为平面变压器。 

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