CN205304590U - 一种稳压电源消振电路 - Google Patents
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Abstract
一种稳压电源消振电路。其包括三相整流滤波电路、n个稳压电源和消振电路，其中：三相整流滤波电路的输入端与泥浆涡轮发电机连接、三相整流滤波电路的输出端同时与n个稳压电源的输入端连接，n个稳压电源的输出端分别与n个负载相连接，消振电路与三相整流滤波电路的输出端相连接。本实用新型提供的稳压电源消振电路的有益效果在于，通过在三相整流滤波电路的输出端增设消振电路，可有效消除由于负载变化引起的泥浆涡轮发电机振荡和失步造成的稳压电源输出电压波动，可保证用电负载的安全、稳定运行，有效提升智能钻井工具的整体工作性能。
Description
技术领域
本实用新型属于石油、天然气钻井技术领域，特别是涉及一种稳压电源消振电路。
背景技术
采用泥浆涡轮发电机进行供电的智能钻井工具，通过稳压电源将泥浆涡轮发电机产生的宽范围三相低频交流电能转换成符合不同负载需求的稳定直流电能。
泥浆涡轮发电机的定子磁极和转子磁极之间可看成由具有弹性的磁力线相互联系，当负载增加时，功角增大，相当于磁力线拉长，当负载减小时，功角减小，相当于磁力线缩短，当负载突然发生变化时，由于转子的惯性，转子功角不能立即稳定在新的数值，而是在新的稳定值附近经过若干次摆动，产生振荡。如果振荡的幅度越来越大，功角不断增大，直至脱出稳定范围，将会造成泥浆涡轮发电机的失步，从而严重影响智能钻井工具电子控制单元的正常工作，甚至造成电子元器件的烧毁。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种稳压电源消振电路。
为了达到上述目的，本实用新型提供的稳压电源消振电路包括：三相整流滤波电路、n个稳压电源和消振电路，其中：三相整流滤波电路的输入端与泥浆涡轮发电机连接、三相整流滤波电路的输出端同时与n个稳压电源的输入端连接，n个稳压电源的输出端分别与n个负载相连接，消振电路与三相整流滤波电路的输出端相连接。
所述的消振电路包括信号提取电路、低通滤波电路、阈值比较电路和电阻消振电路；所述的信号提取电路包括：电阻R1-R5、电容C1和差分运算放大器U1；三相整流滤波电路输出的粗直流电压Vin，第一路经电阻R1和电阻R2分压后输入差分运算放大器U1的同向输入端，电容C1用于滤除粗直流电压Vin中的高频成分，第二路由电阻R3和电阻R4分压后，经电容C2得到其交流成分并输入差分运算放大器U1的反向输入端，经差分放大后输出至低通滤波电路，R5为差分运算放大器U1的反馈电阻，由差分运算放大器U1的输出端连接至反向输入端；低通滤波电路采用2个Shllen-Key低通滤波器串联结构，即k＝2，其包括：电阻R6-R9、电容C3-C6、运算放大器U2、U3；其中，运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电容C3和电容C4组成第一Sallen-Key低通滤波器，运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电容C5和电容C6组成第二Sallen-Key低通滤波器，对信号提取电路输出电压低通滤波后，输出至阈值比较电路；阈值比较电路采用差分运算放大器结构，其包括：电阻R10-R11、电容C7和差分运算放大器U4；其中：直流参考电压VDD1经电阻R10输入差分运算放大器U4的同向输入端，直流偏置电压VDD2经电阻R11输入差分运算放大器U4的反向输入端，阈值电压VT由VDD1和VDD2的值决定，低通滤波电路的输出电压经电容C7后输入差分运算放大器U4的反向输入端，记为VT1，R12为反馈电阻，由差分运算放大器U4的输出端连接至同向输入端，当电压VT1>VT时，差分运算放大器U4输出高电平，当电压VT1<VT时，差分运算放大器U4输出低电平；电阻消振电路由功率器件Q1、消振电阻R0和电阻R13组成，其中：功率器件Q1的栅极与差分运算放大器U4的输出端连接、漏极通过消振电阻R0与三相整流滤波电路的输出端连接、源极通过电阻R13与接地端连接，当阈值电路输出高电平时，电阻消振电路的功率器件Q1导通，三相整流滤波电路输出的粗直流电压Vin经消振电路R0、功率器件Q1和电阻R13流入接地端，当阈值电路输出低电平时，电阻消振电路的功率器件Q1关断，消振电路R0不工作。
本实用新型提供的稳压电源消振电路的有益效果在于，通过在三相整流滤波电路的输出端增设消振电路，可有效消除由于负载变化引起的泥浆涡轮发电机振荡和失步造成的稳压电源输出电压波动，可保证用电负载的安全、稳定运行，有效提升智能钻井工具的整体工作性能。
附图说明
图1为本实用新型提供的稳压电源消振电路结构示意图。
图2为本稳压电源消振电路消振原理图。
图3为本稳压电源消振电路引脚输出的示波器波形图。
图4为本稳压电源消振电路在不同测试条件下的示波器波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的稳压电源消振电路进行详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的稳压电源消振电路包括：
三相整流滤波电路21、n个稳压电源31和消振电路51，其中：三相整流滤波电路21的输入端与泥浆涡轮发电机11连接、三相整流滤波电路21的输出端同时与n个稳压电源31的输入端连接，n个稳压电源31的输出端分别与n个负载41相连接，消振电路51与三相整流滤波电路21的输出端相连接。
所述的三相整流滤波电路21用于将泥浆涡轮发电机11产生的低频交流电能转换成粗直流电能；
所述的n个稳压电源31用于将宽变化范围的粗直流电能转换成适合不同负载需求的稳定的直流电能，n为大于1的自然数；
所述的消振电路51用于消除泥浆涡轮发电机11产生的振荡和失步，其内部设有消振电阻；
本实用新型提供的稳压电源消振电路的工作是：泥浆涡轮发电机11产生的低频交流电能经三相整流滤波电路21转换成粗直流电能，然后由稳压电源31根据不同用电负载41需求转换成稳定的直流电能输出，消振电路51采用大功率电阻消振模式，从三相整流滤波电路21的输出电压中提取交流波动成分，由消振电路51内部的消振电阻吸收满足阈值条件的电压波动。
所述的消振电路51包括信号提取电路511、低通滤波电路512、阈值比较电路513和电阻消振电路514，信号提取电路511从三相整流滤波电路21的输出电压中提取交流波动成分，经低通滤波电路512后在阈值比较电路513中判定是否满足消振条件，若条件满足，则电阻消振电路514中的消振电阻工作，以消除泥浆涡轮发电机11产生的振荡。
在所述的稳压电源消振电路中，消振电路51中的信号提取电路511采用差分运算放大器结构，所述的差分放大器的第一端接收三相整流滤波电路21输出电压中的直流成分，所述的差分放大器的第二端接收三相整流滤波电路21输出电压中的交流波动成分，所述的差分放大器的第一端为同向输入端，第二端为反向输入端。
在所述的稳压电源消振电路中，消振电路51中的低通滤波电路512采用k个二阶Sallen-Key低通滤波器串联的结构，用于滤除信号提取电路511输出的交流波动电压中的高频成分，k为大于等于1的自然数。
在所述的稳压电源消振电路中，消振电路51中的阈值比较电路513采用差分运算放大器结构，差分放大器的第一端接收直流参考电压，差分放大器的第二端为加法器结构，由直流偏置电压和消振电路的低通滤波电路512的输出电压组成，若满足阈值条件，阈值比较电路513输出高电平，否则输出低电平，所述的差分放大器的第一端为同向输入端，第二端为反向输入端。
在所述的稳压电源消振电路中，电阻消振电路514为由功率器件和消振电阻组成的消振控制回路，由功率器件控制消振电阻实现消振，功率器件的控制输入端与阈值比较电路513的输出端相连接；在功率器件导通时间内，由泥浆涡轮发电机11振荡和失步引起的波动电压由消振电阻吸收，在功率器件关断时间内，消振电阻停止工作。
泥浆涡轮发电机11产生的交流电能经三相整流滤波电路21进行三相全波整流和电容滤波后，输出至稳压电源31，稳压电源31由n个稳压电源组成，每个稳压电源又可能由m个稳压电源并联组成，其中n为大于等于1的自然数，m为大于1的自然数，n和m的数值根据负载功率需求确定，消振电路51的输入取自三相整流滤波电路21的输出端，由信号提取电路511，低通滤波电路512，阈值比较电路513和电阻消振电路514组成，其中信号提取电路511用于提取三相整流滤波电路21输出电压中的交流波动成分，由低通滤波电路512进行二阶低通滤波后输出至阈值比较电路513，当泥浆涡轮发电机11存在振荡或失步时，阈值比较电路513输出高电平，电阻消振电路514中的功率器件导通，由泥浆涡轮发电机11振荡和失步而引起的交流波动电压由消振电阻吸收，当涡轮发电机11正常工作时，电阻消振电路514中的功率器件关断，消振电阻停止工作。
如图2所示，所述的信号提取电路511包括：电阻R1-R5、电容C1和差分运算放大器U1；三相整流滤波电路21输出的粗直流电压Vin，第一路经电阻R1和电阻R2分压后输入差分运算放大器U1的同向输入端，电容C1用于滤除粗直流电压Vin中的高频成分，第二路由电阻R3和电阻R4分压后，经电容C2得到其交流成分并输入差分运算放大器U1的反向输入端，经差分放大后输出至低通滤波电路512，R5为差分运算放大器U1的反馈电阻，由差分运算放大器U1的输出端连接至反向输入端，低通滤波电路512采用2个Shllen-Key低通滤波器串联结构，即k＝2，其包括：电阻R6-R9、电容C3-C6、运算放大器U2、U3；其中，运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电容C3和电容C4组成第一Sallen-Key低通滤波器，运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电容C5和电容C6组成第二Sallen-Key低通滤波器，对信号提取电路511输出电压低通滤波后，输出至阈值比较电路513；阈值比较电路513采用差分运算放大器结构，其包括：电阻R10-R11、电容C7和差分运算放大器U4；其中：直流参考电压VDD1经电阻R10输入差分运算放大器U4的同向输入端，直流偏置电压VDD2经电阻R11输入差分运算放大器U4的反向输入端，阈值电压VT由VDD1和VDD2的值决定，低通滤波电路512的输出电压经电容C7后输入差分运算放大器U4的反向输入端，记为VT1，R12为反馈电阻，由差分运算放大器U4的输出端连接至同向输入端，当电压VT1>VT时，差分运算放大器U4输出高电平，当电压VT1<VT时，差分运算放大器U4输出低电平；电阻消振电路514由功率器件Q1、消振电阻R0和电阻R13组成，其中：功率器件Q1的栅极与差分运算放大器U4的输出端连接、漏极通过消振电阻R0与三相整流滤波电路21的输出端连接、源极通过电阻R13与接地端连接，当阈值电路513输出高电平时，电阻消振电路514的功率器件Q1导通，三相整流滤波电路21输出的粗直流电压Vin经消振电路R0、功率器件Q1和电阻R13流入接地端，当阈值电路513输出低电平时，电阻消振电路514的功率器件Q1关断，消振电路R0不工作。
如图3所示，图3(a)至图3(h)为示波器测量得到的消振电路引脚波形图，其中通道1为信号发生器模拟的粗直流电压Vin波形，通道2为相应引脚电压波形，用于分析消振电路各部分工作情况。图3(a)中，通道2为差分运算放大器U1的同向输入端电压波形，图3(b)中，通道2为差分运算放大器U1的反向输入端电压波形，图3(c)中，通道2为差分运算放大器U1的输出端电压波形，图3(d)中，通道2为运算放大器U2的输出端电压波形，图3(e)中，通道2为运算放大器U3的输出端电压波形，图3(f)中，通道2为差分运算放大器U4的反向输入端电压波形，图3(g)中，通道2为差分运算放大器U4的输出端电压波形，图3(h)为高电平时功率器件Q1栅极与接地端之间的电压波形。
如图4所示，图4(a)至图4(f)为示波器测量得到的消振电路实际工作情况，其中，通道1为消振电路51的电阻消振电路514中功率器件Q1的栅极与接地端之间的电压信号波形图，通道2为泥浆涡轮发电机11产生的低频交流电能经三相整流滤波电路21进行全波整流和电容滤波后输出的粗直流电压Vin波形，图4(a)为接1.5A恒流负载时，系统初始上电时粗直流电压Vin波动引起消振电路工作的情况，图(b)为负载从1.5A降至0.2A时，负载电流变化引起粗直流电压Vin波动引起的消振电路工作的情况，图4(c)为负载电流0.2A时，系统断电时粗直流电压Vin波动引起的消振电路工作的情况，图4(d)为粗直流电压Vin存在自激振荡时引起的消振电路工作的情况，图4(e)中3通道为负载为脉冲信号发生器时的驱动电压，当驱动脉冲信号发生器工作时，负载变化引起粗直流电压Vin波动达到消振电路的工作条件，消振电路开始工作，消除振荡，图4(f)为系统接0.2A恒流负载正常工作时，消振电路停止工作。
工作时，泥浆涡轮发电机11的转速范围为2500rpm至5500rpm，经三相整流滤波电路21后输出的粗直流电压Vin范围为60V-160V，消振电路51从粗直流电压Vin处采样，当负载变化引起泥浆涡轮发电机11振荡或失步而导致粗直流电压Vin波动时，消振电路51工作，由其上的消振电阻R0吸收波动电压，当泥浆涡轮发电机11稳定工作时，消振电路51停止工作，保证系统其它部分的正常供电和驱动能力。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
本实用新型提供的稳压电源消振电路为一种用于智能钻井工具的稳压电源消振电路，用于消除负载变化引起的泥浆涡轮发电机振荡和失步，保证稳压电源的安全、稳定输出，可避免因电压波动而影响智能钻井工具电子控制单元的正常工作。
Claims (2)
1.一种稳压电源消振电路，其特征在于：所述的稳压电源消振电路包括：三相整流滤波电路(21)、n个稳压电源(31)和消振电路(51)，其中：三相整流滤波电路(21)的输入端与泥浆涡轮发电机(11)连接、三相整流滤波电路(21)的输出端同时与n个稳压电源(31)的输入端连接，n个稳压电源(31)的输出端分别与n个负载(41)相连接，消振电路(51)与三相整流滤波电路(21)的输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的稳压电源消振电路，其特征在于：所述的消振电路(51)包括信号提取电路(511)、低通滤波电路(512)、阈值比较电路(513)和电阻消振电路(514)；所述的信号提取电路(511)包括：电阻R1-R5、电容C1和差分运算放大器U1；三相整流滤波电路(21)输出的粗直流电压Vin，第一路经电阻R1和电阻R2分压后输入差分运算放大器U1的同向输入端，电容C1用于滤除粗直流电压Vin中的高频成分，第二路由电阻R3和电阻R4分压后，经电容C2得到其交流成分并输入差分运算放大器U1的反向输入端，经差分放大后输出至低通滤波电路(512)，R5为差分运算放大器U1的反馈电阻，由差分运算放大器U1的输出端连接至反向输入端，低通滤波电路(512)采用2个Shllen-Key低通滤波器串联结构，即k＝2，其包括：电阻R6-R9、电容C3-C6、运算放大器U2、U3；其中，运算放大器U2、电阻R6、电阻R7、电容C3和电容C4组成第一Sallen-Key低通滤波器，运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电容C5和电容C6组成第二Sallen-Key低通滤波器，对信号提取电路(511)输出电压低通滤波后，输出至阈值比较电路(513)；阈值比较电路(513)采用差分运算放大器结构，其包括：电阻R10-R11、电容C7和差分运算放大器U4；其中：直流参考电压VDD1经电阻R10输入差分运算放大器U4的同向输入端，直流偏置电压VDD2经电阻R11输入差分运算放大器U4的反向输入端，阈值电压VT由VDD1和VDD2的值决定，低通滤波电路(512)的输出电压经电容C7后输入差分运算放大器U4的反向输入端，记为VT1，R12为反馈电阻，由差分运算放大器U4的输出端连接至同向输入端，当电压VT1>VT时，差分运算放大器U4输出高电平，当电压VT1<VT时，差分运算放大器U4输出低电平；电阻消振电路(514)由功率器件Q1、消振电阻R0和电阻R13组成，其中：功率器件Q1的栅极与差分运算放大器U4的输出端连接、漏极通过消振电阻R0与三相整流滤波电路(21)的输出端连接、源极通过电阻R13与接地端连接，当阈值电路(513)输出高电平时，电阻消振电路(514)的功率器件Q1导通，三相整流滤波电路(21)输出的粗直流电压Vin经消振电路R0、功率器件Q1和电阻R13流入接地端，当阈值电路(513)输出低电平时，电阻消振电路(514)的功率器件Q1关断，消振电路R0不工作。
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|---|---|---|---|---|
| EP3809585A4 (en) * | 2018-06-15 | 2021-08-04 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | MOTOR DRIVE DEVICE AND SERVO ADJUSTMENT PROCEDURE |
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