CN205453501U - 用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置，至少包括斩波开关主回路和储能电容器，井下发电机输出的直流高压电输入与斩波开关主回路连接，所述斩波开关主回路通过储能电容器进行直流输出，所述斩波开关主回路包含依次串联于输入端正极和输出端正极的开关管、第一二极管和电感元件，所述电感元件的后端并联有储能电容器，还包含开关管驱动电路和输出电压和功率控制电路，所述输出电压和功率控制电路包含检测单元和控制单元；由此，本实用新型可以有效满足随钻测量仪器的井下大功率需求，摆脱了一般开关电源由于开关管在高速开关状态下产生的发热而无法在井下长时间工作的困扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油、矿山、地质勘探等随钻测量或随钻探井中的直流电源电能供应的技术领域，尤其涉及一种为各种井下随钻设备提供直流电源来在井下随钻过程中能够满足大功率电力需求的用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置。
背景技术
随钻井下测试、测量工具都需要电力供应。例如：各种地质参数测量设备，数据发送、数据传输、数据接收、各种功率输出电路等等，另外一些电子、电气设备、包括旋转电机，电磁阀等大功率设备为了完成井下工作，更需要大功率的井下电力供应。
过去比较通用的方法是通过高温电池或者电线(有线方式)来实现远程供电，目前也有通过井下发电机实现局部供电的方式。
其中电线的方式，在深井工作条件下会由于频繁的起下钻而带来极大难度，目前工程中很少使用。
电池供电的方式，现在应用比较普遍。电池的优点在于使用方便，供电稳定。但是电池供电的方式也存在很多缺点，例如：高温环境的工作可靠性、电能容量有限、最大放电电流有限和费用昂贵等。尤其对于井下大功率电能需求基本无法满足。
目前国外一些公司已经研制并使用了井下发电机，通过泥浆等流体作为动力源，驱动发电机为井下用电设备供电。目前有输出功率最大在1000W左右的单体发电机。但是在实际使用中，由于井下电气设备基本都需要的是直流电，井下发电机一般是交流发电机，需要经过整流后，才能给设备和仪器使用。但是由于在随钻系统中，仪器的内部空间狭小，井下温度很高，会对稳压电路造成很大困扰。
为此，本实用新型的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置，以克服上述缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置，其结构简单，操作方便，
为解决上述问题，本实用新型公开了一种用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置，至少包括斩波开关主回路和储能电容器，其特征在于：
井下发电机输出的直流高压电输入与斩波开关主回路连接，所述斩波开关主回路通过储能电容器进行直流输出；
所述斩波开关主回路包含依次串联于输入端正极和输出端正极的开关管、第一二极管和电感元件，所述开关管的射极连接至第一二极管，所述电感元件的后端并联有储能电容器且电感元件使得储能电容器上的电能随时间线性上升且时间常数为一个定值。
其中：所述开关管为IGBT或MOSFET开关管。
其中：所述开关管的前端并联有第二二极管。
其中：还包含开关管驱动电路和输出电压和功率控制电路，所述输出电压和功率控制电路包含检测单元和控制单元，所述检测单元包含检测输出端电压和电流的电压检测元件和电流检测元件，所述检测单元连接至控制单元以将输出端的电压信号和电流信号输送至控制单元，所述控制单元还连接至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路连接至所述开关管的控制端以通过电压信号和电流信号实现对开关管的开闭控制。
其中：还包含输出电压隔离采样电路，其设于输出电压和功率控制电路内，或输出电压和功率控制电路和输出端之间，所述输出电压隔离采样电路包含隔离元件，所述隔离元件的输入端串联有分压的第一电阻R1和第二电阻R2以防止电压过高损坏电路。
其中：所述开关管的金属部分涂有油基导热硅脂，并安装在随钻仪器的金属骨架上来实现自散热。
其中：所述电感元件采用铁硅铝磁粉或铁镍钼磁粉的材料绕制而成。
通过上述结构可知，本实用新型的用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置具有如下效果：
1、以斩波的方法限制电源温升，以额定输出功率控制法稳定输出电压。
2、结构简单，并可任意调节稳压电源输出电压和输出功率等参数，可满足井下大功率电气设备的用电需求。
本实用新型的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本实用新型的用于井下大功率直流稳压电源的结构图。
图2是本实用新型中斩波开关主回路电路图和储能电容器的电路图。
图3是本实用新型中输出电压隔离采样电路图。
具体实施方式
参见图1，显示了本实用新型的用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置。
所述用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置至少包括斩波开关主回路和储能电容器，还可包含开关管驱动电路和输出电压和功率控制电路等部分，其中，通过井下发电机输出的直流高压电输入于斩波开关主回路连接，所述斩波开关主回路通过储能电容器进行直流输出。
参见图2，所述斩波开关主回路包含依次串联于输入端正极和输出端正极的开关管Q3、第一二极管D7和电感元件L4，所述电感元件L4的前端并联有第二二极管D8，后端并联有储能电容器C7，所述开关管Q3可为IGBT或MOSFET等开关管，所述开关管Q3的射极连接至第一二极管D7，第一二极管D7实现对储能电容器C7的单向充电，在储能电容器C7的两端反向并联的第二二极管D8实现对开关管Q3的保护，防止涌流，同时为电感元件L4提供放电回路，当开关管Q3关闭时，L4继续为储能电容C7充电。
由此，当开关管Q3打开时井下发电机输入的电流整流后形成输出的直流电，井下发电机输出的三相交流电经过整流后，是叠加了交流成分的馒头波，这种含有交流成分的馒头波流过大电感的时候，电感上的电压与电流的变化率成正比，通过电感元件L4限制井下发电机向储能电容器C7充电的速度，电感元件L4使得储能电容器C7上的电能是随时间线性上升的，其时间常数为一个定值。
其中，所述斩波开关主回路包含串联于输入端负极和输出端负极的电阻元件F1，所述开关管Q3的前端和电阻元件F1的后端还可并联有开关元件CB1，以提供更好的防护。
为进一步实现输出的精确控制，所述输出电压和功率控制电路可包含检测单元和控制单元，所述检测单元包含检测输出端电压和电流的电压检测元件和电流检测元件，所述检测单元连接至控制单元以将输出端的电压信号和电流信号输送至控制单元，所述控制单元可根据电压信号和电流信号得到功率，所述控制单元还连接至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路连接至所述开关管的控制端，以实现对开关管的开闭控制，所述控制单元可包含单片机，以对信号进行读取和计算，也可包含比对单元，以对信号进行读取和判断。
其中，还可包含连接至各电路的正负10V隔离电源发生电路，以为电路提供稳定的正负10V电源。
其中，还可包含输出电压隔离采样电路，其可设于输出电压和功率控制电路内，也可设于输出电压和功率控制电路和输出端之间，如图3所示，所述输出电压隔离采样电路包含隔离元件U1，所述隔离元件U1可为隔离运放INA117，所述隔离元件U1的输入端可串联有分压的第一电阻R1和第二电阻R2，从而能将分压后的采样电压传输给控制单元，防止电压过高损坏控制电路。
由此，当储能电容器C7上的电压低于迟滞比较的下限值时，控制单元打开开关管Q3，发电机开始通过电感元件L4向储能电容器C4充电。
当储能电容器C7上的电压高于迟滞比较的上限值时，控制单元关闭开关管Q3，发电机停止对储能电容器C7充电。但是由于电感元件L4具有储能效应，会继续为储能电容器C7充电。完成一次开关循环。
其中，所述斩波开关电路中开关管的开关频率和占空比都不是固定值，而是随着负载大小的变化而变化，负载越低，开关频率越高；负载越重，开关频率越低，开关频率的不固定是通过电感元件限制了充电速度造成的。
优选的是，所述开关管Q3的金属部分涂有油基导热硅脂，并安装在随钻仪器的金属骨架上，实现自散热。
优选的是，所述电感元件L4采用铁硅铝磁粉或铁镍钼磁粉的材料绕制而成，防止大电流下的磁饱和。
优选的是，所述储能电容器C7采用145度的高温电解电容浸泡在充满导热硅脂的金属舱体内。
综上所述，本实用新型的有益成果是：由于通过电感向储能电容器充电的时候，电流是缓慢增加的。当直流电源输出功率较大时，通过电感向储能电容器充电的时间就会变长。当直流电源输出功率较小时，通过电感向储能电感充电的时间相应变短。从而实现的开关频率随负载变化而自动调整。所以总的开关损耗也大幅降低。针对随钻测试设备的特殊性，可以有效满足随钻测量仪器的井下大功率需求，摆脱了一般开关电源由于开关管在高速开关状态下产生的发热而无法在井下长时间工作的困扰。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本实用新型的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本实用新型不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本实用新型的教导的特定例子，本实用新型的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (7)
1.一种用于随钻测量的井下大功率稳压电源装置，至少包括斩波开关主回路和储能电容器，其特征在于：
井下发电机输出的直流高压电输入与斩波开关主回路连接，所述斩波开关主回路通过储能电容器进行直流输出；
所述斩波开关主回路包含依次串联于输入端正极和输出端正极的开关管、第一二极管和电感元件，所述开关管的射极连接至第一二极管，所述电感元件的后端并联有储能电容器且电感元件使得储能电容器上的电能随时间线性上升且时间常数为一个定值。
2.如权利要求1所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：所述开关管为IGBT或MOSFET开关管。
3.如权利要求1所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：所述开关管的前端并联有第二二极管。
4.如权利要求1所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：还包含开关管驱动电路和输出电压和功率控制电路，所述输出电压和功率控制电路包含检测单元和控制单元，所述检测单元包含检测输出端电压和电流的电压检测元件和电流检测元件，所述检测单元连接至控制单元以将输出端的电压信号和电流信号输送至控制单元，所述控制单元还连接至开关管驱动电路，所述开关管驱动电路连接至所述开关管的控制端以通过电压信号和电流信号实现对开关管的开闭控制。
5.如权利要求4所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：还包含输出电压隔离采样电路，其设于输出电压和功率控制电路内，或输出电压和功率控制电路和输出端之间，所述输出电压隔离采样电路包含隔离元件，所述隔离元件的输入端串联有分压的第一电阻R1和第二电阻R2以防止电压过高损坏电路。
6.如权利要求1-5中任一所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：所述开关管的金属部分涂有油基导热硅脂，并安装在随钻仪器的金属骨架上来实现自散热。
7.如权利要求1-5中任一所述的井下大功率稳压电源装置，其特征在于：所述电感元件采用铁硅铝磁粉或铁镍钼磁粉的材料绕制而成。
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| CN107579663A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-01-12 | 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 | 一种随钻高速脉冲器用36v升60v电源 |
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