CN211239457U - 基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及旋转导向钻井系统领域，公开了基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，包括分离式旋转变压器和MCU程序模块；分离式旋转变压器包括初级补偿回路、次级补偿回路和旋转变压器耦合线圈T1；初级补偿回路包括初级半双工通信单元、初级控制单元、电能发射电路和信号耦合线圈T2；次级补偿回路包括次级半双工通信单元、次级控制单元、电能接收电路和信号耦合线圈T3。本实用新型在不改变分离式旋转变压器内部耦合结构的前提下利用频分复用技术合理分配电能与信号的工作频率，确保系统处于谐振状态，实现电能与信号的非接触式同步传输，具有结构简单、占用空间少、电能传输效率高、信号传输可控的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及旋转导向钻井系统领域，尤其涉及基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统。
背景技术
在石油勘探开发过程中，旋转导向钻井系统是一种高效率的钻井设备，其关键部分为可控偏心器，可控偏心器被安装在靠近钻头的非旋转套筒上，是旋转导向钻井系统的导向工具。传统的可控偏心器主要采用电缆式供电方法，但由于电缆接触不良、磨损将会导致的电火花、漏电等安全隐患，旋转导向钻井系统通过电源与负载之间的导线直接接触进行电能传输，旋转时存在导体的摩擦和损耗，在油井场合下应用时安全性和可靠性低，并且容易受到井下钻井液的腐蚀。
非接触式电能与信号传输技术利用感应耦合原理，可以在分离式旋转变压器的初级、次级线圈之间实现电能与信号的无线传输，克服了传统线缆式供电的缺点。目前，非接触式电能传输系统中信号传输常采用以下两种方法：第一种、双线圈传输，即在分离式旋转变压器的初级、次级之间设置两组线圈，分别用于电能与信号传输。双线圈传输虽然可以实现信号高速传输，但由于增设了一组耦合线圈，两个通道之间存在多个感应链路从而产生额外的磁干扰，这些磁干扰会降低电能传输、信号传输的稳定性，同时，额外的耦合线圈会占用更多的空间。第二种、电能调制传输，即将电能波作为信号传输的载波，一般采用幅值调制方式将信号调制到电能传输波形上，信号接收端通过检测电能幅值来解调信号。电能调制传输本质就是通过破坏电能传输的谐振状态，导致电能波形幅值降低来传递信号。常见的破坏谐振状态的方法有：(1)改变补偿电容；(2)改变电能传输频率(3)改变输入电压。无论采用哪种方式，都会导致电能传输效率下降，同时，信号以电能波为载波，其传输速率受电能传输频率限制，无法实现高速信号传输。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决现有技术中非接触式电能传输技术的电能质量差以及信号速率低的问题，提供基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统。本实用新型不仅实现了电能与信号的非接触式传输，而且具有结构简单、占用空间少、电能传输效率高以及信号传输可控的优点。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，包括分离式旋转变压器和MCU(Microcontroller Unit)程序模块；
分离式旋转变压器包括初级补偿回路、次级补偿回路和旋转变压器耦合线圈T1；初级补偿回路与所述次级补偿回路通过旋转变压器耦合线圈T1建立感应链路二；
初级补偿回路包括初级半双工通信单元、初级控制单元、电能发射电路和信号耦合线圈T2，电能发射电路通过信号耦合线圈T2与初级半双工通信单元建立感应链路一；
次级补偿回路包括次级半双工通信单元、次级控制单元、电能接收电路和信号耦合线圈T3，电能接收电路通过信号耦合线圈T3与次级半双工通信单元建立感应链路三；
MCU程序模块，用于控制电能传输工作频率以及完成MCU(微处理器)与通信单元之间的数据通信。
本实用新型在分离式旋转变压器的初级补偿回路以及次级补偿回路中分别添加通信模块(初级半双工通信单元和次级半双工通信单元)以扩展信号带宽，结合频分复用技术，采用不同频率的载波传输电能与信号，分别形成电能传输通道与信号传输通道。由于电能传输通道与信号传输通道在不同的工作频率下呈现不同的阻抗特征，在电气上可以认为两者为相对独立的系统；同时，将电能传输信号作为信号传输的同步信号，在不影响电能传输稳定性的前提下实现了信号的高速传输。通信模块为系统通信设备，采用半双工通讯方式，具有两种工作模式：信号发送模式和信号接收模式，通过切换工作模式改变信号的传输方向，实现信号双向传输。MCU程序模块包括各种MCU(微处理器)芯片，利用MCU程序模块控制电能传输工作频率和显示通信数据。
进一步的，电能发射电路包括初级补偿电容Cp、电能传输的输入电压Vi和初级回路内阻R1；初级补偿电容Cp与电能传输的输入电压Vi相互串联。
初级补偿回路采用串联电容补偿方式，设置回路谐振频率为电能传输频率以提高电能传输效率。
进一步的，电能接收电路包括次级补偿电容Cs、电能传输的输出电压Vo和次级回路内阻R2，次级补偿电容Cs与电能传输的输出电压Vo相互并联。
次级补偿回路采用并联电容补偿方式，不仅可以保证电能高效率传输，而且能够减少因负载变化导致的系统不稳定。
进一步的，分离式旋转变压器有一个高谐振频率fh和一个低谐振频率fl，高谐振频率fh和低谐振频率fl至少相差一个数量级，高谐振频率fh用于信号传输，低谐振频率fl用于电能传输。
本实用新型设置的通信模块(初级半双工通信单元和次级半双工通信单元)，具有信号发送、信号接收两种工作状态，通过切换工作状态实现信号的半双工传输，添加通信模块之后系统存在两个谐振频率，较低的频率(低谐振频率fl)用于电能传输，较高的频率(高谐振频率fh)用于信号传输，为减少电能传输与信号传输之间的干扰，通过电路调整使两个谐振频率至少相差一个数量级。
进一步的，初级半双工通信单元和电能发射电路分别与初级控制单元连接；次级半双工通信单元和电能接收电路分别与次级控制单元连接。
进一步的，旋转变压器耦合线圈T1包括初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈之间有气隙，分离式旋转变压器为松耦合变压器。
分离式旋转变压器为旋转导向钻井系统中的电磁耦合机构，在结构上分为初级补偿回路和次级补偿回路，初级补偿回路与次级补偿回路通过旋转变压器耦合线圈T1建立感应链路二，旋转变压器耦合线圈T1包括初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈之间存在气隙，分离式旋转变压器为松耦合变压器。
进一步的，初级半双工通信单元包括信号传输的调制信号Vt和初级通信单元补偿电容；信号传输的调制信号Vt与初级通信单元补偿电容串联和/或并联。
初级半双工通信单元中的电路连接为信号传输的调制信号Vt与初级通信单元补偿电容串联；或者信号传输的调制信号Vt与初级通信单元补偿电容并联；或者信号传输的调制信号Vt与初级通信单元补偿电容并联后再与另一个初级通信单元补偿电容串联。
进一步的，次级半双工通信单元包括信号传输的接收信号Vr和次级通信单元补偿电容；信号传输的接收信号Vr与次级通信单元补偿电容串联和/或并联。
次级半双工通信单元中的电路连接为信号传输的接收信号Vr与次级通信单元补偿电容串联；或者信号传输的接收信号Vr与次级通信单元补偿电容并联；或者信号传输的接收信号Vr与次级通信单元补偿电容并联后再与另一个次级通信单元补偿电容串联。
进一步的，系统中通信的调制方式为调幅、调频、调相或调占空比。
进一步的，初级控制单元为CPLD复杂可编程逻辑芯片、FPGA现场可编程门阵列芯片、单片机或DSP数字信号处理芯片；所述次级控制单元为CPLD复杂可编程逻辑芯片、FPGA现场可编程门阵列芯片、单片机或DSP数字信号处理芯片。
初级控制单元及次级控制单元用于控制电能以及信号的传输，其中控制电能包括控制电能的传输频率和死区时间，控制信号包括控制信号的传输频率、以及信号传输过程中的信号调制与信号解调。
本实用新型的有益效果是：本实用新型在不改变分离式旋转变压器内部耦合结构的前提下，仅利用旋转变压器耦合线圈T1完成电能与信号的同步无线传输，利用频分复用技术合理分配电能与信号的工作频率，确保系统处于谐振状态，实现电能与信号的非接触式传输，具有结构简单、占用空间少、电能传输效率高、信号传输可控的优点。
附图说明
图1是实施例一系统结构示意图。
图2是实施例一信号正向传输通道电路示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例一，基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，如图1所示，包括分离式旋转变压器和上位机应用程序模块；分离式旋转变压器包括初级补偿回路、次级补偿回路和旋转变压器耦合线圈T1；初级补偿回路与次级补偿回路通过旋转变压器耦合线圈T1建立感应链路二；
初级补偿回路包括初级半双工通信单元、初级控制单元、电能发射电路和信号耦合线圈T2，电能发射电路通过信号耦合线圈T2与初级半双工通信单元建立感应链路一；电能发射电路包括初级补偿电容Cp、电能传输的输入电压Vi和初级回路内阻R1；初级补偿电容Cp与电能传输的输入电压Vi相互串联。初级半双工通信单元包括初级通信单元补偿电容Ct和信号传输的调制信号Vt，初级通信单元补偿电容Ct和信号传输的调制信号Vt相互串联。
次级补偿回路包括次级半双工通信单元、次级控制单元、电能接收电路和信号耦合线圈T3，电能接收电路通过信号耦合线圈T3与次级半双工通信单元建立感应链路三；电能接收电路包括次级补偿电容Cs、电能传输的输出电压Vo和次级回路内阻R2，次级补偿电容Cs与电能传输的输出电压Vo相互并联。次级半双工通信单元包括次级通信单元补偿电容Cr和信号传输的接收信号Vr，次级通信单元补偿电容Cr和信号传输的接收信号Vr并联。
MCU程序模块，用于控制电能传输工作频率以及完成MCU(微处理器)与通信单元之间的数据通信。
初级半双工通信单元和电能发射电路分别与初级控制单元连接；次级半双工通信单元和电能接收电路分别与次级控制单元连接。初级控制单元及次级控制单元均为FPGA控制器，FPGA控制器均采用EP4CE6F17C8控制芯片，FPGA(Field Programmable Gate Array)控制器解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。本实用新型采用FPGA控制器，布线资源丰富，可重复编程和集成度高，投资较低，小型化、功能多、低功耗、保密性好、能够多次编程，实现了自设计、自研制和自生产电路的目的。
旋转变压器耦合线圈T1包括初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈之间有气隙，分离式旋转变压器为松耦合变压器。系统中信号的调制方式为调幅、调频、调相或调占空比。
在图1中，该模型分为初级回路与次级回路，并通过旋转变压器耦合线圈T1在初级补偿回路与次级补偿回路之间建立感应链路二，电能信号经过处理之后通过旋转变压器耦合线圈T1实现初级补偿回路向次级补偿回路的传输。通信单元(初级半双工通信单元和次级半双工通信单元)作为信号传输的主要部件，负责信号的调制与解调。信号耦合线圈T2和信号耦合线圈T3将信号加载到电能传输系统上，构成“T2-T1-T3”感应链路，实现信号双向传输。
图2中，信号正向传输过程，初级补偿回路的初级半双工通信单元处于信号发送模式，次级回路的次级半双工通信单元处于信号接收模式。电路中存在两个谐振频率，有一个高谐振频率fh和一个低谐振频率fl，高谐振频率fh和低谐振频率fl至少相差一个数量级，高谐振频率fh用于信号传输，低谐振频率fl用于电能传输。高频信号Vt经过信号发送端(次级半双工通信单元)的谐振网络之后通过信号耦合线圈T2进入初级补偿回路，高频信号(信号传输的调制信号)Vt与低频电能Vi叠加之后共同通过分离式旋转变压器耦合线圈T1进入次级补偿回路，再通过信号耦合线圈T3将信号在信号接收端(次级半双工通信单元)提取。信号接收端为并联谐振网络，相当于窄带带通滤波器，并联谐振网络能够减少低频电能传输对信号传输的干扰。
当信号反向传输时，初级补偿回路的初级半双工通信单元处于信号接收模式，次级回路的次级半双工通信单元处于信号发送模式。
本实用新型通过在初级补偿回路中添加初级半双工通信单元，在次级补偿回路中添加次级半双工通信单元，利用频分复用技术实现信号与电功率能量的同步传输，合理分配电能与信号的工作频率，确保系统处于谐振状态，实现电能与信号的非接触式传输。信号的调制方式为调幅、调频、调相或调占空比。本实用新型在不改变分离式旋转变压器内部耦合结构的前提下，具有结构简单、占用空间少、电能传输效率高、信号传输可控的优点。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，包括分离式旋转变压器和MCU程序模块；
所述分离式旋转变压器包括初级补偿回路、次级补偿回路和旋转变压器耦合线圈T1；所述初级补偿回路与所述次级补偿回路通过所述旋转变压器耦合线圈T1建立感应链路二；
所述初级补偿回路包括初级半双工通信单元、初级控制单元、电能发射电路和信号耦合线圈T2，所述电能发射电路通过信号耦合线圈T2与所述初级半双工通信单元建立感应链路一；
所述次级补偿回路包括次级半双工通信单元、次级控制单元、电能接收电路和信号耦合线圈T3，所述电能接收电路通过信号耦合线圈T3与所述次级半双工通信单元建立感应链路三；
所述MCU程序模块，用于控制电能传输工作频率以及完成MCU与通信单元之间的数据通信。
2.根据权利要求1所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述电能发射电路包括初级补偿电容Cp、电能传输的输入电压Vi和初级回路内阻R1；所述初级补偿电容Cp与所述电能传输的输入电压Vi相互串联。
3.根据权利要求1或2所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述电能接收电路包括次级补偿电容Cs、电能传输的输出电压Vo和次级回路内阻R2，所述次级补偿电容Cs与所述电能传输的输出电压Vo相互并联。
4.根据权利要求3所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述分离式旋转变压器有一个高谐振频率fh和一个低谐振频率fl，所述高谐振频率fh和所述低谐振频率fl至少相差一个数量级，所述高谐振频率fh用于信号传输，所述低谐振频率fl用于电能传输。
5.根据权利要求1所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述旋转变压器耦合线圈T1包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈之间有气隙，所述分离式旋转变压器为松耦合变压器。
6.根据权利要求4所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述初级半双工通信单元和所述电能发射电路分别与所述初级控制单元连接；所述次级半双工通信单元和所述电能接收电路分别与所述次级控制单元连接。
7.根据权利要求5或6所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述初级半双工通信单元包括信号传输的调制信号Vt和初级通信单元补偿电容；所述信号传输的调制信号Vt与初级通信单元补偿电容串联和/或并联。
8.根据权利要求7所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述次级半双工通信单元包括信号传输的接收信号Vr和次级通信单元补偿电容；所述信号传输的接收信号Vr与初级通信单元补偿电容串联和/或并联。
9.根据权利要求1所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，系统中信号的调制方式为调幅、调频、调相或调占空比。
10.根据权利要求1所述的基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统，其特征在于，所述初级控制单元为CPLD复杂可编程逻辑芯片、FPGA现场可编程门阵列芯片、单片机或DSP数字信号处理芯片；所述次级控制单元为CPLD复杂可编程逻辑芯片、FPGA现场可编程门阵列芯片、单片机或DSP数字信号处理芯片。
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| CN202020067205.2U CN211239457U (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统 |
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| CN202020067205.2U CN211239457U (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 基于共享线圈传输的非接触式电能与信号同步传输系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN112271830A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-01-26 | 天津大学 | 基于频分复用实现电能和数据并行传输的海洋浮标系统 |
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2020
- 2020-01-13 CN CN202020067205.2U patent/CN211239457U/zh active Active
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| CN112271830A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-01-26 | 天津大学 | 基于频分复用实现电能和数据并行传输的海洋浮标系统 |
| CN112271830B (zh) * | 2020-10-21 | 2024-04-02 | 天津大学 | 基于频分复用实现电能和数据并行传输的海洋浮标系统 |
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