申请/专利权人：广东普洛测控科技有限公司

申请日：2018-11-20

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109256993B

主分类号：H02P9/10

分类号：H02P9/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2021.02.19#专利申请权的转移;2019.02.22#实质审查的生效;2019.01.22#公开

摘要：本发明提供一种井下数字电源系统，包括泥浆发电机和接在泥浆发电机的输出端的整流模块，所述整流模块把泥浆发电机产生的感应交流电转换为整流电后输出，还包括：补偿波动开关，其在泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅超过预设范围时导通；功率负载，其经待导通的补偿波动开关连接整流模块的输出端。在泥浆发电机的转子和涡轮叶片不同步时，泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅不在预设的电压振幅范围内，此时补偿波动开关导通，使得整流模块输出的整流电接入功率负载中，此时泥浆发电机的动态负载瞬时增加，使得转子的转速瞬时降低，转子趋向稳定，然后涡轮叶片通过磁耦合带动转子提高转速，在此过程中涡轮叶片和转子会趋向同步。

主权项：1.一种井下数字电源系统，包括泥浆发电机和接在泥浆发电机的输出端的整流模块，所述整流模块把泥浆发电机产生的感应交流电转换为整流电后输出，其特征在于还包括：信号采集模块（3）、信号采集模块（3）、微处理器（4）、主PWM模块（5）、补偿PWM模块（6）、续流PWM模块（7）、主MOS管（8）、补偿MOS管（9）、续流MOS管（10）、功率电阻（11）、电感（12）和电容（13）；其中，信号采集模块（3）、微处理器（4）、主PWM模块（5）、主MOS管（8）和电感（12）依次连接，主MOS管（8）连接三相整流模块（2）的输出端，电感（12）连接电源输出端，随钻测量仪器接在电源输出端，所述电感（12）和电源输出端之间的接点经电容（13）接地，电感（12）和电容（13）组成LC滤波电路，则三相整流模块（2）输出的三相整流电经主MOS管（8）和LC滤波电路后转换为直流电，信号采集模块（3）连接LC滤波电路的输出端以获取该直流电的电压信号和电流信号；微处理器（4）还连接续流PWM模块（7），续流PWM模块（7）连接续流MOS管（10），续流MOS管（10）一端连接主MOS管（8）和电感（12）之间的接点，另一端连接电容（13）的接地端；在主MOS管导通状态下，信号采集模块（3）获取所述直流电的电压信号和电流信号，再把获取到的电压信号和电流信号传输至微处理器（4），微处理器（4）中预设有电压阈值和电流阈值，微处理器（4）根据所述电压信号判断所述直流电的电压是否大于预设的电压阈值，即判断所述直流电是否过压，根据所述电流信号判断所述直流电的电流是否大于电流阈值，即判断所述直流电是否过流；若微处理器（4）判断出所述直流电过压或过流，或判断出所述直流电过压且过流，则微处理器（4）控制主PWM模块（5）不输出PWM脉冲以关闭主MOS管（8）；信号采集模块（3）还连接泥浆发电机（1）的输出端，微处理器（4）还连接补偿PWM模块（6），补偿PWM模块（6）、补偿MOS管（9）和功率电阻（11）依次连接，功率电阻（11）接地；在泥浆发电机（1）输出三相交流电时，信号采集模块（3）获取泥浆发电机（1）输出的三相交流电的电压信号，并把获取到的电压信号传输至微处理器（4）；微处理器（4）中预设有电压振幅范围，在泥浆发电机（1）工作时微处理器（4）根据来自信号采集模块（3）的三相交流电的电压信号判断该三相交流电的电压振幅是否在预设的电压振幅范围内；若三相交流电的电压振幅不在预设的电压振幅范围内，则微处理器（4）控制补偿PWM模块（6）输出PWM脉冲以导通补偿MOS管（9），在补偿MOS管（9）导通后功率电阻（11）与三相整流模块（2）连接，以使三相整流电输入至功率电阻（11）；在补偿MOS管（9）导通后，若三相交流电的电压振幅在预设的电压振幅范围内，则微处理器（4）控制补偿PWM模块（6）不输出PWM脉冲，使补偿MOS管（9）关闭，在补偿MOS管（9）断开后功率电阻（11）与三相整流模块（2）断开，以使三相整流电不输入至功率电阻（11）；微处理器（4）中预设有功率阈值，信号采集模块（3）连接功率电阻（11）以获取功率电阻（11）的功率信号；微处理器（4）根据来自信号采集模块（3）的功率信号判断功率电阻（11）的功率是否大于预设的功率阈值，若功率电阻（11）的功率大于预设的功率阈值，则微处理器（4）控制补偿PWM模块（6）不输出PWM脉冲以关闭补偿MOS管（9），使得功率电阻（11）与三相整流模块（2）断开以避免功率电阻（11）过度发热；功率电阻（11）的导通时间由微处理器（4）通过比例-积分-微分PID调节控制直到保持泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅在预设范围内；该PID调节控制是一个闭环控制设计，以泥浆发电机的电压振幅为调节对象，控制的输入变量由一个独立的信号采集模块（3）得到，采集信号包括三相交流电的电压信号、直流电的电压信号、电流电流和功率电阻的功率信号，输出是控制补偿MOS管（9）的PWM信号；其中，导通补偿MOS管（9）的开始时间设为当泥浆发电机输出的三相交流电的电压上升至接近峰值时。

全文数据：一种井下数字电源系统技术领域本发明涉及数字电源领域，特别涉及一种井下数字电源系统。背景技术随钻测量仪器广泛应用在油气开发中，其主要用于测量评估油气地层和控制钻井轨迹。现主要使用电池或泥浆发电机给随钻测量仪器供电，由于电池的容量有限会导致井下仪器的工作时间受到限制，目前通常使用泥浆发电机给随钻测量仪器供电。泥浆发电机提供感应交流电，再由直流转换电源把该感应交流电转换成直流电后给随钻测量仪器供电，泥浆发电机的具体结构和提供感应交流电的具体过程如下：泥浆发电机包括涡轮叶片、转子、定子线圈和两组磁铁，其中一组磁铁与涡轮叶片固定连接，另一组磁铁与转子连接，转子位于定子线圈内；井下泥浆流动使泥浆发电机的涡轮叶片旋转，则与涡轮叶片固定连接的磁铁也随之旋转，旋转的磁铁通过磁耦合带动另一组与转子固定连接的磁铁旋转，则转子会在定子线圈中旋转，从而使得泥浆发电机产生感应交流电。通常泥浆发电机的定子线圈会绕成三组，从而使得泥浆发电机输出三相交流电，三相交流电的电压取决于泥浆的流速和负载电流。由于泥浆发电机的转子是由涡轮叶片通过磁耦合带动旋转的，若泥浆流速不稳定或负载电流大幅度变化，则会导致涡轮叶片转速不稳定，导致转子和涡轮叶片之间出现非同步现象。若转子和涡轮叶片之间的非同步超过一定程度，则泥浆发电机会出现脱载现象，此时涡轮叶片会出现破坏性的高速旋转，而转子会出现时快时慢的不稳定转动，此时泥浆发电机会进行不可纠正的停机以保护涡轮叶片和转子。在泥浆发电机进行停机后若要令泥浆发电机恢复工作，则需要使泥浆停止流动后再次启动泥浆发电机。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种数字电源系统，其在泥浆发电机的转子和涡轮叶片出现非同步现象后，能避免该非同步超过一定程度，从而避免泥浆发电机出现脱载现象。为解决上述技术问题，本发明提供一种井下数字电源系统，包括泥浆发电机和接在泥浆发电机的输出端的整流模块，所述整流模块把泥浆发电机产生的感应交流电转换为整流电后输出，还包括：波动开关，其在泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅超过预设范围时导通；功率负载，其经待导通的波动开关连接整流模块的输出端。优选地，包括依次连接的信号采集模块、控制器和补偿PWM模块，所述补偿PWM模块连接波动开关，所述信号采集模块连接泥浆发电机的输出端以获取感应交流电的电压信号，所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现以下步骤：接收来自信号采集模块的感应交流电的电压信号，并根据所述电压信号判断所述感应交流电的电压振幅是否在预设范围内，若判断出所述感应交流电的电压振幅不在预设范围内，则控制补偿PWM模块输出PWM脉冲以驱动补偿波动开关导通。优选地，所述信号采集模块还连接功率负载以获取功率负载的功率信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在补偿波动开关导通后，接收来自信号采集模块的功率负载的功率信号，并根据所述功率信号判断所述功率负载的功率是否大于预设功率阈值，若判断出所述功率负载的功率大于预设功率阈值，则控制补偿PWM模块不输出PWM脉冲以关闭补偿波动开关。优选地，包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关连接整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电压信号和电流信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电压信号和电流信号，并根据所述电压信号判断所述直流电是否过压，根据所述电流信号判断所述直流电是否过流，若判断出所述直流电过压且或过流，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。优选地，包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关接在整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电压信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电压信号，并根据所述电压信号判断所述直流电是否过压，若判断出所述直流电过压，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。优选地，包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关接在整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电流信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电流信号，并根据所述电流信号判断所述直流电是否过流，若判断出所述直流电过流，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。优选地，包括相互连接的续流PWM模块和续流波动开关，所述续流PWM模块连接控制器，所述续流波动开关连接所述滤波电路，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关关闭后，控制续流PWM模块输出PWM脉冲以导通续流波动开关。优选地，所述滤波电路包括电感和电容，所述电感一端连接主波动开关，另一端连接电源输出端，所述电容一端连接电感和电源输出端之间的接点，另一端接地。优选地，所述续流波动开关一端连接主波动开关和电感之间的接点，另一端连接电容的接地端。优选地，所述波动开关是MOS管。优选地，所述控制器是微处理器。本发明具有以下有益效果：若泥浆发电机的转子和涡轮叶片之间出现不同步现象，则泥浆发电机存在脱载的隐患，此时泥浆发电机输出的感应交流电的电压信号会出现大幅度振动，在泥浆发电机工作时，若泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅不在预设的电压振幅范围内，则意味着泥浆发电机的转子和涡轮叶片之间出现不同步现象，此时补偿波动开关导通，使得整流模块输出的整流电接入功率负载中，因此泥浆发电机的动态负载瞬时增加，使得转子的转速瞬时降低，在转子的转速降低后，转子会趋向稳定，然后涡轮叶片通过磁耦合带动转子提高转速，在此过程中涡轮叶片和转子会趋向同步，从而避免涡轮叶片和转子之间出现脱载现象。附图说明图1是井下数字电源系统的电路结构框图。附图标记说明：1-泥浆发电机；2-三相整流模块；3-信号采集模块；4-微处理器；5-主PWM模块；6-补偿PWM模块；7-续流PWM模块；8-主MOS管；9-补偿MOS管；10-续流MOS管；11-功率电阻；12-电感；13-电容。具体实施方式如图1所示，井下数字电源包括泥浆发电机1、三相整流模块2、信号采集模块3、微处理器4、主PWM模块5、补偿PWM模块6、续流PWM模块7、主MOS管8、补偿MOS管9、续流MOS管10、功率电阻11、电感12和电容13。本实施例中，泥浆发电机1的定子线圈绕成三组，从而使得泥浆发电机1输出三相交流电。泥浆发电机1经三相整流模块2连接主MOS管8，泥浆发电机1产生的三相交流电经过三相整流模块2后得到三相整流电。信号采集模块3、微处理器4、主PWM模块5、主MOS管8和电感12依次连接，主MOS管8连接三相整流模块2的输出端，电感12连接电源输出端，随钻测量仪器接在电源输出端，所述电感12和电源输出端之间的接点经电容13接地，电感12和电容13组成LC滤波电路，则三相整流模块2输出的三相整流电经主MOS管8和LC滤波电路后转换为直流电，信号采集模块3连接LC滤波电路的输出端以获取该直流电的电压信号和电流信号。微处理器4还连接续流PWM模块7，续流PWM模块7连接续流MOS管10，续流MOS管10一端连接主MOS管8和电感12之间的接点，另一端连接电容10的接地端。泥浆发电机1输出的三相交流电经三相整流模块2整流后得到三相整流电，在主MOS管8导通状态下，该三相整流电经LC滤波电路滤波后得到直流电，该直流电从电源输出端输出。在主MOS管导通状态下，信号采集模块3获取所述直流电的电压信号和电流信号，再把获取到的电压信号和电流信号传输至微处理器4，微处理器4中预设有电压阈值例如40V和电流阈值例如6A，微处理器4根据所述电压信号判断所述直流电的电压是否大于预设的电压阈值，即判断所述直流电是否过压，根据所述电流信号判断所述直流电的电流是否大于电流阈值，即判断所述直流电是否过流。若微处理器4判断出所述直流电过压或过流，或判断出所述直流电过压且过流，则微处理器4控制主PWM模块5不输出PWM脉冲以关闭主MOS管8，从而避免接在电源输出端的随钻测量仪器被损坏。在主MOS管8关闭后，电感12与三相整流模块2断开，即电感12中没有三相整流电输入，但由于电感12的特性，电感12的电流不会立即改变，此时微处理器4控制续流PWM模块7输出PWM脉冲以驱动续流MOS管10导通，续流MOS管10在导通后则能起到续流作用，从而保护主MOS管8不被击穿。信号采集模块3还连接泥浆发电机1的输出端，微处理器4还连接补偿PWM模块6，补偿PWM模块6、补偿MOS管9和功率电阻11依次连接，功率电阻11接地。在泥浆发电机1输出三相交流电时，信号采集模块3获取泥浆发电机1输出的三相交流电的电压信号，并把获取到的电压信号传输至微处理器4。在泥浆发电机1正常工作时，其转子和涡轮叶片之间没有出现不同步现象，此时补偿MOS管9处于断开状态。若泥浆发电机1的转子和涡轮叶片之间出现不同步现象，则泥浆发电机1存在脱载的隐患，此时泥浆发电机1输出的三相交流电的电压信号会出现大幅度振动。微处理器4中预设有电压振幅范围例如200V，在泥浆发电机1工作时微处理器4根据来自信号采集模块3的三相交流电的电压信号判断该三相交流电的电压振幅是否在预设的电压振幅范围内，具体地：若三相交流电的电压振幅不在预设的电压振幅范围内，则表示泥浆发电机1的转子和涡轮叶片之间出现不同步现象，泥浆发电机1存在脱载的隐患，此时微处理器4控制补偿PWM模块6输出PWM脉冲以导通补偿MOS管9，在补偿MOS管9导通后功率电阻11与三相整流模块2连接，则三相整流电输入至功率电阻11，则泥浆发电机1的负载瞬时增加，使得转子的转速瞬时降低，在转子的转速降低后，转子就会趋向稳定，然后涡轮叶片通过磁耦合带动转子提高转速，在此过程中涡轮叶片和转子趋向同步，从而避免涡轮叶片和转子之间出现脱载现象；在补偿MOS管9导通后，若三相交流电的电压振幅在预设的电压振幅范围内，则表示泥浆发电机1的转子和涡轮叶片之间没有出现不同步现象，此时微处理器4控制补偿PWM模块6不输出PWM脉冲，使得补偿MOS管9关闭，在补偿MOS管9断开后功率电阻11与三相整流模块2断开，则三相整流电不输入至功率电阻11，则泥浆发电机1的负载瞬时降低，使得转子的转速瞬时升高。在补偿MOS管9导通瞬间，功率电阻11接入不稳定的三相整流电，因此功率电阻11可能会功率过大而导致自身过度发热。在高温井下环境中，功率电阻11过度发热会导致电子元件，如电感、电容的性能会变差，因此需要限制补偿MOS管9的导通。微处理器4中预设有功率阈值例如50W，信号采集模块3连接功率电阻11以获取功率电阻11的功率信号，微处理器4根据来自信号采集模块3的功率信号判断功率电阻11的功率是否大于预设的功率阈值，若功率电阻11的功率大于预设的功率阈值，则意味着功率电阻可能会过度发热导致自身温度过高，此时即使三相交流电没有稳定，微处理器4也会控制补偿PWM模块6不输出PWM脉冲以强行关闭补偿MOS管9，使得功率电阻11与三相整流模块2断开以避免功率电阻11过度发热。功率电阻12的导通时间由微处理器4通过比例-积分-微分PID调节直到保持泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅在预设范围内。该控制是一个闭环控制设计，以泥浆发电机的电压振幅为调节对象，控制的输入变量由一个独立的信号采集模块3得到，采集信号包括三相交流电的电压信号、直流电的电压信号、电流电流和功率电阻的功率信号，输出是控制补偿MOS管9的PWM信号。考虑到PID的响应时延，导通补偿MOS管9的开始时间可以设在当泥浆发电机输出的三相交流电的电压上升至接近峰值时。

权利要求：1.一种井下数字电源系统，包括泥浆发电机和接在泥浆发电机的输出端的整流模块，所述整流模块把泥浆发电机产生的感应交流电转换为整流电后输出，其特征在于还包括：补偿波动开关，其在泥浆发电机输出的感应交流电的电压振幅超过预设范围时导通；功率负载，其经待导通的补偿波动开关连接整流模块的输出端。2.根据权利要求1所述的井下数字电源系统，其特征在于：包括依次连接的信号采集模块、控制器和补偿PWM模块，所述补偿PWM模块连接补偿波动开关，所述信号采集模块连接泥浆发电机的输出端以获取感应交流电的电压信号，所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现以下步骤：接收来自信号采集模块的感应交流电的电压信号，并根据所述电压信号判断所述感应交流电的电压振幅是否在预设范围内，若判断出所述感应交流电的电压振幅不在预设范围内，则控制补偿PWM模块输出PWM脉冲以驱动补偿波动开关导通。3.根据权利要求2所述的井下数字电源系统，其特征在于：所述信号采集模块还连接功率负载以获取功率负载的功率信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在补偿波动开关导通后，接收来自信号采集模块的功率负载的功率信号，并根据所述功率信号判断所述功率负载的功率是否大于预设功率阈值，若判断出所述功率负载的功率大于预设功率阈值，则控制补偿PWM模块不输出PWM脉冲以关闭补偿波动开关。4.根据权利要求2所述的井下数字电源系统，其特征在于：包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关连接整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电压信号和电流信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电压信号和电流信号，并根据所述电压信号判断所述直流电是否过压，根据所述电流信号判断所述直流电是否过流，若判断出所述直流电过压且或过流，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。5.根据权利要求2所述的井下数字电源系统，其特征在于：包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关接在整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电压信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电压信号，并根据所述电压信号判断所述直流电是否过压，若判断出所述直流电过压，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。6.根据权利要求2所述的井下数字电源系统，其特征在于：包括依次连接的主PWM模块、主波动开关和滤波电路，所述主PWM模块连接控制器，所述主波动开关接在整流模块的输出端，在主波动开关导通状态下所述泥浆发电机输出的交流电经过整流模块和滤波电路后变成直流电，所述信号采集模块连接滤波电路的输出端以获取所述直流电的电流信号，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关导通状态下，接收来自信号采集模块的直流电的电流信号，并根据所述电流信号判断所述直流电是否过流，若判断出所述直流电过流，则控制主PWM模块不输出PWM脉冲以关闭主波动开关。7.根据权利要求4、5或6所述的井下数字电源系统，其特征在于：包括相互连接的续流PWM模块和续流波动开关，所述续流PWM模块连接控制器，所述续流波动开关连接所述滤波电路，所述计算机程序被处理器执行时还能够实现以下步骤：在主波动开关关闭后，控制续流PWM模块输出PWM脉冲以导通续流波动开关。8.根据权利要求7所述的井下数字电源系统，其特征在于：所述滤波电路包括电感和电容，所述电感一端连接主波动开关，另一端连接电源输出端，所述电容一端连接电感和电源输出端之间的接点，另一端接地。9.根据权利要求8所述的井下数字电源系统，其特征在于：所述续流波动开关一端连接主波动开关和电感之间的接点，另一端连接电容的接地端。10.根据权利要求2所述的井下数字电源系统，其特征在于：所述波动开关是MOS管。

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