一種用于垂直鉆井系統的非接觸電能傳輸系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種用于垂直鉆井系統的非接觸電能傳輸系統，包括：變壓器、串聯諧振逆變電路、整流輸出電路和逆變控制電路，其中的變壓器為分離式變壓器，其包括彼此分離的初級磁芯和次級磁芯，鉆井系統的動力主軸的外圓面上及糾斜活套的內圓面上分別成型有多個沿軸線方向設置的凹槽，初級磁芯設置于動力主軸的凹槽內，次級磁芯設置于所述糾斜活套的凹槽內，次級磁芯表面圓弧相對于動力主軸軸心所形成的圓心角θ滿足一定關系，使初級磁芯與次級磁芯間的磁阻恒定，不受旋轉運動影響；通過檢測逆變電路的輸出電壓和輸出電流信號計算出電壓和電流之間的相位差，通過調節開關頻率使其工作在諧振狀態，不僅簡化硬件電路，而且提高了相位檢測的靈活性。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及石油、天然氣鉆井領域，更具體地講，本技術涉及自動垂直鉆井系統中動力主軸與糾斜活套之間的非接觸電能傳輸設備。
技術介紹
塔里木、克拉瑪依、玉門等西部油田，是我國重要的石油、天然氣基地，西部油氣產量直接關系到國計民生和國防安全。因西部地區鉆遇高陡構造地層，且井深相對較深，導致井眼易斜，鉆速較低，防斜打快已成為西部油氣開發中鉆井技術的瓶頸。目前常規井斜控制技術對于高陡構造及造斜カ強的地層，井斜控制效果難以保證。而自動垂直鉆井工具是ー種井下閉環控制系統，它可實現井下主動糾斜并保持井眼垂直。這種工具特別適用于高陡構造地層及深井的垂直鉆井，在我國西部石油資源的開發中有著良好的應用前景。·在自動垂直鉆井系統中，糾斜活套上井下電子測控系統的供電電源通常是由鉆桿內的高壓泥漿帶動渦輪發電機發電提供，通過密封導電滑環實現電能傳輸。導電滑環雖然結構簡單、易于實現，但缺點是對滑動接觸面的清潔度要求較高，通道擴展困難，電刷被磨損需要經常維護更換滑環。鉆井過程中高溫、高壓、強振動沖擊及泥漿的存在，使得導電滑環的工作環境非常惡劣，性能可靠性方面的問題較為突出。非接觸電能傳輸是基于電磁感應理論的功率變換技術，其發展方向是大容量、高效率、低成本、小體積、大氣隙及高穩定性，在發展過程中也面臨著諸多挑戰，比較突出的問題是如何提高電能傳輸的效率。為了減小垂直鉆井系統非接觸電能傳輸系統變壓器的尺寸，功率逆變電路采取高頻運行，但是過高的開關損耗勢將不容忽視。為了降低開關損耗和容許高頻運行，諧振軟開關技術已經得到了發展。這些技術采用正弦方式處理電力，開關器件能夠實現軟換流，使得開關損耗與噪聲大為降低。美國專利US 6540032公開了ー種井下鉆具中靜止部件與旋轉部件之間非接觸電能傳輸的方法和裝置，雖然該專利提出的變壓器原理結構可行，但并未提及功率變換主電路以及控制方式，而且整個裝置體積較大，不利于抗井下強烈振動和沖擊。中國專利CN 102005924A公開了ー種用于非接觸電能傳輸的控制方法，該方法通過檢測非接觸電能傳輸系統逆變器的輸出電壓與電流的相位差，采用純硬件電路(PLL鎖相環)實現自適應諧振控制功能，保證逆變器的輸出電壓與電流的相位差為零，使得系統傳輸功率和效率達最大值。但逆變器遠離諧振點時輸出電流波形會產生畸變，導致電流相位錯亂，硬件電路很難準確檢測電流波形；PLL鎖相環電路受環境溫度影響較大，導致系統諧振控制功能不穩定；變壓器副邊沒有進行補償，當負載較重時傳輸效率會降低。中國專利CN 101789637A公開了ー種感應式電能傳輸裝置，可分離變壓器的原邊和副邊的其中一端串接諧振電容，目的是使得變壓器原邊、副邊繞組漏感與諧振電容在諧振狀態時其串聯阻抗為零，以此提高非接觸電能系統的傳輸效率。但該方法沒有考慮到負載和環境溫度變化對系統諧振頻率的影響。其他與非接觸電能傳輸相關的專利均是針對地面設備應用(參見CN101540554A、CN1015521223A、CN101026033A)，沒有考慮到井下高溫、高壓、強振動沖擊、結構空間小及泥漿沖蝕等惡劣條件，因此無法用于自動垂直鉆井工具。
技術實現思路
為了克服現有技術中的不足之處，針對垂直鉆井系統中動力主軸與糾斜活套之間相對轉動的特點以及井下惡劣エ況，本技術提供了ー種傳輸效率高、噪聲低、體積小、抗振動沖擊、便于維護的井下非接觸電能傳輸系統，使安裝在動カ主軸上的初級磁芯與糾斜活套上的次級磁芯之間的磁阻保持恒定，不受旋轉運動的影響，井能自動鎖定逆變電路的諧振點，消除因環境溫度導致電路偏離諧振點，使功率傳輸效率降低的弊端。所述技術方案如下—種用于垂直鉆井系統的非接觸電能傳輸系統，包括變壓器，用于實現電能的傳輸；·串聯諧振逆變電路，與所述變壓器的初級繞組連接；整流輸出電路，分別與所述變壓器的次級繞組及鉆井系統的糾斜電控系統連接，用于對所述次級繞組所輸出的電流進行整流并輸送至所述糾斜電控系統；逆變控制電路，與所述串聯諧振逆變電路連接，用于對所述串聯諧振逆變電路的輸出電壓與電流進行同相位控制；所述變壓器為分離式變壓器，其包括彼此分離的初級磁芯和次級磁芯，所述鉆井系統的動力主軸的外圓面上及所述糾斜活套的內圓面上分別成型有多個沿軸線方向設置的凹槽，所述初級磁芯設置于所述動カ主軸的凹槽內，所述次級磁芯設置于所述糾斜活套的凹槽內，所述次級磁芯表面圓弧相對于所述動カ主軸軸心所形成的圓心角e滿足以下表達式^ , rIn0 = k — P其中p為定子塊數與轉子塊數的最小公倍數，k為正整數。優選，所述初級磁芯和次級磁芯均為E形磁芯，所述初級繞組和次級繞組分別在各自磁芯的兩個窗口上反向繞制。進ー步，串聯諧振逆變電路包括輸入直流電源，接收所述鉆井系統中的泥漿渦輪發電機所產生的直流電；半橋式LLC諧振變換器，其輸入端與所述輸入直流電源連接，其輸出端與所述變壓器的初次繞組連接；其中半橋式LLC諧振變換器中的諧振電容為薄膜電容。所述逆變控制電路包括信號檢測電路、信號整形電路、功率管驅動器和數字信號控制器；所述信號檢測電路分別與所述信號整形電路、LLC諧振變換器連接，用于檢測所述LLC諧振變換器的輸出電壓和輸出電流信號；所述信號整形電路與所述數字信號控制器連接，用于對所接收的電壓信號和電流信號整形為方波信號；所述功率管驅動器分別與數字信號控制器、LLC諧振變換器連接，用于對所述LLC諧振變換器的功率管進行驅動；所述數字信號控制器包括輸入捕捉模塊、相位差測量模塊和脈寬調制模塊；所述輸入捕捉模塊接收所述信號檢測電路所檢測到電壓和電流信號，并對電壓與電流的波形進行捕捉；所述相位差測量模塊用于對所捕捉到的電壓波形和電流波形進行相位差計算；所述脈寬調制模塊接收所述相位差測量模塊的相位差測量信號，用于對所述LLC諧振變換器的開關頻率進行調整。進ー步，根據所述相位差測量模塊所測的電壓與電流的相位差對所述LLC諧振變換器的開關頻率進行調整，具體包括當所測電流信號滯后于電壓信號時，增大所述LLC諧振變換器的開關頻率，并使電壓信號與電流信號之間的相位差趨向于零；當所測電流信號超前于電壓信號吋，減少所述LLC諧振變換器的開關頻率，并使電壓與電流信號之間的相位差趨向于零；·當所測電流信號和電壓信號之間相位差小于一定值時，保持所述LLC諧振變換器的開關頻率恒定。優選，所述次級繞組上還設有次級補償電容，用于補償所述初級繞組中電流的無功分量。進ー步，所述次級補償電容為次級并聯補償電容，其取值滿足于所述次級繞組的電感在所述LLC諧振變換器處的開關頻率諧振時，所述次級網絡感納與其容納相抵消。進ー步優選，所述整流輸出電路中還設有調壓電路，所述調壓電路由至少兩個單端反激式變換器并聯連接而成，所述糾斜電控系統由多個糾斜電控單元組成，每個所述單端反激式變換器單獨對應其中一路所述糾斜電控單元，各所述單端反激式變換器根據各自輸出負載大小對其功率開關管的占空比進行調整，實現其電壓的恒定輸出。所述單端反激式變換器的功率變壓器為平面變壓器。本技術實施例提供的技術方案的有益效果是(I)本技術的變壓器為分離式變壓器，其中鉆井系統的動力主軸的外圓面上及所述糾斜活套的內圓面上分別均布成型有多個沿軸線方向設置的凹槽，初級磁芯設置于動カ主軸的凹槽內，次級本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于垂直鉆井系統的非接觸電能傳輸系統，包括：變壓器，用于實現電能的傳輸；串聯諧振逆變電路，與所述變壓器的初級繞組連接；整流輸出電路，分別與所述變壓器的次級繞組及鉆井系統的糾斜電控系統連接，用于對所述次級繞組所輸出的電流進行整流并輸送至所述糾斜電控系統；逆變控制電路，與所述串聯諧振逆變電路連接，用于對所述串聯諧振逆變電路的輸出電壓與電流進行同相位控制；其特征在于，所述變壓器為分離式變壓器，其包括彼此分離的初級磁芯和次級磁芯，所述鉆井系統的動力主軸的外圓面上及所述糾斜活套的內圓面上分別成型有多個沿軸線方向設置的凹槽，所述初級磁芯設置于所述動力主軸的凹槽內，所述次級磁芯設置于所述糾斜活套的凹槽內，所述次級磁芯表面圓弧相對于所述動力主軸軸心所形成的圓心角θ滿足以下表達式：其中p為定子塊數與轉子塊數的最小公倍數，k為正整數。dest_path_FDA00002256599600011.jpg

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：艾維平，張磊，鄧樂，盛利民，竇修榮，
申請(專利權)人：中國石油天然氣集團公司，中國石油集團鉆井工程技術研究院，
類型：實用新型
國別省市：