一种深井脉冲电容器的恒流充电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，包括设置在地面上的第一装置、电缆、设置在井下的第二装置和脉冲电容器。第一装置将工频220V交流电源变为中频高压交流电源，然后经电缆将其传输到第二装置，第二装置再将此中频高压电源变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电。脉冲电容器的电压通过电阻分压器来实现测量，控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来改变平均充电电流，形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。本发明专利技术采用闭环控制方法，实现了深井脉冲电容器的恒流充电，提高了充电速度和能量利用率，简化了井下装置的结构，提高了充电系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高电压技术和脉冲功率
，更具体地，涉及一种深井脉冲电容器的恒流充电系统。
技术介绍
随着对脉冲功率技术研究的不断深入，脉冲功率装置被越来越多地应用到工业及民用领域，油井解堵、矿井物探和水下目标探测等是其中重要的一方面。然而由于这些领域的特殊性，脉冲功率装置一般需要工作在数千米的井下，因此对深井脉冲电容器充电系统提出了较高要求。目前，深井脉冲电容器充电系统普遍采用恒压充电方式，通过测井电缆将地面的工频市电直接传输到井下升压变压器，或经变频后传输到井下升压变压器，变压器升压后经过整流电路和限流电阻后给脉冲电容器充电。这种充电方式的缺点是能量利用率很低，充电速度较慢，并且限流电阻的发热对井下装置的整体运行不利。采用恒流充电的方式可以很好地解决上述问题，然而普通的高频谐振式恒流充电电路应用于深井中时，面临井下部分体积大、复杂程度高等问题，而且由于电力电子器件工作在井下，需要承受较高温度，导致其工作可靠性较低、故障率高，在过深的井中甚至完全不能正常运行。因此，需要一种能够应用于深井中的新型脉冲电容器恒流充电系统。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种深井中脉冲电容器恒流充电系统，旨在解决现有充电装置充电速度慢，井下部件体积大、能量利用率低的问题。本专利技术提供了一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，包括设置在地面上的第一装置、设置在井下的第二装置以及用于连接所述第一装置和所述第二装置的电缆；所述第一装置用于将地面工频220V交流电源转换为中频高压交流电源；所述第二装置的输出端用于连接脉冲电容器；所述第二装置用于将地面传输的中频高压电源转换为所需的高压直流电源并对所述脉冲电容器充电；更进一步地，所述第一装置包括依次连接的工频变压器、整流滤波电路和逆变电路，以及其输入端用于连接所述电缆的第一输出端且输出端用于连接所述逆变电路的低压控制电路。更进一步地，所述第二装置包括高温中频变压器、高温整流电路和电阻分压器，所述高温中频变压器的输入端连接至所述电缆的第二输出端，所述高温整流电路的输入端连接至所述高温中频变压器的输出端，所述电阻分压器的输入端连接至所述高温整流电路的输出端，所述电阻分压器的输出端连接至所述电缆的第二输入端；所述高温中频变压器用于将地面传输下来的电压升高到脉冲电容器充电所需的电压值；所述高温整流电路用于将高温中频变压器输出的交流电压转换成直流电压；所述电阻分压器用于实现对脉冲电容器电压的测量。更进一步地，所述低压控制电路包括主控制芯片、功率驱动电路、信号隔离与调理电路、充电过压保护电路和显示电路；所述信号隔离与调理电路的输入端作为低压控制电路的输入端连接至电缆的第一输出端，充电过压保护电路的输入端连接至信号隔离与调理电路的第一输出端，主控制芯片的第一输入端连接至充电过压保护电路的输出端，主控制芯片的第二输入端连接至信号隔离与调理电路的输出端，主控制芯片的第一输出端连接至功率驱动电路的输入端，主控制芯片的第二输出端连接至显示电路，功率驱动电路的输出端作为低压控制电路的输出端连接至逆变电路；所述主控芯片对信号隔离与调理电路输出的信号进行A/D转换，并将转换结果
传输到显示电路，从而完成对脉冲电容器充电电压的检测；所述主控芯片对充电过压保护电路输出的充电过压进行判断，当出现充电过压时产生报警信号；所述主控芯片通过计算平均充电电流，并通过功率驱动电路实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。更进一步地，所述电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值、芯线数n≥4的测井电缆，其中两根芯线用作能量传输线，另两根芯线用作测量信号传输线。更进一步地，所述高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的总电感。更进一步地，所述高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有以下的有益效果：(1)采用闭环控制的方法，控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过实时调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来维持平均充电电流恒定，从而实现脉冲电容器的恒流充电。与传统的恒压充电方式相比，不需要在井下再接限流电阻，减小了井下部件的发热量，提高了充电系统的能量利用率，减小了能量损耗。(2)将脉冲电容器的恒流充电系统分成地面、井下两部分，其中将电力电子器件置于地面，从而使其不需要承受井下的高温，这样可以降低电力电子器件的故障率，提高充电系统运行可靠性；井下部分仅有变压器、整流电路和高压分压器等高压器件，这样大大降低了井下装置的复杂程度。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统的结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统的原理框图。图3是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中低压控制电路的结构原理框图。图4是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中全桥逆变电路的驱动信号图。图5是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中信号隔离与调理电路原理图。图6是本专利技术实施例提供的一种深井脉冲电容器的恒流充电系统中恒流控制程序流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术包括设置在地面上的第一装置、电缆、设置在井下的第二装置和脉冲电容器。其中第一装置由工频变压器、整流滤波电路、逆变电路以及低压控制电路组成，第二装置由高温中频变压器、高温整流电路以及电阻分压器组成。地面的工频220V交流电源经工频变压器、整流滤波电路、逆变电路后得到中频高压交流电源，再经电缆传输到井下，然后再经高温中频变压器、高温整流电路后变成所需的高压直流电源直接对脉冲电容器充电。脉冲电容器两端并联的电阻分压器，其输出信号经电缆传输到地面的低压控制电路，实现对脉冲电容器电压的测量；控制程序通过脉冲电容器电压的增量计算平均充电电流，并通过调节逆变电路中开关管的驱动脉宽来改变平均充电电流，形成闭环控制，实现平均充电电流的恒定。所述逆变电路采用全控型开关器件，并运用定频调宽的控制方式，即驱动信号的频率保持不变，通过改变驱动脉宽的方式来改变平均充电电流。所述低压控制电路主要由主控制芯片、功率驱动电路、信号隔离与调理电路、充电过压保护电路及显示电路组成。主控制芯片可以是单片机或DSP；功率驱动电路用于驱动逆变电路中的开关器件；信号隔离与调理电路是对电阻分压器输出的信号进行调理、放大、隔离；充电过压保护电路为了防止脉冲电容器电压出现过充。所述电缆采用交流耐压水平大于逆变电路输出电压峰值、芯线数n≥4的测井电缆，选其中两根芯线用作能量传输线，其首端接到逆变电路的输出端，末端接到高温中频变压器的原方绕组端；另选两根芯线用作测量信号传输线，其首端接到信号隔离与调理电路的输入接口，末端接到电阻分压器的信号输出端。所述高温中频变压器的原方绕组电感远大于电缆的总电感。所述高温整流电路中的高压整流器件采用多个高温SiC二极管串联组成；可以达到体积小、结构紧凑、工作可靠性高的目的。所述电阻分压器的低压臂电阻远大于电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，其特征在于，包括设置在地面上的第一装置(101)、设置在井下的第二装置(103)以及用于连接所述第一装置和所述第二装置的电缆(102)；所述第一装置(101)用于将地面工频220V交流电源转换为中频高压交流电源；所述第二装置(103)的输出端用于连接脉冲电容器(104)；所述第二装置(103)用于将地面传输的中频高压电源转换为所需的高压直流电源并对所述脉冲电容器(104)充电。

【技术特征摘要】
1.一种深井脉冲电容器的恒流充电系统，其特征在于，包括设置在地面上的第一装置(101)、设置在井下的第二装置(103)以及用于连接所述第一装置和所述第二装置的电缆(102)；所述第一装置(101)用于将地面工频220V交流电源转换为中频高压交流电源；所述第二装置(103)的输出端用于连接脉冲电容器(104)；所述第二装置(103)用于将地面传输的中频高压电源转换为所需的高压直流电源并对所述脉冲电容器(104)充电。2.如权利要求1所述的恒流充电系统，其特征在于，所述第一装置(101)包括依次连接的工频变压器(201)、整流滤波电路(202)和逆变电路(203)，以及其输入端用于连接所述电缆(102)的第一输出端且输出端用于连接所述逆变电路的低压控制电路(207)。3.如权利要求1或2所述的恒流充电系统，其特征在于，所述第二装置(103)包括高温中频变压器(204)、高温整流电路(205)和电阻分压器(206)，所述高温中频变压器(204)的输入端连接至所述电缆的第二输出端，所述高温整流电路(205)的输入端连接至所述高温中频变压器(204)的输出端，所述电阻分压器(206)的输入端连接至所述高温整流电路(205)的输出端，所述电阻分压器(206)的输出端连接至所述电缆(102)的第二输入端；所述高温中频变压器(204)用于将地面传输下来的电压升高到脉冲电容器充电所需的电压值；所述高温整流电路(205)用于将高温中频变压器输出的交流电压转换成直流电压；所述电阻分压器(206)用于实现对脉冲电容器电压的测量。4.如权利要求2所述的恒流充电系统，其特征在于，所述低压控制电 路(207)包括主控制芯片(301)、功率驱动电路(302)、信号隔离与调...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钦，刘毅，林福昌，刘从聪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42