井下涡轮永磁发电机设计及控制
本文关键词：井下涡轮永磁发电机设计及控制
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【摘要】：对于深井开发中如何防斜打快是我国钻井开发的难题,现代钻井发展趋势为智能化钻井,为了克服我国钻井难题和适应现代钻井发展趋势必然离开不了MWD/LWD、自动垂钻系统和旋转导向系统等智能工具使用,井下智能工具的功能开始从单纯数据测量和信号传输到成为集测量、控制和传输于一体,对电能需求量不断增大,井下涡轮永磁发电机能很好解决这些井下智能仪器用电问题,是这些井下智能工具正常工作的前提和基础。硬连接永磁发电机和磁耦合连接永磁发电机都有各自缺点,在井下正常工作时间有限,设计一种密封性能好使用时间长久井下涡轮永磁发电机是非常必要的。本文在前人基础上,设计了一种井下涡轮永磁发电机及控制系统,从理论和仿真两方面来研究井下涡轮发电机及控制系统。关于论文的研究工作如下:(1)完成井下涡轮永磁发电机磁路计算和结构设计。确定了发电机为3相4极24槽,采用补偿式密封和磁耦合相连接的结构形式,确定2500rpm时输出相电压48V,输出功率为1000W。(2)完成了电机的电磁场仿真和热力学仿真。利用ansoft maxwell进行永磁发电机有限仿真。确定磁钢径向长度为150mm,进行空载和负载仿真,得到空载时转速—电压曲线,负载时转速—电压曲线转速—输出功率曲线转速—效率曲线转速—驱动力矩曲线不同负载输出电压曲线以及一定转速下的电流—输出电压曲线。利用ansoft和workbench联合温度场仿真,知道了发电机的最大温升21.99℃。(3)驱动涡轮设计及fluent流场仿真。根据磁场仿真转速—驱动力矩曲线来设计涡轮,进行涡轮相关理论计算,确定涡轮相关参数,利用fluent来进行CFD模拟,获得了扭矩、压降、输出功率输入功率和效率曲线,根据满足驱动力矩要求和电枢绕组电流密度要求,确定发电机最大转速为4050rpm。(4)整流稳压电路和控制系统设计。设计的整流稳压电路由三相桥式全控整流电路和带滤波的升降压稳压电路构成,采用simulink仿真,得到不同输入电压的整流稳压输出效果。控制电路以Arduino UNO单片机为核心,根据整流后电压大小控制升降压电路占空比大小,根据发电机工作情况控制是否蓄电池对外供电开关,根据蓄电池电量控制是否蓄电池充电开关。利用Arduino C编写控制系统控制程序。论文所取得的主要成果有:(1)完成井下涡轮永磁发电机的结构设计,得到发电机的相关特性曲线。额定转速额定负载下的输出相电压为48.68V,4800rpm时输出相电压为91.8V。(2)完成驱动涡轮设计,为发电机驱动提供了依据。确定了发电机的最高转速为4050rpm,电枢绕组的绝缘等级为R级。(3)完成了整流稳压电路及控制电路,为发电机稳定供电提供依据。通过研究电路中单独改变占空比电容或电感对电路影响,得到了各参数对启动时冲击电压大小电路达到稳定所用时间稳定时电压波动范围影响变化规律。通过相关研究,对井下涡轮永磁发电机及控制系统有了更深了解,设计井下发电机结构和电机分析方法具有创新,设计的整流稳压电路及控制系统,对以后研究有一定参考价值。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE929;TM313
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