井下无线充电装置的分析与设计

发布时间：2020-11-10 10:29

　　 石油作为社会生产力发展的主要促进因素,在国民经济中处于战略地位,为经济可持续发展发挥着重要作用,是现代社会不可或缺的重要能源。我国陆上油田经多年勘探开采,已处于开发中后期,层间油藏开采矛盾日益突出,分层采油成为缓解矛盾的关键技术手段,而井下智能阀门控制器作为该技术最重要的井下工具之一,其工作性能的好坏直接影响着石油采收率及生产成本。相较传统封隔器而言,井下智能阀门控制器便于控制,但因长期在井下反复作业,为其电机供能的蓄电池耗能快,整个装置使用的重复性不高,更换蓄电池耗时费力。因此本文选用无线电能传输技术,借助电磁场等空间无形软介质为井下蓄电池实现电能的非接触传输,延长井下智能阀门控制器的作业时间。本文对井下无线充电装置进行分析与设计,从无线电能传输技术机理出发,采用等效耦合电路的方法研究系统数学模型,得到影响定功率系统高效传输的重要参数。借助多物理场耦合仿真软件,对系统进行仿真研究,探索各装置参数对线圈电气参数及互感的影响,最后实验验证对装置分析与设计的合理性。本文研究内容包括以下部分:(1)从等效耦合模型入手,详细分析负载功率给定时系统高效传输的条件,得到定功率高效条件公式和相应的匹配负载公式,为仿真建模和实验研究奠定理论指导基础。(2)研究井下无线电能传输系统的仿真模型,多角度对比验证建模的正确性与合理性。以理论推导结果为指导思想,探索井下无线充电装置的各参数(如装置材料、线圈线径等)对发射线圈内阻和线圈间互感的影响,并经优选后得到给定50W功率时传输效率高的井下无线电能传输系统。(3)研究并设计井下无线电能传输系统的逆变与整流电路,并测试电路和整体装置样机,分析总结实验结果,得到与理论和仿真思想基本一致的实物模型,验证对井下无线充电装置分析与设计的可行性。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM724;TE931.2
【部分图文】：

12射与接收回路的固有频率和高频激励电源的频率之间没有直接联系，仅为降低系统无功功率，才在选取电容时考虑高频激励电源的频率[15]。而MCR-WPT系统的发射和接收回路的固有频率与高频激励电源的频率紧密相关，三者频率必须完全相同才能完成电能的无线高效传输[15]。根据补偿电容与系统中电感的相接形式，可得到MCR-WPT系统的四种谐振变换拓扑：串联-串联（SS），串联-并联（SP），并联-并联（PP），并联-串联（PS），如图2-4所示，其中SU为高频交流源，M为互感，1C、2C为发射和接收端的谐振补偿电容，1L、2L为发射和接收端的线圈电感，1R、2R为发射和接收线圈的内阻，LR为负载电阻。图2-4磁耦合谐振式无线电能传输系统的谐振变换拓扑结构当系统处于谐振时上述四种拓扑结构下的谐振补偿电容值如表2-1所示[51]。（ω为系统谐振角频率）表2-1四种谐振变换拓扑结构下的谐振补偿电容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可见四种拓扑结构中，仅SS型拓扑结构的发射端谐振电容值与接收端参数无关，而其余三种拓扑结构均与接收端参数和互感有关，且当发射端采用并联方式接入电容时，发射端容值的选取要受到接收端负载值的影响，当负载阻值变化，发射端电容值也要随之改变。研究表明，较之其他三种拓扑而言，SS型拓扑的发射端与接收端之间的影响程度较小，适合小负载、近距离传输系统，常见用于电动汽车的无线供电。SP型拓扑的带

12射与接收回路的固有频率和高频激励电源的频率之间没有直接联系，仅为降低系统无功功率，才在选取电容时考虑高频激励电源的频率[15]。而MCR-WPT系统的发射和接收回路的固有频率与高频激励电源的频率紧密相关，三者频率必须完全相同才能完成电能的无线高效传输[15]。根据补偿电容与系统中电感的相接形式，可得到MCR-WPT系统的四种谐振变换拓扑：串联-串联（SS），串联-并联（SP），并联-并联（PP），并联-串联（PS），如图2-4所示，其中SU为高频交流源，M为互感，1C、2C为发射和接收端的谐振补偿电容，1L、2L为发射和接收端的线圈电感，1R、2R为发射和接收线圈的内阻，LR为负载电阻。图2-4磁耦合谐振式无线电能传输系统的谐振变换拓扑结构当系统处于谐振时上述四种拓扑结构下的谐振补偿电容值如表2-1所示[51]。（ω为系统谐振角频率）表2-1四种谐振变换拓扑结构下的谐振补偿电容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可见四种拓扑结构中，仅SS型拓扑结构的发射端谐振电容值与接收端参数无关，而其余三种拓扑结构均与接收端参数和互感有关，且当发射端采用并联方式接入电容时，发射端容值的选取要受到接收端负载值的影响，当负载阻值变化，发射端电容值也要随之改变。研究表明，较之其他三种拓扑而言，SS型拓扑的发射端与接收端之间的影响程度较小，适合小负载、近距离传输系统，常见用于电动汽车的无线供电。SP型拓扑的带

14第三章井下无线电能传输系统设计第二章对无线电能传输技术的原理和方式进行的研究，为本文的井下无线电能传输系统确立了基本原理。本章将以磁耦合谐振式基本原理为根本思想，提出井下无线传输系统的总设计构想，对井下无线电能传输系统进行数学建模和仿真建模以及电路设计，以全面开展井下无线电能传输系统的整体设计工作。3.1井下无线传输系统总体原理设计井下无线传输系统总体原理设计框图如图3-1所示。整个系统由发射装置和接收装置两大部分组成。发射装置为井上的上部作业筒，由绞车下放，其内主要包括指令设置与传送模块，电池组，高频逆变器，无线充电发射部分（发射线圈及其相应保护装置）。接收装置为长期固定在井下作业的智能阀门控制器，其内主要包括无线充电接收部分（接收线圈及其相应保护装置）、整流电路、电池充电电路、为电机供能的蓄电池组、电机、封隔件等。图3-1井下无线传输系统总体原理设计框图当井下智能阀门控制器的接收线圈与上部作业筒的发射线圈套用后，可实现两大部分的功能：（1）与井下电能传输有关的无线电能传输功能发射装置与接收装置套用后，上部作业筒的电池组通过逆变电路转换为高频交流电激励发射线圈，通过电磁耦合将电能传输到井下接收线圈，随后整流等电路对接收到的电能进行转化，并向下一级传递，使其为电机的蓄电池供能，保障电机的连续作业时间。（2）与井下信号传输有关的无线指令信号传输功能工具入井前，上部作业筒可进行指令设置。发射装置与接收装置套用后，上部作业筒的指令传送模块传递相关的控制指令，以给井下的电机控制装置，进而驱动电机进行相应动作，并可由井下检测装置将封隔件的位置信息检测并反馈给控制模块，由无线指
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本文编号：2877827