發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 10:29

　　 石油作為社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的主要促進(jìn)因素,在國民經(jīng)濟(jì)中處于戰(zhàn)略地位,為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用,是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要能源。我國陸上油田經(jīng)多年勘探開采,已處于開發(fā)中后期,層間油藏開采矛盾日益突出,分層采油成為緩解矛盾的關(guān)鍵技術(shù)手段,而井下智能閥門控制器作為該技術(shù)最重要的井下工具之一,其工作性能的好壞直接影響著石油采收率及生產(chǎn)成本。相較傳統(tǒng)封隔器而言,井下智能閥門控制器便于控制,但因長期在井下反復(fù)作業(yè),為其電機(jī)供能的蓄電池耗能快,整個(gè)裝置使用的重復(fù)性不高,更換蓄電池耗時(shí)費(fèi)力。因此本文選用無線電能傳輸技術(shù),借助電磁場等空間無形軟介質(zhì)為井下蓄電池實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸,延長井下智能閥門控制器的作業(yè)時(shí)間。本文對(duì)井下無線充電裝置進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),從無線電能傳輸技術(shù)機(jī)理出發(fā),采用等效耦合電路的方法研究系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,得到影響定功率系統(tǒng)高效傳輸?shù)闹匾獏��?shù)。借助多物理場耦合仿真軟件,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,探索各裝置參數(shù)對(duì)線圈電氣參數(shù)及互感的影響,最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)裝置分析與設(shè)計(jì)的合理性。本文研究內(nèi)容包括以下部分:(1)從等效耦合模型入手,詳細(xì)分析負(fù)載功率給定時(shí)系統(tǒng)高效傳輸?shù)臈l件,得到定功率高效條件公式和相應(yīng)的匹配負(fù)載公式,為仿真建模和實(shí)驗(yàn)研究奠定理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。(2)研究井下無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型,多角度對(duì)比驗(yàn)證建模的正確性與合理性。以理論推導(dǎo)結(jié)果為指導(dǎo)思想,探索井下無線充電裝置的各參數(shù)(如裝置材料、線圈線徑等)對(duì)發(fā)射線圈內(nèi)阻和線圈間互感的影響,并經(jīng)優(yōu)選后得到給定50W功率時(shí)傳輸效率高的井下無線電能傳輸系統(tǒng)。(3)研究并設(shè)計(jì)井下無線電能傳輸系統(tǒng)的逆變與整流電路,并測(cè)試電路和整體裝置樣機(jī),分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到與理論和仿真思想基本一致的實(shí)物模型,驗(yàn)證對(duì)井下無線充電裝置分析與設(shè)計(jì)的可行性。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TM724;TE931.2
【部分圖文】：

12射與接收回路的固有頻率和高頻激勵(lì)電源的頻率之間沒有直接聯(lián)系，僅為降低系統(tǒng)無功功率，才在選取電容時(shí)考慮高頻激勵(lì)電源的頻率[15]。而MCR-WPT系統(tǒng)的發(fā)射和接收回路的固有頻率與高頻激勵(lì)電源的頻率緊密相關(guān)，三者頻率必須完全相同才能完成電能的無線高效傳輸[15]。根據(jù)補(bǔ)償電容與系統(tǒng)中電感的相接形式，可得到MCR-WPT系統(tǒng)的四種諧振變換拓?fù)洌捍��?lián)-串聯(lián)（SS），串聯(lián)-并聯(lián)（SP），并聯(lián)-并聯(lián)（PP），并聯(lián)-串聯(lián)（PS），如圖2-4所示，其中SU為高頻交流源，M為互感，1C、2C為發(fā)射和接收端的諧振補(bǔ)償電容，1L、2L為發(fā)射和接收端的線圈電感，1R、2R為發(fā)射和接收線圈的內(nèi)阻，LR為負(fù)載電阻。圖2-4磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)系統(tǒng)處于諧振時(shí)上述四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的諧振補(bǔ)償電容值如表2-1所示[51]。（ω為系統(tǒng)諧振角頻率）表2-1四種諧振變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的諧振補(bǔ)償電容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可見四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，僅SS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)射端諧振電容值與接收端參數(shù)無關(guān)，而其余三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均與接收端參數(shù)和互感有關(guān)，且當(dāng)發(fā)射端采用并聯(lián)方式接入電容時(shí)，發(fā)射端容值的選取要受到接收端負(fù)載值的影響，當(dāng)負(fù)載阻值變化，發(fā)射端電容值也要隨之改變。研究表明，較之其他三種拓?fù)涠�言，SS型拓?fù)涞陌l(fā)射端與接收端之間的影響程度較小，適合小負(fù)載、近距離傳輸系統(tǒng)，常見用于電動(dòng)汽車的無線供電。SP型拓?fù)涞膸?

12射與接收回路的固有頻率和高頻激勵(lì)電源的頻率之間沒有直接聯(lián)系，僅為降低系統(tǒng)無功功率，才在選取電容時(shí)考慮高頻激勵(lì)電源的頻率[15]。而MCR-WPT系統(tǒng)的發(fā)射和接收回路的固有頻率與高頻激勵(lì)電源的頻率緊密相關(guān)，三者頻率必須完全相同才能完成電能的無線高效傳輸[15]。根據(jù)補(bǔ)償電容與系統(tǒng)中電感的相接形式，可得到MCR-WPT系統(tǒng)的四種諧振變換拓?fù)洌捍��?lián)-串聯(lián)（SS），串聯(lián)-并聯(lián)（SP），并聯(lián)-并聯(lián)（PP），并聯(lián)-串聯(lián)（PS），如圖2-4所示，其中SU為高頻交流源，M為互感，1C、2C為發(fā)射和接收端的諧振補(bǔ)償電容，1L、2L為發(fā)射和接收端的線圈電感，1R、2R為發(fā)射和接收線圈的內(nèi)阻，LR為負(fù)載電阻。圖2-4磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)系統(tǒng)處于諧振時(shí)上述四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的諧振補(bǔ)償電容值如表2-1所示[51]。（ω為系統(tǒng)諧振角頻率）表2-1四種諧振變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的諧振補(bǔ)償電容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可見四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，僅SS型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)射端諧振電容值與接收端參數(shù)無關(guān)，而其余三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均與接收端參數(shù)和互感有關(guān)，且當(dāng)發(fā)射端采用并聯(lián)方式接入電容時(shí)，發(fā)射端容值的選取要受到接收端負(fù)載值的影響，當(dāng)負(fù)載阻值變化，發(fā)射端電容值也要隨之改變。研究表明，較之其他三種拓?fù)涠�言，SS型拓?fù)涞陌l(fā)射端與接收端之間的影響程度較小，適合小負(fù)載、近距離傳輸系統(tǒng)，常見用于電動(dòng)汽車的無線供電。SP型拓?fù)涞膸?

14第三章井下無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章對(duì)無線電能傳輸技術(shù)的原理和方式進(jìn)行的研究，為本文的井下無線電能傳輸系統(tǒng)確立了基本原理。本章將以磁耦合諧振式基本原理為根本思想，提出井下無線傳輸系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)構(gòu)想，對(duì)井下無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真建模以及電路設(shè)計(jì)，以全面開展井下無線電能傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)工作。3.1井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設(shè)計(jì)井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射裝置和接收裝置兩大部分組成。發(fā)射裝置為井上的上部作業(yè)筒，由絞車下放，其內(nèi)主要包括指令設(shè)置與傳送模塊，電池組，高頻逆變器，無線充電發(fā)射部分（發(fā)射線圈及其相應(yīng)保護(hù)裝置）。接收裝置為長期固定在井下作業(yè)的智能閥門控制器，其內(nèi)主要包括無線充電接收部分（接收線圈及其相應(yīng)保護(hù)裝置）、整流電路、電池充電電路、為電機(jī)供能的蓄電池組、電機(jī)、封隔件等。圖3-1井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設(shè)計(jì)框圖當(dāng)井下智能閥門控制器的接收線圈與上部作業(yè)筒的發(fā)射線圈套用后，可實(shí)現(xiàn)兩大部分的功能：（1）與井下電能傳輸有關(guān)的無線電能傳輸功能發(fā)射裝置與接收裝置套用后，上部作業(yè)筒的電池組通過逆變電路轉(zhuǎn)換為高頻交流電激勵(lì)發(fā)射線圈，通過電磁耦合將電能傳輸?shù)骄�下接收線圈，隨后整流等電路對(duì)接收到的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并向下一級(jí)傳遞，使其為電機(jī)的蓄電池供能，保障電機(jī)的連續(xù)作業(yè)時(shí)間。（2）與井下信號(hào)傳輸有關(guān)的無線指令信號(hào)傳輸功能工具入井前，上部作業(yè)筒可進(jìn)行指令設(shè)置。發(fā)射裝置與接收裝置套用后，上部作業(yè)筒的指令傳送模塊傳遞相關(guān)的控制指令，以給井下的電機(jī)控制裝置，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，并可由井下檢測(cè)裝置將封隔件的位置信息檢測(cè)并反饋給控制模塊，由無線指
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2877827