石油作為社會生產力發(fā)展的主要促進因素,在國民經濟中處于戰(zhàn)略地位,為經濟可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用,是現(xiàn)代社會不可或缺的重要能源。我國陸上油田經多年勘探開采,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鍵技術手段,而井下智能閥門控制器作為該技術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作業(yè),為其電機供能的蓄電池耗能快,整個裝置使用的重復性不高,更換蓄電池耗時費力。因此本文選用無線電能傳輸技術,借助電磁場等空間無形軟介質為井下蓄電池實現(xiàn)電能的非接觸傳輸,延長井下智能閥門控制器的作業(yè)時間。本文對井下無線充電裝置進行分析與設計,從無線電能傳輸技術機理出發(fā),采用等效耦合電路的方法研究系統(tǒng)數(shù)學模型,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,對系統(tǒng)進行仿真研究,探索各裝置參數(shù)對線圈電氣參數(shù)及互感的影響,最后實驗驗證對裝置分析與設計的合理性。本文研究內容包括以下部分:(1)從等效耦合模型入手,詳細分析負載功率給定時系統(tǒng)高效傳輸?shù)臈l件,得到定功率高效條件公式和相應的匹配負載公式,為仿真建模和實驗研究奠定理論指導基礎。(2)研究井下無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型,多角度對比驗證建模的正確性與合理性。以理論推導結果為指導思想,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)對發(fā)射線圈內阻和線圈間互感的影響,并經優(yōu)選后得到給定50W功率時傳輸效率高的井下無線電能傳輸系統(tǒng)。(3)研究并設計井下無線電能傳輸系統(tǒng)的逆變與整流電路,并測試電路和整體裝置樣機,分析總結實驗結果,得到與理論和仿真思想基本一致的實物模型,驗證對井下無線充電裝置分析與設計的可行性。
【學位單位】：西安石油大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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，才在選取電容時考慮高頻激勵電源的頻率[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電源的頻率緊密相關，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)的四種諧振變換拓撲：串聯(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)射和接收線圈的內阻，LR為負載電阻。圖2-4磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振變換拓撲結構當系統(tǒng)處于諧振時上述四種拓撲結構下的諧振補償電容值如表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撲結構下的諧振補償電容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可見四種拓撲結構中，僅SS型拓撲結構的發(fā)射端諧振電容值與接收端參數(shù)無關，而其余三種拓撲結構均與接收端參數(shù)和互感有關，且當發(fā)射端采用并聯(lián)方式接入電容時，發(fā)射端容值的選取要受到接收端負載值的影響，當負載阻值變化，發(fā)射端電容值也要隨之改變。研究表明，較之其他三種拓撲而言，SS型拓撲的發(fā)射端與接收端之間的影響程度較小，適合小負載、近距離傳輸系統(tǒng)，常見用于電動汽車的無線供電。SP型拓撲的帶

12射與接收回路的固有頻率和高頻激勵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，才在選取電容時考慮高頻激勵電源的頻率[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電源的頻率緊密相關，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)的四種諧振變換拓撲：串聯(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)射和接收線圈的內阻，LR為負載電阻。圖2-4磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振變換拓撲結構當系統(tǒng)處于諧振時上述四種拓撲結構下的諧振補償電容值如表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撲結構下的諧振補償電容值SSSPPPPS1C122LLC221222MLLLC22212L24222221)()(MLLLRCMLCMLL+1L221422LRCLLMLC+2C221ωL可見四種拓撲結構中，僅SS型拓撲結構的發(fā)射端諧振電容值與接收端參數(shù)無關，而其余三種拓撲結構均與接收端參數(shù)和互感有關，且當發(fā)射端采用并聯(lián)方式接入電容時，發(fā)射端容值的選取要受到接收端負載值的影響，當負載阻值變化，發(fā)射端電容值也要隨之改變。研究表明，較之其他三種拓撲而言，SS型拓撲的發(fā)射端與接收端之間的影響程度較小，適合小負載、近距離傳輸系統(tǒng)，常見用于電動汽車的無線供電。SP型拓撲的帶

14第三章井下無線電能傳輸系統(tǒng)設計第二章對無線電能傳輸技術的原理和方式進行的研究，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)的總設計構想，對井下無線電能傳輸系統(tǒng)進行數(shù)學建模和仿真建模以及電路設計，以全面開展井下無線電能傳輸系統(tǒng)的整體設計工作。3.1井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設計井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設計框圖如圖3-1所示。整個系統(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，其內主要包括指令設置與傳送模塊，電池組，高頻逆變器，無線充電發(fā)射部分（發(fā)射線圈及其相應保護裝置）。接收裝置為長期固定在井下作業(yè)的智能閥門控制器，其內主要包括無線充電接收部分（接收線圈及其相應保護裝置）、整流電路、電池充電電路、為電機供能的蓄電池組、電機、封隔件等。圖3-1井下無線傳輸系統(tǒng)總體原理設計框圖當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，可實現(xiàn)兩大部分的功能：（1）與井下電能傳輸有關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換為高頻交流電激勵發(fā)射線圈，通過電磁耦合將電能傳輸?shù)骄陆邮站�圈，隨后整流等電路對接收到的電能進行轉化，并向下一級傳遞，使其為電機的蓄電池供能，保障電機的連續(xù)作業(yè)時間。（2）與井下信號傳輸有關的無線指令信號傳輸功能工具入井前，上部作業(yè)筒可進行指令設置。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的控制指令，以給井下的電機控制裝置，進而驅動電機進行相應動作，并可由井下檢測裝置將封隔件的位置信息檢測并反饋給控制模塊，由無線指
【參考文獻】

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1 張開洪;顏禹;張歡韻;羅林;;電場耦合式無線供電技術研究[J];電源技術;2015年05期

2 周靜;高建邦;饒飛;尚海燕;;導向鉆井工具中電能傳輸用旋轉式變壓器設計[J];石油鉆探技術;2015年01期

3 艾維平;李鐵軍;王鵬;張磊;;自動垂直鉆井工具中非接觸式供電系統(tǒng)研制[J];電力電子技術;2013年07期

4 趙爭鳴;張藝明;陳凱楠;;磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J];中國電機工程學報;2013年03期

5 解慶;蘇靜靜;張建國;白玉新;李廣偉;;基于自動垂直鉆井工具的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)[J];電源世界;2012年09期

6 張獻;楊慶新;陳海燕;李陽;蔡燕;金亮;;電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設計與實驗驗證[J];中國電機工程學報;2012年21期

7 翟淵;孫躍;戴欣;蘇玉剛;王智慧;;磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J];中國電機工程學報;2012年12期

8 譚林林;黃學良;黃輝;鄒玉煒;李慧;;基于頻率控制的磁耦合共振式無線電力傳輸系統(tǒng)傳輸效率優(yōu)化控制[J];中國科學:技術科學;2011年07期

9 李長生;張合;;基于非鐵磁性金屬管的無線能量與信息同步傳輸技術[J];儀器儀表學報;2011年05期

10 楊慶新;陳海燕;徐桂芝;孫民貴;傅為農;;無接觸電能傳輸技術的研究進展[J];電工技術學報;2010年07期

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2 李陽;大功率諧振式無線電能傳輸方法與實驗研究[D];河北工業(yè)大學;2012年

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1 楊婧翌;井下電子工具非接觸式電能傳輸系統(tǒng)建模[D];西安石油大學;2019年

2 趙帥;基于無線電波的小功率充電器設計[D];東北農業(yè)大學;2018年

3 陳福平;井下無線電能傳輸系統(tǒng)設計[D];長江大學;2017年

4 莊甘霖;超聲無線電能傳輸系統(tǒng)關鍵技術研究[D];華南理工大學;2017年

5 郭宗芝;應用于電動汽車無線充電系統(tǒng)的結構優(yōu)化及控制策略研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 李曉芳;井下電磁閥的非接觸式控制系統(tǒng)[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

7 梁雪梅;諧振耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)的實驗研究[D];華北電力大學;2015年

8 史繼翠;磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析[D];湘潭大學;2013年

9 安慰東;提高隨鉆系統(tǒng)中非接觸式電能傳輸效率的研究[D];西安石油大學;2010年

本文編號：2877827