Патент на изобретение №2310749

(54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЗАБОЙНЫХ БЛОКОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для электропитания забойных блоков, в частности, автономных приборов, спущенных на забой скважины. Устройство содержит источник электропитания, подключенный двухпроводной линией связи через регулятор напряжения к нагрузке, параллельно соединенной с конденсатором. Регулятор напряжения выполнен в виде ключа, управляемого светодиодом, который последовательно соединен со стабилитроном. Ключ подсоединен в разрыв одного из проводов двухпроводной линии связи. Последовательно соединенные управляющий светодиод и стабилитрон подключены параллельно нагрузке. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия. 2 ил.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам электропитания автономных приборов, спущенных на забой скважины.

Электропитание забойных устройств, например инклинометров, телеметрических систем, геофизических приборов и т.п., производится с поверхности через линию связи, т.е. обычный кабель. Чтобы снизить энергопотребление и нагрев забойных блоков, как правило, для электропитания забойной аппаратуры в ней используются DC-DC преобразователи. Питание таких преобразователей через длинную линию связи связано с определенными трудностями. Дело в том, что DC-DC преобразователи работают в режиме постоянной мощности, т.е.

Iвх Uвх=const.

где Uвх – напряжение на входе DC-DC преобразователя, т.е. на входе электропитания забойного блока, Iвх – ток электропитания, протекающий с источника электропитания, расположенного на поверхности через линию связи на вход забойного блока.

При увеличении тока потребления в забойном блоке Iвх тоже увеличивается, падение напряжения на линии связи также увеличивается и напряжение Uвх снижается, что в свою очередь приведет к еще большему увеличению тока потребления и еще большему снижению Uвх, процесс лавинообразно развивается, в результате чего наземный блок или источник электропитания отключаются из-за перегрузки.

Одно из возможных решений этой проблемы описано в патенте RU N2151868 от 27.06.2000 г., где при увеличении тока потребления забойного блока напряжение на источнике питания увеличивается ровно на столько, на сколько увеличилось падение напряжения на линии связи, в результате чего напряжение Uвх будет поддерживаться постоянным и не зависящим от тока потребления. Другими словами, создан стабилизатор напряжения забойного блока, расположенный не в забойном блоке, а в поверхностном источнике электропитания.

Однако в ряде случаев, в частности при резком увеличении тока потребления, например, когда в составе забойного блока имеются электродвигатели, гироскопы и т.п. устройства, при запуске или торможении которых ток потребления может резко меняться (в 10-100 раз), из-за динамических свойств длинных линий наземный стабилизатор не «успеет» отработать «быстрые» изменения напряжения питания на входе забойного блока. Процесс токопотребления забойного блока в этом случае будет таким же, как и в случае отсутствия стабилизатора (см. выше), что приведет к нарушению работы забойного блока и его отключению. Эта задача может быть решена, если использовать стабилизатор напряжения непосредственно в забойном блоке.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является система электропитания (см. патент RU N2163390, кл. G05F 1/625 от 1999 г.), содержащая источник постоянного напряжения, подключенный двухпроводной линией связи к регулятору напряжения, который представляет собой операционный усилитель, в контур обратной связи которого включены параллельно соединенные между собой полезная нагрузка, стабилитрон и накопительный конденсатор. Здесь в качестве регулятора напряжения на нагрузке используется операционный усилитель, который регулирует напряжение на нагрузке таким образом, что обеспечивает стабилизацию тока потребления в нагрузке. Резкое изменение токопотребления нагрузкой сглаживается при помощи накопительного конденсатора.

Недостатком известной системы электропитания является невозможность ее применения в качестве регулятора напряжения или тока забойных устройств по причине низкого КПД. Большой ток потребления приводит к его перегреву.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия при уменьшении габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в системе электропитания забойных блоков, содержащей источник электропитания, подключенный двухпроводной линией связи через регулятор к нагрузке, параллельно которой подключен конденсатор, и стабилитрон, регулятор напряжения выполнен в виде ключа, управляемого светодиодом, который последовательно соединен со стабилитроном, при этом ключ подключен в разрыв одного из проводов двухпроводной линии связи, а цепочка из последовательно соединенных управляющего светодиода и стабилитрона подключена параллельно нагрузке.

На фиг.1 представлена схема системы электропитания забойных блоков.

На фиг.2 – эпюры, поясняющие работу системы.

Система содержит блок 1 питания, расположенный на поверхности и соединенный двухпроводной линией связи 2 с забойным блоком 3, в котором размещены регулятор напряжения 4 и измерительная аппаратура, представленная в виде нагрузки 5.

Регулятор напряжения 4 выполнен в виде ключа 6. подключенного в разрыв одного из проводов двухпроводной линии связи 2, управляемого светодиодом 7, последовательно соединенным со стабилитроном 8, при этом цепочка из последовательно соединенных управляющего светодиода 7 и стабилитрона 8 подключена параллельно конденсатору 9, который в свою очередь параллельно подключен к нагрузке 5.

Система работает следующим образом.

Ключ 6 в нормальном состоянии замкнут. Напряжение электропитания с поверхности подается по двухпроводной линии связи 2 на клеммы регулятора напряжения 4 забойного блока 3. Напряжение на входе ключа 6 (перед ним) Uлин. равно напряжению на выходе ключа 6, т.е. на входных клеммах нагрузки 5 Uвх. Такая картина наблюдается, если это напряжение не превышает напряжение стабилизации стабилитрона 8 Uст., т.е. если

то Uвх.=Uлин.

Если напряжение на входе ключа 6 Uлин. превысит напряжение стабилитрона 8, т.е. в случае, если

через стабилитрон 8, а значит и через светодиод 7 пойдет электрический ток, В этом случае светодиод 7 «зажжется». Ключ 6 разомкнется. Ток по линии связи 2 к забойному блоку 3 перестанет поступать. Конденсатор 9 начнет разряжаться. Напряжение на конденсаторе 9 снизится и станет меньше напряжения стабилизации стабилитрона 8, т.е. Uвх.Uст., при этом ток через стабилитрон 8 и через светодиод 7 прекратится, светодиод 7 погаснет, ключ 6 замкнется и ситуация возвратится к первоначальной, описываемой соотношением (1). Далее весь процесс включения-отключения ключа 6 будет периодически повторяться.

Следует учитывать, что величина Uст. в приводимых выше соотношениях превышает напряжение стабилизации стабилитрона Uo на величину Uст., которая равна падению напряжения на светодиоде 7, т.е.

если последовательно со стабилитроном 8 и светодиодом 7 располагаются еще какие-либо пассивные элементы, например резистор, то величина Uст. в формуле (3) возрастает на величину падения напряжения на этом резисторе. Реально ток срабатывания светодиода 7 составляет доли миллиампера, а падение напряжения на нем порядка одного-двух вольт обычно гораздо меньше напряжения стабилизации стабилитрона Uo, т.е. можно предполагать, что

Uст.Uo,

и именно это имеется в виду в дальнейших рассуждениях.

Эпюры работы устройства показаны на фиг.2а и 2б.

Когда ключ 6 замкнут, происходит увеличение напряжения на клеммах электропитания забойного блока 3 Uвх. и конденсатор 9 заряжается напряжением Uлин. Это происходит в течение времени Тзар., которое определяется емкостью конденсатора 9, напряжением на входе ключа 6 Uлин. и эквивалентным сопротивлением цепи заряда Rзар., т.е. приведенным ко входу ключа 6 сопротивлением линии связи 1, сопротивлением замкнутого ключа 6, нагрузкой 5.

Как только напряжение на конденсаторе 9 превысит Uст., через стабилитрон 8 и светодиод 7 пойдет ток, светодиод 7 «зажжется», а ключ 6 разомкнется. В течение времени Тразр. конденсатор 9 будет разряжаться в нагрузку 5, а напряжение на нем (и соответственно на нагрузке, т.е. напряжение электропитания забойного блока) будет снижаться. Время разряда определяется напряжением на конденсаторе 9, его емкостью и током потребления забойного блока 3. Как только напряжение на конденсаторе 9 в процессе разряда станет меньше Uст., ток через стабилитрон 8 и светодиод 7 перестанет идти, светодиод 7 погаснет, ключ разомкнется и процесс заряда-разряда конденсатора 9 повторится заново. При изменении тока потребления забойного блока 3 скважность последовательности импульсов включения-выключения (см. фиг.2б) изменяется: увеличение тока приводит к росту скважности (т.е. Тразр. уменьшается), а при снижении тока потребления – скважность снижается.

Амплитуда изменения напряжения питания забойного блока 3 Uвх. в процессе его стабилизации, т.е. его отличие от напряжения Uст. определяется чувствительностью ключа 6 к току срабатывания (т.е. величиной минимального тока через светодиод 7, при котором ключ 6 срабатывает), а также динамическими характеристиками ключа 6 – скоростью включения-выключения, максимальной частотой переключений и т.п.

В реальных схемах величина Тзар. составляет порядка 1-100 микросекунд, а Uвх.10-100 mV при Uст.24-72 В и изменении тока потребления от 50 мA до 1 А.

Система может также быть использована как ограничитель напряжения на входе забойного блока 3, т.е. использоваться как своеобразный предохранитель. Дело в том, что при длинных линиях связи напряжение на приемнике, т.е. на забое может сильно отличаться от напряжения на источнике, причем оно может быть кратно больше. Такое кратковременное нарастание напряжения происходит из-за проявления волновых свойства длинных линий связи, которые имеют распределенные индуктивность и емкость. Ситуация, когда напряжение на приемнике может кратковременно возрасти, возникает не только при каждом включении-выключении приборов, но и при любых обрывах или коротких замыканиях в линии. Для забойных приборов, используемых в бурении скважин, – это обычная практика, поскольку в качестве линии связи используется геофизический кабель длиной 5-7 км с ярко выраженными волновыми свойствами. Если не предпринимать специальных мер, то по этой причине (т.е. из-за самопроизвольных «всплесков» напряжения питания) возможны частые поломки забойных блоков и их отказы на забое.

При работе системы в качестве ограничителя напряжения ключ 6 всегда замкнут, и, пока напряжение Uлин. не превышает Uст., оно без изменения поступает на вход электропитания забойного блока 3, т.е.

Uвх.=Uлин.

При превышении Uлин. значения Uст. система начинает работать как стабилизатор напряжения, описанный выше, т.е. в результате его работы кратковременные скачки напряжения на входе забойного блока не будут превышать безопасный уровень Uст.

Формула изобретения

Система электропитания забойных блоков, содержащая источник электропитания, подключенный двухпроводной линией связи через регулятор напряжения к нагрузке, параллельно которой подключен конденсатор, и стабилитрон, отличающаяся тем, что регулятор напряжения выполнен в виде ключа, управляемого светодиодом, который последовательно соединен со стабилитроном, при этом ключ подсоединен в разрыв одного из проводов двухпроводной линии связи, а цепочка из последовательно соединенных управляющего светодиода и стабилитрона подключена параллельно нагрузке.

РИСУНКИ