Система электропитания забойных блоков

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 ΔUст., 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 ΔUст. 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 ΔUвх. 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 ΔUвх.≈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.

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.