专利名称：井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油测井领域，具体地指一种用于实现供电和控制的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统。
背景技术：
在石油测井领域，因大功率的电磁铁固有的高可靠性和结构简单性，常被用作井 下大功率运动部件的动力源。为保证电磁铁能够在井下恶劣的环境中工作，需要配套高可 靠性的驱动系统。驱动井下大功率电磁铁及小功率井下仪器常用的系统一般有如下两种一、如说明书附图中的图1所示，该系统中，位于井下的电磁铁5和井下仪器用电 设备6由一套位于地面的供电电源1并联供电，并由地面遥测控制电路2把电磁铁5的控 制命令发送给井下遥测单元3，由后者控制电磁铁开关控制电路4，进而控制电磁铁5的吸 合/释放动作。在这种系统中，由于用于控制电磁铁5的井下遥测单元3和电磁铁开关控 制电路4均位于井下，当出现通信故障或者井下遥测单元3不能正常工作时，可能会失去地 面对电磁铁5的控制，造成测井事故。二、如说明书附图中的图2所示，该系统中，电磁铁开关控制电路4位于地面，地面 遥测控制电路2产生的控制信号直接控制位于地面的电磁铁开关控制电路4，再由专门的 电缆将电能传送给井下的电磁铁5，实现电磁铁5的吸合/释放动作。该系统的优点是可靠 性高，然而由于需要为电磁铁5配备专门的供电电缆，所以会导致宝贵的测井电缆资源的浪费。
发明内容本实用新型的目的就是克服上述现有电磁铁及井下仪器驱动系统的问题，提供一 种可靠性高、节约电缆资源的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统。为实现上述目的，本实用新型提供的一种井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统 包括地面控制部分、井下部分及连接二者的测井电缆，其中所述地面控制部分包括井下仪器供电电源、电磁铁供电电源和选通开关，所述选 通开关包括第一输入端IN1、第二输入端IN2、第三输入端IN3和输出端OUT，所述井下仪器 供电电源的负极、电磁铁供电电源的正极和第二输入端IN2同时接地，所述井下仪器供电 电源的正极与第一输入端mi连接，所述电磁铁供电电源的负极与第三输入端IN3连接；所述井下部分包括井下仪器用电设备的供电电路和电磁铁的供电电路，井下仪器 用电设备的供电电路的正极输入端和电磁铁的供电电路的负极输入端分别与所述选通开 关的输出端OUT连接，井下仪器用电设备的供电电路的负极输入端和电磁铁的供电电路的 正极输入端分别接地。所述井下仪器用电设备的供电电路包括与井下仪器用电设备串联的二极管Dl，所 述二极管Dl的正极与所述选通开关的输出端OUT连接，所述二极管Dl的负极与所述井下 仪器用电设备的正极连接，所述井下仪器用电设备的正、负极之间并联有储能电容Cl。[0010]所述井下仪器用电设备的供电电路还包括与井下仪器用电设备串联的熔断器Fl。所述电磁铁的供电电路包括与电磁铁串联的二极管D2，所述二极管D2的负极与所述选通开关的输出端OUT连接，所述二极管D2的正极与所述电磁铁的负极连接。本实用新型的有益效果在于该系统将对于电磁铁的控制置于地面，保证了即使 在井下仪器用电设备出现故障的情况下，电磁铁仍然可以正常工作，从而避免出现严重的 测井事故；同时，电磁铁的供电与井下仪器用电设备的正常供电采用分时复用的方式在一 条电缆芯上传输，节约了宝贵的电缆资源，保证了该驱动系统的高效性。
图1为一种现有井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统的电路框图；图2为另一种现有井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统的电路框图；图3为本实用新型的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统的电路框图；图4为图3中选通开关的输出端OUT输出的驱动脉冲Vd 的一个典型波形图；图5为图3中选通开关一个典型实施例的电路框图。图中，供电电源1，地面遥测控制电路2，井下遥测单元3，电磁铁开关控制电路4， 电磁铁5，井下仪器用电设备6，井下仪器供电电源7，电磁铁供电电源8，选通开关9 (其中 第一直流变换电源9. 1、第一光电隔离芯片9. 2、第一MOSFET驱动芯片9. 3、第二直流变换电 源9. 4、第二光电隔离芯片9. 5、第二 MOSFET驱动芯片9. 6)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动 系统作进一步的详细描述图1和图2示出了现有的两种常用井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统，因在 背景技术中已作了详细介绍，于此不再赘述。如图3所示，本实用新型的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统包括地面控制 部分、井下部分及连接二者的测井电缆，其中地面控制部分包括井下仪器供电电源7、电磁铁供电电源8和选通开关9。选通开 关9包括第一输入端IN1、第二输入端IN2、第三输入端IN3和输出端OUT。井下仪器供电 电源7的负极、电磁铁供电电源8的正极和第二输入端IN2同时接地。井下仪器供电电源 7的正极与第一输入端mi连接，电磁铁供电电源8的负极与第三输入端IN3连接；图5示意出了一种实现上述选通开关9的选通电路的电路框图。控制信号CTRLl 和控制信号CTRL2共同构成选通开关9的脉冲控制信号输入，第一直流变换电源9. 1为第 一光电隔离芯片9. 2和第一 MOSFET驱动芯片供电，第二直流变换电源9. 4为第二光电隔离 芯片9. 5和第二 MOSFET驱动芯片供电一、当控制信号CTRLl (控制信号CTRL2)为高电平时，第一光电隔离芯片9. 2 (第 二光电隔离芯片9. 5)输出高电平，此电平经第一MOSFET驱动芯片9. 3(第二MOSFET驱动芯 片9. 6)驱动第一功率MOSFET管Ql (第二功率MOSFET管Q2)，使第一功率MOSFET管Ql (第 二功率MOSFET管Q2)导通，输出端OUT和第一输入端1附(第二输入端IN2)接通；当控制信号CTRLl和控制信号CTRL2均为低电平时，第一光电隔离芯片9. 2和第二光电隔离芯片9. 5均输出低电平，该低电平分别经第一 MOSFET驱动芯片9. 3和第二MOSFET驱动芯片9. 6驱动第一功率MOSFET管Ql和第二功率MOSFET管Q2，使第一功率 MOSFET管Ql和第二功率MOSFET管Q2均截止，输出端OUT经电阻Rl和输入端IN2接通。井下部分包括井下仪器用电设备6的供电电路和电磁铁5的供电电路。井下仪器 用电设备6的供电电路包括与井下仪器用电设备6串联的二极管D1。该二极管Dl的正极 与选通开关9的输出端OUT连接，负极与井下仪器用电设备6的正极连接。井下仪器用电 设备6 —般为小功率用电器。为确保井下仪器用电电路故障时，仍能够实现对电磁铁5的 驱动，本实施例在二极管Dl与井下仪器用电设备6之间还串联有熔断器F1。在井下仪器用 电设备6的正、负极之间并联有储能电容Cl，通过该储能电容Cl的充、放电，实现对井下仪 器用电设备6的连续供电；电磁铁5的供电电路包括与电磁铁5串联的二极管D2。二极管 D2的负极与选通开关9的输出端OUT连接，正极与电磁铁5相连。本实用新型的工作原理如下一、驱动系统正常工作时设井下仪器供电电源7的输出电压为Vt(ral，电磁铁供电电源8的输出电压为VM， 选通开关9在脉冲控制信号的控制下，实现输出端OUT与三个输入端INI、IN2和IN3之间 的轮换接通，形成相应的电磁铁驱动脉冲Vd 。例如在图5中，设置控制信号CTRLl为高电 平，控制信号CTRL2为低电平，使第一功率MOSFET管Ql导通，第二功率MOSFET管Q2截止， 电流经第一功率MOSFET管Ql从输入端mi流向输出端OUT，实现正电压的输出；设置控制 信号CTRLl为低电平，控制信号CTRL2为高电平，使第一功率MOSFET管Ql截止，第二功率 MOSFET管Q2导通，电流经第MOSFET管Q2从输出端OUT流向输入端IN3，实现负电压的输 出；使控制信号CTRLl和控制信号CTRL2同时为低电平，第一功率MOSFET管Ql和第二功率 MOSFET管Q2同时截止，输出端OUT输出与输入端IN2相同的电平。以A点作为系统的零电位参考点，则Vd 的一个典型波形如图4所示 在T。ff时间范围内，脉冲控制信号使选通开关9的输出端OUT与第二输入端IN2接 通，Vdrv为0，井下C、D之间的电压差Vd。也为0，二极管D1、D2均截止，井下仪器用电设备6 和电磁铁5都不工作。在Ttral时间范围内，脉冲控制信号使选通开关9的输出端OUT与第一输入端INl 接通，Vd = Vtral，此电压虽然经测井电缆的传输会有衰减，但vd。仍为正电压，此时，二极管 Dl导通，二极管D2截止，井下仪器用电设备6得电工作，同时该电压向储能电容Cl充电。 电磁铁5不工作。在Tem时间范围内，脉冲控制信号使选通开关9的输出端OUT与第三输入端IN3接 通，vd = -V ，此电压虽然经测井电缆的传输会有衰减，Vd。仍为负电压，此时，二极管Dl截 止，二极管D2导通。储能电容Cl在Ttral时间内的储能向井下仪器用电设备6的供电电路 供电，维持井下仪器用电设备6正常工作。同时，由于二极管D2导通，电磁铁5得电工作， 电磁铁5吸合，开启了由电磁铁5控制的井下大功率机械。在接下来的Tttral时间范围内，脉冲控制信号重新使选通开关9的输出端OUT与第 一输入端mi接通，vd = Vtral,并经测井电缆向井下仪器用电设备6供应电能。此时，二极 管Dl再次导通，井下仪器用电设备6得电工作的同时向储能电容Cl充电。由于电磁铁5 是一种感性设备，此时二极管D2给电磁铁5提供了续流通道，电磁铁向其他电路返回能量，电磁铁释放。电磁铁5产生的自感电动势被地面的Vd 钳位。所以，实际上C、D之间的电 压差Vd。由Vtral、测井电缆特性、储能电容Cl，以及井下测井电路的功耗共同决定。在接下来的Tem时间范围内，脉冲控制信号使选通开关9的输出端OUT与第三输入 端IN3接通，Vd = -Veffl, Vdc为负电压，此时，二极管Dl截止，二极管D2导通。储能电容Cl 在Tttral时间内的储能向井下仪器用电设备6供电，使其正常工作。同时，由于二极管D2导 通，电磁铁5得电工作，电磁铁5吸合，井下大功率机械输出动力。整个测井系统进入稳定 工作状态。在上述过程中，通过控制Tttral和Tem的长度及比例，可以改变电磁铁5的工作频率， 实现电磁铁5的不同工作需求。通过改变电磁铁供电电源8的输出电压VM，可以改变电磁 铁5的吸合强度。二、井下仪器用电设备6的供电电路出现异常时井下仪器用电设备6的供电电路通常有两种异常情况1.井下仪器用电设备6的供电电路出现短路故障。该种故障包括井下仪器用电设 备6本身、储能电容Cl或者二极管Dl发生短路。在这几种情况下，熔断器Fl都会熔断，从 而使发生故障的井下仪器用电设备6的供电电路与电磁铁5的供电电路隔离，保证地面对 电磁铁5的驱动仍然能够进行；2.井下仪器用电设备6的供电电路出现断路故障。该情况下，只要二极管D2不发 生断路，电磁铁5就能够正常工作。事实上，二极管发生断路故障的几率极小。三、地面设备出现异常时1.井下仪器供电电源7故障。由于该电源不对电磁铁5供电，所以此时，电磁铁5的工作不受影响。2.电磁铁供电电源8故障。此时，可方便的更换其它合适的电源代替原来的电磁铁供电电源8工作。3.选通开关9故障。此时，可在C、D间以点动的方式人工加入相应的电源，提供 相应的负脉冲，以维持井下电磁铁5的工作。
权利要求一种井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统，包括地面控制部分、井下部分及连接二者的测井电缆，其特征在于所述地面控制部分包括井下仪器供电电源(7)、电磁铁供电电源(8)和选通开关(9)，所述选通开关(9)包括第一输入端IN1、第二输入端IN2、第三输入端IN3和输出端OUT，所述井下仪器供电电源(7)的负极、电磁铁供电电源(8)的正极和第二输入端IN2同时接地，所述井下仪器供电电源(7)的正极与第一输入端IN1连接，所述电磁铁供电电源(8)的负极与第三输入端IN3连接；所述井下部分包括井下仪器用电设备(6)的供电电路和电磁铁(5)的供电电路，井下仪器用电设备(6)的供电电路的正极输入端和电磁铁(5)的供电电路的负极输入端分别与所述选通开关(9)的输出端OUT连接，井下仪器用电设备(6)的供电电路的负极输入端和电磁铁(5)的供电电路的正极输入端分别接地。
2.根据权利要求1所述的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统，其特征在于所述 井下仪器用电设备(6)的供电电路包括与井下仪器用电设备(6)串联的二极管D1，所述二 极管Dl的正极与所述选通开关(9)的输出端OUT连接，所述二极管Dl的负极与所述井下 仪器用电设备(6)的正极连接，所述井下仪器用电设备(6)的正、负极之间并联有储能电容 Cl。
3.根据权利要求2所述的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统，其特征在于所述 井下仪器用电设备(6)的供电电路还包括与井下仪器用电设备(6)串联的熔断器F1。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系 统，其特征在于所述电磁铁(5)的供电电路包括与电磁铁(5)串联的二极管D2，所述二极 管D2的负极与所述选通开关(9)的输出端OUT连接，所述二极管D2的正极与所述电磁铁 (5)的负极连接。
专利摘要本实用新型指一种井下大功率电磁铁及井下仪器驱动系统，属于石油测井领域。它包括地面控制部分、井下部分及连接二者的测井电缆。地面控制部分包括井下仪器供电电源、电磁铁供电电源和选通开关。选通开关包括第一输入端IN1、第二输入端IN2、第三输入端IN3和输出端OUT。井下仪器供电电源的负极、电磁铁供电电源的正极和第二输入端IN2同时接地。井下仪器供电电源的正极与第一输入端IN1连接，电磁铁供电电源的负极与第三输入端IN3连接；井下部分包括井下仪器用电设备6的供电电路和电磁铁5的供电电路。井下仪器用电设备6的供电电路的正极和电磁铁5的供电电路的负极分别与选通开关的输出端OUT连接，井下仪器用电设备6的供电电路的负极和电磁铁5的供电电路的正极分别接地。
文档编号H01F7/18GK201576526SQ20092028936
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者付永前, 周艳平, 孙涛, 程波, 胡滢, 金为武, 颜晓淮, 高玮 申请人:武汉海王机电工程技术公司