一种智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保护方法
【专利摘要】本发明创造提供了一种智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保护方法，通过对电源输出电压的分压比较以及回路电流的采集放大比较，判断电源输出电压和回路电流的状态，避免负载的不正常工作。本发明创造所述的智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保护方法，当电源开启电压逐渐升高、电源关闭电压降低、工具钻进过程中电压波动以及存在冲击电流等情况时，电源系统无输出，用电负载暂时停止工作，待电源系统供电正常后，用电负载再开始工作，从而保护智能钻井工具的电子控制单元等用电负载工作的稳定性和安全性，提高其使用寿命，降低维修成本。
【专利说明】
-种智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保护方法
技术领域
[0001] 本发明创造属于石油、天然气钻井领域，尤其是设及一种智能钻井工具电源保护 电路及方法。
【背景技术】
[0002] 采用泥浆满轮发电机作为供电电源的智能钻井工具，多采用稳压电源技术进行电 能转换，由于钻井液泥浆流量波动大，转换出的供电电压变化范围较宽，在额定电压附近波 动较大，当泥浆满轮发电机开始工作和停止工作时，其输出电压有一个上升和下降的过程， 当供电电源电压不稳或未达到负载用电需求时，若直接给负载供电，容易造成负载工作异 常，甚至造成电子元器件的烧毁，影响智能钻井工具电子控制单元的正常工作，缩短智能钻 井工具的使用寿命，增加维修保养成本。因此，在井下电源系统中，有必要增设电压和电流 保护电路，防止由于电源电压的波动或冲击电流的影响，造成智能钻井工具电子控制单元 的工作异常。
[0003] 因此，在高溫、振动、冲击等恶劣条件的石油钻井环境中，将电压、电流保护电路和 方法应用于钻井工具电源系统中，通过监控电源系统的电压、电流，控制稳压电源的电能转 换和输出，具有重要的意义和研究价值。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明创造旨在提出一种智能钻井工具电源保护电路及方法，用于在 电源启动和停止、电源电压波动W及存在冲击电流的情况下对智能钻井工具的电子控制单 元等用电负载进行保护，防止工具负载因供电不稳或电流过大导致的工作异常。
[0005] 为达到上述目的，本发明创造的技术方案是运样实现的：
[0006] -种智能钻井工具电源保护电路，包括整流滤波电路、稳压电路和保护电路；
[0007] 所述整流滤波电路为=相整流滤波电路，所述稳压电路包括反激式变压器、半波 整流滤波电路、反馈电路和脉宽调制电路，所述保护电路包括分压电路、欠压保护电路、过 压保护电路、回路电流采样电路和过流保护电路；
[000引该=相整流滤波电路的输入端连接电源，输出端包括直流电压输出端和回路端；
[0009] 所述直流电压输出端分为两路，一路接入稳压电路，即与所述反激式变压器的电 能输入端电连接，另一路通过分压电路接地，所述分压电路上设有第一分压节点和第二分 压节点，所述第一分压节点通过欠压保护电路与所述脉宽调制电路信号连接，第二分压节 点通过过压保护电路与所述脉宽调制电路信号连接；
[0010] 所述回路端通过回路电流采样电路接地，该回路电流采样电路通过过流保护电路 与所述脉宽调制电路信号连接；
[0011] 所述脉宽调制电路与所述反激式变压器的信号输入端电连接，所述反激式变压器 的电能输出端与所述半波整流滤波电路的输入端电连接，所述半波整流滤波电路的输出端 设有采样节点，所述采样节点通过反馈电路与所述脉宽调制电路信号连接。
[0012] 进一步的，所述=相整流滤波电路包括并联的全波整流电路和电容滤波电路。
[0013] 进一步的，所述分压电路包括依次串联的第一电阻、第二电阻和第=电阻，所述第 一电阻的起始端与所述直流电压输出端电连接，所述第=电阻的末端接地，所述第一分压 节点位于所述第一电阻和第二电阻之间，所述第二分压节点位于所述第二电阻和第=电阻 之间。
[0014] 进一步的，所述欠压保护电路包括第一比较器、第四电阻、第屯二极管和第五电 阻，所述第一比较器的同相输入端与所述第一分压节点电连接，该第一比较器的反相输入 端接收巧V基准电压，该第一比较器的输出端与所述脉宽调制电路信号连接，所述第四电阻 为反馈电阻，与所述第屯二极管串联后连接在所述第一比较器的同相输入端和输出端之 间，所述第五电阻为上拉电阻，该第五电阻的一端与所述第一比较器的输出端连接，另一端 连接+12V直流电源，所述第一比较器为迟滞比较器。
[0015] 进一步的，所述过压保护电路包括第二比较器、第六电阻、第屯电阻、和第五电阻， 所述第二比较器的同相输入端经第六电阻与巧V基准电压连接，该第二比较器的反相输入 端与所述第二分压节点电连接，该第二比较器的输出端与所述脉宽调制电路信号连接，所 述第屯电阻为反馈电阻，连接在所述第二比较器的同相输入端和输出端之间，所述第五电 阻为上拉电阻，该第五电阻的一端与所述第二比较器的输出端连接，另一端连接+12V直流 电源，所述第二比较器为迟滞比较器。
[0016] 进一步的，所述回路电流采样电路包括第八电阻，所述回路端经第八电阻接地，所 述第八电阻的两端分别为采样端和接地端，所述回路端与所述采样端连接，所述接地端接 地。
[0017] 进一步的，所述过流保护电路包括放大电路和过流判定电路，所述放大电路与所 述回路电流采样电路连接，所述过流判定电路的输入端与放大电路连接，输出端与脉宽调 制电路连接。
[0018] 进一步的，所述放大电路包括第九电阻、第十电阻、第=运算放大器和第十一电 阻，所述第八电阻的采样端经第九电阻与第=运算放大器的反相输入端连接，所述第八电 阻的接地端经第十电阻与第=运算放大器的同向输入端连接，所述第十一电阻为反馈电 阻，连接在第=运算放大器的反相输入端和输出端之间。
[0019] 进一步的，所述过流判定电路包括第四比较器、第十二电阻和第五电阻，所述第四 比较器的同相输入端与巧V基准电压连接，该第四比较器的反相输入端与第=运算放大器 的输出端连接，该第四比较器的输出端与脉宽调制电路信号连接，所述第十二电阻为反馈 电阻，连接在第四比较器的同相输入端和输出端之间，所述第五电阻为上拉电阻，该第五电 阻一端与所述第四比较器的输出端连接，另一端连接+12V直流电源。
[0020] 进一步的，所述第八电阻的两端并联有第六滤波电容。
[0021] 进一步的，所述第=电阻的两端并联有第五滤波电容。
[0022] -种智能钻井工具电源的电压和电流保护方法，智能钻井工具电源包括依次连接 的整流滤波单元、保护单元和稳压单元，且整流滤波单元输入保护单元的输出电压还输入 稳压单元；
[0023] 保护单元的电压和电流保护方法包括W下步骤：
[0024] (1)通过对整流滤波单元的输出电压的分压，得到至少两个分压节点，调整分压节 点处分压值，通过不同分压节点处分压与基准电压的比较，实现对输出电压的欠压和过压 的同时判断，若输出电压小于欠压保护低阔值，执行步骤(2)，若输出电压大于欠压保护高 阔值，执行步骤(3)，若输出电压小于过压保护低阔值，执行步骤(3)，若输出电压大于过压 保护高阔值，执行步骤(2);
[0025] (2)稳压单元电压输出中断；
[0026] (3)稳压单元电压持续输出，此时启动电流保护过程，实现对该智能钻井工具电源 保护电路结合负载构成的电源系统回路进行电流值采样；
[0027] (4)将采样电流转换成微小电压信号；
[0028] (5)通过运算放大器对微小电压信号进行放大；
[0029] (6)将放大后的电压与基准电压比较，若放大后的电压小于基准电压，则执行步骤 (7)，若放大后的电压大于基准电压，则执行步骤(8);
[0030] (7)稳压单元电压输出中断；
[0031] (8)稳压单元电压持续输出。
[0032] 进一步的，所述稳压单元包括脉宽调制电路、反激式变压器、半波整流滤波电路和 反馈电路，脉宽调制电路接收保护单元的保护信号并向反激式变压器输出脉冲波形，所述 反激式变压器接收整流滤波电路的输出电压，同时向半波整流滤波电路输出电能，半波整 流滤波电路整流滤波后输出供电电压，同时被反馈电路采集反馈信号，反馈信号输入脉宽 调制电路；
[0033] 基于稳压单元的稳压原理，所述步骤(2)和步骤(7)均包括W下步骤，
[0034] (al)稳压单元的脉宽调制电路关断，脉宽调制电路停止向稳压单元的反激式变压 器输出脉冲波形，
[0035] (a2)反激式变压器不再进行电能变换，稳压电路无直流电能输出；
[0036] 所述步骤(8)中的稳压单元电压持续输出过程包括W下步骤，
[0037] (bl)稳压单元的脉宽调制电路开启，脉宽调制电路正常向稳压单元的反激式变压 器输出脉冲波形，
[0038] 化2)反激式变压器正常进行电能的变换，稳压单元输出直流电能。
[0039] 相对于现有技术，本发明创造所述的智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保 护方法具有W下优势：
[0040] (1)本发明创造所述的智能钻井工具电源保护电路及电压和电流保护方法，当电 源开启电压逐渐升高、电源关闭电压降低、工具钻进过程中电压波动W及存在冲击电流等 情况时，电源系统无输出，用电负载暂时停止工作，待电源系统供电正常后，用电负载再开 始工作，从而保护智能钻井工具的电子控制单元等用电负载工作的稳定性和安全性，提高 其使用寿命，降低维修成本。
【附图说明】
[0041] 构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创 造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在 附图中：
[0042] 图1为本发明创造实施例所述的智能钻井工具电源保护电路原理图；
[0043] 图2为本发明创造实施例所述的智能钻井工具电源电压和电流保护方法流程图；
[0044] 图3为本发明创造实施例中欠压保护电路测试数据曲线图。
[0045] 附图标记说明：
[0046] 1-泥浆满轮发电机;2-整流滤波电路;3-稳压电路;31-反激式变压器;32-半波整 流滤波电路;33-反馈电路;34-脉宽调制电路;4-保护电路。
【具体实施方式】
[0047] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可 W相互组合。
[004引在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、 "前"、"后V'左'、"右V'竖曹'、"水甲V'顶'、"底V'胖V'外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示 或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解 为对本发明创造的限制。此外，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"等 的特征可W明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另 有说明，"多个"的含义是两个或两个W上。
[0049] 在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安 装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地 连接;可W是机械连接，也可W是电连接;可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连， 可W是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W通过具体情况理解上 述术语在本发明创造中的具体含义。
[0050] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
[0051] 如图1和2所示，本发明创造中的智能钻井工具电源保护电路，包括整流滤波电路 2、稳压电路3和保护电路4;
[0052] 整流滤波电路2为=相整流滤波电路，稳压电路3包括反激式变压器31、半波整流 滤波电路32、反馈电路33和脉宽调制电路34,保护电路4包括分压电路、欠压保护电路、过压 保护电路、回路电流采样电路和过流保护电路；
[0053] 该=相整流滤波电路的输入端连接电源，输出端包括直流电压输出端和回路端；
[0054] 直流电压输出端分为两路，一路接入稳压电路3,即与反激式变压器31的电能输入 端电连接，另一路通过分压电路接地，分压电路上设有第一分压节点和第二分压节点，第一 分压节点通过欠压保护电路与脉宽调制电路34信号连接，第二分压节点通过过压保护电路 与脉宽调制电路34信号连接；
[0055] 回路端通过回路电流采样电路接地，该回路电流采样电路通过过流保护电路与脉 宽调制电路34信号连接；
[0056] 脉宽调制电路34与反激式变压器31的信号输入端电连接，反激式变压器31的电能 输出端与半波整流滤波电路32的输入端电连接，半波整流滤波电路32的输出端设有采样节 点，采样节点通过反馈电路33与脉宽调制电路34信号连接。
[0057] =相整流滤波电路包括并联的全波整流电路和电容滤波电路。
[005引分压电路包括依次串联的第一电阻Rl、第二电阻R2和第S电阻R3,第一电阻Rl的 起始端与直流电压输出端电连接，第=电阻R3的末端接地，第一分压节点位于第一电阻Rl 和第二电阻R2之间，第二分压节点位于第二电阻R2和第=电阻R3之间。
[0059] 欠压保护电路包括第一比较器U1、第四电阻R4、第屯二极管D7和第五电阻R5,第一 比较器Ul的同相输入端与第一分压节点电连接，该第一比较器Ul的反相输入端接收巧V基 准电压VREF5,该第一比较器Ul的输出端与脉宽调制电路34信号连接，第四电阻R4为反馈电 阻，与第屯二极管D7串联后连接在第一比较器Ul的同相输入端和输出端之间，第五电阻R5 为上拉电阻，该第五电阻R5的一端与第一比较器Ul的输出端连接，另一端连接+12V直流电 源，第一比较器Ul为迟滞比较器。
[0060] 过压保护电路包括第二比较器U2、第六电阻R6、第屯电阻R7、和第五电阻R5,第二 比较器U2的同相输入端经第六电阻R6与巧V基准电压Vre巧连接，该第二比较器U2的反相输 入端与第二分压节点电连接，该第二比较器U2的输出端与脉宽调制电路34信号连接，第屯 电阻R7为反馈电阻，连接在第二比较器U2的同相输入端和输出端之间，第五电阻R5为上拉 电阻，该第五电阻R5的一端与第二比较器U2的输出端连接，另一端连接+12V直流电源，第二 比较器肥为迟滞比较器。
[0061 ] 回路电流采样电路包括第八电阻R8,回路端经第八电阻R8接地，第八电阻R8的两 端分别为采样端和接地端，回路端与采样端连接，接地端接地。
[0062] 过流保护电路包括放大电路和过流判定电路，放大电路与回路电流采样电路连 接，过流判定电路的输入端与放大电路连接，输出端与脉宽调制电路34连接。
[0063] 放大电路包括第九电阻39、第十电阻1?10、第^运算放大器1]3和第^^一电阻Rll，第 八电阻R8的采样端经第九电阻R9与第S运算放大器U3的反相输入端连接，第八电阻R8的接 地端经第十电阻RlO与第S运算放大器U3的同向输入端连接，第十一电阻Rll为反馈电阻， 连接在第=运算放大器U3的反相输入端和输出端之间。
[0064] 过流判定电路包括第四比较器U4、第十二电阻R12和第五电阻R5,第四比较器U4的 同相输入端与巧V基准电压Vre巧连接，该第四比较器U4的反相输入端与第S运算放大器U3 的输出端连接，该第四比较器U4的输出端与脉宽调制电路34信号连接，第十二电阻R12为反 馈电阻，连接在第四比较器U4的同相输入端和输出端之间，第五电阻R5为上拉电阻，该第五 电阻R5-端与第四比较器U4的输出端连接，另一端连接+12V直流电源。
[0065] 欠压保护电路、过压保护电路和过流判定电路中的第五电阻R5为一端分别与第一 比较器Ul的输出端、第二比较器U2的输出端和第四比较器U4的输出端连接的同一电阻，该 第五电阻R5的另一端连接+12V直流电源。
[0066] 第八电阻R8的两端并联有第六滤波电容C6。
[0067] 第=电阻R3的两端并联有第五滤波电容巧。
[0068] -种智能钻井工具电源的电压和电流保护方法，智能钻井工具电源包括依次连接 的整流滤波单元、保护单元和稳压单元，且整流滤波单元输入保护单元的输出电压还输入 稳压单元；
[0069] 保护单元的电压和电流保护方法包括W下步骤：
[0070] (1)通过对整流滤波单元的输出电压的分压，得到至少两个分压节点，调整分压节 点处分压值，通过不同分压节点处分压与基准电压的比较，实现对输出电压的欠压和过压 的同时判断，若输出电压小于欠压保护低阔值，执行步骤(2)，若输出电压大于欠压保护高 阔值，执行步骤(3)，若输出电压小于过压保护低阔值，执行步骤(3)，若输出电压大于过压 保护高阔值，执行步骤(2);
[0071] (2)稳压单元电压输出中断；
[0072] (3)稳压单元电压持续输出，此时启动电流保护过程，实现对该智能钻井工具电源 保护电路结合负载构成的电源系统回路进行电流值采样；
[0073] (4)将采样电流转换成微小电压信号；
[0074] (5)通过运算放大器对微小电压信号进行放大；
[0075] (6)将放大后的电压与基准电压比较，若放大后的电压小于基准电压，则执行步骤 (7)，若放大后的电压大于基准电压，则执行步骤(8);
[0076] (7)稳压单元电压输出中断；
[0077] (8)稳压单元电压持续输出。
[0078] 所述稳压单元包括脉宽调制电路、反激式变压器、半波整流滤波电路和反馈电路， 脉宽调制电路接收保护单元的保护信号并向反激式变压器输出脉冲波形，所述反激式变压 器接收整流滤波电路的输出电压，同时向半波整流滤波电路输出电能，半波整流滤波电路 整流滤波后输出供电电压，同时被反馈电路采集反馈信号，反馈信号输入脉宽调制电路；
[0079] 基于稳压单元的稳压原理，所述步骤(2)和步骤(7)均包括W下步骤，
[0080] (al)稳压单元的脉宽调制电路关断，脉宽调制电路停止向稳压单元的反激式变压 器输出脉冲波形，
[0081] (a2)反激式变压器不再进行电能变换，稳压电路无直流电能输出；
[0082] 所述步骤(8)中的稳压单元电压持续输出过程包括W下步骤，
[0083] (bl)稳压单元的脉宽调制电路开启，脉宽调制电路正常向稳压单元的反激式变压 器输出脉冲波形，
[0084] 化2)反激式变压器正常进行电能的变换，稳压单元输出直流电能。
[0085] 本发明创造中智能钻井工具电源保护电路的工作过程为:泥浆满轮发电机1作为 电源产生的低频=相交流电能由整流滤波电路2的输入端输入整流滤波电路2,整流滤波电 路2将输入的电能进行全波整流和电容滤波后，输出粗直流电能Vre。，由于直流电压输出端 中一路与反激式变压器31的电能输入端电连接，反激式变压器31根据负载需求，将接收的 粗直流电能转换成高频交流电能，稳压电路3中的半波整流电路32对高频交流电能进行半 波整流后输出稳定的直流电压Vnut，稳压电路3中的反馈电路33对直流电压Vout进行采样后 反馈至脉宽调制电路34中，脉宽调制电路34根据反馈电路33的输出调整每个周期内脉冲波 形的占空比值，从而控制反激式变压器31的电能转换效率W达到稳定输出直流电压Vnut的 目的。
[0086] 保护电路4包括分压电路、欠压保护电路、过压保护电路、回路电流采样电路和过 流保护电路，第一比较器Ul及其外围电路构成欠压保护电路，第二比较器U2及其外围电路 构成过压保护电路，第S运算放大器U3及其外围电路构成放大电路，第四比较器U4及其外 围电路构成过流判定电路，过流判定电路与放大电路共同构成过流保护电路。
[0087] S相整流滤波电路2的输出电压Vrec经第一电阻RU第二电阻R2和第S电阻R3串联 分压后接地。
[0088] 位于第一电阻Rl和第二电阻R2之间的第一分压节点与第一比较器Ul的同向输入 端连接，Vre巧为巧V基准电压，输入第一比较器Ul的反向输入端，第四电阻R4为反馈电阻，与 第屯二极管D7串联后由第一比较器Ul的输出端连接至第一比较器Ul的同向输入端，第五电 阻R5为上拉电阻，一端连接第一比较器Ul的输出端，另一端接+12V直流电源。当输出电压 Vrec〉欠压保护高阔值Vtlh时，第一比较器Ul输出高电平，第屯二极管D7截止，第一比较器Ul 同向输入端电压Vl+为：
[0089] Vl+= [ (R2+R3)/(R1+R 化 R3) >V rec ①
[0090] 当输出电压心^欠压保护低阔值Vtll时，第一比较器Ul输出低电平，第屯二极管D7 导通，通过第四电阻R4的电流IR4为：
[00川 IR4=(Vrec-VREF5)/Rl-VREF5/(R 化 R3)②
[0092] 当第一比较器Ul输出高电平时，脉宽调制电路34根据反馈电路33的反馈值调整每 个周期内脉冲波形的占空比值，从而控制反激式变压器31的电能转换效率，W稳定输出电 压，当第一比较器Ul输出低电平时，脉宽调制电路34停止工作，无脉冲波形输出，反激式变 压器31无电能转换，输出电压Vout等于0。
[0093] 位于第二电阻R2和第S电阻R3之间的第二分压节点与第二比较器U2的反向输入 端连接，+5V基准电压Vre巧经电阻R6输入第二比较器U2的同向输入端，第屯电阻R7为反馈电 阻，由第二比较器U2的输出端连接至第二比较器U2的同向输入端，第二比较器U2的输出端 经上拉电阻R5后连接+12V直流电源。当输出电压￥,^<过压保护低阔值Vthl时，第二比较器U2 输出高电平，第二比较器肥同向输入端的电压V化为：
[0094] V化=[R7/(R6+R7)]*Vref5 ③
[00巧]当输出电压Vrec〉过压保护高阔值Whh时，第二比较器U2输出低电平，第二比较器U2 反向输入端的翻转电压V2+为：
[0096] V2-=[R3/(R1+R2+R3)]*Vt 皿④
[0097] 当第二比较器U2输出高电平时，脉宽调制电路34根据反馈电路33的反馈值调整每 个周期内脉冲波形的占空比值，从而控制反激式变压器31的电能转换效率，W稳定输出电 压，当第二比较器U2输出低电平时，脉宽调制电路34停止工作，无脉冲波形输出，反激式变 压器31无电能转换，输出电压Vout等于0。
[0098] 电源系统回路电流由作为回路电流采样电路的第八电阻R8采样后转换成微小电 压值，第=运算放大器U3的同向输入端经第十电阻RlO与第八电阻R8的接地端连接，第=运 算放大器U3的反向输入端经第九电阻R9与第八电阻R8的采样端连接，第十一电阻Rll为反 馈电阻，由第=运算放大器U3的输出端连接至反向输入端，第=运算放大器U3的输出电压 V〇ut3 为：
[0099] Vou 口 = [(R9+R11)/R9]*(I rec本R8 )⑥
[0100] 其中，Irec为电源系统回路电流。
[0101] 第四比较器U4的同向输入端连接巧V基准电压VREF5,第四比较器U4的反向输入端 接收第S运算放大器U3的输出电压VDut3，R12为反馈电阻，由第四比较器U4的输出端连接至 第四比较器U4的反向输入端，当回路电流Irec〉过流保护高阔值Ithh时，第四比较器U4输出低 电平，当回路电流1,^<过流保护低阔值Ithl时，第四比较器U4输出高电平。
[0102] 当第四比较器U4输出高电平时，脉宽调制电路34根据反馈电路33的反馈值调整每 个周期内脉冲波形的占空比值，从而控制反激式变压器31的电能转换效率，W稳定输出电 压，当第四比较器U4输出低电平时，脉宽调制电路34停止工作，无脉冲波形输出，反激式变 压器31无电能转换，输出电压Vout等于0。
[0103] 图3为基于本发明创造的一实施例的欠压保护电路测试数据曲线图，设定额定输 入电压为45V，设定欠压保护低阔值Vtll = 44.5V，回差2V，即Vtlh=46.5V，采用立相交流电源 模拟泥浆脉冲发生器1供电，稳压电路3输出电压为36±2V，稳压电路3的输出端连接恒流型 电子负载，负载电流在0A-2.5A之间间隔0.5A变化，测试数据如表1所示。
[0104] 亲1欠用保护由路励估娜陆试輪
[0105]
[0106] 阁3为根据表1中数据绘制的曲线，可化随看巧载的增大，输出电压逐渐降低，欠压 保护电路的开启阔值Vtlh和关断阔值Vtll在设定阔值范围附近，满足本发明电路的设计要 求。
[0107] 工作时，泥浆满轮发电机1产生低频=相交流电能，由=相整流滤波电路2进行全 桥整流和电容滤波，输出粗直流电能至稳压电路3的反激式变压器31，反激式变压器31在脉 宽调制电路34的控制下将粗直流电能转换成高频交流电能，半波整流滤波电路32对高频交 流电能进行半波整流和电容滤波后输出稳定的直流电能，反馈电路33采样输出电压值送入 脉宽调制电路34中，脉宽调制电路34据此调整每个周期内脉冲波形的占空比值，W达到稳 定输出电压的目的。保护电路4中的欠压保护电路和过压保护电路，防止由于泥浆流量波动 大导致的泥浆满轮发电机1产生的电能过低或过高对开关电源造成损害，保护电路4中的过 流保护电路防止稳压电源回路电流过大导致的电子元器件烧毁，当保护电路4输出低电平 时，脉宽调制电路34停止工作，稳压电路3无输出。
[0108] W上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用W限制本发明创造，凡在本 发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:包括整流滤波电路(2)、稳压电路(3) 和保护电路(4); 所述整流滤波电路（2)为三相整流滤波电路，所述稳压电路（3)包括反激式变压器 (31)、半波整流滤波电路(32)、反馈电路(33)和脉宽调制电路(34)，所述保护电路(4)包括 分压电路、欠压保护电路、过压保护电路、回路电流采样电路和过流保护电路； 该三相整流滤波电路的输入端连接电源，输出端包括直流电压输出端和回路端； 所述直流电压输出端分为两路，一路接入稳压电路(3)，即与所述反激式变压器(31)的 电能输入端电连接，另一路通过分压电路接地，所述分压电路上设有第一分压节点和第二 分压节点，所述第一分压节点通过欠压保护电路与所述脉宽调制电路(34)信号连接，第二 分压节点通过过压保护电路与所述脉宽调制电路(34)信号连接； 所述回路端通过回路电流采样电路接地，该回路电流采样电路通过过流保护电路与所 述脉宽调制电路(34)信号连接； 所述脉宽调制电路(34)与所述反激式变压器(31)的信号输入端电连接，所述反激式变 压器(31)的电能输出端与所述半波整流滤波电路(32)的输入端电连接，所述半波整流滤波 电路(32)的输出端设有采样节点，所述采样节点通过反馈电路(33)与所述脉宽调制电路 (34)信号连接。2. 根据权利要求1所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述分压电路包括 依次串联的第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第一电阻(R1)的起始端与 所述直流电压输出端电连接，所述第三电阻(R3)的末端接地，所述第一分压节点位于所述 第一电阻(R1)和第二电阻(R2)之间，所述第二分压节点位于所述第二电阻(R2)和第三电阻 (R3)之间。3. 根据权利要求1所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述欠压保护电路 包括第一比较器(U1)、第四电阻（R4)、第七二极管(D7)和第五电阻（R5)，所述第一比较器 (U1)的同相输入端与所述第一分压节点电连接，该第一比较器(U1)的反相输入端接收+5V 基准电压(VREF5)，该第一比较器(U1)的输出端与所述脉宽调制电路(34)信号连接，所述第 四电阻(R4)为反馈电阻，与所述第七二极管(D7)串联后连接在所述第一比较器(U1)的同相 输入端和输出端之间，所述第五电阻(R5)为上拉电阻，该第五电阻(R5)的一端与所述第一 比较器(U1)的输出端连接，另一端连接+12V直流电源，所述第一比较器(U1)为迟滞比较器。4. 根据权利要求1所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述过压保护电路 包括第二比较器(U2)、第六电阻（R6)、第七电阻（R7)、和第五电阻（R5)，所述第二比较器 (U2)的同相输入端经第六电阻(R6)与+5V基准电压(VREF5)连接，该第二比较器(U2)的反相 输入端与所述第二分压节点电连接，该第二比较器(U2)的输出端与所述脉宽调制电路(34) 信号连接，所述第七电阻(R7)为反馈电阻，连接在所述第二比较器(U2)的同相输入端和输 出端之间，所述第五电阻(R5)为上拉电阻，该第五电阻(R5)的一端与所述第二比较器(U2) 的输出端连接，另一端连接+12V直流电源，所述第二比较器(U2)为迟滞比较器。5. 根据权利要求1所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述回路电流采样 电路包括第八电阻(R8)，所述回路端经第八电阻(R8)接地，所述第八电阻(R8)的两端分别 为采样端和接地端，所述回路端与所述采样端连接，所述接地端接地。6. 根据权利要求5所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述过流保护电路 包括放大电路和过流判定电路，所述放大电路与所述回路电流采样电路连接，所述过流判 定电路的输入端与放大电路连接，输出端与脉宽调制电路(34)连接。7. 根据权利要求6所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述放大电路包括 第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第三运算放大器(U3)和第十一电阻(R11)，所述第八电阻 (R8)的采样端经第九电阻(R9)与第三运算放大器(U3)的反相输入端连接，所述第八电阻 (R8)的接地端经第十电阻(R10)与第三运算放大器(U3)的同向输入端连接，所述第十一电 阻(R11)为反馈电阻，连接在第三运算放大器(U3)的反相输入端和输出端之间。8. 根据权利要求7所述的智能钻井工具电源保护电路，其特征在于:所述过流判定电路 包括第四比较器(U4)、第十二电阻(R12)和第五电阻(R5)，所述第四比较器(U4)的同相输入 端与+5V基准电压(VREF5)连接，该第四比较器(U4)的反相输入端与第三运算放大器(U3)的 输出端连接，该第四比较器(U4)的输出端与脉宽调制电路(34)信号连接，所述第十二电阻 (R12)为反馈电阻，连接在第四比较器(U4)的同相输入端和输出端之间，所述第五电阻(R5) 为上拉电阻，该第五电阻(R5) -端与所述第四比较器(U4)的输出端连接，另一端连接+12V 直流电源。9. 一种智能钻井工具电源的电压和电流保护方法，其特征在于：智能钻井工具电源包 括依次连接的整流滤波单元、保护单元和稳压单元，且整流滤波单元输入保护单元的输出 电压还输入稳压单元； 保护单元的电压和电流保护方法包括以下步骤： (1) 通过对整流滤波单元的输出电压的分压，得到至少两个分压节点，调整分压节点处 分压值，通过不同分压节点处分压与基准电压的比较，实现对输出电压的欠压和过压的同 时判断，若输出电压小于欠压保护低阈值，执行步骤(2)，若输出电压大于欠压保护高阈值， 执行步骤(3)，若输出电压小于过压保护低阈值，执行步骤(3)，若输出电压大于过压保护高 阈值，执行步骤(2); (2) 稳压单兀电压输出中断； (3) 稳压单元电压持续输出，此时启动电流保护过程，实现对该智能钻井工具电源保护 电路结合负载构成的电源系统回路进行电流值采样； (4) 将采样电流转换成微小电压信号； (5) 通过运算放大器对微小电压信号进行放大； (6) 将放大后的电压与基准电压比较，若放大后的电压小于基准电压，则执行步骤(7)， 若放大后的电压大于基准电压，则执行步骤(8); (7) 稳压单兀电压输出中断； (8) 稳压单兀电压持续输出。10. 根据权利要求9所述的智能钻井工具电源电压和电流保护方法，其特征在于:所述 稳压单元包括脉宽调制电路、反激式变压器、半波整流滤波电路和反馈电路，脉宽调制电路 接收保护单元的保护信号并向反激式变压器输出脉冲波形，所述反激式变压器接收整流滤 波电路的输出电压，同时向半波整流滤波电路输出电能，半波整流滤波电路整流滤波后输 出供电电压，同时被反馈电路采集反馈信号，反馈信号输入脉宽调制电路； 基于稳压单元的稳压原理，所述步骤(2)和步骤(7)均包括以下步骤， (al)稳压单元的脉宽调制电路关断，脉宽调制电路停止向稳压单元的反激式变压器输 出脉冲波形， (a2)反激式变压器不再进行电能变换，稳压电路无直流电能输出； 所述步骤(8)中的稳压单元电压持续输出过程包括以下步骤， (bl)稳压单元的脉宽调制电路开启，脉宽调制电路正常向稳压单元的反激式变压器输 出脉冲波形， (b2)反激式变压器正常进行电能的变换，稳压单元输出直流电能。
【文档编号】H02M3/24GK106099843SQ201610292988
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】李绍辉, 魏春明, 韩晓文, 魏庆振, 郭佳, 白大鹏, 金平, 张猛, 李志广, 张鑫
【申请人】中国石油集团渤海钻探工程有限公司