管内受动运行设备自发电电源系统研究

摘要

随着我国油田的相继开发，油气管道运输在我国国民经济发展中的地位日益显著。随着输油时间的增加，油气管线容易产生损伤和缺陷，发生油气泄漏事故，这不仅会影响油田的正常生产，还会造成地面环境污染，引发生态灾难。因此管道运输安全问题在社会上引起了广泛关注。管道检测是针对目前管道最可靠的检测方法，是管道运输安全的重要保障。管道检测设备电源系统作为整个检测器的核心部分，承担着对检测装置供电的重要任务。它供电稳定、安全并且持续时间长，能为检测器在管道中的检测运行提供更可靠的基础，对于减少国家经济损失、保护自然环境和人身财产安全有着重要的现实意义。
　　鉴于现有的管内运行设备电源系统稳压性能差、电能持续输出能力低等缺点，本文提出一种新型设计方案:采用相互独立的芯片作为稳压芯片，避免由于阻值精度低，输出功率有限等原因造成其稳压性能差;并且提出了一种能够应用在管内受动运行设备上的自发电装置，为检测器提供可持续的电能，保证其能够长时间、长距离的工作;此外对于设计的自发电装置输出电压进行模糊PID控制的脉宽调制(PWM)，保证对蓄电池和负载的稳压控制。
　　本文主要内容共四方面:第一，对目前现有的运行设备在检测方面上提出电压值的需求分析，并通过仿真和实验设计相对稳定、可靠的稳压电路;第二，设计两种自发电装置:叶轮发电装置和压电式发电装置，并利用Simulink对发电输出电压进行仿真;第三，采用AVR单片机作为整个电源系统的核心控制芯片，并且设计其外围相关电路和内部软件流程。第四，研究模糊PID算法控制自发电装置Buck电路的PWM脉宽调制。
　　本系统集自发电、稳压和蓄电池检测等多功能于一身，通过将流体动能转换为运行设备的电能为后续检测工作提供持续可靠的供电基础。基于管内受动运行设备的相关需求，本系统预计可实现低于千分之五的纹波稳压电源，以及可持续20小时的管道内运行及检测工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 管内运行设备技术发展概况

1．2．1 国外发展概况

1．2．2 国内发展概况

1．3 运行设备自发电技术发展概况

1．4 管内受动运行设备自发电系统设计技术难点

1．5 本文主要研究内容

第2章 电源系统需求分析与总体设计

2．1 管内运行设备电源系统需求分析

2．1．1 管内受动运行设备整体结构设计

2．1．2 目前电源系统存在的缺陷

2．1．3 可行的设计需求

2．2 电源系统的总体设计

2．3 本章小结

第3章 电源供电系统的研究与设计

3．1 供电部分的相关设计

3．1．1 蓄电池的选型

3．1．2 蓄电池的配置

3．1．3 蓄电池充电模块的设计

3．2 供电电源的输出电路设计

3．2．1 按需分配不同的电压值

3．2．2 稳压电路设计

3．2．3 输出电路的仿真与实验分析

3．3 本章小结

第4章 自发电装置的设计与实现方法

4．1 整体设计

4．1．1 基本结构

4．1．2 工作原理

4．2 叶轮发电装置的设计

4．2．1 叶片数目

4．2．2 叶轮直径

4．2．3 翼型

4．2．4 叶片的材料

4．2．5 发电机的选择

4．2．6 叶轮发电装置输出功率的计算

4．3 压电式发电装置的设计

4．3．1 压电发电基础

4．3．2 压电陶瓷片的选型

4．3．3 压电陶瓷粘贴位置及尺寸的设计

4．3．4 能量输出特性分析

4．4 仿真研究

4．4．1 叶轮发电装置

4．4．2 叶轮发电装置

4．5 本章小结

第5章 蓄电池组检测及充电电路的设计与研究

5．1 硬件设计

5．1．1 自发电供电电路设计与仿真

5．1．2 DC-DC Buck电路设计与仿真研究

5．1．3 蓄电池组电流电压检测电路设计

5．1．4 电源控制芯片电路设计

5．1．5 设计总图

5．2 软件设计

5．2．1 主程序设计

5．2．2 单片机初始化

5．2．3 市电充电模式子程序

5．2．4 工作模式子程序

5．2．5 蓄电池检测子程序

5．2．6 发电装置检测及调整子程序

5．2．7 模糊PID算法

5．3 本章小结

第6章 自发电优化控制算法

6．1 模糊PID控制器设计

6．1．1 模糊PID控制原理

6，1．2 模糊PID控制器的设计

6．2 仿真分析和比较

6．2．1 普通PID控制算法仿真

6．2．2 模糊PID控制算法仿真

6．2．3 普通PID和模糊PID的对比研究

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研情况