井下渦輪電機參數(shù)精密檢測系統(tǒng)設計

汪躍龍，呂錦省，霍愛清，湯 楠

(1.西北工業(yè)大學，陜西西安710072;2.西安石油大學，陜西西安710065)

0 引 言

井下渦輪電機是旋轉導向鉆井系統(tǒng)中必不可少的組成部分［1］。旋轉導向鉆井系統(tǒng)中有上、下兩個渦輪電機，其中上渦輪電機主要用來作為電能發(fā)生器，它輸出的交流電能經(jīng)過整流穩(wěn)壓處理后，向旋轉導向鉆井系統(tǒng)中的所有電子和電氣設備提供所需要的各種電源，同時也用來作為下傳通信的信號檢測設備。下渦輪電機主要用來作為力矩發(fā)生器，由控制驅動電路的輸出使其產(chǎn)生導向鉆井系統(tǒng)所需要的平衡力矩。

下傳通信是將地面指令傳遞給井下控制系統(tǒng)從而形成閉環(huán)控制的關鍵［2-3］，它通過從地面改變鉆井液的排量(編碼)形成流量負脈沖、流量的變化引起渦輪轉速變化進而引起電機電壓變化(信號傳輸)、檢測變化的電壓然后解碼(解調)而實現(xiàn)。故準確檢測上渦輪電機的電壓是實現(xiàn)下傳通信的基礎。

旋轉導向鉆井系統(tǒng)的控制是一種力矩平衡控制，下渦輪電機的作用力矩，尤其是力矩的動態(tài)過程，是影響旋轉導向鉆井系統(tǒng)控制性能的關鍵。由于井下空間的限制，耐高溫的要求和近鉆頭沖擊、振動環(huán)境的約束，使該力矩難以采用通常的扭矩傳感器進行檢測。根據(jù)電機原理，考慮到電機的電磁力矩N與電樞電流I存在如下關系［4］:

式中:B為磁通密度;L為電樞導體有效長度;D為電樞直徑;I為電樞電流的有效值。永磁電機的B、D、L均可視為常數(shù)，即電磁力矩與電樞電流近似為常系數(shù)的比例關系，故測量電機電流可間接計算電機的電磁力矩，為提高系統(tǒng)的控制性能、保證系統(tǒng)的導向功能提供條件。綜上，井下渦輪電機參數(shù)檢測系統(tǒng)是旋轉導向鉆井系統(tǒng)中非常重要的一個子系統(tǒng)。按照井下渦輪電機的實際工作情況，系統(tǒng)工作在鉆井液排量為20～45 L/s的范圍內(nèi)，電機工作頻率為10～60 Hz，對應的測量范圍為電壓20～120 V、電流0～12 A?？紤]到井下的特殊工作環(huán)境，要求檢測系統(tǒng)最高耐溫為125℃，能夠承受近鉆頭的200 g的沖擊。

1 井下渦輪電機參數(shù)檢測系統(tǒng)設計

根據(jù)系統(tǒng)設計，井下渦輪電機應該是單相或三相交流永磁電機，可以考慮采用電阻負荷或互感器檢測其電流或電壓;前者直接檢測負載電阻兩端的電壓，后者利用互感原理檢測。

采用Rogowski微型互感線圈的渦輪電機參數(shù)精密檢測系統(tǒng)由信號檢測、精密整流、濾波、A/D轉換與數(shù)字處理等環(huán)節(jié)構成，系統(tǒng)整體封裝在導向鉆井系統(tǒng)的測控電子倉中，實現(xiàn)對電機參數(shù)的測量存儲并以數(shù)字信號形式送給控制單元，系統(tǒng)結構如圖1所示，圖1中的MCU采用dsPIC30FX011單片數(shù)字控制器。

圖1 井下渦輪電機參數(shù)檢測系統(tǒng)結構圖

1.1 渦輪電機參數(shù)的信號檢測與放大處理

Rogowski線圈基于電磁感應原理將穿過線圈中的電流I(t)變換為感應電勢e(t)［5-6］，有:

式中:M是與線圈的截面積、總匝數(shù)、長度有關的常數(shù)。由于Rogowski線圈不含鐵心，不存在磁飽和與鐵磁諧振，故可在很寬的測量范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性，準確度高。

互感線圈的感應信號可通過直接并聯(lián)負載電阻的方式進行檢測。但由于線圈感應電流為毫安級，為得到數(shù)伏特的輸出電壓，則需要并聯(lián)數(shù)百歐姆的負載電阻，阻值大，輸出波形易產(chǎn)生畸變。為保證對渦輪電機的準確測量，需采用精密放大電路對信號進行放大處理，電路原理如圖2所示。

圖2 信號檢測與放大電路原理圖

記r為互感線圈內(nèi)阻，i(t)為電流，不妨取I(t)∶i(t)=1 000∶1，考慮到互感線圈一端接地、另一端接運放的輸入端，故有:

圖2中，取運放電源為±12 V，運放輸入保護穩(wěn)壓二極管VS1、VS2擊穿電壓為15 V?？紤]到i(t)為0～12 mA，故取負反饋電阻Rf≈580 Ω。記if為反饋電流，R為相角補償電阻、C1為電容，uc、ic為C1的電壓和電流，uO為輸出電壓，根據(jù)電路原理，由及和，得互感線圈及放大電路部分的傳遞函數(shù):

由幅頻特性可知，相角:

在已知互感線圈相角φ時，取定C1后，可由式(5)確定相角補償電阻R。從式(4)、式(5)可知，經(jīng)過放大的輸出信號uO與I(t)為同頻率交變信號，其幅值放大倍數(shù)為Rf/1 000。為保證測量精度，反饋電阻要使用精度優(yōu)于0.1%、溫度系數(shù)優(yōu)于5×10-5∕℃的高溫精密電阻。

1.2 精密整流電路設計

為使MCU能將信號通過A/D轉換采樣為相應的數(shù)值，需要對輸出信號uO進行整流。一般采用二極管整流電路整流。由于二極管存在約0.7 V的死區(qū)電壓ud，當輸入電壓小于ud時，二極管在信號的整個周期均處于截止狀態(tài)，輸出電壓始終為零;如采用死區(qū)電壓補償方式進行校正，則因為二極管的ud會隨溫度而變化，而井下溫度隨井深會在較寬范圍內(nèi)變化，因此二極管整流電路或整流橋均不合適。對此可采用精密整流電路整流以滿足精密測量要求，且不同的電路參數(shù)將影響測量精度，原理電路如圖3所示。

圖3中，若取R1=R2=R3=R″f=R，R′f=2R;當uO＞0時，二極管VD2導通，VD1截止，中間電壓uO1=-2uO、uO2=uO;當uO＜0時，VD1導通，VD2截止，uO1=0、uO2=-uO;故有uO2=|uO|。

圖3 精密整流電路

若取R1=R2=R′f=R，R3=R″f=2R;當uO＞0時，VD2導通，VD1截止，uO1=-uO、uO2=uO;當uO＜0時，VD1導通，VD2截止，uO1=0、uO2=-uO;故有uO2=|uO|。

上述兩種取值方法的輸出相同，但中間信號前者有uO1=-2uO，后者為uO1=-uO;考慮到運放的飽和截止，后者的信號范圍更寬、測量精度更高。為適應井下高溫環(huán)境，電路中的電阻R1、R2、R3、R′f、R″f均應選用高溫精密電阻，運放選用高溫高精度的LM124或OP07。

1.3 A/D轉換與數(shù)據(jù)處理

檢測信號經(jīng)過放大與精密整流后送入dsPIC30FX011進行A/D轉換，這種數(shù)字控制器帶有片上12位A/D轉換器。參考電壓采用AD584，其溫度漂移系數(shù)為1.5×10-5/℃，最大誤差為±30 mV，在寬溫度范圍內(nèi)具有較高精度。信號輸入與MCU的接口電路如圖4所示。圖4中，MCU的AN0(ref+)接AD584的2.500 V輸出端，AN1(ref-)接信號地，AN2～AN5分別接精密整流后的測量信號V1～V4，分別對應上下渦輪電機的電壓電流4個參數(shù)。

考慮到井下永磁電機的強磁場對互感線圈檢測信號的電磁干擾，采樣后的數(shù)據(jù)可采用滑動平均濾波算法等進行進一步的軟件濾波處理。

由于電機的控制周期要求為毫秒級，而下傳通信解碼、A/D轉換等工作需要的時間較長，全部由一片MCU難以達到好的測控效果。故采用了雙MCU工作方式，如圖4所示，MCU1主要負責A/D采樣和通信解碼，MCU2主要承擔井下姿態(tài)解算和實時控制。兩個MCU采用總線連接，其中，RD0～RD7為數(shù)據(jù)線，RD8為高、低8位標識，RD9為MCU1發(fā)送請求，RD10為接收標識。

圖4 MCU接口設計圖

1.4 溫度補償方法

互感線圈是由銅絲繞制而成的，其內(nèi)阻隨溫度而變化，在0～150℃范圍內(nèi)滿足關系［7］:

式中:r(T0)、r(T)分別是互感線圈在溫度為T0、T時的阻值;銅電阻溫度系數(shù)α=4.29×10-3/℃。

記溫度T0、T時對相同輸入電流I的整流后的輸出電壓分別為uO2(T0)、uO2(T)，忽略R1、R2、R3、Rf、R′f、R″f的溫漂變化，由式(2)、式(3)、式(6)可得輸出電壓比為:

按式(7)計算并繪制的溫度與輸出電壓比的關系曲線如圖5所示中的曲線2。將測量系統(tǒng)置于恒溫箱中進行溫度特性測試，按測試記錄繪出的實際測試曲線如圖5中的曲線1。

溫度測試實驗表明，輸出電壓uO2與溫度呈近似比例關系，理論曲線與測試曲線基本一致，實測比例系數(shù)接近，但高溫區(qū)差異稍大。為提高井下工作時的測量精度，必須考慮溫度補償。

圖5 溫度-輸出電壓比關系曲線

溫度補償可以采用串聯(lián)電阻方式，對用銅絲繞制的互感線圈，選用溫度系數(shù)為-5×10-3/℃左右的CdO-Sd2O5-W05系線性熱敏電阻進行補償，即在圖2中的a、b點之間串接熱敏電阻RH和可調電阻RM，RM采用銅絲繞制，在溫度為T0時調整RM，使得r(T0)+RM(T0)=RH(T0)。電阻補償后再進行溫度測試，按測試記錄繪出的實測曲線如圖5中的曲線4。溫度補償也可按式(7)進行軟件計算補償，軟件補償后的溫度測試實測曲線如圖5中的曲線3。

兩種補償方法的溫度測試表明，采用軟件補償時，在高溫區(qū)會有較大誤差，120℃時的誤差約為7.3%;熱電阻補償后的測量誤差較小，最大誤差約為1.9%，能夠滿足井下導向系統(tǒng)的測量精度要求。

2 測試試驗

井下渦輪電機參數(shù)檢測系統(tǒng)設計、調試與實驗室標定后，進行了數(shù)輪現(xiàn)場測試?，F(xiàn)場測試采用單臺往復式鉆井泵水力循環(huán)驅動渦輪電機，鉆井泵沖數(shù)在20～120沖/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(變頻調速)，缸徑Ф150 mm，由導向鉆井系統(tǒng)的測控單元同步連續(xù)測量并記錄上下渦輪電機電壓電流，某次測試錄得上電機電壓曲線(部分)如圖6所示。圖6中1～180 s、181～360 s時段對應的排量分別為22 L/s、24 L/s;361～720 s時段為三降三升下傳通信測試實驗曲線，對應排量為18 L/s、22 L/s。現(xiàn)場測試結果表明系統(tǒng)測量準確，流量脈沖記錄完整，可以為井下工具的導向控制運算和下行通信解碼提供實時數(shù)據(jù)，也可為導向鉆井系統(tǒng)的鉆井液排量-渦輪特性、鉆井液排量-電機電壓特性、導向鉆井系統(tǒng)井下控制規(guī)律、下傳通信解碼算法等研究提供準確數(shù)據(jù)和手段。

圖6 連續(xù)實測記錄的排量-電機電壓特性曲線

3 結 論

(1)采用Rogowski微型互感線圈可以滿足導向鉆井井下控制系統(tǒng)對渦輪電機參數(shù)精密檢測的要求。

(2)為保證不影響導向控制指標，鉆井工具渦輪電機參數(shù)數(shù)據(jù)處理宜采用與控制運算相互分工的雙MCU結構。

(3)鉆井井下環(huán)境的溫度變化和導向鉆井井下控制系統(tǒng)的電子倉的溫度變化對測量影響明顯，必須采用溫度補償措施。

(4)試驗結果證明上述檢測系統(tǒng)能夠滿足井下導向系統(tǒng)的測量要求。

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