寬電壓輸入范圍的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)

張建國(guó) 白玉新 解 慶 韓志富 李廣偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京)

寬電壓輸入范圍的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)

張建國(guó) 白玉新 解 慶 韓志富 李廣偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京)

針對(duì)石油行業(yè)井下自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)三相鉆桿式發(fā)電機(jī)電壓輸出范圍較大的問(wèn)題,給出了一種優(yōu)化垂鉆系統(tǒng)電源模塊的設(shè)計(jì)方法,使電源模塊既能適應(yīng)較寬的電壓輸入范圍,又能基本滿足井下高溫環(huán)境工作要求。

自動(dòng)垂直鉆井;發(fā)電機(jī);整流;切換;滯環(huán)比較

0 引 言

石油行業(yè)井下自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)中常采用鉆桿式發(fā)電機(jī)為自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)電控單元提供電源,鉆桿發(fā)電機(jī)與電控單元都是自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)的一部分,安裝在井下鉆頭附近。鉆桿由地面鉆機(jī)鉆盤帶動(dòng),鉆桿發(fā)電機(jī)由鉆桿提供動(dòng)力,鉆桿轉(zhuǎn)速的變化制約了鉆桿發(fā)電機(jī)的輸出性能,鉆桿轉(zhuǎn)速低,電機(jī)輸出電壓低、功率小,轉(zhuǎn)速高,電機(jī)輸出電壓高、功率大。在鉆進(jìn)過(guò)程中,如井下工況惡劣,鉆桿轉(zhuǎn)速可能會(huì)大范圍波動(dòng)。為此,要使用鉆桿發(fā)電機(jī)為電控單元穩(wěn)定供電,垂鉆系統(tǒng)的電源模塊必須能適應(yīng)寬范圍的電壓輸入。

1 原有設(shè)計(jì)方案介紹

如圖1所示,三相發(fā)電機(jī)輸出接全橋整流模塊,整流后的直流電進(jìn)入DC-DC開關(guān)電源模塊,輸出電控單元所需的+18 V、-18 V和+9 V電源。

圖1 第一輪參加下井試驗(yàn)的電源模塊原理圖

2009年9月～11月進(jìn)行了首輪兩次下井試驗(yàn),此時(shí),鉆桿額定轉(zhuǎn)速為70±10 rpm,整流后電壓為50 V～70 V,電源模塊在各種工作負(fù)載下處于額定工作狀態(tài),各路電源輸出電壓均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),且功率管發(fā)熱較小,能夠滿足任務(wù)要求。

2 新的電源模塊設(shè)計(jì)要求

經(jīng)過(guò)第一輪井下試驗(yàn)后,系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)及電源模塊提出了新的設(shè)計(jì)要求。

1)輸入要求:發(fā)電機(jī)適應(yīng)鉆桿轉(zhuǎn)速范圍為40 rpm～120 rpm,相對(duì)應(yīng)的電源模塊三相輸入線電壓范圍為32 V～115 V;

2)輸出要求:電源模塊輸出電壓為+18 V、-18 V、+9 V,輸出功率要求不小于30 W;

環(huán)境溫度要求:工作環(huán)境溫度不小于120℃。

3 解決方案

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

方案設(shè)計(jì)前,對(duì)首次參加下井試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)、電源模塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總,期望從中得出有參考意義的數(shù)據(jù)。

3.1.1 電源模塊調(diào)試數(shù)據(jù)

常溫下,電源模塊(帶全載)進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)整流后電壓為38 V時(shí)(DC-DC高頻變壓器變比最理想的工作點(diǎn)),電源模塊工作穩(wěn)定,功率管發(fā)熱很小,效率最高,可以達(dá)到85%;當(dāng)整流電壓為90V時(shí),電源模塊也可以穩(wěn)定工作,但功率管開始發(fā)熱(常溫下溫升大約30℃),且效率急驟下降,大約40%;當(dāng)整流后電壓為150V時(shí),電源模塊可以工作,但功率管發(fā)熱嚴(yán)重,效率更低,大約22%。

在整流后電壓為52 V時(shí)的狀態(tài)下,電源模塊通過(guò)了全載高溫120℃下兩小時(shí)的試驗(yàn)。但是,在相同供電及負(fù)載條件下,電源模塊高溫環(huán)境下比常溫環(huán)境下?lián)p耗明顯加大,效率明顯降低,功率管發(fā)熱明顯增高。3.1.2 電源模塊與發(fā)電機(jī)聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)

首輪自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)室內(nèi)聯(lián)調(diào)時(shí),發(fā)電機(jī)與電源模塊性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 電源模塊與發(fā)電機(jī)聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

由前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出,一方面,環(huán)境溫度升高會(huì)使變壓器輸入電感升高,從而使功率管關(guān)斷速度變慢,關(guān)斷損耗增加,環(huán)境溫度升高還會(huì)使功率管導(dǎo)通電阻增加,使功率管導(dǎo)通損耗增加;另一方面,電源電壓升高,使變壓器效率明顯降低,同時(shí)使功率管開關(guān)損耗變大。由于前面的因素很難控制,因此,可以采取降低整流后電壓的方式提高電源模塊效率,同時(shí)使電源模塊適應(yīng)更高的鉆桿轉(zhuǎn)速范圍。

3.2 設(shè)計(jì)方案

在不改變DC-DC模塊主電路的基礎(chǔ)上,針對(duì)首輪參加下井試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析,降低整流后電壓可以有效降低功率管損耗,提高工作效率。采用晶閘管可控整流的傳統(tǒng)方案可以降低整流后電壓,但制約因素有兩個(gè):一方面鉆桿發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí),電壓頻率較低,采用可控整流很難得到較穩(wěn)定的整流電壓;另一方面,晶閘管尺寸較大,安裝位置受到嚴(yán)格限制,且晶閘管很難承受120℃環(huán)境溫度考核。因此,設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采用晶閘管可控整流方案,而是采用一種全橋整流和半橋整流結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)全橋整流后電壓高于設(shè)定值VH時(shí)將整流方式切換為半橋整流,從而使整流后電壓基本降低至全橋整流電壓的一半;當(dāng)半橋整流電壓低于設(shè)定值VL時(shí),將整流方式切換回全橋整流,從而使整流后電壓增加一倍,確保DC-DC能夠正常工作。為防止全橋切換至半橋整流后不會(huì)立刻再切回全橋整流方式,必需使VL＜VH/2,并留有一定余量,同時(shí)當(dāng)電壓為VL時(shí),電源模塊在全負(fù)載狀態(tài)下仍處于額定工作狀態(tài),本方案中綜合考慮鉆桿轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出、電源模塊選型等因素,初步選定VH為90 V,VL為40 V。

3.2.1 采用繼電器切換整流方式

要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的,最簡(jiǎn)單的方案是采用帶切換觸點(diǎn)的直流繼電器,如圖2所示。發(fā)電機(jī)啟動(dòng)工作前,繼電器的常閉觸點(diǎn)使DC-DC模塊地線與發(fā)電機(jī)全橋整流后的地線接通。發(fā)電機(jī)工作后,系統(tǒng)首先處于全橋整流方式,滯環(huán)比較電路實(shí)時(shí)采樣全橋整流后電壓,當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速升高,發(fā)電機(jī)輸出電壓變高,全橋整流后電壓大于切換電壓VH(90 V)時(shí),比較電路將輸出控制信號(hào)使繼電器切換至常開觸點(diǎn),整流方式由全橋整流切換至半橋整流,整流后電壓Vz大約降至原來(lái)的一半,約44 V。當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速降低,發(fā)電機(jī)輸出電壓變低,半橋整流后電壓低于VL(40 V)時(shí),滯環(huán)比較電路將輸出控制信號(hào)將整流方式由半橋整流切換至全橋整流,整流后電壓提高至約80 V,電源模塊仍然能夠正常工作。

圖2 采用繼電器切換整流方式的電源模塊原理圖

此方案中繼電器為關(guān)鍵器件,且繼電器性能要求較高。經(jīng)多次試驗(yàn),采用繼電器的方案基本行不通。另外,采用繼電器方式還有兩個(gè)缺點(diǎn),一方面,繼電器切換瞬間電流偏大,會(huì)有電弧,容易損壞,同時(shí)會(huì)使整流后電壓產(chǎn)生短時(shí)間波動(dòng);另一方面,流經(jīng)繼電器各觸點(diǎn)的電流較大,發(fā)熱嚴(yán)重,損耗較大。

3.2.2 采用場(chǎng)效應(yīng)管切換整流方式

為此,為實(shí)現(xiàn)整流方式切換的功能方案中選用兩個(gè)MOSFET、一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)。

如圖3所示,M1用于接通DC-DC模塊和全橋整流模塊之間的地線,M2、D1用于接通DC-DC地線和發(fā)電機(jī)中線,加入D1的目的主要為了防止中線上的交流電源通過(guò)M2內(nèi)部的保護(hù)二極管與相線短路。

3.2.3 滯環(huán)比較控制電路

滯環(huán)比較控制電路負(fù)責(zé)檢測(cè)整流后電壓并進(jìn)行上、下限的滯環(huán)比較,最終按照預(yù)定邏輯驅(qū)動(dòng)控制M1、M2。滯環(huán)比較控制的目的是防止全橋切換到半橋整流后瞬間出現(xiàn)切回全橋整流的情況。滯環(huán)比較電路中采用了555定時(shí)器和比較器實(shí)現(xiàn)。M1、M2門極控制電路采用了具有兩組切換觸點(diǎn)的繼電器控制,此處繼電器控制的為弱電信號(hào),耐壓只要求20V,且電流非常小,運(yùn)行可靠。

圖3 采用Mosfet切換整流方式的電源模塊原理圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

4.1 利用市電進(jìn)行試驗(yàn)

采用場(chǎng)效應(yīng)管切換整流方式的方案,首先生產(chǎn)了電源模塊原理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)中,將380 V三相交流電經(jīng)可調(diào)變壓器降壓后代替發(fā)電機(jī)作為電源模塊的輸入,電源模塊在空載、帶載情況下均順利通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)證明整流后電壓在88 V～90 V時(shí)整流方式由全橋切換到半橋整流;電壓在38 V～40 V時(shí),整流方式由半橋整流切換到全橋整流,整個(gè)過(guò)程中,電源模塊工作正常,且M1、M2基本不發(fā)熱,損耗較小。另外,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果半橋整流時(shí)二極管D1上會(huì)有約3 V～8 V的反向壓降,致使半橋整流后Vz電壓略大于全橋整流后電壓的一半。

4.2 與發(fā)電機(jī)聯(lián)調(diào)

由于本次聯(lián)調(diào)使用的發(fā)電機(jī)狀態(tài)與首輪下井試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)狀態(tài)有所不同,但可以看出電源模塊對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓變化的適應(yīng)能力明顯增強(qiáng)。由于試驗(yàn)工裝對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,因此無(wú)法利用發(fā)電機(jī)測(cè)試出準(zhǔn)確的切換點(diǎn),與發(fā)電機(jī)聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)如表2。

由采用整流切換方案后,電源模塊可以適應(yīng)35.6 rpm～約120rpm的鉆桿轉(zhuǎn)速范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明,新設(shè)計(jì)方案基本達(dá)到降低輸入電壓的預(yù)期目標(biāo)。

4.3 高溫試驗(yàn)

高溫狀態(tài)下,電源模塊(帶全載)進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)環(huán)境溫度為120℃,整流后電壓為68.3 V時(shí),電源模塊效率要比相同狀態(tài)下常溫試驗(yàn)效率明顯降低,功率管溫升約45℃,但系統(tǒng)工作正常,能夠經(jīng)受兩小時(shí)考核;當(dāng)環(huán)境溫度為110℃時(shí),整流后電壓為90 V時(shí),電源模塊效率進(jìn)一步降低,功率管溫升高達(dá)到70℃,但系統(tǒng)仍工作正常;當(dāng)環(huán)境溫度為120℃時(shí),整流后電壓為90 V時(shí),電源模塊只能工作1 min,之后功率管燒毀;根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況可知當(dāng)整流后電壓大于90 V時(shí),電源模塊可以適應(yīng)高溫環(huán)境的能力將進(jìn)一步降低。

因?yàn)楦哳l電路大部分損耗是來(lái)自開關(guān)管的開關(guān)損耗(主要是關(guān)斷損耗)[2],如果再采取一些措施減少開關(guān)管開關(guān)損耗,如采用零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器或零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器[3],控制其在90V狀態(tài)下的溫升,電源模塊將能夠在120℃的狀態(tài)下40 rpm～120 rpm全范圍內(nèi)工作。

4.4 井下試驗(yàn)

2010年8月29日～8月31日16.5 in(1 in=25.4 mm)垂鉆系統(tǒng)進(jìn)行了兩次下井試驗(yàn),井深約200 m～500 m,井下環(huán)境溫度為30℃～48℃,鉆桿轉(zhuǎn)速60 r/min～90 r/min。根據(jù)隨鉆記錄數(shù)據(jù)分析可知,電源模塊整流后電壓在45 V～88 V之間,整流方式切換功能運(yùn)行正常。

5 結(jié) 論

自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)的AC-DC電源模塊中采用全橋整流切換成半橋整流方式的方案,可有效加大電源模塊對(duì)鉆桿發(fā)電機(jī)輸出電壓的適應(yīng)范圍,明顯提高電源模塊對(duì)鉆桿轉(zhuǎn)速的適應(yīng)能力,增加了井隊(duì)對(duì)轉(zhuǎn)速的選擇范圍,有利于井隊(duì)在鉆井過(guò)程中根據(jù)地層、鉆進(jìn)速度等因素自由調(diào)節(jié)鉆桿轉(zhuǎn)速。

[1] 黃 俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996

[2] 張占松,蔡宣三.開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000

[3] 徐德鴻,等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

表2 電源模塊與發(fā)電機(jī)聯(lián)調(diào)數(shù)據(jù)

PI,2011,25(1):13～15

In order to meet the requirements of wide range output of Three-phase drilling rod generator of Automatic Vertical Drilling System in oil industry,this article introduces an optimal design of Power supply of Automatic Vertical Drilling System,which is suitable for the wide range output,and can meet the demand of downhole high-temperature.

Key words:automatic vertical drilling,generator,commutate,switch,hysteresis loop

Discussion on power supply of wide range in put voltage of automatic vertical drilling system.

Zhang jianguo,Bai yuxin,Xie qing,Han zhifu and Li guangwei.

TE242.5

B

1004-9134(2011)01-0013-03

張建國(guó),男,1977年生,高級(jí)工程師,1999年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè),現(xiàn)在北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所二事業(yè)部從事技術(shù)工作。郵編:100076

2010-09-18編輯:劉雅銘)