鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)用調(diào)頻調(diào)壓供電模塊設(shè)計(jì)

黃金平，朱云霞，溫 欣長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州中石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西 西安中石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西 西安

鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)用調(diào)頻調(diào)壓供電模塊設(shè)計(jì)

黃金平1，朱云霞2，溫 欣3
1長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州2中石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西 西安3中石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西 西安

http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383028

Received: May 30th, 2016; accepted: Jul. 7th, 2016; published: Sep. 15th, 2016

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為滿足導(dǎo)向鉆井中不用起鉆變更鉆具組合，就能快速鉆出高質(zhì)量的井眼軌跡的客觀要求，提出了一種由單片機(jī)控制調(diào)頻調(diào)壓的供電模塊設(shè)計(jì)方案。該方案與現(xiàn)階段鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)中常用的由可調(diào)元器件構(gòu)成的三端穩(wěn)壓電源所實(shí)現(xiàn)的供電模塊、以及利用IGBT絕緣柵雙極型晶體管的雙向?qū)щ姽δ軐?shí)現(xiàn)的供電模塊不同在于，它采用單片機(jī)AT89C5控制調(diào)頻調(diào)壓主電路，結(jié)合橋式逆變電路，通過IR2110驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，并設(shè)計(jì)過電流(壓)保護(hù)。測試結(jié)果表明，依據(jù)該方案所實(shí)現(xiàn)的供電模塊設(shè)計(jì)原理簡單、控制可靠、成本低廉，能滿足鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)在各類工況下供電模塊應(yīng)用要求。

鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)，供電模塊，單片機(jī)，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)

1. 引言

定向鉆井技術(shù)是石油鉆探領(lǐng)域的核心技術(shù)，鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)的研發(fā)是其重要的保障。鉆井導(dǎo)向指由井下隨鉆測量工具測量的幾何參數(shù)：井斜、方位和工具面的數(shù)值傳給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)及時(shí)糾正和控制井眼軌跡。這其中一個(gè)不可回避的重要技術(shù)問題是必須實(shí)現(xiàn)對鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)及其他附屬設(shè)備的供電，且不用起鉆變更鉆具組合，進(jìn)而快速鉆出高質(zhì)量的井眼軌跡。因此，針對鉆井導(dǎo)向設(shè)備這類供電模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)有著重要意義。

目前，國內(nèi)外有關(guān)這類供電模塊的設(shè)計(jì)及制造大體有兩種方式，一種是采用由可調(diào)元器件構(gòu)成的三端穩(wěn)壓電源所實(shí)現(xiàn)的供電模塊，還有一種方式是利用 IGBT絕緣柵雙極型晶體管的雙向?qū)щ姽δ軐?shí)現(xiàn)的供電模塊。用這兩種方式制成的供電模塊盡管在早期的鉆采設(shè)備中也得到應(yīng)用，但由于它們都不能被冠以“智能控制”，且穩(wěn)定性和可靠性均有待提高。

電力電子技術(shù)的發(fā)展使得供電模塊的控制器件以單片機(jī)或DSP等進(jìn)行控制替代現(xiàn)有的以可調(diào)元器件或IGBT進(jìn)行控制成為可能[1]。另外，若在供電模塊中能夠引入直接由直流驅(qū)動(dòng)的逆變電路，將有效降低供電模塊的成本和應(yīng)用門檻。運(yùn)用RRC變換器進(jìn)行調(diào)壓模塊設(shè)計(jì)并配合單片機(jī)的使用，將使供電模塊應(yīng)用范圍大為拓展[2]。因此，筆者所提出的這種采用單片機(jī)控制的可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的供電模塊在現(xiàn)代石油鉆采和各類導(dǎo)向系統(tǒng)中將會(huì)體現(xiàn)重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2. 總體設(shè)計(jì)框圖

完整的鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)由高效能鉆頭、導(dǎo)向動(dòng)力鉆具和供電模塊組成一體，并輔之計(jì)算機(jī)軟件所組成，鉆頭與鉆具需要在地面控制人員的指令控制下適時(shí)變更定向和開轉(zhuǎn)盤兩種工況，連續(xù)完成定向造斜、增斜、穩(wěn)斜、降斜及扭方位操作，而不用起鉆變更鉆具組合。盡管井下測控系統(tǒng)連續(xù)工作的電能通常是由鉆桿內(nèi)的高壓泥漿帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電提供，并通過炭刷–滑環(huán)組成的集流環(huán)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。但系統(tǒng)完成鉆井導(dǎo)向所需的這些動(dòng)作則要求能提供電壓與頻率連續(xù)可調(diào)且被有效控制的供電模塊驅(qū)動(dòng)。為滿足此要求，供電模塊的設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

其主要工作過程為：由高壓泥漿帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電所提供的單相交流220 V電壓輸入高頻變壓器，高頻變壓器的輸出信號(hào)輸入調(diào)頻調(diào)壓主電路；主電路由橋式電路、斬波電路、整流濾波電路、橋式逆變電路四部分組成，主電路輸出所需的頻率與幅度電壓信號(hào)；控制電路部分由按鍵電路將供電模塊所需產(chǎn)生的信號(hào)參數(shù)如電壓、頻率等輸入到控制單片機(jī)，單片機(jī)輸出相應(yīng)電壓和頻率的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；脈沖寬度調(diào)制信號(hào)反饋輸入到高頻變壓器和主電路中的橋式逆變電路，從而實(shí)現(xiàn)全模塊輸出電壓可調(diào)和輸出頻率可調(diào)；若由于系統(tǒng)工作環(huán)境或工況要求使得主電路實(shí)際電壓(電流)大于設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定電壓(電流)時(shí)，單片機(jī)將會(huì)接收到由保護(hù)電路輸入的電平信號(hào)使之中斷，以控制與保護(hù)模塊。

3. 硬件設(shè)計(jì)

3.1. 調(diào)壓模塊硬件電路

3.1.1. 調(diào)壓電路

調(diào)壓電路設(shè)計(jì)如圖2所示，主要工作原理為：由單片機(jī)對MOS管進(jìn)行電平控制，以單片機(jī)鍵盤所設(shè)定的輸出信號(hào)參數(shù)所產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)實(shí)施對MOS管G極(柵極)和D極(漏極)的控制，S極(源極)懸空，具體控制方式為：脈沖寬度調(diào)制信號(hào)高電平時(shí)在MOS管G極開通，開通時(shí)導(dǎo)通電壓等于0。反之，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)低電平時(shí)在MOS管G極關(guān)閉，關(guān)斷時(shí)電流等于0，只需在高頻變壓器輸出端和調(diào)壓電路輸出端均加入合適的較大容量整流電容C1和C2使電壓平穩(wěn)輸出，即可保證輸出電壓的穩(wěn)定[3]。

圖2中關(guān)于變壓器T1磁芯的選取須采用較大磁通密度的構(gòu)造，比如，若T1匝數(shù)比取1:1，設(shè)變壓器初級次級繞組匝數(shù)為N1= N2= 60匝，變壓器次級電流峰值I1P= 0.85A，初級電感L1= 0.78 mH，查變壓器技術(shù)手冊知須選取耐壓200V電壓的EER42磁芯，這樣留有一定的余量，以防渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電提供的單相交流出現(xiàn)故障，燒壞變壓器；圖 2中關(guān)于 MOS管的選取原則是，根據(jù)輸入電壓 ≤ 200 V，開關(guān)頻率 ≤ 100 kHz，則可選擇MOS管型號(hào)為IRF640 [3] (IRF640參數(shù)為漏極源極電壓VDS = 220 V，MOS管上升時(shí)間tR= 19 ns，下降時(shí)間tf= 5.5 ns，漏極電流ID= 18 A)。

Figure 1. Integral block diagram of power supply module design圖1. 供電模塊設(shè)計(jì)整體框圖

Figure 2. Voltage regulation circuit圖2. 調(diào)壓電路

3.1.2. 調(diào)壓模塊控制連接

調(diào)壓模塊控制的核心部件采用89C51單片機(jī)，由89C51的定時(shí)器中斷控制調(diào)壓電路中MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。逆變器通過單片機(jī)P2.0、P2.1口輸出方波，單片機(jī)P2.0、P2.1口輸出經(jīng)過與非門送入驅(qū)動(dòng)芯片IR2110以實(shí)現(xiàn)對MOS管S極的通斷控制，從而產(chǎn)生符合設(shè)定頻率的方波電壓。同時(shí)根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)不同工況所設(shè)調(diào)壓參數(shù)通過按鍵鍵盤輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過相應(yīng)的程序設(shè)定定時(shí)器的初始值，內(nèi)部產(chǎn)生符合要求的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來改變調(diào)壓電路輸出電壓[4]。

3.2. 調(diào)頻模塊硬件電路

3.2.1. 調(diào)頻電路

為解決鉆井過程中高溫、高壓、強(qiáng)機(jī)械沖擊及泥漿的存在等惡劣工作環(huán)境狀況下導(dǎo)向系統(tǒng)可靠性問題，作為調(diào)頻調(diào)壓電源模塊其主要變換應(yīng)包括兩個(gè)方面：首先應(yīng)將渦輪發(fā)電機(jī)所提供的單相交流 220 V經(jīng)高頻變壓器的輸出交流信號(hào)變?yōu)橹绷?，這通常由調(diào)壓部分來完成。然后將所得到的直流用調(diào)頻電路將其轉(zhuǎn)換為設(shè)定頻率的交流信號(hào)，并通過單片機(jī)89C51的外部中斷INT1、INT0，在中斷程序中通過查表修改相應(yīng)定時(shí)器的初始值，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。外部中斷子程序?qū)崿F(xiàn)按鍵觸發(fā)，改變輸出觸發(fā)脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)逆變電路電壓頻率可調(diào)功能。通過單片機(jī)調(diào)頻按鍵改變定時(shí)器設(shè)定初值，從而實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)頻[4]。

調(diào)頻電路設(shè)計(jì)采用橋式逆變式[5]如圖3所示，圖中電容C的選取不需過多考慮，只要滿足實(shí)際應(yīng)用壓差即可。橋式逆變電路中的開關(guān)器件對輸入輸出壓差要求既不能過大也不能過小以及電流不能過大等應(yīng)用要求，因?yàn)槿绻麎翰钸^大，則轉(zhuǎn)換效率急速降低且逆變器件易擊穿損壞；反之如果壓差過小，則調(diào)頻效率降低；而如果輸出電流過大必將導(dǎo)致器件自身的高溫保護(hù)或熱擊穿?？紤]到這些因素，調(diào)頻電路中可選用IPP26CN10N作為開關(guān)元件V1～V4(查手冊知：IPP26CN10N額定工作電壓為100 V，電流為35 A，開通和關(guān)斷時(shí)間分別為14 ns和16 ns)，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

3.2.2. 調(diào)頻模塊控制連接

調(diào)壓模塊控制的核心部件也采用89C51單片機(jī)，其控制原理及過程與調(diào)壓模塊控制大體相似，只是所連接的單片機(jī)端口不同，調(diào)頻控制所連接的單片機(jī)的外部中斷端口為INT1、INT0，在中斷程序中通過查表修改相應(yīng)定時(shí)器的初始值，從而實(shí)現(xiàn)頻率上調(diào)或下調(diào)[4]。

Figure 3. Frequency modulation main circuit圖3. 調(diào)頻主電路

3.3. 保護(hù)電路

保護(hù)電路如圖4所示，其工作原理是：若由于導(dǎo)向系統(tǒng)工作環(huán)境或工況要求使得主電路實(shí)際電壓(電流)大于設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定電壓(電流)時(shí)，高頻變壓器輸出的交流信號(hào)經(jīng)互感器TR，按TRAN-2P2S型互感器TR比例關(guān)系變換成與模塊所需要的信號(hào)同級的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓信號(hào)；再經(jīng)整流橋BR將其轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)；為提高保護(hù)可靠性，還需將此信號(hào)經(jīng)旁路濾波電容 C，輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)；該穩(wěn)定的直流信號(hào)將與由運(yùn)放構(gòu)成的比較器里所設(shè)定的額定值U1:A相比較，當(dāng)實(shí)際電壓小于或者等于額定電壓時(shí)，比較器輸出低電平 0，信號(hào)經(jīng)過邏輯與門和非門不會(huì)使單片機(jī)內(nèi)部程序發(fā)生中斷，模塊電路正常運(yùn)行，而當(dāng)實(shí)際電壓大于額定電壓時(shí)，比較器輸出高電平 1，從而使單片機(jī)響應(yīng)中斷，發(fā)出保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電路的繼電保護(hù)[6]。

3.4. 顯示模塊及與外部的連接

考慮到供電模塊工作時(shí)，需要設(shè)置相關(guān)的工作參數(shù)，且模塊運(yùn)行狀態(tài)需得到直觀顯示，故還需設(shè)置顯示模塊?？梢赃x取LED作顯示器件，LED的引腳可直接與單片機(jī)的IO端口連接，為全系統(tǒng)提供顯示。

3.5. 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)置

因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)較弱，無法有效驅(qū)動(dòng)全模塊中的功率器件MOS管，同時(shí)鑒于模塊的穩(wěn)定性、單片機(jī)的保護(hù)等因素的考量，必須設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。圖5所示是常用的驅(qū)動(dòng)電路，其基本原理為，由干電池和單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管，選取合適的電阻(如R1= R2= 1 kΩ)，最大限度降低驅(qū)動(dòng)電路自身的功耗。PWM信號(hào)送到三極管T(8550)的基極，控制T的集電極和發(fā)射極之間的開通與關(guān)斷，以此控制MOS管漏極和源極的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)全模塊驅(qū)動(dòng)。

4. 軟件設(shè)計(jì)

供電模塊軟件設(shè)計(jì)分為調(diào)頻調(diào)壓模塊的軟件設(shè)計(jì)和保護(hù)模塊的軟件設(shè)計(jì)。

4.1. 調(diào)頻調(diào)壓模塊的軟件設(shè)計(jì)

調(diào)壓控制芯片根據(jù)輸入的調(diào)壓要求，通過中斷加查詢的方式確定輸入值，進(jìn)行查表獲得相應(yīng)的賦值，以此調(diào)節(jié)PWM的占空比，并控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

系統(tǒng)中設(shè)置按鍵的輸入、顯示、報(bào)警等功能，對按鍵的處理采用中斷加查詢的控制方式，主要由外部中斷INT0和P0、P3口完成。同時(shí)，LED采用掃描方式，進(jìn)行電壓輸出值的掃描顯示，主要由P2、P1完成，當(dāng)程序出現(xiàn)故障時(shí)通過外部端口指示燈和電壓顯示不正常來報(bào)警。電壓調(diào)整輸出的PWM信號(hào)由P2.0口輸出。定時(shí)器T0主要完成按鍵中的2S定時(shí)查詢，定時(shí)器T1主要完成P2.0的定時(shí)中斷輸出，主程序主要完成初始值的設(shè)置，包括TMOD、TCON、IP、IE等單片機(jī)內(nèi)各程序以及端口輸出的初始狀態(tài)和工作方式。

而調(diào)頻模塊的軟件設(shè)計(jì)主要分為外部中斷調(diào)頻處理，產(chǎn)生頻率控制信號(hào)和T0過壓過流保護(hù)處理。由于電路要實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻功能，因此將程序編寫分為各個(gè)模塊，主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化。主程序主要實(shí)現(xiàn)初值設(shè)置、循環(huán)顯示功能和輸出觸發(fā)脈沖功能，體現(xiàn)了對單片機(jī)內(nèi)部觸發(fā)和外電路顯示的控制思路。調(diào)壓系統(tǒng)外部中斷控制子程序?qū)崿F(xiàn)按鍵觸發(fā)改變輸出觸發(fā)脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)逆變電路電壓頻率可調(diào)功能。通過改變R1、R2的值，改變定時(shí)器設(shè)定初值，調(diào)整觸發(fā)頻率。圖6所示為調(diào)頻調(diào)壓模塊的主程序流程圖。

Figure 4. Protection circuit module圖4. 保護(hù)電路模塊

Figure 5. Driving circuit圖5. 驅(qū)動(dòng)電路

4.2. 保護(hù)模塊的軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示，保護(hù)中斷子程序?qū)δ孀冸娐分懈邏骸⑦^流起到中斷響應(yīng)作用。當(dāng)外部電壓或電流過高時(shí)通過對單片機(jī)的T1口輸入電平實(shí)現(xiàn)對逆變電路的中斷。同時(shí)P0.0端口輸出高電平，使相應(yīng)繼電器斷開，對主電路進(jìn)行保護(hù)。

5. 調(diào)試結(jié)果

按以上方案，筆者實(shí)際制作出一款調(diào)頻調(diào)壓供電模塊，該模塊能夠穩(wěn)定地輸出電壓在5～36 V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、輸出頻率在1～15 kH z范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的正弦交流信號(hào)，經(jīng)筆者在實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試(調(diào)試過程另文敘述)，獲得了較理想的輸出正弦波。結(jié)果表明，模塊輸出幅度頻率可在設(shè)定范圍自由準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)穩(wěn)定平整，輸出質(zhì)量高。

由于該設(shè)計(jì)方案中調(diào)壓模塊和調(diào)頻模塊電路彼此獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了全模塊輸出電壓與頻率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，所設(shè)保護(hù)電路能有效保護(hù)其安全可靠。該供電模塊不僅保留了傳統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓電源的基本性能，且模塊功耗小，工作穩(wěn)定，可靠性高。若能采用較好的制作工藝，依據(jù)鉆井導(dǎo)向設(shè)備的具體構(gòu)造與供電的環(huán)境與場合使之嵌入并固化，必能很好地滿足鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)中各類工況下的供電實(shí)際需求。

Figure 6. Voltage regulation, frequency modulation control of the main program flow chart圖6. 調(diào)壓、調(diào)頻控制主程序流程圖

Figure 7. Program of protection module圖7. 保護(hù)模塊程序圖

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Design of Power Supply Mode for Frequency and Voltage Adjustment in Drilling Steering System

Jinping Huang1, Yunxia Zhu2, Xin Wen1
1School of Electronics and Information, Yangtze University, Jingzhou Hubei2The Eighth Oil Production Plant, Petro China Changqing Oilfield Company, Xi’an Shaanxi3The Fifth Oil Production Plant, Petro China Changqing Oilfield Company, Xi’an Shaanxi

To meet the requirement for fast drilling of a high quality well trajectory without tripping for changing the BHA (bottom hole assembly) in steerable drilling, a program was proposed for designing power supply module for frequency and voltage controlling with a single chip computer. Compared with power supply module realized by the three terminal voltage stabilized power supply composed of an adjustable component and power supply module realized by using IGBT (insulated gate bipolar transistor) with bidirectional conduction function, which are the most commonly used in the present stage, what makes the program different is that it utilize single chip computer AT89C5 to control the main circuit of frequency and voltage adjustment, combined with a bridge inverter circuit, implementing the frequency adjustment through IR2110 driving, and design over-current (voltage) protection at last. The testing result shows that the module design based on the program is simple and controllable, it can meet the demands of applications of the power supply module of the drilling system under various working conditions.

Drilling Steering System, Power Supply Module, Single Dhip Computer, Signal of Pulse Width Modulation

黃金平(1965-)，男，副教授，現(xiàn)主要從事電子與信息方向的教學(xué)與研究工作。Email: 1103934907@qq.com

2016年5月30日；錄用日期：2016年7月7日；發(fā)布日期：2016年9月15日

文章引用: 黃金平, 朱云霞, 溫欣. 鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)用調(diào)頻調(diào)壓供電模塊設(shè)計(jì)[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2016, 38(3): 79-85. http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383028