大功率隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的性能仿真與試驗(yàn)*

李 飛 程李浩 趙文軒

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院；中海油集團(tuán)測(cè)井與定向鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定向鉆井分室)

0 引 言

隨著我國(guó)油氣勘探逐步向豐富但探明率低的非常規(guī)油氣資源過渡，鉆井開發(fā)技術(shù)和關(guān)鍵裝備的技術(shù)能力受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝備代表了當(dāng)今世界井下導(dǎo)向工具發(fā)展的先進(jìn)水平，是推進(jìn)非常規(guī)油氣資源規(guī)?；_發(fā)的高端裝備之一[2-3]。隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的更新迭代，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的功能愈發(fā)強(qiáng)大，井下地質(zhì)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)通信及導(dǎo)向控制電子倉越來越復(fù)雜，使井下供電系統(tǒng)的輸出功率和續(xù)航時(shí)間面臨更大的挑戰(zhàn)。

鋰電池和渦輪發(fā)電機(jī)是井下儀器供電的2種主要方式。采用鋰電池供電成本高、續(xù)航能力有限且受井下高溫影響，經(jīng)常因電池耗盡或高溫爆炸而被迫起下鉆，從而影響整個(gè)鉆井生產(chǎn)過程[4]。隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)利用高速流動(dòng)的鉆井液動(dòng)能循環(huán)發(fā)電，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具持續(xù)工作的電能保障，已成為隨鉆測(cè)量和鉆井系統(tǒng)的主電源[5-6]。相比鋰電池供電，隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)具有壽命長(zhǎng)、抗高溫、空間利用率高、續(xù)航能力強(qiáng)及輸出功率大等優(yōu)勢(shì)，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(Rotary Steering System，RSS)、隨鉆測(cè)量工具(Measurement While Drilling，MWD)和隨鉆測(cè)井工具(Logging While Drilling，LWD)的標(biāo)準(zhǔn)配置[7-8]。為保證井下工具運(yùn)行的可靠性，絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用無源整流的方式，然而對(duì)于在實(shí)際鉆井作業(yè)中運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具而言，寬范圍的鉆井液流量變化和動(dòng)態(tài)負(fù)載將會(huì)導(dǎo)致輸出的整流電壓不穩(wěn)定，存在以下危害：①在渦輪鉆井液排量變化和動(dòng)態(tài)載荷下，易引起發(fā)電機(jī)交流端電壓波動(dòng)大，使導(dǎo)向電機(jī)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而影響系統(tǒng)的閉環(huán)控制性能和導(dǎo)向功能；②DC直流總線電壓定義范圍大，使下游部件普遍選型過大，不僅增加了控制電子倉的尺寸，而且加大了各電路板的設(shè)計(jì)難度；③極為有限的功率管理，無功功率產(chǎn)生的附加損耗，縮短了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用壽命。

為解決以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究，取得了一定的成果，并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。YE L.Z.等[9]設(shè)計(jì)了3.3 kW隨鉆凸極型混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，基于有限元分析了發(fā)電機(jī)在給定勵(lì)磁電流下的輸出特性，電壓調(diào)整率為±8%。劉克強(qiáng)[10]針對(duì)“一趟鉆”鉆井技術(shù)，分析了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、高效鉆頭、長(zhǎng)壽命螺桿及MWD供電技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀。王智明等[11]設(shè)計(jì)了1.5 kW井下混合勵(lì)磁渦輪發(fā)電機(jī)，研究了高溫、鉆井泵排量及渦輪型式對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響。呂官云等[12]為縮短渦輪的研制周期，利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)井下渦輪進(jìn)行全三維數(shù)值模擬和力學(xué)性能預(yù)測(cè)，并通過合理調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使之滿足流道、葉片型線和喉部折轉(zhuǎn)角的檢驗(yàn)要求，以達(dá)到理論設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果。楊安林等[13]通過相量法建立永磁同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗數(shù)學(xué)模型，研究了內(nèi)阻抗特性等對(duì)電壓調(diào)整率的影響。王聞濤等[14]提出了渦輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，并設(shè)計(jì)了渦輪發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)、清水循環(huán)及泵排量適應(yīng)范圍試驗(yàn)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向發(fā)電整流系統(tǒng)的技術(shù)要求，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比于永磁同步發(fā)電機(jī)具有空間利用率高、調(diào)速范圍寬及輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)井下渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)大功率隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)性能的研究較少，在勵(lì)磁控制方面均以有限元分析和給定勵(lì)磁電流研究發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制特性。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的實(shí)際運(yùn)行作業(yè)中，整個(gè)井下發(fā)電系統(tǒng)為閉環(huán)控制，隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的輸出電壓和勵(lì)磁電流控制受鉆井液排量變化、負(fù)載的變化和工具行為的影響。

為使在寬鉆井液排量變化范圍內(nèi)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)輸出電壓得到補(bǔ)償和穩(wěn)定，筆者通過建立隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制Simulink模型，研究渦輪轉(zhuǎn)速、負(fù)載變化及工具行為對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓、輸出功率和勵(lì)磁控制的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)井下勵(lì)磁控制電路板并開展系統(tǒng)試驗(yàn)，經(jīng)仿真和試驗(yàn)，分析發(fā)電機(jī)的發(fā)電特性和勵(lì)磁控制性能。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的水力循環(huán)測(cè)試和實(shí)際鉆井作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 勵(lì)磁控制工作原理

圖1為指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。在定向鉆井工具鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液有效沖擊渦輪葉片，葉片將鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，渦輪增速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子繞組線圈在磁場(chǎng)作用下切割磁感線產(chǎn)生電能。

由圖1可知，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的永磁磁路與勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立，永磁體產(chǎn)生主磁通，勵(lì)磁線圈在勵(lì)磁電流作用下產(chǎn)生輔助磁通。勵(lì)磁線圈控制電路通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)永磁體主磁通的增磁、弱磁及輸出電壓的調(diào)節(jié)，以此使發(fā)電機(jī)適應(yīng)更寬的鉆井液流量范圍。發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)無源整流轉(zhuǎn)換成直流電，直流電一部分為導(dǎo)向電機(jī)和勵(lì)磁線圈控制電路板供電，另一部分經(jīng)升降壓電路為定向鉆井工具的主控制電路板、信號(hào)處理電路板、導(dǎo)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板及姿態(tài)傳感器等供電。隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如表 1所示。

表1 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of turbogenerator while drilling

1.1 數(shù)學(xué)模型

由于混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)永磁磁路與勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立，故對(duì)永磁部分進(jìn)行數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。在三相ABC靜止坐標(biāo)系中，發(fā)電機(jī)各變量耦合性強(qiáng)且求解困難，利用Clark、Park變換，可得永磁部分d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓方程[15-17]：

(1)

(2)

式中：Vd、Vq為d-q軸定子電壓，V；Ld、Lq為d-q軸電感，mH；Rs為定子繞組電阻，Ω；Id、Iq為d-q軸電流，A；t為時(shí)間，s；ω為電角速度，rad/s；ψf為磁鏈，Wb。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(3)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

(4)

式中：Tm為渦輪的輸出扭矩，N·m；Tem為發(fā)電機(jī)的電磁扭矩，N·m；P為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；f為阻尼系數(shù)，kg·m2/s；v為渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)速，rad/s；J為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的輔助磁通由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，通過勵(lì)磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電流的大小和方向，改變勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的輔助磁通的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁部分主磁通的調(diào)節(jié)。依據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的電源管理系統(tǒng)，勵(lì)磁電流與整流電壓(HVM)的設(shè)計(jì)要求如圖 2所示。

由圖2可以看出：當(dāng)整流電壓約為100 V時(shí)，勵(lì)磁線圈增壓電流開啟；整流電壓約為195 V時(shí)，勵(lì)磁線圈增壓電流減??；整流電壓約為255 V時(shí)，增壓電流減小至0；當(dāng)整流電壓約為290 V時(shí)，勵(lì)磁線圈降壓電流開始產(chǎn)生；整流電壓為340 V時(shí)，勵(lì)磁線圈降壓電流最大。當(dāng)整流電壓>380 V時(shí)，發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)電阻以熱耗散方式消耗制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行限制。依據(jù)設(shè)計(jì)曲線和勵(lì)磁調(diào)節(jié)的基本思想，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)如圖 3所示。

圖2 勵(lì)磁電流與整流電壓的設(shè)計(jì)要求Fig.2 Design requirements for exciting current and rectified voltage

圖3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)Fig.3 Excitation control system of generator

隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作的3種狀態(tài)如圖 4所示。

由圖4a可見，當(dāng)整流電壓<255 V時(shí)，勵(lì)磁電流>0，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在增磁BOOST狀態(tài)?？刂七壿嬍箞?chǎng)效應(yīng)管Q2、Q4導(dǎo)通，采樣電阻R1對(duì)增壓勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣，采樣的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行邏輯比較，產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，邏輯控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)控制。Q4連續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)勵(lì)磁電流略高于參考信號(hào)時(shí)，Q2截止，Q1導(dǎo)通；當(dāng)勵(lì)磁電流略低于參考信號(hào)時(shí)，Q2導(dǎo)通，Q1截止。

圖6 高壓調(diào)理電路Fig.6 High voltage conditioning circuit

圖8 H功率橋和采樣電路Fig.8 H power bridge and sampling circuit

由圖4b可見，當(dāng)255 V≤整流電壓≤290 V時(shí)，勵(lì)磁電流為0，勵(lì)磁系統(tǒng)不工作，此時(shí)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與永磁同步發(fā)電機(jī)等效。

由圖4c可見，當(dāng)整流電壓>290 V時(shí)，勵(lì)磁電流<0，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在降磁BUCK狀態(tài)?？刂七壿嬍箞?chǎng)效應(yīng)管Q1、Q3導(dǎo)通，采樣電阻R2對(duì)降壓勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣，將采樣的信號(hào)與參考信號(hào)邏輯比較，產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，邏輯控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)控制。Q1連續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)勵(lì)磁電流略高于參考信號(hào)時(shí)，Q3截止，Q4導(dǎo)通；當(dāng)勵(lì)磁電流略低于參考信號(hào)時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q4截止。

1.3 仿真模型設(shè)計(jì)

由于混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的永磁磁路與勵(lì)磁線圈相互獨(dú)立，當(dāng)勵(lì)磁電流If=0時(shí)，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可等效為永磁發(fā)電機(jī)。基于發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和勵(lì)磁系統(tǒng)的控制要求，為更準(zhǔn)確模擬隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的工作特性，分別對(duì)永磁發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建，采用Simulink搭建的系統(tǒng)仿真模型如圖 5所示。

2 勵(lì)磁控制電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 勵(lì)磁控制電路設(shè)計(jì)

依據(jù)定向鉆井工具的電源管理系統(tǒng)，勵(lì)磁控制電路工作在井下150 ℃的高溫環(huán)境。為提高控制電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，采用模擬電路控制方式。勵(lì)磁控制電路主要由高壓調(diào)理電路、參考電路、采樣電路、邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路及H功率橋電路組成。

高壓調(diào)理電路對(duì)整流電壓HVM進(jìn)行采樣，電阻R7和R10分壓后經(jīng)跟隨器OP221緩沖隔離后，生成HVM的采樣信號(hào)ALT_HVM_LOCAL和ALT_HVM_SENSE。ALT_HVM_LOCAL用于勵(lì)磁電流采樣電路的BOOST和BUCK控制信號(hào)的生成；ALT_HVM_SENSE將輸出至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的主控器，經(jīng)主控器傳輸至上位機(jī)界面，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流電壓HVM。高壓調(diào)理電路原理如圖 6所示。

參考電路的主要作用是生成與勵(lì)磁電流采樣信號(hào)進(jìn)行邏輯比較的參考信號(hào)DESIRED_V，以滿足勵(lì)磁控制的電壓要求。參考電路原理如圖 7所示。

以英飛凌IR2130S為驅(qū)動(dòng)H橋電路的核心，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在增磁BOOST狀態(tài)時(shí)，Q2和Q4導(dǎo)通，BOOST邏輯信號(hào)為高電平，BUCK邏輯信號(hào)為低電平，通過采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)增磁電流的采樣，得到增磁電流采樣信號(hào)BOOST_I_SEN；當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在降磁BUCK狀態(tài)時(shí)，Q3和Q1導(dǎo)通，BOOST邏輯信號(hào)為低電平，BUCK邏輯信號(hào)為高電平，通過采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)降磁電流的采樣，得到降磁電流采樣信號(hào)BUCK_I_SEN。H橋電路和采樣電路如圖 8所示。

2.2 勵(lì)磁控制電路測(cè)試

勵(lì)磁控制電路測(cè)試流程圖如圖 9所示。該測(cè)試平臺(tái)主要有直流高壓電源、勵(lì)磁控制電路板、勵(lì)磁線圈及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

為測(cè)試勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型和電路設(shè)計(jì)的可靠性及穩(wěn)定性，當(dāng)整流電壓HVM=100～400 V時(shí)，仿真模型和實(shí)際電路的勵(lì)磁電流測(cè)試曲線如圖 10所示。

由圖10可知，設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)Simulink模型和電路滿足要求，即：當(dāng)100 V340 V，降壓勵(lì)磁電流約為-1.07 A，降壓勵(lì)磁性能最強(qiáng)。通過仿真模型和控制電路的測(cè)試，二者的勵(lì)磁調(diào)節(jié)性能幾乎一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖10 勵(lì)磁電流測(cè)試曲線Fig.10 Exciting current test curve

圖11 樣機(jī)測(cè)試流程圖Fig.11 Prototype testing flowchart

圖12 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Prototype testing platform

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

3.1 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)仿真與試驗(yàn)

樣機(jī)測(cè)試流程如圖 11所示。測(cè)試平臺(tái)主要由原動(dòng)機(jī)、隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)、無源整流電路板、濾波電容及電子負(fù)載組成，如圖 12所示。

為驗(yàn)證所建立模型和勵(lì)磁控制方案的有效性，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速分別為2 000、4 000及6 000 r/min時(shí)，對(duì)模型和樣機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試分析，勵(lì)磁電流為0。仿真模型和樣機(jī)的整流電壓HVM和負(fù)載功率曲線如圖13～圖15所示。

圖13 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.13 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 2 000 r/min

圖14 轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.14 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 4 000 r/min

圖15 轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.15 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 6 000 r/min

由圖13～圖15可知：當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí)，若發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速一定，隨著負(fù)載的增大，發(fā)電機(jī)輸出功率減小，整流輸出電壓HVM增大；發(fā)電機(jī)負(fù)載一定，隨著轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)電機(jī)輸出功率和整流輸出電壓呈線性增加。

模型仿真和試驗(yàn)測(cè)試表明，建立的隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)Simulink模型與試驗(yàn)樣機(jī)的輸出特性幾乎一致，輸出電壓HVM的范圍滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具正常運(yùn)行需求，在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出功率均達(dá)到4 kW。

3.2 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖 16所示。該平臺(tái)由原動(dòng)機(jī)、隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)、無源整流電路板、勵(lì)磁控制電路板、電子負(fù)載及數(shù)據(jù)采集儀器組成。

為測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)特性，在圖16所示的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。勵(lì)磁控制電路板對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)置勵(lì)磁線圈進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，負(fù)載為20Ω時(shí)，系統(tǒng)處于BOOST升壓增磁狀態(tài)，勵(lì)磁電流>0，仿真模型和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2所示。

圖16 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)Fig.16 Test platform for excitation control system of turbogenerator while drilling

由表2可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，負(fù)載20 Ω時(shí)，測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的BOOST升壓增磁狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性能。首先，斷開勵(lì)磁控制電路，勵(lì)磁電流為0，隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等效于永磁發(fā)電機(jī)，仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致，約140 V；其次，連接勵(lì)磁控制電路，與發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在BOOST狀態(tài)，勵(lì)磁電流為0.73 A，勵(lì)磁調(diào)節(jié)后仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致，約170 V，升壓率約為20%。

表2 2 000 r/min負(fù)載20 Ω 勵(lì)磁BOOST狀態(tài)Table 2 BOOST state of excitation at rotation speed of 2 000 r/min and load of 20 Ω

表3 6 000 r/min負(fù)載100 Ω 勵(lì)磁BUCK狀態(tài)Table 3 BUCK state of excitation at rotation speed of 6 000 r/min and load of 100 Ω

當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，負(fù)載為100 Ω時(shí)，系統(tǒng)處于BUCK降壓弱磁狀態(tài)，勵(lì)磁電流<0，仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 3所示。

由表 3可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，負(fù)載100 Ω時(shí)，測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的BUCK降壓弱磁實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性能。首先，斷開勵(lì)磁控制電路，勵(lì)磁電流為0，隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等效于永磁發(fā)電機(jī)，仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致，約470 V；其次，連接勵(lì)磁控制電路，與發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)工作在BUCK降壓弱磁狀態(tài)，勵(lì)磁電流為-1.05 A，勵(lì)磁調(diào)節(jié)后仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致，約383 V，降壓率約為19%。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí)，研究了隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下仿真模型和樣機(jī)的輸出特性，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，輸出電壓的范圍滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具正常運(yùn)行的需求。在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到4 kW，有效解決了目前隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率小的問題。

(2)勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型和控制電路的調(diào)節(jié)性能基本一致，滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，升降壓勵(lì)磁電流達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(3)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)有效地解決了寬流量范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓補(bǔ)償?shù)膯栴}，當(dāng)系統(tǒng)在BOOST升壓增磁狀態(tài)和BUCK降壓弱磁狀態(tài)工作時(shí)，仿真模型和試驗(yàn)系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電壓幾乎一致，電壓調(diào)整率約為-19%～20%。

(4)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)Simulink仿真模型與井下實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)性能一致。模型具備良好的靈活性和準(zhǔn)確性，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的水力循環(huán)測(cè)試、實(shí)際鉆井作業(yè)和車間維保提供了數(shù)據(jù)支持，降低了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的測(cè)試成本和復(fù)雜程度。