张建国 白玉新 解 庆 韩志富 李广伟

(北京精密机电控制设备研究所 北京)

宽电压输入范围的自动垂直钻井系统电源模块设计

张建国 白玉新 解 庆 韩志富 李广伟

(北京精密机电控制设备研究所 北京)

针对石油行业井下自动垂直钻井系统三相钻杆式发电机电压输出范围较大的问题,给出了一种优化垂钻系统电源模块的设计方法,使电源模块既能适应较宽的电压输入范围,又能基本满足井下高温环境工作要求。

自动垂直钻井;发电机;整流;切换;滞环比较

0 引 言

石油行业井下自动垂直钻井系统中常采用钻杆式发电机为自动垂钻系统电控单元提供电源,钻杆发电机与电控单元都是自动垂钻系统的一部分,安装在井下钻头附近。钻杆由地面钻机钻盘带动,钻杆发电机由钻杆提供动力,钻杆转速的变化制约了钻杆发电机的输出性能,钻杆转速低,电机输出电压低、功率小,转速高,电机输出电压高、功率大。在钻进过程中,如井下工况恶劣,钻杆转速可能会大范围波动。为此,要使用钻杆发电机为电控单元稳定供电,垂钻系统的电源模块必须能适应宽范围的电压输入。

1 原有设计方案介绍

如图1所示,三相发电机输出接全桥整流模块,整流后的直流电进入DC-DC开关电源模块,输出电控单元所需的+18 V、-18 V和+9 V电源。

图1 第一轮参加下井试验的电源模块原理图

2009年9月～11月进行了首轮两次下井试验,此时,钻杆额定转速为70±10 rpm,整流后电压为50 V～70 V,电源模块在各种工作负载下处于额定工作状态,各路电源输出电压均达到设计指标,且功率管发热较小,能够满足任务要求。

2 新的电源模块设计要求

经过第一轮井下试验后,系统对发电机及电源模块提出了新的设计要求。

1)输入要求:发电机适应钻杆转速范围为40 rpm～120 rpm,相对应的电源模块三相输入线电压范围为32 V～115 V;

2)输出要求:电源模块输出电压为+18 V、-18 V、+9 V,输出功率要求不小于30 W;

环境温度要求:工作环境温度不小于120℃。

3 解决方案

3.1 试验数据分析

方案设计前,对首次参加下井试验的发电机、电源模块的试验数据进行了汇总,期望从中得出有参考意义的数据。

3.1.1 电源模块调试数据

常温下,电源模块(带全载)进行试验,当整流后电压为38 V时(DC-DC高频变压器变比最理想的工作点),电源模块工作稳定,功率管发热很小,效率最高,可以达到85%;当整流电压为90V时,电源模块也可以稳定工作,但功率管开始发热(常温下温升大约30℃),且效率急骤下降,大约40%;当整流后电压为150V时,电源模块可以工作,但功率管发热严重,效率更低,大约22%。

在整流后电压为52 V时的状态下,电源模块通过了全载高温120℃下两小时的试验。但是,在相同供电及负载条件下,电源模块高温环境下比常温环境下损耗明显加大,效率明显降低,功率管发热明显增高。3.1.2 电源模块与发电机联调数据

首轮自动垂钻系统室内联调时,发电机与电源模块性能数据见表1。

表1 电源模块与发电机联调数据

3.1.3 数据分析

由前期试验数据分析可以看出,一方面,环境温度升高会使变压器输入电感升高,从而使功率管关断速度变慢,关断损耗增加,环境温度升高还会使功率管导通电阻增加,使功率管导通损耗增加;另一方面,电源电压升高,使变压器效率明显降低,同时使功率管开关损耗变大。由于前面的因素很难控制,因此,可以采取降低整流后电压的方式提高电源模块效率,同时使电源模块适应更高的钻杆转速范围。

3.2 设计方案

在不改变DC-DC模块主电路的基础上,针对首轮参加下井试验的发电机参数进行分析,降低整流后电压可以有效降低功率管损耗,提高工作效率。采用晶闸管可控整流的传统方案可以降低整流后电压,但制约因素有两个:一方面钻杆发电机低速运行时,电压频率较低,采用可控整流很难得到较稳定的整流电压;另一方面,晶闸管尺寸较大,安装位置受到严格限制,且晶闸管很难承受120℃环境温度考核。因此,设计时没有采用晶闸管可控整流方案,而是采用一种全桥整流和半桥整流结合的设计方案。当全桥整流后电压高于设定值VH时将整流方式切换为半桥整流,从而使整流后电压基本降低至全桥整流电压的一半;当半桥整流电压低于设定值VL时,将整流方式切换回全桥整流,从而使整流后电压增加一倍,确保DC-DC能够正常工作。为防止全桥切换至半桥整流后不会立刻再切回全桥整流方式,必需使VL＜VH/2,并留有一定余量,同时当电压为VL时,电源模块在全负载状态下仍处于额定工作状态,本方案中综合考虑钻杆转速、发电机输出、电源模块选型等因素,初步选定VH为90 V,VL为40 V。

3.2.1 采用继电器切换整流方式

要实现设计目的,最简单的方案是采用带切换触点的直流继电器,如图2所示。发电机启动工作前,继电器的常闭触点使DC-DC模块地线与发电机全桥整流后的地线接通。发电机工作后,系统首先处于全桥整流方式,滞环比较电路实时采样全桥整流后电压,当钻杆转速升高,发电机输出电压变高,全桥整流后电压大于切换电压VH(90 V)时,比较电路将输出控制信号使继电器切换至常开触点,整流方式由全桥整流切换至半桥整流,整流后电压Vz大约降至原来的一半,约44 V。当钻杆转速降低,发电机输出电压变低,半桥整流后电压低于VL(40 V)时,滞环比较电路将输出控制信号将整流方式由半桥整流切换至全桥整流,整流后电压提高至约80 V,电源模块仍然能够正常工作。

图2 采用继电器切换整流方式的电源模块原理图

此方案中继电器为关键器件,且继电器性能要求较高。经多次试验,采用继电器的方案基本行不通。另外,采用继电器方式还有两个缺点,一方面,继电器切换瞬间电流偏大,会有电弧,容易损坏,同时会使整流后电压产生短时间波动;另一方面,流经继电器各触点的电流较大,发热严重,损耗较大。

3.2.2 采用场效应管切换整流方式

为此,为实现整流方式切换的功能方案中选用两个MOSFET、一个二极管实现。

如图3所示,M1用于接通DC-DC模块和全桥整流模块之间的地线,M2、D1用于接通DC-DC地线和发电机中线,加入D1的目的主要为了防止中线上的交流电源通过M2内部的保护二极管与相线短路。

3.2.3 滞环比较控制电路

滞环比较控制电路负责检测整流后电压并进行上、下限的滞环比较,最终按照预定逻辑驱动控制M1、M2。滞环比较控制的目的是防止全桥切换到半桥整流后瞬间出现切回全桥整流的情况。滞环比较电路中采用了555定时器和比较器实现。M1、M2门极控制电路采用了具有两组切换触点的继电器控制,此处继电器控制的为弱电信号,耐压只要求20V,且电流非常小,运行可靠。

图3 采用Mosfet切换整流方式的电源模块原理图

4 试验验证情况

4.1 利用市电进行试验

采用场效应管切换整流方式的方案,首先生产了电源模块原理样机并进行了试验。试验中,将380 V三相交流电经可调变压器降压后代替发电机作为电源模块的输入,电源模块在空载、带载情况下均顺利通过试验验证。试验证明整流后电压在88 V～90 V时整流方式由全桥切换到半桥整流;电压在38 V～40 V时,整流方式由半桥整流切换到全桥整流,整个过程中,电源模块工作正常,且M1、M2基本不发热,损耗较小。另外,根据试验结果半桥整流时二极管D1上会有约3 V～8 V的反向压降,致使半桥整流后Vz电压略大于全桥整流后电压的一半。

4.2 与发电机联调

由于本次联调使用的发电机状态与首轮下井试验的发电机状态有所不同,但可以看出电源模块对发电机输出电压变化的适应能力明显增强。由于试验工装对发电机转速无法实现无级调速,因此无法利用发电机测试出准确的切换点,与发电机联调数据如表2。

由采用整流切换方案后,电源模块可以适应35.6 rpm～约120rpm的钻杆转速范围。试验结果表明,新设计方案基本达到降低输入电压的预期目标。

4.3 高温试验

高温状态下,电源模块(带全载)进行试验,当环境温度为120℃,整流后电压为68.3 V时,电源模块效率要比相同状态下常温试验效率明显降低,功率管温升约45℃,但系统工作正常,能够经受两小时考核;当环境温度为110℃时,整流后电压为90 V时,电源模块效率进一步降低,功率管温升高达到70℃,但系统仍工作正常;当环境温度为120℃时,整流后电压为90 V时,电源模块只能工作1 min,之后功率管烧毁;根据实验情况可知当整流后电压大于90 V时,电源模块可以适应高温环境的能力将进一步降低。

因为高频电路大部分损耗是来自开关管的开关损耗(主要是关断损耗)[2],如果再采取一些措施减少开关管开关损耗,如采用零电流开关准谐振变换器或零电压开关准谐振变换器[3],控制其在90V状态下的温升,电源模块将能够在120℃的状态下40 rpm～120 rpm全范围内工作。

4.4 井下试验

2010年8月29日～8月31日16.5 in(1 in=25.4 mm)垂钻系统进行了两次下井试验,井深约200 m～500 m,井下环境温度为30℃～48℃,钻杆转速60 r/min～90 r/min。根据随钻记录数据分析可知,电源模块整流后电压在45 V～88 V之间,整流方式切换功能运行正常。

5 结 论

自动垂钻系统的AC-DC电源模块中采用全桥整流切换成半桥整流方式的方案,可有效加大电源模块对钻杆发电机输出电压的适应范围,明显提高电源模块对钻杆转速的适应能力,增加了井队对转速的选择范围,有利于井队在钻井过程中根据地层、钻进速度等因素自由调节钻杆转速。

[1] 黄 俊,王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1996

[2] 张占松,蔡宣三.开关稳压电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2000

[3] 徐德鸿,等译.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社,2004

表2 电源模块与发电机联调数据

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

张建国,男,1977年生,高级工程师,1999年毕业于山东工业大学工业电气自动化专业,现在北京精密机电控制设备研究所二事业部从事技术工作。邮编:100076

2010-09-18编辑:刘雅铭)