井下渦輪電機參數精密檢測系統設計

汪躍龍，呂錦省，霍愛清，湯 楠

(1.西北工業大學，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中必不可少的組成部分［1］。旋轉導向鉆井系統中有上、下兩個渦輪電機，其中上渦輪電機主要用來作為電能發生器，它輸出的交流電能經過整流穩壓處理后，向旋轉導向鉆井系統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生器，由控制驅動電路的輸出使其產生導向鉆井系統所需要的平衡力矩。

下傳通信是將地面指令傳遞給井下控制系統從而形成閉環控制的關鍵［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。故準確檢測上渦輪電機的電壓是實現下傳通信的基礎。

旋轉導向鉆井系統的控制是一種力矩平衡控制，下渦輪電機的作用力矩，尤其是力矩的動態過程，是影響旋轉導向鉆井系統控制性能的關鍵。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，即電磁力矩與電樞電流近似為常系數的比例關系，故測量電機電流可間接計算電機的電磁力矩，為提高系統的控制性能、保證系統的導向功能提供條件。綜上，井下渦輪電機參數檢測系統是旋轉導向鉆井系統中非常重要的一個子系統。按照井下渦輪電機的實際工作情況，系統工作在鉆井液排量為20～45 L/s的范圍內，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。考慮到井下的特殊工作環境，要求檢測系統最高耐溫為125℃，能夠承受近鉆頭的200 g的沖擊。

1 井下渦輪電機參數檢測系統設計

根據系統設計，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精密檢測系統由信號檢測、精密整流、濾波、A/D轉換與數字處理等環節構成，系統整體封裝在導向鉆井系統的測控電子倉中，實現對電機參數的測量存儲并以數字信號形式送給控制單元，系統結構如圖1所示，圖1中的MCU采用dsPIC30FX011單片數字控制器。

圖1 井下渦輪電機參數檢測系統結構圖

1.1 渦輪電機參數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、長度有關的常數。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呈現良好的線性，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，為得到數伏特的輸出電壓，則需要并聯數百歐姆的負載電阻，阻值大，輸出波形易產生畸變。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，運放輸入保護穩壓二極管VS1、VS2擊穿電壓為15 V。考慮到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，根據電路原理，由及和，得互感線圈及放大電路部分的傳遞函數:

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，其幅值放大倍數為Rf/1 000。為保證測量精度，反饋電阻要使用精度優于0.1%、溫度系數優于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，輸出電壓始終為零;如采用死區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轉換與數據處理

檢測信號經過放大與精密整流后送入dsPIC30FX011進行A/D轉換，這種數字控制器帶有片上12位A/D轉換器。參考電壓采用AD584，其溫度漂移系數為1.5×10-5/℃，最大誤差為±30 mV，在寬溫度范圍內具有較高精度。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。

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，采樣后的數據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主要承擔井下姿態解算和實時控制。兩個MCU采用總線連接，其中，RD0～RD7為數據線，RD8為高、低8位標識，RD9為MCU1發送請求，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，其內阻隨溫度而變化，在0～150℃范圍內滿足關系［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，實測比例系數接近，但高溫區差異稍大。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電阻方式，對用銅絲繞制的互感線圈，選用溫度系數為-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的測量精度要求。

2 測試試驗

井下渦輪電機參數檢測系統設計、調試與實驗室標定后，進行了數輪現場測試。現場測試采用單臺往復式鉆井泵水力循環驅動渦輪電機，鉆井泵沖數在20～120沖/min范圍內連續可調(變頻調速)，缸徑Ф150 mm，由導向鉆井系統的測控單元同步連續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。現場測試結果表明系統測量準確，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據，也可為導向鉆井系統的鉆井液排量-渦輪特性、鉆井液排量-電機電壓特性、導向鉆井系統井下控制規律、下傳通信解碼算法等研究提供準確數據和手段。

圖6 連續實測記錄的排量-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對渦輪電機參數精密檢測的要求。

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

(3)鉆井井下環境的溫度變化和導向鉆井井下控制系統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能夠滿足井下導向系統的測量要求。

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