變頻電源技術在鉆進式井壁取心器上的應用

劉文革 王愛新 田亞鋒 李 珊

(中國石油集團測井有限公司裝備與銷售分公司，河北 滄州 062552)

變頻電源技術在鉆進式井壁取心器上的應用

劉文革 王愛新 田亞鋒 李 珊

(中國石油集團測井有限公司裝備與銷售分公司，河北 滄州 062552)

詳細介紹了變頻電源技術在SRCT6701鉆進式井壁取心儀器上應用的原理，并從實用的角度說明變頻電源改善了取心儀器電機的機械特性，實現了取心過程控制智能化的技術特點，同時變頻電源的使用取得了擴展取心器適用的地層溫度、硬度范圍的良好應用效果，對鉆進式井壁取心儀器技術的發展具有重要的實際意義。

變頻電源技術；鉆進式井壁取心器；應用

0 引言

鉆進式井壁取心器的井下儀器采用單相交流異步電機驅動液壓泵，通過液壓傳動，驅動鑲金剛石空心鉆頭垂直井壁鉆取巖心。所取巖心呈規則圓柱狀，直接用于巖層的巖性及含油性觀察，同時可用于巖層的巖性、電性、物性、含油性分析化驗以及含油飽和度、孔隙度、滲透率等油氣儲積層參數的求取[1]。

單相異步電機有兩種工作方式：一種是電容運轉方式，井下儀器電機采用單相電源，啟動電容必須放在井下線路中，井下高溫環境對電容的技術指標要求很高，此技術受到很大限制；另一種是兩相電源運轉方式，取心器用兩箱體結構線性電源，三相電經調壓箱再經升壓箱變為相位差為90°的兩相電，通過電纜供給井下電機，能提供較大啟動轉矩，但電源設備笨重、體積大[2]。

1 國內外鉆進式井壁取心器電機供電電源現狀

1985年，哈里伯頓推出采用液壓技術的鉆進式井壁取心器，采用兩相電源運轉方式。1994年河南石油勘探局聯合其他單位研制的鉆進式井壁取心器以及目前國內其他廠家也都是采用兩相電源運轉方式。

2008年，中國石油集團測井有限公司首次將變頻電源技術應用到SRCT6701鉆進式井壁取心器上。取心變頻電源的主要優點是：

(1) 改善電機啟動機械特性。實現電機的軟啟動、制動；低頻小電壓、小電流啟動，減小啟動電流沖擊。

(2) 擴大了取心器使用的液壓油的適用溫度范圍。

(3) 實現了取心時鉆頭的自動化保護。

(4) 提高了輸入電源功率因數，降低了取心器對附屬設備的不利影響。

2 取心變頻電源工作原理

取心變頻電源是鉆進式井壁取心器給井下儀器電機供電的專用變頻器，采用AC—DC—AC變頻器模式，對電網或輸入電源相當于一個理想的阻性負載，有理想的功率因數，對其所供電的電機接近于理想交流電源。

取心變頻電源工作原理：在中央控制模塊控制下，首先，功率因數校正模塊PFC將輸入的工頻交流電變為360 V直流電，再輸入BUCK調壓模塊，以提高輸入電源的功率因數。其次，BUCK調壓模塊控制開關管導通時間，得到輸出為0～360 V的直流電壓。再次，BUCK調壓模塊將直流電壓送到高頻正弦調制升壓模塊，將直流信號調制成按正弦規律變化的高頻信號，輸入高頻升壓變壓器T原邊，在T副邊得到高壓高頻信號，再經過整流和低通濾波，得到低頻的半波正弦高壓信號。最后，逆變換向模塊將接收來的低頻半波正弦高壓信號送入全橋電路，產生出按照正弦波周期變化的電壓和電流A，其作為變頻電源的一相電輸出。

變頻電源的中央控制模塊控制A、B兩路相關模塊的低頻正弦調制波形相位，得到相位差為90°的A、B兩相正弦波形電壓和電流，輸出給取心井下儀器電機滿足其需要。

異步電機的轉速關系式為：

n=n0(1-S)=60f(1-S)/p

式中，n0為電機同步轉速；S為電機轉差率；f為電源頻率；p為極對數。

異步電機端電壓U與磁通量的關系式為：

U≈E=4.44WΦf=KeΦf

式中，E為定子繞組反電勢；W為單相繞組匝數；Φ為每個磁極下的磁通量；Ke為常數。

端電壓U主要和E相平衡，E與電流的頻率和每極下的磁通量有關。變頻調速為保持電機內磁通量基本不變，在改變頻率f時，要改變U，避免頻率f下降時，因端電壓U不變，而磁通量增加，引起電機鐵芯磁飽和，勵磁電流激增，鐵損耗增加。

取心變頻電源在基頻以下調頻，采用電壓補償的方法保持U/f=常數，最大轉矩Tm=常數，Tm與頻率f變化無關，不同頻率的各條機械特性曲線是平行的，硬度相同，保持恒磁通變頻調速的機械特性。電機轉速n與電磁轉矩T的n=f(T)機械特性曲線如圖1所示。在一定的靜差率要求下，調速范圍寬，穩定性好，頻率連續可調，變頻調速為無級調速，平滑性好。電機在正常負載運行時，轉差率S較小，效率較高[3-4]。

圖1 基頻以下調頻n=f(T)機械特性曲線

取心變頻電源在基頻以上調頻，由于定子繞組絕緣的限制，不允許升高電機端電壓U，采用升高頻率f上調電機轉速，保持U不變。這樣頻率f增加，則磁通Φ降低，屬減弱磁場調速類型，機械特性變軟。

此時電機最大電磁轉矩Tm及其臨界轉差率Sm與頻率f的關系，可近似表示為Tm∝1/f2和Sm∝1/f。電機的運行段近似是平行的，這種調速方式可近似認為是恒功率調速類型。高于額定頻率運行時，最大轉矩Tm隨著頻率升高而下降。電機轉速n與電磁轉矩T的n=f(T)機械特性曲線如圖2所示。

圖2 基頻以上調頻n=f(T)機械特性曲線

取心變頻電源應用了計算機運算和控制技術，在變頻調速方式下，電機能夠平滑軟啟動，降低了啟動沖擊電流，確保了電機安全。電機在不同轉速下都具有額定電流，都能在溫升允許條件下長期運行，轉矩基本上隨磁通變化而變化。電機正反向轉換通過變頻電源改變兩相供電輸出A、B的相位關系完成。

3 變頻電源結合控制面板實現取心自動控制

取心變頻電源通過串口與SRCT6701鉆進式井壁取心儀器的取心控制面板通訊，并通過控制面板給井下儀器的電機供電。控制面板對變頻電源進行實時自動控制，按照設定的計算機運算控制方法，根據取心作業時電機的電流、電壓狀態以及其他取心參數，應地層硬度的變化，可及時退鉆或鉆進而保護鉆頭。

4 現場應用

變頻電源用于SRCT6701鉆進式井壁取心儀器，在華北、冀東、大港、長慶、青海等油田，取心井深達到5 000多米，適用于不同軟硬程度的地層，操作方便，成功率高。尤其是在冬季井場低溫條件下能直接啟動電機，避免了原來用線性電源必需的液壓系統長時間預熱，提高了儀器的可靠性，深受用戶歡迎。

5 結語

在鉆進式井壁取心儀器系統中，用變頻電源取代兩箱體結構線性電源，使電源重量和體積大為減少，操作簡便，作業效率更高，提高了儀器系統的可靠性，使變頻電源取代兩箱體結構線性電源成為必然。

[1]哈里伯頓.旋轉式井壁取心器用戶手冊[K]，1985

[2]田學信.HH-1型鉆進式井壁取心器的研制與推廣應用[J].測井技術，2000(4)

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].機械工業出版社，2003

[4]孫傳森.變頻器技術[M].高等教育出版社，2009

2014-06-03

劉文革(1967—)，男，天津人，工程師，研究方向：石油測井儀器、石油測井鉆進式井壁取心儀器。