可控偏心器中非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

梁文晰，周靜，曹元兵

（西安石油大學(xué)井下測控研究所，陜西 西安 710065）

可控偏心器中非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

梁文晰，周靜，曹元兵

（西安石油大學(xué)井下測控研究所，陜西 西安 710065）

為了解決旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向偏心器中電泵機和發(fā)電機之間的物理間隙所造成的電能傳輸問題，設(shè)計出了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，并對影響電能傳輸效率的主要因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：耦合器的間隙距離越大，耦合器的傳輸效率越低；耦合器的最佳工作頻率為38 KHz；高頻逆變電源的輸出功率在280～300 W之間時，系統(tǒng)間電能的傳輸效率可以達(dá)到85%。

可控偏心器；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井；非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)；可分離變壓器

0 引言

隨著我國生產(chǎn)力與科技的飛速發(fā)展，我們的生活已經(jīng)越來越離不開對石油的依賴，而石油的鉆取已經(jīng)成為人們越來越關(guān)心的話題，因為它直接關(guān)系到石油的產(chǎn)量等一系列后續(xù)問題。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是隨著鉆井過程中的各種難題應(yīng)運而生的，它解決了許多鉆井過程中的難題。

1 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計原理

本文設(shè)計的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)首先由渦輪發(fā)電機得到工頻的交流電供給整流濾波電路得到平滑的直流電。

經(jīng)過高頻逆變電路再把直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給分離變壓器的初級，從而得到高頻率的交流電。接著把直流電送給高頻逆變電路得到高頻交流電，為了補償分離變壓器的漏磁感，在其兩端都加入補償電路，從次級補償電路出來的交流電需要經(jīng)過整流濾波電路變成平滑的直流電，再經(jīng)過穩(wěn)壓系統(tǒng)得到平滑且穩(wěn)定直流電供給直流電機。

2 可分離變壓器的機械結(jié)構(gòu)

2.1 可分離變壓器初、次級中的運動方式

可分離變壓器中初級和次級是相對分離，它們通常有三種運動方式即：初級次級相對靜；初次級相對滑動；初次級相對旋轉(zhuǎn)。為了滿足可控偏心器中電機泵和發(fā)電機之間的相對旋轉(zhuǎn)，因此，這里選用初次級相對旋轉(zhuǎn)式。

2.2 磁芯的選取

可分離變壓器主要由磁芯和繞組組成，筆者對于鐵芯的選取主要有兩種方式：鐵氧體、非晶材料。鐵氧體的優(yōu)點是磁導(dǎo)率很高，并且在廣泛的頻率范圍內(nèi)具有高電阻和渦流損耗小等優(yōu)勢，但是價格高且加工周期較長；非晶材料具有高飽和磁感、低損耗，可大大減輕設(shè)備重量、縮小體積、提高效率。

本文對于磁芯的選取主要采取這兩種方式，為了滿足逆變電路輸出的信號是方波信號這一要求，選取氣隙為1 mm，逆變電路輸出方波信號頻率為10 KHz下，測得非晶鐵芯初次級的方波信號的波形優(yōu)于鐵氧體鐵芯的方波信號。

3 分離變壓器的技術(shù)指標(biāo)

可分離變壓器存在較大的氣隙且處于松耦合狀態(tài)，漏磁較高，電能傳輸效率較低，因此可分離變壓器要安裝在可控偏心器中，并在實際中發(fā)揮作用需要達(dá)到自己的最佳狀態(tài)，才能使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)正常運行，所以必須明確耦合器中影響電能傳輸?shù)母鞣N因素。

3.1 工作頻率

當(dāng)耦合器工作在低頻段時系統(tǒng)傳輸效率極低，所以需要用高頻逆變電路把高頻平滑的交流電供給耦合器的初級，為此設(shè)計的高頻逆變電源的最大輸出電壓50 V，輸出頻率范圍為：1～100 KHz；最大輸出功率可達(dá)300 W，將氣隙固定在0.2 mm，電壓源設(shè)置輸出30 V，負(fù)載為200 Ω。通過改變電壓源的輸出頻率，測試不同的頻率對環(huán)形鐵氧體可分離變壓器傳輸效率的影響，按照仿真所得參數(shù)測得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)后，經(jīng)過計算繪出傳輸效率隨頻率的變化的曲線。

3.2 合器的氣隙

將負(fù)載固定在200 Ω，高頻逆變電源輸出電壓固定在30 V，在工作頻率為10 KHz時，改變氣隙，繪得效率隨氣隙的變化曲線，看出系統(tǒng)的傳輸效率隨著氣隙的增加而不斷降低。所以要在滿足耦合器安裝的條件下盡肯能減小耦合器的氣隙大小。

4 測試實驗

首先繪制出耦合器實驗的系統(tǒng)框圖；其次，用電機代替實際鉆井中泥漿驅(qū)動渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的電能，經(jīng)過整流電路等電路處理模塊，測試輸入功率對非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的效率的影響。

為了得到逆變電源的輸入功率為多少時系統(tǒng)效率最大，我們把實驗數(shù)據(jù)做成直觀的曲線，我們設(shè)定氣隙為1 mm，耦合器的初級所接功率為100～450 W之間，輸入電壓為30 V。實驗可得，當(dāng)輸入功率在280～300 W之間是系統(tǒng)傳輸效率最大且我們設(shè)計的耦合器合格。

5 結(jié)論及建議

（1）本文設(shè)計的耦合器能解決井下可控偏心器中旋轉(zhuǎn)外套和不旋轉(zhuǎn)外套之間的非接觸感應(yīng)供電問題。

（2）目前筆者只驗證了設(shè)計補償電路的方法來提高耦合器傳輸效率，還沒有驗證其他方法提高耦合器傳輸效率的可行性。

（3）鉆井過程中除了要解決偏心器的供電之外，還需要解決鉆井過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，希望在可以用耦合器來實現(xiàn)鉆井過程中的數(shù)據(jù)傳輸。

［1］ 馬孝春，王貴和，李國民.鉆井工程［M］.北京：地質(zhì)出版社，2010. 116～196.

［2］ 大港油田集團鉆采工藝研究院. 國內(nèi)外鉆井與采油工程新技術(shù)［M］. 北京：中國石化出版社，2002.81～85.

Research and implementation of non-contact inductive power transmission system in controlled eccentralizer

TM724

1009-797X （2015） 20-0053-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.005

梁文晰（1988—），男，在讀碩士，研究方向為一種新型解堵技術(shù)的研究與實現(xiàn)。

2015-09-04

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發(fā)”之子課題“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術(shù)與裝備”（2011ZX05021-005）；中石油集團公司重大專項“鉆井新裝備新工具研制”之子課題“隨鉆測量與傳輸裝備研制”（2014B-4313）；陜西省教育廳專項科研計劃項目“隨鉆聲波傳輸信道模擬與信息最佳傳輸研究”。