宽电压输入范围的自动垂直钻井系统电源模块设计

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1、石油仪器2011年第25卷第1期PETROLEUMINSTRUMENTS·开发设计·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(JL京精密机电控制设备研究所北京)摘要：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。关键词：自动垂直钻井；发电机；整流；切换；滞环比较中图法分类号：TE242．5文献标识码：B文章编号：1004—9134(2011)01—0013—0

2、3～70V，电源模块在各种工作负载下处于额定工作状0引言态，各路电源输出电压均达到设计指标，且功率管发热石油行业井下自动垂直钻井系统中常采用钻杆式较小，能够满足任务要求。发电机为自动垂钻系统电控单元提供电源，钻杆发电2新的电源模块设计要求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，钻杆发电机经过第一轮井下试验后，系统对发电机及电源模由钻杆提供动力，钻杆转速的变化制约了钻杆发电机块提出了新的设计要求。的输出性能，钻杆转速低，电机输出电压低、功率小，转1)输入要求：发电机适应钻杆转速范围为40r

3、pm速高，电机输出电压高、功率大。在钻进过程中，如井～120rpm，相对应的电源模块三相输入线电压范围为下工况恶劣，钻杆转速可能会大范围波动。为此，32V～115V：用钻杆发电机为电控单元稳定供电，垂钻系统的电源2)输出要求：电源模块输出电压为+18v、一18模块必须能适应宽范围的电压输人。V、+9V，输出功率要求不小于30W；环境温度要求：工作环境温度不小于120~C。1原有设计方案介绍3解决方案如图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3．1试验数据分析单元所需的+l8V、一

4、18V和4-9V电源。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-2_义的数据。B相DC—DC、3．1．1电源模块调试数据模块常温下，电源模块(带全载)进行试验，当整流后电}●-．．-．．--．．-．．．一压为38V时(DC—DC高频变压器变比最理想的工作中线2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，电源模块也可图1第一轮参加下井试验的电源模块原理图以稳定工作，但功率管开始发热(常温下温升大约2009年9月～11月进行了首轮两次下井试

5、验，此30℃)，且效率急骤下降，大约40％；当整流后电压为时，钻杆额定转速为70±10rpm，整流后电压为50V150V时，电源模块可以工作，但功率管发热严重，效率第一作者简介：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石油仪器PEr[ROLEUMINSrI1RUMENTS2011年02月更低，大约22％。余量，同时当电压为V时，电源模块在全负载状态下在整流后电压为52V时的状态下，电源模块通过仍处于额定工作状态，本

6、方案中综合考虑钻杆转速、发了全载高温120℃下两小时的试验。但是，在相同供电机输出、电源模块选型等因素，初步选定VH为90电及负载条件下，电源模块高温环境下比常温环境下V，VL为40V。损耗明显加大，效率明显降低，功率管发热明显增高。3．2．1采用继电器切换整流方式3．1．2电源模块与发电机联调数据要实现设计目的，最简单的方案是采用带切换触首轮自动垂钻系统室内联调时，发电机与电源模点的直流继电器，如图2所示。发电机启动工作前，继块性能数据见表1。电器的常闭触点使DC～DC模块地线与发电机全桥整表1电源模块与发电机联调数据流后的地

7、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(90V)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V大约降至原来的一半，约44v。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VI(40V)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，整流后注：200r／min的数据是按照整流后电压为线电压电压提高至约80V，电源模块仍然能够正常工作。有效值1．3

8、5倍的关系进行推算⋯1。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