模块式动态地层测试器井下大功率电机供电系统设计

陈宝，朱斌，何绪新，刘付火，武向萍，唐金波

（1.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西 西安710077；2.中国石油集团测井有限公司青海事业部，青海敦煌736202；3.中国石油渤海钻探工程有限公司测井公司，天津300280）

0 引 言

模块式动态地层测试器的井下电机由于功率大，如何通过几千米电缆将大功率电源供给电机，使电机正常工作是整个仪器能否研制成功的基础。类似的过套管测井仪器井下直流电机采用的是地面直流电源直接供电，但由于电缆的衰减作用，供给电机的电源利用率低；电机负载的变化使供给电机电压的稳定性也得不到保障。为保证模块式动态地层测试器井下电机的正常工作，又不造成电机自身损坏和大电流、高电压对系统的损坏，采用通讯方式及时反馈调整电压是模块式动态地层测试器供电系统设计的核心思想。

1 井下电机工作特点

大功率可控晶闸管使交流电动机的调速变得更简单，交流电动机的制造成本低廉，使用寿命长。测井仪器液压推靠器只需要简单的收放功能，通常采用交流电机；模块式动态地层测试器需要通过调整电机转速和旋转的圈数进行压力、流量的精密控制，因而采用直流无刷电机。

电机在井下工作都有停止、空转、负载转动、遇阻等4种状态，这几种状态正常的交替为停止—空转—负载工作—遇阻停止转动—断电，有时负载的大小也会发生较为剧烈的变化，这些不同状态转换或者变化，就会造成工作电流的突变，带来过流、过压和瞬态冲击的问题，严重情况下可能会烧坏电机和驱动电路。测井仪器通过几千米的电缆对井下供电，也会给电机稳定的供电带来更大难度。

2 总体设计思想

地层测试器中为了保证液压系统压力的稳定和流量的精密控制，井下采用的是大功率直流电机，工作电压为50V，满负荷时电流达到30A。测井时电缆长达6 000～7 000m，如果地面直接供低压直流，一方面会造成电缆的损耗；另一方面电缆的最大过流量也不允许。因此，系统设计思想是地面通过电缆向井下提供高压交流电源，以降低电缆损耗，井下进行二次变压、整流和滤波，为电机提供电源。

由于电流高达10～30A，没有现成的大功率稳压模块，且在高温情况下，仪器内部空间受限，实现复杂、精密的稳压控制难度较大，因此，井下二次电源电路中不采取稳压电路，只进行简单的变压、整流和滤波，稳压控制由地面控制。电机工作状态变换时间通常为100ms级，地面控制的时间为毫秒级，由地面控制，从时间上满足要求。地面高压电源向井下输出电压有2种控制方式。①依据电机不同状态下的负载、电缆电阻等固定参数，计算出井下保持稳定工作电压时地面电压与电流之间的关系，地面供电箱体自动监测高压电源的电流和电压，并通过计算及时控制高压。②井下接口电路采集电机工作电压，并通过遥传上传到地面系统，地面软件根据上传数据的大小，及时通过命令调整地面供电的高压输出。这个过程由通讯影响，通讯频率会影响反馈控制的时间，通讯不正常会无法控制。

为了确保电机状态的突变其电压不会突然升高以至损坏电机或损坏电机驱动电路，井下采取过压的瞬态保护。当电压突然升高并超过系统允许极限电压（通常为正常电压的150%）时，启动旁通电流通道，从而降低电压，为地面的电压调整争取时间。

地面2种控制方式通过全责机制，相互配合，结合井下的瞬态过压保护电路，能较好地保证电机正常工作。具体设计框图见图1。

图1 系统原理框图

3 地面供电箱体设计

地面供电电源保证井下负载最大时能够输出足够的电压和电流，保证仪器正常工作，同时接收地面控制系统的命令，实时调整输出电压，保证井下电机工作在50V。

地面供电箱体通过串口和地面控制系统通讯。地面程控电源示意图见图2。地面输入220V／50V电压，通过AC／DC转换成直流电压，通过开关控制，升压输出0～900V／50Hz电压，计算机通过串口控制程控电源的输出，控制表见表1。

图2 地面供电原理框图

当计算机发送程控手动选择命令，并且给出00控制命令时，程控电源处于手动调节状态，此时调节手动旋钮可以改变高压输出。

当计算机发送10控制命令时，手动旋钮自动失效，输出高压由计算机发出的电压调节命令给出的高压码值给定，16bit码值通过启动、输出设定、控制单元转换成电压值，具体的电压值通过DC／AC控制单元调节占空比输出，控制DC／AC单元获得最后的电压输出，启动、输出设定、控制单元输出的电压0～5VDC对应程控电源输出0～900VDC。

当命令为01时，程控电源处于自动调节电压状态，仪器缆头电压值根据地面电压、电流采样单元获取当前的电流电压值，并通过输入给定的电缆电阻值计算出缆头电压值，计算缆头电压实时变化率，给定一个判断值；如果变化过大，程控电源将自动进行调整，使得缆头电压输出不至于变化过大。

表1 程控命令控制表

当命令为11时，程控电源处于程控＋自动控制状态；当井下缆头电压变化不大时，程控电源根据计算机发出的电压调节命令调节高压；当井下缆头电压变化过大时，程控电源将进入自动调整状态调节高压，迅速调节缆头电压，保护电机工作在安全的电压范围内，再接收计算机发出的电压调节命令调节高压。

程控电源有电流、功率保护功能，当输出超过额定电流、功率时，程控电源启动保护电路，输出将为0V。

4 井下供电模块设计

井下电源设计见图3。整流滤波电路选用大功率整流二极管进行桥式整流以及电容滤波方式。

图3 井下二次电源原理框图

当井下电机满负荷工作时，设计变压器输入交流电压为375VAC；B1、C1组成桥式整流、滤波电路；R1、R2、R3、U1、Q1、基准电压组成井下过压保护电路。

当50V电源实际输出达到75V时，比较器U1的输入端3的电平大于2.5V，U1的1脚输出高电平，大功率CMOS管Q1导通，50V电源从CMOS管流过大电流，从而抑制电压，使电压工作在安全的范围内。仪器负载示意图见图4。

图4 仪器地面程控电源负载示意图

程控电源通过电缆上2根缆芯向井下仪器／电机供电，电缆上的电阻和井下负载呈串联关系，电缆上电阻共56Ω，井下各负载呈并联关系。假设电源变压器为理想工作状态，变压器电压输入输出比为7.5∶1，阻抗变换比为56.25∶1 250W 的电机在满负载工作后，负载阻抗约10Ω，相当于阻抗变换前562.5Ω。井下负载达30A时，负载阻抗在井下供给50V的情况下为1.67Ω，相当于阻抗变换前94Ω。此时地面程控电源效率为94／（56＋94）＝62.7%，当井下缆头电压为375VAC时，地面程控电源为375÷62.7%＝598V。

由于实际电源变压器的效率和整流滤波等电路的损耗，当缆头电压为375V时，电缆上实际压降达到390VAC左右；地面输出高压为765VAC左右。

井下仪器开始通电工作后，地面箱体通过发送命令打开相应的电磁阀，此时井下50V电源上有比较小的负载，地面箱体发送电机启动命令后，电机开始工作，随着泵出管线的压力增大，电机负荷增大，使得井下50V电源输出更大的电流，随着电流的加大，电路将在2个地方使得50V电源输出不足：①随着电流增大，电缆上的压降增大，使得供给井下变压器的缆头电压变小，井下变压器次级输出变小，使得整流滤波后的直流电压不足50V；②由于滤波电路采用的电容滤波，电容滤波输出本身将随着负载的变化而变化，输出直流电压和变压器次级电压有关系式U0＝（1.0～1.414）U2，在电源空载时，U0＝1.414U2；随着负载很大时，电源U0＝U2。U0表示整流滤波后的直流电压，U2为变压器次级输出交流电压。

上述2个方面引起井下50V输出不足，地面程控电源通过井下采集的井下50V电源信号小于50V时，地面控制发送程控命令给地面电源，使其输出高压增加，使得井下50V电源输出稳定。

当电机在极端情况下电流超过负荷时，电机将在电流保护电路的作用下停止动作，这时50V电源上的负载将突然变小，和上述过程相反，50V电源实际输出电压可能超过75V，这时候可能因为电压过大，烧坏电机及驱动电路。过压保护电路确保50V电源实际输出电压在电机的安全范围内。

5 测试结果与分析

上述大功率供电系统方案已经成功应用在模块式动态地层测试系统中，目前该系统已经完成了地面系统调试。

图5 系统测试地面软件显示

图5中左面和右面的背景是曲线浏览器显示界面，左右两处的曲线是测量的井下50V电压，横坐标为电压，标尺为0～100V，纵坐标由于采用时间中断，反映的是时间性质。两处曲线表示井下50V电压随时间变化、逐步稳定的过程。图5左面中覆盖曲线浏览器显示界面的是地面50V控制界面，结合表1，手工使能按钮对应程控命令中的手动功能，预置高压将进入程控命令状态下，可以根据井下反馈的电压值（其电压值显示在界面上端中间的数字框中），人为地调整地面程控输出电源，使得井下电机电压输出为50V，勾选下面的自动稳压框，系统将进入计算机自动调整电压的程控模式状态。图5右面覆盖曲线浏览器显示界面的是地面电机控制界面，输入不同的参数将使井下电机工作在不同的状态下。

地面控制系统和井下仪器通讯建立后，地面系统进入到地层测试器模块的50V电压控制界面，通过“预置高压”按钮，地面命令输入一个初始高压给程控电源，再勾选自动稳压框，井下50V电源经过自动稳压过程最后稳定到50V。图5中左边蓝色圈中曲线描绘出了仪器初始上电后的自动稳压过程。50V电压控制界面下显示电压最后稳定在50.47V。

图5右曲线显示的是仪器在工作中50V电压自动稳定的过程，通过电磁阀命令启动电机，负载变化状态下的50V电压的变化。图5中右边蓝色圈中曲线抖动部分是电机负载急剧增大又急剧减小造成的，最后电压通过控制稳定在50V。

6 结 论

（1）通过遥传建立的电源数据反馈将地面程控电源和井下50V电源有机结合起来，保证井下50V电源的负载变化时电机能稳定地工作在50V电压下。

（2）井下电源保护电路以及地面程控电源的自动调节系统保证井下50V电源输出电压急剧升高时开关导通，通过减少地面程控电源电压的输出以及加大井下电流2方面保证50V电压输出至可控的范围内。

（3）试验和测试表明，该设计完全满足井下大功率电机供电的需求。

［1］ 张家田，陈宝，严正国.测井电子信息技术［M］.北京：石油工业出版社，2010.

［2］ 张建生，王伟，张燕红.电源技术教程［R］.2007.