陳寶，朱斌，何緒新，劉付火，武向萍，唐金波

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安710077；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司青海事業(yè)部，青海敦煌736202；3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司測(cè)井公司，天津300280）

0 引 言

模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試器的井下電機(jī)由于功率大，如何通過幾千米電纜將大功率電源供給電機(jī)，使電機(jī)正常工作是整個(gè)儀器能否研制成功的基礎(chǔ)。類似的過套管測(cè)井儀器井下直流電機(jī)采用的是地面直流電源直接供電，但由于電纜的衰減作用，供給電機(jī)的電源利用率低；電機(jī)負(fù)載的變化使供給電機(jī)電壓的穩(wěn)定性也得不到保障。為保證模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試器井下電機(jī)的正常工作，又不造成電機(jī)自身損壞和大電流、高電壓對(duì)系統(tǒng)的損壞，采用通訊方式及時(shí)反饋調(diào)整電壓是模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想。

1 井下電機(jī)工作特點(diǎn)

大功率可控晶閘管使交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速變得更簡(jiǎn)單，交流電動(dòng)機(jī)的制造成本低廉，使用壽命長(zhǎng)。測(cè)井儀器液壓推靠器只需要簡(jiǎn)單的收放功能，通常采用交流電機(jī)；模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試器需要通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)進(jìn)行壓力、流量的精密控制，因而采用直流無刷電機(jī)。

電機(jī)在井下工作都有停止、空轉(zhuǎn)、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)、遇阻等4種狀態(tài)，這幾種狀態(tài)正常的交替為停止—空轉(zhuǎn)—負(fù)載工作—遇阻停止轉(zhuǎn)動(dòng)—斷電，有時(shí)負(fù)載的大小也會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化，這些不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換或者變化，就會(huì)造成工作電流的突變，帶來過流、過壓和瞬態(tài)沖擊的問題，嚴(yán)重情況下可能會(huì)燒壞電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。測(cè)井儀器通過幾千米的電纜對(duì)井下供電，也會(huì)給電機(jī)穩(wěn)定的供電帶來更大難度。

2 總體設(shè)計(jì)思想

地層測(cè)試器中為了保證液壓系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定和流量的精密控制，井下采用的是大功率直流電機(jī)，工作電壓為50V，滿負(fù)荷時(shí)電流達(dá)到30A。測(cè)井時(shí)電纜長(zhǎng)達(dá)6 000～7 000m，如果地面直接供低壓直流，一方面會(huì)造成電纜的損耗；另一方面電纜的最大過流量也不允許。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是地面通過電纜向井下提供高壓交流電源，以降低電纜損耗，井下進(jìn)行二次變壓、整流和濾波，為電機(jī)提供電源。

由于電流高達(dá)10～30A，沒有現(xiàn)成的大功率穩(wěn)壓模塊，且在高溫情況下，儀器內(nèi)部空間受限，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精密的穩(wěn)壓控制難度較大，因此，井下二次電源電路中不采取穩(wěn)壓電路，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的變壓、整流和濾波，穩(wěn)壓控制由地面控制。電機(jī)工作狀態(tài)變換時(shí)間通常為100ms級(jí)，地面控制的時(shí)間為毫秒級(jí)，由地面控制，從時(shí)間上滿足要求。地面高壓電源向井下輸出電壓有2種控制方式。①依據(jù)電機(jī)不同狀態(tài)下的負(fù)載、電纜電阻等固定參數(shù)，計(jì)算出井下保持穩(wěn)定工作電壓時(shí)地面電壓與電流之間的關(guān)系，地面供電箱體自動(dòng)監(jiān)測(cè)高壓電源的電流和電壓，并通過計(jì)算及時(shí)控制高壓。②井下接口電路采集電機(jī)工作電壓，并通過遙傳上傳到地面系統(tǒng)，地面軟件根據(jù)上傳數(shù)據(jù)的大小，及時(shí)通過命令調(diào)整地面供電的高壓輸出。這個(gè)過程由通訊影響，通訊頻率會(huì)影響反饋控制的時(shí)間，通訊不正常會(huì)無法控制。

為了確保電機(jī)狀態(tài)的突變其電壓不會(huì)突然升高以至損壞電機(jī)或損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，井下采取過壓的瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)電壓突然升高并超過系統(tǒng)允許極限電壓（通常為正常電壓的150%）時(shí)，啟動(dòng)旁通電流通道，從而降低電壓，為地面的電壓調(diào)整爭(zhēng)取時(shí)間。

地面2種控制方式通過全責(zé)機(jī)制，相互配合，結(jié)合井下的瞬態(tài)過壓保護(hù)電路，能較好地保證電機(jī)正常工作。具體設(shè)計(jì)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 地面供電箱體設(shè)計(jì)

地面供電電源保證井下負(fù)載最大時(shí)能夠輸出足夠的電壓和電流，保證儀器正常工作，同時(shí)接收地面控制系統(tǒng)的命令，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓，保證井下電機(jī)工作在50V。

地面供電箱體通過串口和地面控制系統(tǒng)通訊。地面程控電源示意圖見圖2。地面輸入220V／50V電壓，通過AC／DC轉(zhuǎn)換成直流電壓，通過開關(guān)控制，升壓輸出0～900V／50Hz電壓，計(jì)算機(jī)通過串口控制程控電源的輸出，控制表見表1。

圖2 地面供電原理框圖

當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送程控手動(dòng)選擇命令，并且給出00控制命令時(shí)，程控電源處于手動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)調(diào)節(jié)手動(dòng)旋鈕可以改變高壓輸出。

當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送10控制命令時(shí)，手動(dòng)旋鈕自動(dòng)失效，輸出高壓由計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)命令給出的高壓碼值給定，16bit碼值通過啟動(dòng)、輸出設(shè)定、控制單元轉(zhuǎn)換成電壓值，具體的電壓值通過DC／AC控制單元調(diào)節(jié)占空比輸出，控制DC／AC單元獲得最后的電壓輸出，啟動(dòng)、輸出設(shè)定、控制單元輸出的電壓0～5VDC對(duì)應(yīng)程控電源輸出0～900VDC。

當(dāng)命令為01時(shí)，程控電源處于自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓狀態(tài)，儀器纜頭電壓值根據(jù)地面電壓、電流采樣單元獲取當(dāng)前的電流電壓值，并通過輸入給定的電纜電阻值計(jì)算出纜頭電壓值，計(jì)算纜頭電壓實(shí)時(shí)變化率，給定一個(gè)判斷值；如果變化過大，程控電源將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使得纜頭電壓輸出不至于變化過大。

表1 程控命令控制表

當(dāng)命令為11時(shí)，程控電源處于程控＋自動(dòng)控制狀態(tài)；當(dāng)井下纜頭電壓變化不大時(shí)，程控電源根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)命令調(diào)節(jié)高壓；當(dāng)井下纜頭電壓變化過大時(shí)，程控電源將進(jìn)入自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)調(diào)節(jié)高壓，迅速調(diào)節(jié)纜頭電壓，保護(hù)電機(jī)工作在安全的電壓范圍內(nèi)，再接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)命令調(diào)節(jié)高壓。

程控電源有電流、功率保護(hù)功能，當(dāng)輸出超過額定電流、功率時(shí)，程控電源啟動(dòng)保護(hù)電路，輸出將為0V。

4 井下供電模塊設(shè)計(jì)

井下電源設(shè)計(jì)見圖3。整流濾波電路選用大功率整流二極管進(jìn)行橋式整流以及電容濾波方式。

圖3 井下二次電源原理框圖

當(dāng)井下電機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，設(shè)計(jì)變壓器輸入交流電壓為375VAC；B1、C1組成橋式整流、濾波電路；R1、R2、R3、U1、Q1、基準(zhǔn)電壓組成井下過壓保護(hù)電路。

當(dāng)50V電源實(shí)際輸出達(dá)到75V時(shí)，比較器U1的輸入端3的電平大于2.5V，U1的1腳輸出高電平，大功率CMOS管Q1導(dǎo)通，50V電源從CMOS管流過大電流，從而抑制電壓，使電壓工作在安全的范圍內(nèi)。儀器負(fù)載示意圖見圖4。

圖4 儀器地面程控電源負(fù)載示意圖

程控電源通過電纜上2根纜芯向井下儀器／電機(jī)供電，電纜上的電阻和井下負(fù)載呈串聯(lián)關(guān)系，電纜上電阻共56Ω，井下各負(fù)載呈并聯(lián)關(guān)系。假設(shè)電源變壓器為理想工作狀態(tài)，變壓器電壓輸入輸出比為7.5∶1，阻抗變換比為56.25∶1 250W 的電機(jī)在滿負(fù)載工作后，負(fù)載阻抗約10Ω，相當(dāng)于阻抗變換前562.5Ω。井下負(fù)載達(dá)30A時(shí)，負(fù)載阻抗在井下供給50V的情況下為1.67Ω，相當(dāng)于阻抗變換前94Ω。此時(shí)地面程控電源效率為94／（56＋94）＝62.7%，當(dāng)井下纜頭電壓為375VAC時(shí)，地面程控電源為375÷62.7%＝598V。

由于實(shí)際電源變壓器的效率和整流濾波等電路的損耗，當(dāng)纜頭電壓為375V時(shí)，電纜上實(shí)際壓降達(dá)到390VAC左右；地面輸出高壓為765VAC左右。

井下儀器開始通電工作后，地面箱體通過發(fā)送命令打開相應(yīng)的電磁閥，此時(shí)井下50V電源上有比較小的負(fù)載，地面箱體發(fā)送電機(jī)啟動(dòng)命令后，電機(jī)開始工作，隨著泵出管線的壓力增大，電機(jī)負(fù)荷增大，使得井下50V電源輸出更大的電流，隨著電流的加大，電路將在2個(gè)地方使得50V電源輸出不足：①隨著電流增大，電纜上的壓降增大，使得供給井下變壓器的纜頭電壓變小，井下變壓器次級(jí)輸出變小，使得整流濾波后的直流電壓不足50V；②由于濾波電路采用的電容濾波，電容濾波輸出本身將隨著負(fù)載的變化而變化，輸出直流電壓和變壓器次級(jí)電壓有關(guān)系式U0＝（1.0～1.414）U2，在電源空載時(shí)，U0＝1.414U2；隨著負(fù)載很大時(shí)，電源U0＝U2。U0表示整流濾波后的直流電壓，U2為變壓器次級(jí)輸出交流電壓。

上述2個(gè)方面引起井下50V輸出不足，地面程控電源通過井下采集的井下50V電源信號(hào)小于50V時(shí)，地面控制發(fā)送程控命令給地面電源，使其輸出高壓增加，使得井下50V電源輸出穩(wěn)定。

當(dāng)電機(jī)在極端情況下電流超過負(fù)荷時(shí)，電機(jī)將在電流保護(hù)電路的作用下停止動(dòng)作，這時(shí)50V電源上的負(fù)載將突然變小，和上述過程相反，50V電源實(shí)際輸出電壓可能超過75V，這時(shí)候可能因?yàn)殡妷哼^大，燒壞電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路。過壓保護(hù)電路確保50V電源實(shí)際輸出電壓在電機(jī)的安全范圍內(nèi)。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

上述大功率供電系統(tǒng)方案已經(jīng)成功應(yīng)用在模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試系統(tǒng)中，目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成了地面系統(tǒng)調(diào)試。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試地面軟件顯示

圖5中左面和右面的背景是曲線瀏覽器顯示界面，左右兩處的曲線是測(cè)量的井下50V電壓，橫坐標(biāo)為電壓，標(biāo)尺為0～100V，縱坐標(biāo)由于采用時(shí)間中斷，反映的是時(shí)間性質(zhì)。兩處曲線表示井下50V電壓隨時(shí)間變化、逐步穩(wěn)定的過程。圖5左面中覆蓋曲線瀏覽器顯示界面的是地面50V控制界面，結(jié)合表1，手工使能按鈕對(duì)應(yīng)程控命令中的手動(dòng)功能，預(yù)置高壓將進(jìn)入程控命令狀態(tài)下，可以根據(jù)井下反饋的電壓值（其電壓值顯示在界面上端中間的數(shù)字框中），人為地調(diào)整地面程控輸出電源，使得井下電機(jī)電壓輸出為50V，勾選下面的自動(dòng)穩(wěn)壓框，系統(tǒng)將進(jìn)入計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整電壓的程控模式狀態(tài)。圖5右面覆蓋曲線瀏覽器顯示界面的是地面電機(jī)控制界面，輸入不同的參數(shù)將使井下電機(jī)工作在不同的狀態(tài)下。

地面控制系統(tǒng)和井下儀器通訊建立后，地面系統(tǒng)進(jìn)入到地層測(cè)試器模塊的50V電壓控制界面，通過“預(yù)置高壓”按鈕，地面命令輸入一個(gè)初始高壓給程控電源，再勾選自動(dòng)穩(wěn)壓框，井下50V電源經(jīng)過自動(dòng)穩(wěn)壓過程最后穩(wěn)定到50V。圖5中左邊藍(lán)色圈中曲線描繪出了儀器初始上電后的自動(dòng)穩(wěn)壓過程。50V電壓控制界面下顯示電壓最后穩(wěn)定在50.47V。

圖5右曲線顯示的是儀器在工作中50V電壓自動(dòng)穩(wěn)定的過程，通過電磁閥命令啟動(dòng)電機(jī)，負(fù)載變化狀態(tài)下的50V電壓的變化。圖5中右邊藍(lán)色圈中曲線抖動(dòng)部分是電機(jī)負(fù)載急劇增大又急劇減小造成的，最后電壓通過控制穩(wěn)定在50V。

6 結(jié) 論

（1）通過遙傳建立的電源數(shù)據(jù)反饋將地面程控電源和井下50V電源有機(jī)結(jié)合起來，保證井下50V電源的負(fù)載變化時(shí)電機(jī)能穩(wěn)定地工作在50V電壓下。

（2）井下電源保護(hù)電路以及地面程控電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證井下50V電源輸出電壓急劇升高時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，通過減少地面程控電源電壓的輸出以及加大井下電流2方面保證50V電壓輸出至可控的范圍內(nèi)。

（3）試驗(yàn)和測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)完全滿足井下大功率電機(jī)供電的需求。

［1］ 張家田，陳寶，嚴(yán)正國(guó).測(cè)井電子信息技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010.

［2］ 張建生，王偉，張燕紅.電源技術(shù)教程［R］.2007.