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        大功率隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的性能仿真與試驗(yàn)*

        2023-10-17 03:19:26程李浩趙文軒
        石油機(jī)械 2023年10期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)模型

        李 飛 程李浩 趙文軒

        (西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院;中海油集團(tuán)測(cè)井與定向鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定向鉆井分室)

        0 引 言

        隨著我國油氣勘探逐步向豐富但探明率低的非常規(guī)油氣資源過渡,鉆井開發(fā)技術(shù)和關(guān)鍵裝備的技術(shù)能力受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝備代表了當(dāng)今世界井下導(dǎo)向工具發(fā)展的先進(jìn)水平,是推進(jìn)非常規(guī)油氣資源規(guī)?;_發(fā)的高端裝備之一[2-3]。隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的更新迭代,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的功能愈發(fā)強(qiáng)大,井下地質(zhì)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)通信及導(dǎo)向控制電子倉越來越復(fù)雜,使井下供電系統(tǒng)的輸出功率和續(xù)航時(shí)間面臨更大的挑戰(zhàn)。

        鋰電池和渦輪發(fā)電機(jī)是井下儀器供電的2種主要方式。采用鋰電池供電成本高、續(xù)航能力有限且受井下高溫影響,經(jīng)常因電池耗盡或高溫爆炸而被迫起下鉆,從而影響整個(gè)鉆井生產(chǎn)過程[4]。隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)利用高速流動(dòng)的鉆井液動(dòng)能循環(huán)發(fā)電,是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具持續(xù)工作的電能保障,已成為隨鉆測(cè)量和鉆井系統(tǒng)的主電源[5-6]。相比鋰電池供電,隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)具有壽命長、抗高溫、空間利用率高、續(xù)航能力強(qiáng)及輸出功率大等優(yōu)勢(shì),是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(Rotary Steering System,RSS)、隨鉆測(cè)量工具(Measurement While Drilling,MWD)和隨鉆測(cè)井工具(Logging While Drilling,LWD)的標(biāo)準(zhǔn)配置[7-8]。為保證井下工具運(yùn)行的可靠性,絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用無源整流的方式,然而對(duì)于在實(shí)際鉆井作業(yè)中運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具而言,寬范圍的鉆井液流量變化和動(dòng)態(tài)負(fù)載將會(huì)導(dǎo)致輸出的整流電壓不穩(wěn)定,存在以下危害:①在渦輪鉆井液排量變化和動(dòng)態(tài)載荷下,易引起發(fā)電機(jī)交流端電壓波動(dòng)大,使導(dǎo)向電機(jī)產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),從而影響系統(tǒng)的閉環(huán)控制性能和導(dǎo)向功能;②DC直流總線電壓定義范圍大,使下游部件普遍選型過大,不僅增加了控制電子倉的尺寸,而且加大了各電路板的設(shè)計(jì)難度;③極為有限的功率管理,無功功率產(chǎn)生的附加損耗,縮短了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用壽命。

        為解決以上問題,國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究,取得了一定的成果,并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。YE L.Z.等[9]設(shè)計(jì)了3.3 kW隨鉆凸極型混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī),基于有限元分析了發(fā)電機(jī)在給定勵(lì)磁電流下的輸出特性,電壓調(diào)整率為±8%。劉克強(qiáng)[10]針對(duì)“一趟鉆”鉆井技術(shù),分析了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、高效鉆頭、長壽命螺桿及MWD供電技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀。王智明等[11]設(shè)計(jì)了1.5 kW井下混合勵(lì)磁渦輪發(fā)電機(jī),研究了高溫、鉆井泵排量及渦輪型式對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響。呂官云等[12]為縮短渦輪的研制周期,利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)井下渦輪進(jìn)行全三維數(shù)值模擬和力學(xué)性能預(yù)測(cè),并通過合理調(diào)整相關(guān)參數(shù),使之滿足流道、葉片型線和喉部折轉(zhuǎn)角的檢驗(yàn)要求,以達(dá)到理論設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果。楊安林等[13]通過相量法建立永磁同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗數(shù)學(xué)模型,研究了內(nèi)阻抗特性等對(duì)電壓調(diào)整率的影響。王聞濤等[14]提出了渦輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求,并設(shè)計(jì)了渦輪發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)、清水循環(huán)及泵排量適應(yīng)范圍試驗(yàn)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向發(fā)電整流系統(tǒng)的技術(shù)要求,混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比于永磁同步發(fā)電機(jī)具有空間利用率高、調(diào)速范圍寬及輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)井下渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了一定的研究,但對(duì)大功率隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)性能的研究較少,在勵(lì)磁控制方面均以有限元分析和給定勵(lì)磁電流研究發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制特性。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的實(shí)際運(yùn)行作業(yè)中,整個(gè)井下發(fā)電系統(tǒng)為閉環(huán)控制,隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的輸出電壓和勵(lì)磁電流控制受鉆井液排量變化、負(fù)載的變化和工具行為的影響。

        為使在寬鉆井液排量變化范圍內(nèi)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)輸出電壓得到補(bǔ)償和穩(wěn)定,筆者通過建立隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制Simulink模型,研究渦輪轉(zhuǎn)速、負(fù)載變化及工具行為對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓、輸出功率和勵(lì)磁控制的影響。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)井下勵(lì)磁控制電路板并開展系統(tǒng)試驗(yàn),經(jīng)仿真和試驗(yàn),分析發(fā)電機(jī)的發(fā)電特性和勵(lì)磁控制性能。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制模型的準(zhǔn)確性,為后續(xù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的水力循環(huán)測(cè)試和實(shí)際鉆井作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

        1 勵(lì)磁控制工作原理

        圖1為指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。在定向鉆井工具鉆進(jìn)時(shí),鉆井液有效沖擊渦輪葉片,葉片將鉆井液的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能,渦輪增速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),定子繞組線圈在磁場(chǎng)作用下切割磁感線產(chǎn)生電能。

        由圖1可知,混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的永磁磁路與勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立,永磁體產(chǎn)生主磁通,勵(lì)磁線圈在勵(lì)磁電流作用下產(chǎn)生輔助磁通。勵(lì)磁線圈控制電路通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)永磁體主磁通的增磁、弱磁及輸出電壓的調(diào)節(jié),以此使發(fā)電機(jī)適應(yīng)更寬的鉆井液流量范圍。發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)無源整流轉(zhuǎn)換成直流電,直流電一部分為導(dǎo)向電機(jī)和勵(lì)磁線圈控制電路板供電,另一部分經(jīng)升降壓電路為定向鉆井工具的主控制電路板、信號(hào)處理電路板、導(dǎo)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板及姿態(tài)傳感器等供電。隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如表 1所示。

        表1 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of turbogenerator while drilling

        1.1 數(shù)學(xué)模型

        由于混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)永磁磁路與勵(lì)磁磁路相互獨(dú)立,故對(duì)永磁部分進(jìn)行數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。在三相ABC靜止坐標(biāo)系中,發(fā)電機(jī)各變量耦合性強(qiáng)且求解困難,利用Clark、Park變換,可得永磁部分d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓方程[15-17]:

        (1)

        (2)

        式中:Vd、Vq為d-q軸定子電壓,V;Ld、Lq為d-q軸電感,mH;Rs為定子繞組電阻,Ω;Id、Iq為d-q軸電流,A;t為時(shí)間,s;ω為電角速度,rad/s;ψf為磁鏈,Wb。

        電磁轉(zhuǎn)矩方程:

        (3)

        機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程:

        (4)

        式中:Tm為渦輪的輸出扭矩,N·m;Tem為發(fā)電機(jī)的電磁扭矩,N·m;P為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù);f為阻尼系數(shù),kg·m2/s;v為渦輪的機(jī)械轉(zhuǎn)速,rad/s;J為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。

        1.2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

        混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的輔助磁通由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生,通過勵(lì)磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電流的大小和方向,改變勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的輔助磁通的強(qiáng)弱,實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁部分主磁通的調(diào)節(jié)。依據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的電源管理系統(tǒng),勵(lì)磁電流與整流電壓(HVM)的設(shè)計(jì)要求如圖 2所示。

        由圖2可以看出:當(dāng)整流電壓約為100 V時(shí),勵(lì)磁線圈增壓電流開啟;整流電壓約為195 V時(shí),勵(lì)磁線圈增壓電流減小;整流電壓約為255 V時(shí),增壓電流減小至0;當(dāng)整流電壓約為290 V時(shí),勵(lì)磁線圈降壓電流開始產(chǎn)生;整流電壓為340 V時(shí),勵(lì)磁線圈降壓電流最大。當(dāng)整流電壓>380 V時(shí),發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài),制動(dòng)電阻以熱耗散方式消耗制動(dòng)產(chǎn)生的能量,并對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行限制。依據(jù)設(shè)計(jì)曲線和勵(lì)磁調(diào)節(jié)的基本思想,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)如圖 3所示。

        圖2 勵(lì)磁電流與整流電壓的設(shè)計(jì)要求Fig.2 Design requirements for exciting current and rectified voltage

        圖3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)Fig.3 Excitation control system of generator

        隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作的3種狀態(tài)如圖 4所示。

        由圖4a可見,當(dāng)整流電壓<255 V時(shí),勵(lì)磁電流>0,勵(lì)磁系統(tǒng)工作在增磁BOOST狀態(tài)??刂七壿嬍箞?chǎng)效應(yīng)管Q2、Q4導(dǎo)通,采樣電阻R1對(duì)增壓勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣,采樣的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行邏輯比較,產(chǎn)生邏輯控制信號(hào),邏輯控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)控制。Q4連續(xù)導(dǎo)通,當(dāng)勵(lì)磁電流略高于參考信號(hào)時(shí),Q2截止,Q1導(dǎo)通;當(dāng)勵(lì)磁電流略低于參考信號(hào)時(shí),Q2導(dǎo)通,Q1截止。

        圖6 高壓調(diào)理電路Fig.6 High voltage conditioning circuit

        圖8 H功率橋和采樣電路Fig.8 H power bridge and sampling circuit

        由圖4b可見,當(dāng)255 V≤整流電壓≤290 V時(shí),勵(lì)磁電流為0,勵(lì)磁系統(tǒng)不工作,此時(shí)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與永磁同步發(fā)電機(jī)等效。

        由圖4c可見,當(dāng)整流電壓>290 V時(shí),勵(lì)磁電流<0,勵(lì)磁系統(tǒng)工作在降磁BUCK狀態(tài)。控制邏輯使場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q3導(dǎo)通,采樣電阻R2對(duì)降壓勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣,將采樣的信號(hào)與參考信號(hào)邏輯比較,產(chǎn)生邏輯控制信號(hào),邏輯控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)控制。Q1連續(xù)導(dǎo)通,當(dāng)勵(lì)磁電流略高于參考信號(hào)時(shí),Q3截止,Q4導(dǎo)通;當(dāng)勵(lì)磁電流略低于參考信號(hào)時(shí),Q3導(dǎo)通,Q4截止。

        1.3 仿真模型設(shè)計(jì)

        由于混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的永磁磁路與勵(lì)磁線圈相互獨(dú)立,當(dāng)勵(lì)磁電流If=0時(shí),混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可等效為永磁發(fā)電機(jī)?;诎l(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和勵(lì)磁系統(tǒng)的控制要求,為更準(zhǔn)確模擬隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的工作特性,分別對(duì)永磁發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建,采用Simulink搭建的系統(tǒng)仿真模型如圖 5所示。

        2 勵(lì)磁控制電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

        2.1 勵(lì)磁控制電路設(shè)計(jì)

        依據(jù)定向鉆井工具的電源管理系統(tǒng),勵(lì)磁控制電路工作在井下150 ℃的高溫環(huán)境。為提高控制電路工作的可靠性和穩(wěn)定性,采用模擬電路控制方式。勵(lì)磁控制電路主要由高壓調(diào)理電路、參考電路、采樣電路、邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路及H功率橋電路組成。

        高壓調(diào)理電路對(duì)整流電壓HVM進(jìn)行采樣,電阻R7和R10分壓后經(jīng)跟隨器OP221緩沖隔離后,生成HVM的采樣信號(hào)ALT_HVM_LOCAL和ALT_HVM_SENSE。ALT_HVM_LOCAL用于勵(lì)磁電流采樣電路的BOOST和BUCK控制信號(hào)的生成;ALT_HVM_SENSE將輸出至旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的主控器,經(jīng)主控器傳輸至上位機(jī)界面,以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流電壓HVM。高壓調(diào)理電路原理如圖 6所示。

        參考電路的主要作用是生成與勵(lì)磁電流采樣信號(hào)進(jìn)行邏輯比較的參考信號(hào)DESIRED_V,以滿足勵(lì)磁控制的電壓要求。參考電路原理如圖 7所示。

        以英飛凌IR2130S為驅(qū)動(dòng)H橋電路的核心,當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在增磁BOOST狀態(tài)時(shí),Q2和Q4導(dǎo)通,BOOST邏輯信號(hào)為高電平,BUCK邏輯信號(hào)為低電平,通過采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)增磁電流的采樣,得到增磁電流采樣信號(hào)BOOST_I_SEN;當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在降磁BUCK狀態(tài)時(shí),Q3和Q1導(dǎo)通,BOOST邏輯信號(hào)為低電平,BUCK邏輯信號(hào)為高電平,通過采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)降磁電流的采樣,得到降磁電流采樣信號(hào)BUCK_I_SEN。H橋電路和采樣電路如圖 8所示。

        2.2 勵(lì)磁控制電路測(cè)試

        勵(lì)磁控制電路測(cè)試流程圖如圖 9所示。該測(cè)試平臺(tái)主要有直流高壓電源、勵(lì)磁控制電路板、勵(lì)磁線圈及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

        為測(cè)試勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型和電路設(shè)計(jì)的可靠性及穩(wěn)定性,當(dāng)整流電壓HVM=100~400 V時(shí),仿真模型和實(shí)際電路的勵(lì)磁電流測(cè)試曲線如圖 10所示。

        由圖10可知,設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)Simulink模型和電路滿足要求,即:當(dāng)100 V340 V,降壓勵(lì)磁電流約為-1.07 A,降壓勵(lì)磁性能最強(qiáng)。通過仿真模型和控制電路的測(cè)試,二者的勵(lì)磁調(diào)節(jié)性能幾乎一致,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        圖10 勵(lì)磁電流測(cè)試曲線Fig.10 Exciting current test curve

        圖11 樣機(jī)測(cè)試流程圖Fig.11 Prototype testing flowchart

        圖12 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Prototype testing platform

        3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

        3.1 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)仿真與試驗(yàn)

        樣機(jī)測(cè)試流程如圖 11所示。測(cè)試平臺(tái)主要由原動(dòng)機(jī)、隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)、無源整流電路板、濾波電容及電子負(fù)載組成,如圖 12所示。

        為驗(yàn)證所建立模型和勵(lì)磁控制方案的有效性,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速分別為2 000、4 000及6 000 r/min時(shí),對(duì)模型和樣機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試分析,勵(lì)磁電流為0。仿真模型和樣機(jī)的整流電壓HVM和負(fù)載功率曲線如圖13~圖15所示。

        圖13 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.13 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 2 000 r/min

        圖14 轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.14 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 4 000 r/min

        圖15 轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)性能Fig.15 Simulation model and prototype test performance at rotation speed of 6 000 r/min

        由圖13~圖15可知:當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí),若發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速一定,隨著負(fù)載的增大,發(fā)電機(jī)輸出功率減小,整流輸出電壓HVM增大;發(fā)電機(jī)負(fù)載一定,隨著轉(zhuǎn)速的增大,發(fā)電機(jī)輸出功率和整流輸出電壓呈線性增加。

        模型仿真和試驗(yàn)測(cè)試表明,建立的隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)Simulink模型與試驗(yàn)樣機(jī)的輸出特性幾乎一致,輸出電壓HVM的范圍滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具正常運(yùn)行需求,在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),輸出功率均達(dá)到4 kW。

        3.2 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

        隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖 16所示。該平臺(tái)由原動(dòng)機(jī)、隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)、無源整流電路板、勵(lì)磁控制電路板、電子負(fù)載及數(shù)據(jù)采集儀器組成。

        為測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)特性,在圖16所示的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。勵(lì)磁控制電路板對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)置勵(lì)磁線圈進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,負(fù)載為20Ω時(shí),系統(tǒng)處于BOOST升壓增磁狀態(tài),勵(lì)磁電流>0,仿真模型和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2所示。

        圖16 隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)Fig.16 Test platform for excitation control system of turbogenerator while drilling

        由表2可知,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,負(fù)載20 Ω時(shí),測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的BOOST升壓增磁狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性能。首先,斷開勵(lì)磁控制電路,勵(lì)磁電流為0,隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等效于永磁發(fā)電機(jī),仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致,約140 V;其次,連接勵(lì)磁控制電路,與發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)工作在BOOST狀態(tài),勵(lì)磁電流為0.73 A,勵(lì)磁調(diào)節(jié)后仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致,約170 V,升壓率約為20%。

        表2 2 000 r/min負(fù)載20 Ω 勵(lì)磁BOOST狀態(tài)Table 2 BOOST state of excitation at rotation speed of 2 000 r/min and load of 20 Ω

        表3 6 000 r/min負(fù)載100 Ω 勵(lì)磁BUCK狀態(tài)Table 3 BUCK state of excitation at rotation speed of 6 000 r/min and load of 100 Ω

        當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min,負(fù)載為100 Ω時(shí),系統(tǒng)處于BUCK降壓弱磁狀態(tài),勵(lì)磁電流<0,仿真模型和樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表 3所示。

        由表 3可知,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min,負(fù)載100 Ω時(shí),測(cè)試隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的BUCK降壓弱磁實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性能。首先,斷開勵(lì)磁控制電路,勵(lì)磁電流為0,隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等效于永磁發(fā)電機(jī),仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致,約470 V;其次,連接勵(lì)磁控制電路,與發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),勵(lì)磁系統(tǒng)工作在BUCK降壓弱磁狀態(tài),勵(lì)磁電流為-1.05 A,勵(lì)磁調(diào)節(jié)后仿真模型和樣機(jī)的輸出電壓幾乎一致,約383 V,降壓率約為19%。

        4 結(jié) 論

        (1)當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí),研究了隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下仿真模型和樣機(jī)的輸出特性,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,輸出電壓的范圍滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具正常運(yùn)行的需求。在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到4 kW,有效解決了目前隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)輸出功率小的問題。

        (2)勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型和控制電路的調(diào)節(jié)性能基本一致,滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,升降壓勵(lì)磁電流達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

        (3)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)有效地解決了寬流量范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓補(bǔ)償?shù)膯栴},當(dāng)系統(tǒng)在BOOST升壓增磁狀態(tài)和BUCK降壓弱磁狀態(tài)工作時(shí),仿真模型和試驗(yàn)系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電壓幾乎一致,電壓調(diào)整率約為-19%~20%。

        (4)隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)Simulink仿真模型與井下實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)性能一致。模型具備良好的靈活性和準(zhǔn)確性,為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的水力循環(huán)測(cè)試、實(shí)際鉆井作業(yè)和車間維保提供了數(shù)據(jù)支持,降低了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的測(cè)試成本和復(fù)雜程度。

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