井下涡轮电机参数精密检测系统设计

汪跃龙，吕锦省，霍爱清，汤 楠

(1.西北工业大学，陕西西安710072;2.西安石油大学，陕西西安710065)

0 引 言

井下涡轮电机是旋转导向钻井系统中必不可少的组成部分［1］。旋转导向钻井系统中有上、下两个涡轮电机，其中上涡轮电机主要用来作为电能发生器，它输出的交流电能经过整流稳压处理后，向旋转导向钻井系统中的所有电子和电气设备提供所需要的各种电源，同时也用来作为下传通信的信号检测设备。下涡轮电机主要用来作为力矩发生器，由控制驱动电路的输出使其产生导向钻井系统所需要的平衡力矩。

下传通信是将地面指令传递给井下控制系统从而形成闭环控制的关键［2-3］，它通过从地面改变钻井液的排量(编码)形成流量负脉冲、流量的变化引起涡轮转速变化进而引起电机电压变化(信号传输)、检测变化的电压然后解码(解调)而实现。故准确检测上涡轮电机的电压是实现下传通信的基础。

旋转导向钻井系统的控制是一种力矩平衡控制，下涡轮电机的作用力矩，尤其是力矩的动态过程，是影响旋转导向钻井系统控制性能的关键。由于井下空间的限制，耐高温的要求和近钻头冲击、振动环境的约束，使该力矩难以采用通常的扭矩传感器进行检测。根据电机原理，考虑到电机的电磁力矩N与电枢电流I存在如下关系［4］:

式中:B为磁通密度;L为电枢导体有效长度;D为电枢直径;I为电枢电流的有效值。永磁电机的B、D、L均可视为常数，即电磁力矩与电枢电流近似为常系数的比例关系，故测量电机电流可间接计算电机的电磁力矩，为提高系统的控制性能、保证系统的导向功能提供条件。综上，井下涡轮电机参数检测系统是旋转导向钻井系统中非常重要的一个子系统。按照井下涡轮电机的实际工作情况，系统工作在钻井液排量为20～45 L/s的范围内，电机工作频率为10～60 Hz，对应的测量范围为电压20～120 V、电流0～12 A。考虑到井下的特殊工作环境，要求检测系统最高耐温为125℃，能够承受近钻头的200 g的冲击。

1 井下涡轮电机参数检测系统设计

根据系统设计，井下涡轮电机应该是单相或三相交流永磁电机，可以考虑采用电阻负荷或互感器检测其电流或电压;前者直接检测负载电阻两端的电压，后者利用互感原理检测。

采用Rogowski微型互感线圈的涡轮电机参数精密检测系统由信号检测、精密整流、滤波、A/D转换与数字处理等环节构成，系统整体封装在导向钻井系统的测控电子仓中，实现对电机参数的测量存储并以数字信号形式送给控制单元，系统结构如图1所示，图1中的MCU采用dsPIC30FX011单片数字控制器。

图1 井下涡轮电机参数检测系统结构图

1.1 涡轮电机参数的信号检测与放大处理

Rogowski线圈基于电磁感应原理将穿过线圈中的电流I(t)变换为感应电势e(t)［5-6］，有:

式中:M是与线圈的截面积、总匝数、长度有关的常数。由于Rogowski线圈不含铁心，不存在磁饱和与铁磁谐振，故可在很宽的测量范围内呈现良好的线性，准确度高。

互感线圈的感应信号可通过直接并联负载电阻的方式进行检测。但由于线圈感应电流为毫安级，为得到数伏特的输出电压，则需要并联数百欧姆的负载电阻，阻值大，输出波形易产生畸变。为保证对涡轮电机的准确测量，需采用精密放大电路对信号进行放大处理，电路原理如图2所示。

图2 信号检测与放大电路原理图

记r为互感线圈内阻，i(t)为电流，不妨取I(t)∶i(t)=1 000∶1，考虑到互感线圈一端接地、另一端接运放的输入端，故有:

图2中，取运放电源为±12 V，运放输入保护稳压二极管VS1、VS2击穿电压为15 V。考虑到i(t)为0～12 mA，故取负反馈电阻Rf≈580 Ω。记if为反馈电流，R为相角补偿电阻、C1为电容，uc、ic为C1的电压和电流，uO为输出电压，根据电路原理，由及和，得互感线圈及放大电路部分的传递函数:

由幅频特性可知，相角:

在已知互感线圈相角φ时，取定C1后，可由式(5)确定相角补偿电阻R。从式(4)、式(5)可知，经过放大的输出信号uO与I(t)为同频率交变信号，其幅值放大倍数为Rf/1 000。为保证测量精度，反馈电阻要使用精度优于0.1%、温度系数优于5×10-5∕℃的高温精密电阻。

1.2 精密整流电路设计

为使MCU能将信号通过A/D转换采样为相应的数值，需要对输出信号uO进行整流。一般采用二极管整流电路整流。由于二极管存在约0.7 V的死区电压ud，当输入电压小于ud时，二极管在信号的整个周期均处于截止状态，输出电压始终为零;如采用死区电压补偿方式进行校正，则因为二极管的ud会随温度而变化，而井下温度随井深会在较宽范围内变化，因此二极管整流电路或整流桥均不合适。对此可采用精密整流电路整流以满足精密测量要求，且不同的电路参数将影响测量精度，原理电路如图3所示。

图3中，若取R1=R2=R3=R″f=R，R′f=2R;当uO＞0时，二极管VD2导通，VD1截止，中间电压uO1=-2uO、uO2=uO;当uO＜0时，VD1导通，VD2截止，uO1=0、uO2=-uO;故有uO2=|uO|。

图3 精密整流电路

若取R1=R2=R′f=R，R3=R″f=2R;当uO＞0时，VD2导通，VD1截止，uO1=-uO、uO2=uO;当uO＜0时，VD1导通，VD2截止，uO1=0、uO2=-uO;故有uO2=|uO|。

上述两种取值方法的输出相同，但中间信号前者有uO1=-2uO，后者为uO1=-uO;考虑到运放的饱和截止，后者的信号范围更宽、测量精度更高。为适应井下高温环境，电路中的电阻R1、R2、R3、R′f、R″f均应选用高温精密电阻，运放选用高温高精度的LM124或OP07。

1.3 A/D转换与数据处理

检测信号经过放大与精密整流后送入dsPIC30FX011进行A/D转换，这种数字控制器带有片上12位A/D转换器。参考电压采用AD584，其温度漂移系数为1.5×10-5/℃，最大误差为±30 mV，在宽温度范围内具有较高精度。信号输入与MCU的接口电路如图4所示。图4中，MCU的AN0(ref+)接AD584的2.500 V输出端，AN1(ref-)接信号地，AN2～AN5分别接精密整流后的测量信号V1～V4，分别对应上下涡轮电机的电压电流4个参数。

考虑到井下永磁电机的强磁场对互感线圈检测信号的电磁干扰，采样后的数据可采用滑动平均滤波算法等进行进一步的软件滤波处理。

由于电机的控制周期要求为毫秒级，而下传通信解码、A/D转换等工作需要的时间较长，全部由一片MCU难以达到好的测控效果。故采用了双MCU工作方式，如图4所示，MCU1主要负责A/D采样和通信解码，MCU2主要承担井下姿态解算和实时控制。两个MCU采用总线连接，其中，RD0～RD7为数据线，RD8为高、低8位标识，RD9为MCU1发送请求，RD10为接收标识。

图4 MCU接口设计图

1.4 温度补偿方法

互感线圈是由铜丝绕制而成的，其内阻随温度而变化，在0～150℃范围内满足关系［7］:

式中:r(T0)、r(T)分别是互感线圈在温度为T0、T时的阻值;铜电阻温度系数α=4.29×10-3/℃。

记温度T0、T时对相同输入电流I的整流后的输出电压分别为uO2(T0)、uO2(T)，忽略R1、R2、R3、Rf、R′f、R″f的温漂变化，由式(2)、式(3)、式(6)可得输出电压比为:

按式(7)计算并绘制的温度与输出电压比的关系曲线如图5所示中的曲线2。将测量系统置于恒温箱中进行温度特性测试，按测试记录绘出的实际测试曲线如图5中的曲线1。

温度测试实验表明，输出电压uO2与温度呈近似比例关系，理论曲线与测试曲线基本一致，实测比例系数接近，但高温区差异稍大。为提高井下工作时的测量精度，必须考虑温度补偿。

图5 温度-输出电压比关系曲线

温度补偿可以采用串联电阻方式，对用铜丝绕制的互感线圈，选用温度系数为-5×10-3/℃左右的CdO-Sd2O5-W05系线性热敏电阻进行补偿，即在图2中的a、b点之间串接热敏电阻RH和可调电阻RM，RM采用铜丝绕制，在温度为T0时调整RM，使得r(T0)+RM(T0)=RH(T0)。电阻补偿后再进行温度测试，按测试记录绘出的实测曲线如图5中的曲线4。温度补偿也可按式(7)进行软件计算补偿，软件补偿后的温度测试实测曲线如图5中的曲线3。

两种补偿方法的温度测试表明，采用软件补偿时，在高温区会有较大误差，120℃时的误差约为7.3%;热电阻补偿后的测量误差较小，最大误差约为1.9%，能够满足井下导向系统的测量精度要求。

2 测试试验

井下涡轮电机参数检测系统设计、调试与实验室标定后，进行了数轮现场测试。现场测试采用单台往复式钻井泵水力循环驱动涡轮电机，钻井泵冲数在20～120冲/min范围内连续可调(变频调速)，缸径Ф150 mm，由导向钻井系统的测控单元同步连续测量并记录上下涡轮电机电压电流，某次测试录得上电机电压曲线(部分)如图6所示。图6中1～180 s、181～360 s时段对应的排量分别为22 L/s、24 L/s;361～720 s时段为三降三升下传通信测试实验曲线，对应排量为18 L/s、22 L/s。现场测试结果表明系统测量准确，流量脉冲记录完整，可以为井下工具的导向控制运算和下行通信解码提供实时数据，也可为导向钻井系统的钻井液排量-涡轮特性、钻井液排量-电机电压特性、导向钻井系统井下控制规律、下传通信解码算法等研究提供准确数据和手段。

图6 连续实测记录的排量-电机电压特性曲线

3 结 论

(1)采用Rogowski微型互感线圈可以满足导向钻井井下控制系统对涡轮电机参数精密检测的要求。

(2)为保证不影响导向控制指标，钻井工具涡轮电机参数数据处理宜采用与控制运算相互分工的双MCU结构。

(3)钻井井下环境的温度变化和导向钻井井下控制系统的电子仓的温度变化对测量影响明显，必须采用温度补偿措施。

(4)试验结果证明上述检测系统能够满足井下导向系统的测量要求。

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