一种新型油田井壁取芯供电电源研究

李学哲，雷旻，邓永红

(华北科技学院机电应用技术研究所，北京 东燕郊 101601)

一种新型油田井壁取芯供电电源研究

李学哲，雷旻，邓永红

(华北科技学院机电应用技术研究所，北京 东燕郊 101601)

本文对油田井壁取芯马达电机的供电电源进行了研究，提出了一种基于光纤传输的马达电机供电方式。介绍了系统的实现方案及工作原理，并给出了实验波形。实验结果表明，该系统克服了传统的油田测井电源方案的诸多缺点，具有性能稳定可靠、起动电流小、智能化程度高等优点。

光纤传输；井壁取芯；马达电机；供电电源

0 引言

井壁取芯是油田测井的一项重要技术，使用测井电缆将取芯器下入井中，在井壁上指定的位置取出地层岩心，以证实地层的岩性、含油性和电性等。井壁取芯技术的应用可以缩短钻井周期，使综合勘探成本得到有效控制，也为决策提供了准确依据，为优快钻井创造了条件。井壁取芯供电电源是其关键性部件，它的良好运行是确保井壁取芯装置正常运行的重要保证[1]。目前，国内外井壁取芯电源多采用传统的调压器加变压器的线性电源供电方式，这种供电方式具有技术成熟，简单、直观，成本低，运行稳定可靠等特点。但同时缺点也是十分明显的，如体积大(共有三个机箱)，重量重(150kg以上)；调节电压需要人工干预，自动调节功能差等。本系统是基于石油勘测的实际应用背景和需求而立项开发的，系统基于单片微机、电力电子技术和现代光纤技术设计，由多个IGBT功率变换单元组成，经过了AC/DC/AC—AC/DC/AC多个电压变换环节，实现了从单相AC110V低压至双相AC600—AC1200V中压的变换。具有体积小、重量轻、电压调节方便、起动电流小、动态响应快、智能化程度高等优点[2-3]。

1 供电电源技术需求分析

井壁取芯供电电源的负载主要为一双相交流电机，该电机额定功率1.5kW，相电压额定值AC600V，两个绕组的输入供电电压相位互差90°。供电电源置于地面或海洋平台上，需要经过近7km(井深)长距离输电电缆来驱动这台双相马达电机。根据对井壁取芯供电电源指标的分析，结合实际现场对设备应用的要求，概括起来对井下马达电机的供电电源应该具有如下功能和特点：

(1)考虑到电机的全电压硬起动，电源的供电容量应不低于7.5kVA。

(2)考虑到传输电缆的长度变化，线路的损耗压降，电源输出的供电电压应该能够在AC600V～AC1200V之间连续可调节。

(3)电源应能提供双路交流电压，电压波形为正弦波，其相位互差90°。

(4)电源输出的供电电压波形应该具有很好的电磁兼容性能，特别不应该对其它电信号形成强干扰，影响信号传输的可靠性。

(5)供电电源要满足海油测井马达电机的供电要求，运行可靠，设备体积小，重量轻，便于移动和运输。

2 系统设计与实现

2.1 主电路的设计

随着电力电子技术的快速发展，使得传统机电产品数字化、智能化改造成为可能。本文设计的马达电机供电系统正是基于现代电力电子技术设计的[4]，系统主电路原理如图1所示。

图1 系统主电路原理图

系统由两组AC/DC/AC变换器组成，前一级AC/DC/AC变换器可以称为低压侧变换器，它实现了输入AC110V/50Hz(工频)交流电压到AC110V/20kHz(高频)交流电压的变换；后一级AC/DC/AC变换器可以称为中压侧变换器，它实现了输入AC2100V/20kHz(高频)交流电压到AC1200V/50Hz(工频)交流电压的变换。该系统中间环节由高频变压器实现电气隔离和升压变换，实现了AC110/20kHz至AC2100V/20kHz的高频升压变换。变压器输入电压频率的提高(从50Hz提高至20kHz，提高了400倍)，可以大大缩小了变压器的体积和重量[5]，这也是本系统可以大大缩小体积，减轻重量的主要原因。

2.2 控制电路的设计

控制电路是整个电源系统的核心，由低压侧控制电路和高压侧控制电路两部分组成。低压侧控制电路以SG3525 IC为核心控制芯片，生成脉宽调制(PWM)控制波，对IGBT单相逆变器实现电压变换控制；高压侧控制电路，以单片微机DSPIC30F6010A为核心，生成SPWM波，控制双相三桥臂逆变器，输出两相互差90°的SPWM波，驱动双相电机运行。控制电路及其核心软件是电源系统各项功能指标的重要保证[6]。电源控制电路按功能可以分为如下模块：CPU模块、信号检测模块、SPWM输出模块和键盘通讯模块等。整个控制系统使用全数字化设计，能够自动补偿长距离线缆阻抗引起的电压降落，降低了线缆的损耗功率，提高了系统运行的效率。

2.3 光纤驱动电路设计

供电系统对电磁兼容特性有较高的要求，要求系统具有极强的抗干扰能力，工作性能稳定。传统的导线式信号传输方式不能满足这种要求，信号在传输过程中极易引入电磁干扰，造成电路误动作，甚至IGBT炸管子。这就要求控制电路与主电路之间的信号传输必须采用特殊的设计。为了解决这一问题，系统对重要信号的传输应采用光纤方案设计，利用光纤传导信号，大大降低了传输过程中的电磁干扰，增强了系统的稳定性。光纤系统框图如图2所示。在光纤发射板一端将电信号转变成光信号，利用震荡原理来传输光信号，在光纤接收板一端将光信号转变成电信号，完成整个传输过程[7]。

图2 光纤驱动系统框图

利用光纤发射电路将控制板产生的6路驱动脉冲信号和1路复位控制信号以光纤传输的方式送给驱动板，实现对IGBT的逆变控制；同时把驱动板以光纤传输方式反馈的IGBT保护信号转换成电信号送给控制板；利用光纤接收电路将以光纤传输方式送来的6路驱动脉冲信号和1路复位控制信号转换成电信号送给驱动板，实现对IGBT的逆变控制；同时把驱动板的保护信号以光纤传输方式反馈给控制板。光纤发射电路和光纤接收电路原理图分别如图3、4所示。电路中光纤接头采用安捷伦公司生产的HFBR系列，光纤发射器型号为HFBR1521，光纤接收器型号为HFBR2521[8]。

图3 光纤发射电路原理图

图4 光纤接收电路原理图

图5 逆变器输出波形对比图

3 光纤驱动实验结果

针对设计的光纤驱动系统，进行了调试试验。逆变器输出的电压波形如图5所示。图5-a为采用线缆传输方式时，逆变器输出电压波形。由图可以看出，输出电压明显受到干扰影响，波形发生畸变；图5-b为采用光纤传输方式时，逆变器输出电压波形。经过24小时连续运转试验后，未发现脉冲丢失现象，波形输出稳定、完好，如图5-b所示。实验结果表明，光纤驱动系统可以实现对逆变器的变频调速控制，系统很好地解决了驱动信号相互干扰的问题，增加了系统的可靠性，有效的保证了系统的稳定运行。

4 结语

本文提出的基于光纤传输方案的井壁取芯马达电机的供电系统，集微型计算机控制技术、电力电子技术、现代光纤技术于一体，很好地解决了供电可靠性、稳定性的问题。由光纤和驱动模块组成的驱动系统结构简单、可靠性好，非常适合用在要求较高的场合中。该电源装置设计方案新颖、技术先进、性能指标优越，在海洋油田测井行业内具有推广应用前景。

[1] 张国强. 地层测试评价仪在渤海油田中的应用[J]. 国外测井技术，2009(5)：76-78.

[2] 彭其泽. 油田测井装置深井电机地面供电方式的研究[J]. 武汉理工大学学报，2011(8)：590-593.

[3] 邓永红. 海洋油田测井装置电机驱动供电方式的研究[J]. 电源技术，2011(2)：202-205.

[4] 王兆安 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000.

[5] 陈伯时 陈敏逊. 交流调速系统[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[6] 陈伯时. 矩阵式交-交变换器及其控制[M] . 北京：电力电子技术，1999.

[7] 赵梓森. 光纤通信工程[M]. 北京：人民邮电出版社，2002.

[8] 李学哲. 光纤传输技术在风能转换系统中的应用研究[J]. 电源技术， 2012(3)：374-376.

Studyonanewtypeofoilfieldsidewallcoringpowersupply

LI Xue-zhe，LEI Min，DENG Yong-hong

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

In this paper, a sidewall coring motor power supply is studied, and a motor power supply mode based on optical fiber transmission is proposed. The system implementation scheme and working principle are introdued, and the experimental waveforms are given. The experimental results show that the system overcomes the disadvantages of the traditional oil field logging power supply scheme, has advantages of stable and reliable performance, high starting current is small, intelligentize degree, etc.

Optical fiber transmission; sidewall coring; power supply

2015-1-29

中央高校基本科研业务费资助(3142013099，3142015023)

李学哲(1976-)，男，吉林通化人，硕士，副教授，主要从事传感器测控、光机电一体化技术等方面的研究。E-mail：xuezheli@sina.com

TP277

A

1672-7169(2015)02-0074-04