周 靜， 高建邦， 饒 飛， 尚海燕

(西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065)

導(dǎo)向鉆井工具中電能傳輸用旋轉(zhuǎn)式變壓器設(shè)計

周 靜， 高建邦， 饒 飛， 尚海燕

(西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065)

在導(dǎo)向鉆井過程中，為保證導(dǎo)向鉆井工具中旋轉(zhuǎn)的主軸與不旋轉(zhuǎn)套之間電能傳輸穩(wěn)定，根據(jù)導(dǎo)向鉆井工具的機械結(jié)構(gòu)和空間要求設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式可分離變壓器。通過理論分析，選擇鐵合金材料作為磁芯材料；根據(jù)ANSYS仿真，確定變壓器初級和次級繞組之間的間隙為1 mm，旋轉(zhuǎn)變壓器的最佳工作頻率為38 kHz；通過分析，選擇初級串聯(lián)次級并聯(lián)型補償電路，并根據(jù)變壓器的互感模型計算了補償電路的電容。不同輸入功率下旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸效率的的室內(nèi)測試結(jié)果表明，最佳輸入功率約為150 W，此時變壓器的動靜態(tài)傳輸效率都不低于82%，而當輸入功率大于200 W小于300 W時，傳輸效率不足80%。這表明，所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器可以應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中，但該變壓器在輸入功率高時傳輸效率較低，達不到80%的工程要求，還需進行改進。

導(dǎo)向鉆井 旋轉(zhuǎn)式變壓器 分離式變壓器 電能傳輸

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井是在鉆柱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下用近鉆頭處的導(dǎo)向鉆井工具控制鉆頭鉆進方向的鉆井技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井克服了滑動導(dǎo)向鉆井的不足，更適合鉆進復(fù)雜地層[1-4]。導(dǎo)向鉆井工具(可控偏心器)利用不旋轉(zhuǎn)套上的可控翼肋在不同方向上的伸出量達到控制井眼軌跡的目的，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的重要部件。翼肋由不旋轉(zhuǎn)外套上的電機泵推動。在鉆柱高速旋轉(zhuǎn)的情況下，必須給位于不旋轉(zhuǎn)外套中的電路系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地供電。

非接觸電能傳輸技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理的一種全新電能無線傳輸技術(shù)。導(dǎo)向鉆井工具的主軸和不旋轉(zhuǎn)外套之間存在相對轉(zhuǎn)動，不宜用導(dǎo)線連接，因此可將非接觸電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)向鉆井工具中。自20世紀80年代非接觸式電能傳輸概念提出至今，國內(nèi)外進行了大量的相關(guān)研究[5-6]。國外非接觸式電能傳輸技術(shù)已經(jīng)很成熟，并在石油鉆井中得到應(yīng)用。國內(nèi)對非接觸電能系統(tǒng)的研究起步晚，且研究較少，相關(guān)產(chǎn)品處于起步階段。非接觸電能傳輸系統(tǒng)由發(fā)射端電路處理模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器和接收端電路處理模塊等3部分組成。目前大多數(shù)研究集中在電路處理模塊改進上[7-9]，很少從變壓器本身入手來提高系統(tǒng)的電能傳輸效率。為此，筆者根據(jù)旋轉(zhuǎn)式變壓器的原理，從旋轉(zhuǎn)變壓器的機械結(jié)構(gòu)、磁芯材料、線圈設(shè)計等多方面入手，提高變壓器的耦合系數(shù)、降低變壓器的無功損耗、增強變壓器的功率輸出能力。

1 導(dǎo)向鉆井工具中的非接觸電能傳輸系統(tǒng)

非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)是一種全新的傳輸技術(shù)，通過電磁感應(yīng)耦合的方式傳輸電能。導(dǎo)向鉆井工具中非接觸感應(yīng)傳輸系統(tǒng)的組成如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)變壓器的初級和次級繞組之間有空氣磁路，漏感較大，在低頻段電能傳輸效率低。導(dǎo)向鉆井工具在井下工作時，能量源于渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的交流電，而渦輪發(fā)電機所產(chǎn)生交流電的頻率低，需要對其處理后再輸送到旋轉(zhuǎn)變壓器的初級繞組。低頻交流電先通過整流濾波電路變成穩(wěn)定的直流電，再通過高頻逆變電路產(chǎn)生高頻交流電輸送至變壓器的初級繞組。通過電磁感應(yīng)在次級繞組上得到感應(yīng)電動勢，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后給用電設(shè)備供電。

旋轉(zhuǎn)變壓器和常規(guī)變壓器在原理上類似，都是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能從變壓器初級繞組到次級繞組的變換。但旋轉(zhuǎn)式可分離變壓器的初級繞組和次級繞組是分離的，其漏感大、耦合系數(shù)低，所以設(shè)計出性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)式可分離變壓器是實現(xiàn)非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計過程

2.1 變壓器的機械結(jié)構(gòu)

非接觸電能傳輸系統(tǒng)的主要形式有滑動式[10]、旋轉(zhuǎn)式[11]以及多線圈平臺式[12]3種形式。由于井下環(huán)境特殊，考慮到導(dǎo)向鉆井工具的機械結(jié)構(gòu)，選用旋轉(zhuǎn)式傳輸系統(tǒng),內(nèi)環(huán)(變壓器的初級繞組)安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上，外環(huán)(變壓器的次級繞組)安裝在不旋轉(zhuǎn)外套上。

旋轉(zhuǎn)變壓器初級繞組與次級繞組之間的間隙越大，磁阻就會越大，空氣中消耗的能量就越多，因而導(dǎo)致變壓器的性能變低。設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓15 V，頻率30 kHz，負載10 Ω，改變變壓器初級繞組與次級繞組的間隙，利用ANSYS軟件分析變壓器傳輸效率與初級繞組和次級繞組間隙的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，變壓器的傳輸效率隨著間隙的增大而減小，所以在機械結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)盡量減小初級繞組與次級繞組之間的間隙。

2.2 磁芯材料的選取

磁芯是由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結(jié)磁性金屬氧化物，主要作用是增強電磁體的磁感應(yīng)強度，是高頻變壓器中的重要部件。合適的磁芯能擴大使用溫度范圍、降低損耗和成本。選擇磁芯的標準是既要有軟性磁材料的特性(具有高的磁導(dǎo)率、高電阻率和低鐵損)，又要適合于加工和研磨為合適的尺寸(符合導(dǎo)向鉆井工具的機械結(jié)構(gòu))，而且要耐高溫高壓。

最初使用的變壓器磁芯材料為鐵氧體，但鐵氧體價格高，不易加工而且加工周期長。隨后采用非晶磁芯，其具有優(yōu)異的磁性、耐腐蝕性、耐磨性和機電耦合性能，強度和電阻率高，而且易于加工(實驗室內(nèi)部就可以進行加工)。但非晶磁芯是帶狀的(其電阻率很低，需要做成片狀提高電阻率，減少渦流損耗)不利于加工成所需的形狀，且不能保證加工精度，因而不能保證間隙足夠小。最后采用鐵合金材料，其飽和磁感應(yīng)強度在1.5 T左右，矯頑力較小，磁導(dǎo)率可達45×104H/m，磁損耗也小，耐高溫，硬度較大，并且易于加工，成本相對較低，十分實用。

2.3 繞組線圈的設(shè)計

繞組的繞制方式對變壓器性能有較大影響。筆者設(shè)計的變壓器是傳輸逆變電路輸出的高頻方波信號，所以要求繞組具有高度對稱性，繞組之間的耦合性要強，并且分布電容要小。在設(shè)計繞組線圈時應(yīng)注意減小變壓器的漏感，主要措施有減少匝數(shù)、增加繞組高度和減小繞組間的絕緣厚度。

筆者設(shè)計旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸?shù)男盘柺歉哳l方波信號,表達式為：

U1=4×10-8fBmScN1

(1)

式中：U1為初級繞組外加電壓的幅值，V；f為工作頻率，Hz；Bm為工作磁感應(yīng)強度，T；Sc為磁芯有效截面積，cm2；N1為初級繞組線圈的匝數(shù)。

磁芯有效截面積Sc的表達式為：

Sc=KcS

(2)

式中：Kc為磁芯填充系數(shù)，一般取0.50～0.95；S為磁芯幾何截面積，m2。

由式(1)得初級繞組線圈匝數(shù)N1：

N1=108U1/(4fBmSc)

(3)

由輸出電壓Uo計算出可分離變壓器次級電壓幅值U2，進而求得次級繞組線圈的匝數(shù)N2：

N2=(U2N1)/U1

(4)

最后計算出線圈導(dǎo)線截面積Su：

Su=I/j

(5)

式中：I為流過某個線圈的有效電流，A；j為導(dǎo)線許可的電流密度，A/m2。

3 變壓器的最佳工作頻率

通過ANSYS軟件對設(shè)計出的旋轉(zhuǎn)變壓器進行仿真，尋找變壓器的最佳工作頻率。在仿真的基礎(chǔ)上對變壓器進行試驗，以獲得變壓器實際工作中的最佳工作頻率。

設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器初級繞組與次級繞組的間隙為1 mm，輸出電壓15 V，負載為10 Ω，改變電壓輸出頻率，模擬頻率對旋轉(zhuǎn)變壓器傳輸效率的影響，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：旋轉(zhuǎn)變壓器的工作頻率為38 kHz時，實際測試傳輸效率最大達到59.6%；工作頻率為28 kHz時，仿真?zhèn)鬏斝首畲筮_到66.5%。仿真?zhèn)鬏斝屎蛯崪y傳輸效率有一定誤差的原因是變壓器的實際工作參數(shù)與ANSYS仿真的參數(shù)略有不同，但是二者都在某一頻率達到最大，為尋找最優(yōu)頻率提供了依據(jù)。變壓器實際工作時，工作頻率盡量選在實測傳輸效率最大的頻率附近。這里變壓器的工作頻率選擇38 kHz。

4 補償電路的設(shè)計

4.1 補償電路的原理

為了使變壓器處于最佳工作狀態(tài)，應(yīng)該設(shè)計出最優(yōu)的線圈補償電路。所謂補償電路就是使電路工作在諧振狀態(tài)，電路呈純阻性。初、次級線圈同時增加補償電路可以更好地改善系統(tǒng)的阻抗特性，而兩側(cè)補償電容在電路中起不同作用[13]。次級補償電容能提高系統(tǒng)的負載能力，此時次級電路為LC電路，而且工作在次級諧振狀態(tài)，變壓器的功率傳輸能力達到最高。初級繞組側(cè)添加補償電容后，初級電路工作在次級諧振頻率下，電路呈純阻性，可降低能量損耗。

初級串聯(lián)型電路中，初級繞組側(cè)補償電容的大小與負載無關(guān)，所以當負載電阻變化時，變壓器的諧振頻率不會變化，依舊工作在最佳工作點上，而初級串聯(lián)次級并聯(lián)型補償電路在諧振點處阻抗小，可以從電源處獲得更多的有功功率，所以選擇初級串聯(lián)次級并聯(lián)型補償電路(見圖4)。

分析次級等效電路，次級電路的總導(dǎo)納為：

(6)

式中：Y為次級電路的總導(dǎo)納，1/Ω；R為負載電阻，Ω；Lp為初級電感，H；Ls為次級繞組電感，H；Cs為次級繞組側(cè)補償電容，F(xiàn)，ω為角頻率,rad/s

(7)

(8)

(9)

初級繞組側(cè)包括補償電容Cp的初級等效阻抗Z為：

(10)

讓初級等效阻抗Z的虛部為零，可以求得到初級串聯(lián)補償電容Cp:

(11)

由式(7)和式(11)可知，只有得到Lp、Ls和M的值，才能求出Cp和Cs。線圈的自感(Lp和Ls)可通過LCR測試儀測得。當工作頻率為38 kHz時，采用文獻[14]中的方法計算互感系數(shù)M，結(jié)果見表1。

表1 變壓器初次級繞組的電感互感系數(shù)

Table 1 Coefficients of inductance and mutual inductance of primary and secondary windings

將最佳工作頻率(38 kHz)和表1中初、次級繞阻電感及互感系數(shù)代入式(7)，計算出次級并聯(lián)補償電容Cs為6.972 μF,單個電容最接近計算值的是6.3 μF的電解電容，這時的工作頻率f0約為40 kHz。

將新的工作頻率(40 kHz)和表1中的電感代入式(11)，計算出初級串聯(lián)補償Cp為610.112 μF,單個電容最接近計算值的是680 μF的電解電容，也可以選擇幾個電容并聯(lián)得到更接近計算值的電容。

5 測試試驗

為了驗證上述分析，對設(shè)計出的旋轉(zhuǎn)變壓器進行了室內(nèi)測試試驗。試驗系統(tǒng)組成如圖5所示。

在實驗室中對旋轉(zhuǎn)變壓器進行穩(wěn)定的靜態(tài)試驗及變壓器外環(huán)和內(nèi)環(huán)相對轉(zhuǎn)動并加入強振動的動態(tài)試驗。用電機代替實際鉆井中鉆井液驅(qū)動的渦輪發(fā)電機產(chǎn)生電能。渦輪發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過整流電路模塊、濾波電路模塊、穩(wěn)壓電路模塊和逆變模塊后，產(chǎn)生40 kHz的方波信號輸入變壓器的初級繞組。改變負載的阻值，測試旋轉(zhuǎn)變壓器在不同輸入功率下的傳輸效率。試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出：靜態(tài)測試結(jié)果和動態(tài)測試結(jié)果相差不大，靜態(tài)情況下，變壓器的工作情況稍好；最佳輸入功率約為150 W，此時，變壓器的傳輸效率達到82%，動態(tài)傳輸效率達到83%;當輸入功率大于200 W小于300 W時，傳輸效率不足80%。經(jīng)過測試，輸出功率和傳輸效率都能達到要求。

6 結(jié)論及建議

1) 設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器可解決導(dǎo)向鉆井中鉆井設(shè)備之間相對旋轉(zhuǎn)情況下穩(wěn)定供電的問題。

2) 基于旋轉(zhuǎn)式變壓器的非接觸無線電能傳輸系統(tǒng)可以應(yīng)用到導(dǎo)向鉆井中，但輸入功率高時傳輸效率較低，還需要進行進一步研究。

3) 目前所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)變壓器只能用來傳輸電能，以后應(yīng)設(shè)計基于旋轉(zhuǎn)式變壓器的非接觸無線電能和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

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[編輯 劉文臣]

The Design of the Rotary Transformer for Power Transmissionin Steering Drilling Tool

Zhou Jing, Gao Jianbang, Rao Fei, Shang Haiyan

(SchoolofEngineering,Xi，anShiyouUniversity,Xi，an,Shaanxi710065,China)

To ensure the stability of electric power transmission between rotating spindle and non-rotating sleeve in steering drilling,a rotary separable transformer was designed according to the mechanical structure and space requirements of relevant steering tools.Iron alloy was chosen as the magnetic core material through theoretical analysis,and the clearance between primary winding and secondary winding was determined to be 1 mm and the optimum working frequency of the transformer to be 38 kHz,based on ANSYS simulation.Moreover,the primary series+secondary parallel compensation circuit was adopted,and its capacitance with the mutual inductance model of the transformer was calculated.Finally,the transmission efficiency of the transformer in laboratory under different input power was tested.The results showed that the optimum input power was about 150 W,under which both dynamic and static transmission efficiencies of the transformer were not less than 82%.When the input power was greater than 200 W and less than 300 W,the transmission efficiency was less than 80%.This suggested that the rotary transformer could be applied to the rotary steering drilling system,but it should be improved since its transmission efficiency was low (less than 80%) under high input power.

steering drilling；rotary transformer；detachable transformer；power transmission

2014-04-04；改回日期：2014-12-06。

周靜(1964—)，女，1985年畢業(yè)于西北電訊工程學院電路與系統(tǒng)專業(yè)，1988年獲西安電子科技大學信號與處理專業(yè)碩士學位，教授，主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究。

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發(fā)”專題“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術(shù)與裝備”(編號：2011ZX05021-005)部分研究內(nèi)容。

?鉆采機械?

10.11911/syztjs.201501020

TE927

A

1001-0890(2015)01-0117-05

聯(lián)系方式：(029)88382636，xtcs2636@sina.com。