导向钻井工具中电能传输用旋转式变压器设计.pdf

第 4 3卷第 1 期 2 O 1 5年 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETR0LEUM DRI LLI NG TE CHNI QUES Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ．， 2 o 1 5 ． 一 钻 采机械 d o i 1 0 ． 1 1 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 5 0 1 0 2 0 导 向钻 井工具 中电能传输用旋转式变压器设计 周 静，高建邦，饶 飞，尚海燕 西安石油大学 电子工程学院 ， 陕西西安 7 1 0 0 6 5 摘要 在 导向钻井过程 中， 为保证 导向钻 井工具 中旋转的主轴与不旋转套之 间 电能传 输稳定 ， 根 据导 向钻 井 工具的机械结构和空间要求设计了旋转式可分离变压 器。通过理论分析， 选择铁合金材料作为磁 芯材料； 根据 AN S YS仿真 ， 确定 变压器初级和 次级绕组之 间的间隙为 1 r r l r n ， 旋转 变压器 的最佳工作频 率为 3 8 k Hz ； 通过分析 ， 选择初级串联次级并联型补偿电路 ， 并根据变压器的互感模型计算了补偿电路的电容。不同输入功率下旋转变压 器传输效率 的的 室 内测试 结果表 明 ， 最佳输入功 率约为 1 5 0 W ， 此 时变压 器的动静 态传 输效率都不低 于 8 2 ， 而 当 输入功率大于 2 0 0 W 小于 3 0 0 W 时， 传榆效率不足 8 O ％。这表明， 所设计的旋转变压器可以应用到旋转导向钻井 系统 中， 但 该 变压器在输入功 率高时传 输效率较低 ， 达 不到 8 O 的工程要 求 ， 还 需进行 改进 。 关键词 导 向钻 井 旋转 式变压 器 分 离式变压器 电能传输 中图分类号 T E 9 2 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 5 0 1 0 1 1 7 一 O 5 The De s i g n o f t h e Ro t a r y Tr a n s f o r m e r f o r Po we r Tr a ns mi s s i o n i n St e e r i n g Dr i l l i n g To o l Zh o u J i n g ，Ga o J i a n b a n g ，Ra o F e i ，S h a n g Ha i y a n S c h o o l 0 f E n g i n e e r i n g， Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y， Xi ’ a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 6 5 ， C i n a Ab s t r a c t To e n s u r e t h e s t a b i l i t y o f e l e c t r i c p o we r t r a n s mi s s i o n b e t we e n r o t a t i n g s p i n d l e a n d n o n - r o t a ri n g s l e e v e i n s t e e r i n g d r i l l i n g， a r o t a r y s e p a r a b l e t r a n s f o r me r wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d s p a c e r e q u i r e me n t s o f r e l e v a n t s t e e r i n g t o o l s ． I r o n a l l o y wa s c h o s e n a s t h e ma g n e t i c c o r e ma t e r i a l t h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s 。 a n d t h e c l e a r a n c e b e t we e n p r i ma r y wi n d i n g a n d s e c o n d a r y wi n d i n g wa s d e t e r mi n e d t o b e l mm a n d t h e o p t i mu m wo r k i n g f r e q u e n c y o f t h e t r a n s f o r me r t o b e 3 8 k Hz ， b a s e d o n AN S YS s i mu l a t i o n ． M o r e o v e r ， t h e p r i ma r y s e r i e s s e c o n d a r y p a r a l l e l c o mp e n s a t i o n c i r c u i t wa s a d o p t e d。 a n d i t s c a p a c i t a n c e wi t h t h e mu t u a li n d u c t a n c e mo d e l o f t h e t r a n s f o r me r wa s c a l c u l a t e d ． Fi n a l l y， t h e t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y o f t h e t r a n s f o r me r i n l a b o r a t o r y u n d e r d i f f e r e n t i n p u t p o we r wa s t e s t e d ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e o p t i mu m i n p u t p o we r wa s a b o u t 1 5 0 W ， u n d e r wh i c h b o t h d y n a mi c a n d s t a t i c t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c i e s o f t h e t r a n s f o r me r we r e n o t l e s s t h a n 8 2 ． W h e n t h e i n p u t p o we r wa s g r e a t e r t h a n 2 0 0 W a n d l e s s t h a n 3 0 0 W ， t h e t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y wa s l e s s t h a n 8 0 ． Th i s s u g g e s t e d t h a t t h e r o t a r y t r a n s f o r me r c o u l d b e a p p l i e d t o t h e r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g s y s t e m， b u t i t s h o u l d b e i mp r o v e d s i n c e i t s t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y wa s l o w 1 e s s t h a n 8 O 9 ／ 6 u n d e r h i g h i n p u t p o we r ． Ke y wo r d s s t e e r i n g d r i l l i n g； r o t a r y t r a n s f o r me r ； d e t a c h a b l e t r a n s f o r me r ； p o we r t r a n s mi s s i o n 旋转导向钻井是在钻柱旋转状态下用近钻头处 的导向钻井工具控制钻头钻进方 向的钻井技术。旋 转导向钻井克服了滑动导 向钻井的不足， 更适合钻 进复杂地层_ 1 ] 。导向钻井工具 可控偏心器 利用 不旋转套上的可控翼肋在不 同方 向上的伸 出量达到 控制井眼轨迹的 目的， 是旋转导 向钻井系统的重要 部件 。翼肋 由不旋转外套上 的电机泵推动 。在钻柱 高速旋转的情况下， 必须给位 于不旋转外套 中的电 路系统持续稳定地供电。 非接触电能传输技术是基于电磁感应原理的一 收稿 日期 2 0 1 4 一 O 4 0 4 ； 改回 日期 2 0 1 4 1 2 0 6 。 作者简介 周静 1 9 6 4 一 ， 女 ， 1 9 8 5年毕业 于西北 电讯工程 学院 电路与 系统专业， 1 9 8 8年 获西安 电子科技 大学信 号与处理专业硕 士 学位 ， 教授 ， 主要从事旋转导向智能钻 井系统 的研 究。 联系方式 0 2 9 8 8 3 8 2 6 3 6 ， x t c s 2 6 3 6 s i n a ． c o r n 。 基金项 目 国家科技重大专项“ 大型 油田及煤 层气开发” 专题“ 旋 转导向及随钻测录、 酸性 气层 测试技 术与装备” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 1 0 0 5 部分研 究内容。 石 油 钻 探 技 术 种全新电能无线传输技术 。导 向钻井工具 的主轴和 不旋转外套之间存在相对转动 ， 不宜用导线连接， 因 此可将非接触 电能传输技术应用 到导 向钻井工具 中。自2 0世纪 8 O年代非接触式电能传输概念提出 至今 ， 国内外进行了大量的相关研究_ 5 ] 。国外非接 触式 电能传输技术 已经很成熟 ， 并在石油钻井中得 到应用。国内对非接触 电能系统 的研究起步 晚， 且 研究较少 ， 相关产 品处于起步 阶段 。非接触电能传 输系统由发射端电路处理模块 、 旋转变压器和接收 端电路处理模块等 3部分组成 。目前大多数研究集 中在电路处理模块改进上ll7呻 ] ， 很少从变压器本身入 手来提高系统 的电能传输效率。为此 ， 笔者根据旋 转式变压器的原理 ， 从旋转变压器的机械结构 、 磁芯 材料、 线圈设计等多方面人手 ， 提高变压器的耦合系 数 、 降低变压器的无功损耗、 增强变压器 的功率输出 能 力。 1 导向钻井工具中的非接触电能传输 系统 非接触感应电能传输系统是一种全新的传输技 术 ， 通过电磁感应耦合 的方式传输 电能。导 向钻井 工具中非接触感应传输系统 的组成如图 1所示 。 旋转变压器不旋转套 网 初 涡 整 稳 I 级 轮 流 压 叫 逆 变 电 路 卜 - 补 发 滤 电 偿 电 机 波 路 电 路 图 1非接触电能传 输系统 ri g ,1 Co nt a c t l e s s p owe r t r a ns mi s s i o n 旋转变压器的初级和次级绕 组之间有空气磁 路 ， 漏感较大 ， 在低频段 电能传输效率低 。导 向钻 井工具在井下工 作时 ， 能量 源于涡 轮发 电机产 生 的交流电， 而涡轮发电机所产生交流电的频率低， 需要对 其处 理后 再输 送 到旋 转 变压 器 的初 级 绕 组。低频交流 电先通过整流滤波 电路变成稳 定 的 直流电， 再 通过高 频逆变 电路产 生高频交 流 电输 送至变压器的初级绕组 。通过 电磁感应 在次级绕 组上得到感 应 电动 势 ， 经过整 流滤波稳 压后 给用 电设备供 电。 旋转变压器和常规变压器在原理上类似 ， 都是 应用电磁感应原理实现电能从变压器初级绕组到次 级绕组 的变换。但旋转式可分离变压器的初级绕组 和次级绕组是分离 的， 其漏感大、 耦合 系数低 ， 所 以 设计出性能优 良的旋转式可分离变压器是实现非接 触感应 电能传输的关键。 2 旋转变压器的设计过程 2 ． 1 变压器的机械结构 非接触电能传输系统 的主要形式有滑动式I 1 、 旋转式 l 1 l 以及多线 圈平 台式l_ 1 ] 3种形式 。由于井 下环境特殊 ， 考虑到导向钻井工具的机械结构 ， 选用 旋转式传输系统， 内环 变压器 的初级绕组 安装在 旋转 的主轴上 ， 外环 变压器 的次级绕组 安装在不 旋转外套上。 旋转 变压器初 级绕组与次级绕 组之 间的间隙 越大 ， 磁阻就会 越大 ， 空气 中消耗 的能 量就越 多 ， 因而导致变压器的性能变低 。设 置旋转变压器输 出电压 1 5 V， 频率 3 0 k Hz ， 负载 1 0 Q， 改变变压器 初级绕组与次级绕组 的间隙， 利用 ANS YS软件分 析变压器传输效率与初 级绕组和次级绕组 间隙的 关系， 结果见图 2 。 图 2 变压器传 输效率与初次 级绕 组间隙的关 系 Fi g ．2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t r a n,qn i s s i o n e f f i c i e nc y o f t h e t r a n s f o r me r a nd pr im a r y - s e c o nd a r y wi nd i ng c l e a r a nc e 从图2 可以看出， 变压器的传输效率随着间隙 的增大而减小 ， 所 以在机械 结构允许 的情 况下 应 尽量减小初级绕组与次级绕组之 间的间隙。 2 ． 2 磁 芯材 料 的 选取 磁芯是 由各种氧化铁 混合物组成 的一种烧结 磁性金属氧化 物 ， 主要作 用是增 强 电磁 体 的磁感 应强度 ， 是高频 变压 器 中的重要部 件 。合 适 的磁 第 4 3卷 第 1 期 周 静等． 导 向钻 井工具 中电能传输用旋转式 变压 器设计 芯能扩大使 用温 度范 围、 降低损 耗 和成本 。选 择 磁芯 的标准是 既要有 软性 磁 材料 的特性 具有 高 的磁导率 、 高 电阻率 和低铁损 ， 又要适合 于加 工 和研磨为合适 的尺 寸 符合 导 向钻 井工具 的机 械 结构 ， 而且要耐高温高压 。 最初使用 的变 压器 磁芯 材料 为铁 氧体 ， 但 铁 氧体价格 高 ， 不 易加 工而且 加工 周期 长 。随后 采 用非晶磁芯 ， 其具 有优 异 的磁 性 、 耐腐 蚀性 、 耐 磨 性和机电耦合性能 ， 强度和 电阻率 高 ， 而且 易于加 工 实验室 内部就可 以进行 加工 。但非 晶磁 芯是 带状 的 其 电 阻率 很 低 ， 需要 做 成 片状 提 高 电阻 率 ， 减少 涡流损 耗 不利 于加工 成所 需 的形 状 ， 且 不能保证 加 工 精 度 ， 因而不 能 保证 间 隙足 够小 。 最后采用铁合金材料， 其饱和磁感应强度在 1 ． 5 T 左右 ， 矫 顽力 较小 ， 磁 导率 可达 4 5 1 0 H／ m， 磁 损耗也小 ， 耐高温 ， 硬 度较大 ， 并且 易于加工 ， 成本 相对较低 ， 十分实用 。 2 ． 3 绕组线圈的设计 绕组 的绕 制方 式对 变压 器性 能有 较大 影 响。 笔者设计的变压器是传输 逆变 电路输 出的高频方 波信号 ， 所 以要求绕组具有 高度对称 性 ， 绕 组之 间 的耦合性要强， 并且分布电容要小。在设计绕组 线 圈时应注 意减小 变压器 的漏 感 ， 主要措 施有 减 少 匝数 、 增加绕组高度 和减小绕组 问的绝缘 厚度 。 笔者设计旋转变压器传输 的信号是高频方波信 号 ， 表达式为 U1 4 1 0 ～ S N1 1 式 中 U 为初级绕组外加 电压 的幅值 ， V； ，为工作 频率 ， Hz ； B 为工作磁感应强度 ， T； S 。 为磁芯有效 截面积 ， c m。 ； N 为初级绕组线圈的匝数 。 磁芯有效截面积 S 的表达式为 S 一 K S 2 式 中 K 为磁芯填充系数 ， 一般取 0 ． 5 0 ～0 ． 9 5 ； S为 磁芯几何截面积 ， m2 。 由式 1 得初级绕组线圈匝数 N N1 1 0 Ul ／ 4 f B S 3 由输 出电压 计算 出可分离变压器次级电压 幅值 U。 ， 进而求得次级绕组线圈的匝数 N。 N2一 U2 N1 ／ u1 4 最后计算出线圈导线截面积 S S 一 I ／ j 5 式中 J 为流过某个线圈的有效 电流 ， A； j为导线许 可的电流密度 ， A／ m 。 3 变压器的最佳工作频率 通过 ANS YS软件对设计 出的旋转变压器进行 仿真 ， 寻找变压器 的最佳工作频率 。在仿真 的基础 上对变压器进行试验 ， 以获得变压器实际工作 中的 最佳工作频率 。 设 置旋转变压器初级绕组与次级绕组的间隙为 1 mm， 输 出电压 1 5 V， 负载为 l O Q， 改变 电压输 出 频率 ， 模拟频率对旋转变压器传输效率的影响 ， 并与 试验数据进行对比， 结果见图 3 。 图 3变压器工作频率与传输效率 的关 系 F i g ． 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n wo r k f r e q u e n c y a n d t r a ns m i s s i o n e f f i c i e nc y of t he t r a ns f o r me r 由图 3 可知 旋转变压器的工作频率为 3 8 k Hz 时 ， 实际测试传输效 率最大达到 5 9 ． 6 ； 工作频率 为 2 8 k Hz 时 ， 仿真传输效率最大达到 6 6 ． 5 9 ／ 6 。仿 真传输效率和实测传输效率有一定误差的原因是变 压器的实际工作参数与 AN S YS仿真的参数略有不 同， 但是二者都在某一频率达到最大 ， 为寻找最优频 率提供了依据 。变压器实际工作时， 工作频率尽量 选在实测传输效率最大的频率附近。这里变压器 的 工作频率选择 3 8 k Hz 。 4 补偿 电路 的设计 4 ． 1 补 偿 电路 的原理 为了使变压器处于最佳 工作状态 ， 应该设计 出 最优的线圈补偿 电路。所谓补偿电路就是使 电路工 作在谐振状态 ， 电路呈纯阻性 。初 、 次级线圈同时增 加补偿 电路可以更好地改善系统的阻抗特性 ， 而两 侧补偿 电容在 电路 中起不 同作用m] 。次级补偿 电 容能提高系统的负载 能力 ， 此时次级 电路为 L C电 路 ， 而且工作在次级谐振状态 ， 变压器的功率传输能 力达到最高 。初级绕组侧添加补偿电容后 ， 初级 电 石 油 钻 探 技 术 路工作在次级谐振频率下 ， 电路呈纯阻性 ， 可降低能 量损耗 。 初级 串联型 电路中， 初级绕组侧补偿 电容的大 小与负载无关 ， 所以当负载电阻变化时， 变压器的谐 振频率不会变化， 依旧工作在最佳工作点上 ， 而初级 串联次级并联型补偿 电路在谐振点处 阻抗小 ， 可 以 从电源处获得更多 的有功功率 ， 所 以选择初级 串联 次级并联型补偿 电路 见图 4 。 ， J p 9 图 4 初次级补偿 电路 Fi g ． 4 The pr i ma r y a n d s e c o nd ar y c o mp e n s a t i o n c i r c ui t 分析次级等效电路 ， 次级电路的总导纳为 y 1 一 士 6 式 中 y为次级电路 的总导纳 ， 1 ／ Q； R为负载 电阻， Q； L 。 为初级电感 ， H； L 为次级绕组电感 ， H； C 为 次级绕组侧补偿电容 ， F ， f．O 为角频率 ， r a d ／ s 当补偿电容与次级绕组电感处于谐 振状态时 ， 次级电路的总导纳虚部 为零 ， 这时 c U 。 一 1 ， 所 ， i su 以次级并联 电路的补偿 电容 C s 为 C 一寺 7 00上 s 次级绕组反映到初级绕组的电压 一 为 z一 血止 zr 1 ∞ 让初级等效阻抗 Z的虚部为零 ， 可 以求得到初 级 串联补偿电容 C 。 C p 一 兰 1 由式 7 和式 1 1 可知 ， 只有得到 L 。 、 L 和 M 的值 ， 才能求 出 C 和 C 。线圈的 自感 L 和 L 可 通过 L C R i 贝 4 试仪测得 。当工作频 率为 3 8 k Hz 时 ， 采用文献 [ 1 4 ] 中的方法计算 互感 系数 M ， 结 果见 表 1 。 表 1 变压器初次级绕组的 电感互感 系数 Tab l e 1 Co e f fic i e nt s o f i nd uc t an c e a nd mu t u a l i n du c t a n c e of p r i ma r y a nd s e c o n da r y wi nd i n g s 测试 次数L 。 ／ ／ , H L s ／ H M 均值 将最佳工作频率 3 8 k Hz 和表 1中初、 次级绕阻 电感及互感系数代入式 7 ， 计算 出次级并联补偿 电 容 为 6 ． 9 7 2 ， 单个电容最接近计算值的是 6 ． 3 F的电解电容 ， 这时的工作频率 ． 约为4 0 k Hz 。 将新 的工作 频率 4 0 k Hz 和表 1中的电感代 人式 1 1 ， 计算出初级 串联补偿 C p 为 6 1 0 ． 1 1 2 F， 单个电容最接近计算值 的是 6 8 0 F F的电解电容 ， 也 可以选择几个电容并联得到更接近计算值 的电容。 一 一一 ， s ‘ 8 5 测试试 验 式中 M 为互感系数 ； J 为初级 电流， A。 一 c j 等 同于输入 电压 的负 载， 因此可 以用反射阻抗的形式代替 ， 则次级绕组反射到初级 绕组的阻抗为 7一 一 一 二 o 2 M 2t - r 一 ． 1 T Z T 』 p 。 jo．,c s 素 9 式中 j 。 为次级电流， A。 初级绕组侧包括补偿 电容 C p 的初级等效阻抗 Z为 为了验证上述分析 ， 对设计 出的旋转变压器进 行了室内测试试验 。试验系统组成如图 5 所示。 涡 整 稳 轮 流 压 逆 整 流 发 滤 电 变 上 滤 波 负 载 模 ● 稳压 ．-L 广 块 模 块 电 波 路 l 『 上 模 模 机 块 块 电 电 电 电 压 压 压 流 表 表 表 表 图 5 试 验系统 示意 Fi g ． 5 Ex p e r i me n t a l s y s t e m 第 4 3卷 第 1 期 周 静等． 导 向钻 井工具 中电能传输用旋转式 变压 器设计 在实验室中对旋转变压器进行稳定的静态试验 及变压器外环和内环相对转动并加入强振动的动态 试验 。用 电机代替实际钻井 中钻井液驱动的涡轮发 电机产生 电能 。涡轮发 电机输出的电能经过整流电 路模块、 滤波 电路 模块 、 稳 压 电路模 块和逆变模块 后， 产生 4 0 k Hz 的方波信号输人变压器的初级绕 组。改变负载的阻值 ， 测试 旋转变压器在不 同输人 功率下的传输效率 。试验结果如图 6所示 。 输入功率／ w 图 6旋 转 变 压 器 的输 入 功 率与 传 输 效 率 的 关 系 Fi g ． 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n i n p u t p o we r a n d t r a n s mi s s i o n e f f i c i e nc y of t h e r o t a r y t r a n s f o r me r 由图 6可 以看 出 静态测试结果和动态测试结 果相差不大 ， 静态情况下 ， 变压器 的工作情况稍好 ； 最佳输入功率约为 1 5 0 W， 此时， 变压器 的传输效率 达到 8 2 ， 动态传输效率达到 8 3 ； 当输入功率大 于 2 0 0 W 小于 3 0 0 W 时， 传输效率不足 8 O 。经 过测试 ， 输出功率和传输效率都能达到要求 。 6 结论及建议 1 设计 的旋转变压器可解决导 向钻井 中钻井 设备之间相对旋转情况下稳定供电的问题。 2 基于旋转式变压器 的非接触无线 电能传输 系统可以应用到导 向钻井 中， 但输入 功率 高时传输 效率较低 ， 还需要进行进一步研究 。 3 目前所设计的旋转变压器只能用来传输 电 能 ， 以后应设计基于旋转式变压器 的非接触无线 电 能和数据传输系统。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 刘匡晓， 魏士军， 郭金爱， 等． 川东北超深水平井轨迹制方法优 选口] ． 断块油气 田， 2 0 1 1 ， 1 8 2 2 5 4 2 5 6 ． L i u Ku a n g x i a o ， We i S h ij u n ， Gu o J i n a i ， e t a 1 ．Op t i mi z a t i o n o f t r a j e c t o r y c o n t r o l t e c h n i q u e o f u l t r a - 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