变频电源技术在钻进式井壁取心器上的应用

刘文革 王爱新 田亚锋 李 珊

(中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司，河北 沧州 062552)

变频电源技术在钻进式井壁取心器上的应用

刘文革 王爱新 田亚锋 李 珊

(中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司，河北 沧州 062552)

详细介绍了变频电源技术在SRCT6701钻进式井壁取心仪器上应用的原理，并从实用的角度说明变频电源改善了取心仪器电机的机械特性，实现了取心过程控制智能化的技术特点，同时变频电源的使用取得了扩展取心器适用的地层温度、硬度范围的良好应用效果，对钻进式井壁取心仪器技术的发展具有重要的实际意义。

变频电源技术；钻进式井壁取心器；应用

0 引言

钻进式井壁取心器的井下仪器采用单相交流异步电机驱动液压泵，通过液压传动，驱动镶金刚石空心钻头垂直井壁钻取岩心。所取岩心呈规则圆柱状，直接用于岩层的岩性及含油性观察，同时可用于岩层的岩性、电性、物性、含油性分析化验以及含油饱和度、孔隙度、渗透率等油气储积层参数的求取[1]。

单相异步电机有两种工作方式：一种是电容运转方式，井下仪器电机采用单相电源，启动电容必须放在井下线路中，井下高温环境对电容的技术指标要求很高，此技术受到很大限制；另一种是两相电源运转方式，取心器用两箱体结构线性电源，三相电经调压箱再经升压箱变为相位差为90°的两相电，通过电缆供给井下电机，能提供较大启动转矩，但电源设备笨重、体积大[2]。

1 国内外钻进式井壁取心器电机供电电源现状

1985年，哈里伯顿推出采用液压技术的钻进式井壁取心器，采用两相电源运转方式。1994年河南石油勘探局联合其他单位研制的钻进式井壁取心器以及目前国内其他厂家也都是采用两相电源运转方式。

2008年，中国石油集团测井有限公司首次将变频电源技术应用到SRCT6701钻进式井壁取心器上。取心变频电源的主要优点是：

(1) 改善电机启动机械特性。实现电机的软启动、制动；低频小电压、小电流启动，减小启动电流冲击。

(2) 扩大了取心器使用的液压油的适用温度范围。

(3) 实现了取心时钻头的自动化保护。

(4) 提高了输入电源功率因数，降低了取心器对附属设备的不利影响。

2 取心变频电源工作原理

取心变频电源是钻进式井壁取心器给井下仪器电机供电的专用变频器，采用AC—DC—AC变频器模式，对电网或输入电源相当于一个理想的阻性负载，有理想的功率因数，对其所供电的电机接近于理想交流电源。

取心变频电源工作原理：在中央控制模块控制下，首先，功率因数校正模块PFC将输入的工频交流电变为360 V直流电，再输入BUCK调压模块，以提高输入电源的功率因数。其次，BUCK调压模块控制开关管导通时间，得到输出为0～360 V的直流电压。再次，BUCK调压模块将直流电压送到高频正弦调制升压模块，将直流信号调制成按正弦规律变化的高频信号，输入高频升压变压器T原边，在T副边得到高压高频信号，再经过整流和低通滤波，得到低频的半波正弦高压信号。最后，逆变换向模块将接收来的低频半波正弦高压信号送入全桥电路，产生出按照正弦波周期变化的电压和电流A，其作为变频电源的一相电输出。

变频电源的中央控制模块控制A、B两路相关模块的低频正弦调制波形相位，得到相位差为90°的A、B两相正弦波形电压和电流，输出给取心井下仪器电机满足其需要。

异步电机的转速关系式为：

n=n0(1-S)=60f(1-S)/p

式中，n0为电机同步转速；S为电机转差率；f为电源频率；p为极对数。

异步电机端电压U与磁通量的关系式为：

U≈E=4.44WΦf=KeΦf

式中，E为定子绕组反电势；W为单相绕组匝数；Φ为每个磁极下的磁通量；Ke为常数。

端电压U主要和E相平衡，E与电流的频率和每极下的磁通量有关。变频调速为保持电机内磁通量基本不变，在改变频率f时，要改变U，避免频率f下降时，因端电压U不变，而磁通量增加，引起电机铁芯磁饱和，励磁电流激增，铁损耗增加。

取心变频电源在基频以下调频，采用电压补偿的方法保持U/f=常数，最大转矩Tm=常数，Tm与频率f变化无关，不同频率的各条机械特性曲线是平行的，硬度相同，保持恒磁通变频调速的机械特性。电机转速n与电磁转矩T的n=f(T)机械特性曲线如图1所示。在一定的静差率要求下，调速范围宽，稳定性好，频率连续可调，变频调速为无级调速，平滑性好。电机在正常负载运行时，转差率S较小，效率较高[3-4]。

图1 基频以下调频n=f(T)机械特性曲线

取心变频电源在基频以上调频，由于定子绕组绝缘的限制，不允许升高电机端电压U，采用升高频率f上调电机转速，保持U不变。这样频率f增加，则磁通Φ降低，属减弱磁场调速类型，机械特性变软。

此时电机最大电磁转矩Tm及其临界转差率Sm与频率f的关系，可近似表示为Tm∝1/f2和Sm∝1/f。电机的运行段近似是平行的，这种调速方式可近似认为是恒功率调速类型。高于额定频率运行时，最大转矩Tm随着频率升高而下降。电机转速n与电磁转矩T的n=f(T)机械特性曲线如图2所示。

图2 基频以上调频n=f(T)机械特性曲线

取心变频电源应用了计算机运算和控制技术，在变频调速方式下，电机能够平滑软启动，降低了启动冲击电流，确保了电机安全。电机在不同转速下都具有额定电流，都能在温升允许条件下长期运行，转矩基本上随磁通变化而变化。电机正反向转换通过变频电源改变两相供电输出A、B的相位关系完成。

3 变频电源结合控制面板实现取心自动控制

取心变频电源通过串口与SRCT6701钻进式井壁取心仪器的取心控制面板通讯，并通过控制面板给井下仪器的电机供电。控制面板对变频电源进行实时自动控制，按照设定的计算机运算控制方法，根据取心作业时电机的电流、电压状态以及其他取心参数，应地层硬度的变化，可及时退钻或钻进而保护钻头。

4 现场应用

变频电源用于SRCT6701钻进式井壁取心仪器，在华北、冀东、大港、长庆、青海等油田，取心井深达到5 000多米，适用于不同软硬程度的地层，操作方便，成功率高。尤其是在冬季井场低温条件下能直接启动电机，避免了原来用线性电源必需的液压系统长时间预热，提高了仪器的可靠性，深受用户欢迎。

5 结语

在钻进式井壁取心仪器系统中，用变频电源取代两箱体结构线性电源，使电源重量和体积大为减少，操作简便，作业效率更高，提高了仪器系统的可靠性，使变频电源取代两箱体结构线性电源成为必然。

[1]哈里伯顿.旋转式井壁取心器用户手册[K]，1985

[2]田学信.HH-1型钻进式井壁取心器的研制与推广应用[J].测井技术，2000(4)

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2003

[4]孙传森.变频器技术[M].高等教育出版社，2009

2014-06-03

刘文革(1967—)，男，天津人，工程师，研究方向：石油测井仪器、石油测井钻进式井壁取心仪器。