梁文晰，周靜，曹元兵

（西安石油大學井下測控研究所，陜西 西安 710065）

可控偏心器中非接觸感應電能傳輸系統的研究與實現

梁文晰，周靜，曹元兵

（西安石油大學井下測控研究所，陜西 西安 710065）

為了解決旋轉導向偏心器中電泵機和發(fā)電機之間的物理間隙所造成的電能傳輸問題，設計出了非接觸感應電能傳輸系統，并對影響電能傳輸效率的主要因素進行了研究。結果表明：耦合器的間隙距離越大，耦合器的傳輸效率越低；耦合器的最佳工作頻率為38 KHz；高頻逆變電源的輸出功率在280～300 W之間時，系統間電能的傳輸效率可以達到85%。

可控偏心器；旋轉導向鉆井；非接觸感應電能傳輸系統；可分離變壓器

0 引言

隨著我國生產力與科技的飛速發(fā)展，我們的生活已經越來越離不開對石油的依賴，而石油的鉆取已經成為人們越來越關心的話題，因為它直接關系到石油的產量等一系列后續(xù)問題。

旋轉導向鉆井技術是隨著鉆井過程中的各種難題應運而生的，它解決了許多鉆井過程中的難題。

1 非接觸感應電能傳輸系統的設計原理

本文設計的非接觸感應電能傳輸系統首先由渦輪發(fā)電機得到工頻的交流電供給整流濾波電路得到平滑的直流電。

經過高頻逆變電路再把直流電轉換為交流電供給分離變壓器的初級，從而得到高頻率的交流電。接著把直流電送給高頻逆變電路得到高頻交流電，為了補償分離變壓器的漏磁感，在其兩端都加入補償電路，從次級補償電路出來的交流電需要經過整流濾波電路變成平滑的直流電，再經過穩(wěn)壓系統得到平滑且穩(wěn)定直流電供給直流電機。

2 可分離變壓器的機械結構

2.1 可分離變壓器初、次級中的運動方式

可分離變壓器中初級和次級是相對分離，它們通常有三種運動方式即：初級次級相對靜；初次級相對滑動；初次級相對旋轉。為了滿足可控偏心器中電機泵和發(fā)電機之間的相對旋轉，因此，這里選用初次級相對旋轉式。

2.2 磁芯的選取

可分離變壓器主要由磁芯和繞組組成，筆者對于鐵芯的選取主要有兩種方式：鐵氧體、非晶材料。鐵氧體的優(yōu)點是磁導率很高，并且在廣泛的頻率范圍內具有高電阻和渦流損耗小等優(yōu)勢，但是價格高且加工周期較長；非晶材料具有高飽和磁感、低損耗，可大大減輕設備重量、縮小體積、提高效率。

本文對于磁芯的選取主要采取這兩種方式，為了滿足逆變電路輸出的信號是方波信號這一要求，選取氣隙為1 mm，逆變電路輸出方波信號頻率為10 KHz下，測得非晶鐵芯初次級的方波信號的波形優(yōu)于鐵氧體鐵芯的方波信號。

3 分離變壓器的技術指標

可分離變壓器存在較大的氣隙且處于松耦合狀態(tài)，漏磁較高，電能傳輸效率較低，因此可分離變壓器要安裝在可控偏心器中，并在實際中發(fā)揮作用需要達到自己的最佳狀態(tài)，才能使旋轉導向技術正常運行，所以必須明確耦合器中影響電能傳輸的各種因素。

3.1 工作頻率

當耦合器工作在低頻段時系統傳輸效率極低，所以需要用高頻逆變電路把高頻平滑的交流電供給耦合器的初級，為此設計的高頻逆變電源的最大輸出電壓50 V，輸出頻率范圍為：1～100 KHz；最大輸出功率可達300 W，將氣隙固定在0.2 mm，電壓源設置輸出30 V，負載為200 Ω。通過改變電壓源的輸出頻率，測試不同的頻率對環(huán)形鐵氧體可分離變壓器傳輸效率的影響，按照仿真所得參數測得相關實驗數據后，經過計算繪出傳輸效率隨頻率的變化的曲線。

3.2 合器的氣隙

將負載固定在200 Ω，高頻逆變電源輸出電壓固定在30 V，在工作頻率為10 KHz時，改變氣隙，繪得效率隨氣隙的變化曲線，看出系統的傳輸效率隨著氣隙的增加而不斷降低。所以要在滿足耦合器安裝的條件下盡肯能減小耦合器的氣隙大小。

4 測試實驗

首先繪制出耦合器實驗的系統框圖；其次，用電機代替實際鉆井中泥漿驅動渦輪發(fā)動機產生的電能，經過整流電路等電路處理模塊，測試輸入功率對非接觸感應電能傳輸系統的效率的影響。

為了得到逆變電源的輸入功率為多少時系統效率最大，我們把實驗數據做成直觀的曲線，我們設定氣隙為1 mm，耦合器的初級所接功率為100～450 W之間，輸入電壓為30 V。實驗可得，當輸入功率在280～300 W之間是系統傳輸效率最大且我們設計的耦合器合格。

5 結論及建議

（1）本文設計的耦合器能解決井下可控偏心器中旋轉外套和不旋轉外套之間的非接觸感應供電問題。

（2）目前筆者只驗證了設計補償電路的方法來提高耦合器傳輸效率，還沒有驗證其他方法提高耦合器傳輸效率的可行性。

（3）鉆井過程中除了要解決偏心器的供電之外，還需要解決鉆井過程中數據傳輸的問題，希望在可以用耦合器來實現鉆井過程中的數據傳輸。

［1］ 馬孝春，王貴和，李國民.鉆井工程［M］.北京：地質出版社，2010. 116～196.

［2］ 大港油田集團鉆采工藝研究院. 國內外鉆井與采油工程新技術［M］. 北京：中國石化出版社，2002.81～85.

Research and implementation of non-contact inductive power transmission system in controlled eccentralizer

TM724

1009-797X （2015） 20-0053-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.005

梁文晰（1988—），男，在讀碩士，研究方向為一種新型解堵技術的研究與實現。

2015-09-04

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發(fā)”之子課題“旋轉導向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術與裝備”（2011ZX05021-005）；中石油集團公司重大專項“鉆井新裝備新工具研制”之子課題“隨鉆測量與傳輸裝備研制”（2014B-4313）；陜西省教育廳專項科研計劃項目“隨鉆聲波傳輸信道模擬與信息最佳傳輸研究”。