可控偏心器中非接触感应电能传输系统的研究与实现

梁文晰，周静，曹元兵

（西安石油大学井下测控研究所，陕西 西安 710065）

可控偏心器中非接触感应电能传输系统的研究与实现

梁文晰，周静，曹元兵

（西安石油大学井下测控研究所，陕西 西安 710065）

为了解决旋转导向偏心器中电泵机和发电机之间的物理间隙所造成的电能传输问题，设计出了非接触感应电能传输系统，并对影响电能传输效率的主要因素进行了研究。结果表明：耦合器的间隙距离越大，耦合器的传输效率越低；耦合器的最佳工作频率为38 KHz；高频逆变电源的输出功率在280～300 W之间时，系统间电能的传输效率可以达到85%。

可控偏心器；旋转导向钻井；非接触感应电能传输系统；可分离变压器

0 引言

随着我国生产力与科技的飞速发展，我们的生活已经越来越离不开对石油的依赖，而石油的钻取已经成为人们越来越关心的话题，因为它直接关系到石油的产量等一系列后续问题。

旋转导向钻井技术是随着钻井过程中的各种难题应运而生的，它解决了许多钻井过程中的难题。

1 非接触感应电能传输系统的设计原理

本文设计的非接触感应电能传输系统首先由涡轮发电机得到工频的交流电供给整流滤波电路得到平滑的直流电。

经过高频逆变电路再把直流电转换为交流电供给分离变压器的初级，从而得到高频率的交流电。接着把直流电送给高频逆变电路得到高频交流电，为了补偿分离变压器的漏磁感，在其两端都加入补偿电路，从次级补偿电路出来的交流电需要经过整流滤波电路变成平滑的直流电，再经过稳压系统得到平滑且稳定直流电供给直流电机。

2 可分离变压器的机械结构

2.1 可分离变压器初、次级中的运动方式

可分离变压器中初级和次级是相对分离，它们通常有三种运动方式即：初级次级相对静；初次级相对滑动；初次级相对旋转。为了满足可控偏心器中电机泵和发电机之间的相对旋转，因此，这里选用初次级相对旋转式。

2.2 磁芯的选取

可分离变压器主要由磁芯和绕组组成，笔者对于铁芯的选取主要有两种方式：铁氧体、非晶材料。铁氧体的优点是磁导率很高，并且在广泛的频率范围内具有高电阻和涡流损耗小等优势，但是价格高且加工周期较长；非晶材料具有高饱和磁感、低损耗，可大大减轻设备重量、缩小体积、提高效率。

本文对于磁芯的选取主要采取这两种方式，为了满足逆变电路输出的信号是方波信号这一要求，选取气隙为1 mm，逆变电路输出方波信号频率为10 KHz下，测得非晶铁芯初次级的方波信号的波形优于铁氧体铁芯的方波信号。

3 分离变压器的技术指标

可分离变压器存在较大的气隙且处于松耦合状态，漏磁较高，电能传输效率较低，因此可分离变压器要安装在可控偏心器中，并在实际中发挥作用需要达到自己的最佳状态，才能使旋转导向技术正常运行，所以必须明确耦合器中影响电能传输的各种因素。

3.1 工作频率

当耦合器工作在低频段时系统传输效率极低，所以需要用高频逆变电路把高频平滑的交流电供给耦合器的初级，为此设计的高频逆变电源的最大输出电压50 V，输出频率范围为：1～100 KHz；最大输出功率可达300 W，将气隙固定在0.2 mm，电压源设置输出30 V，负载为200 Ω。通过改变电压源的输出频率，测试不同的频率对环形铁氧体可分离变压器传输效率的影响，按照仿真所得参数测得相关实验数据后，经过计算绘出传输效率随频率的变化的曲线。

3.2 合器的气隙

将负载固定在200 Ω，高频逆变电源输出电压固定在30 V，在工作频率为10 KHz时，改变气隙，绘得效率随气隙的变化曲线，看出系统的传输效率随着气隙的增加而不断降低。所以要在满足耦合器安装的条件下尽肯能减小耦合器的气隙大小。

4 测试实验

首先绘制出耦合器实验的系统框图；其次，用电机代替实际钻井中泥浆驱动涡轮发动机产生的电能，经过整流电路等电路处理模块，测试输入功率对非接触感应电能传输系统的效率的影响。

为了得到逆变电源的输入功率为多少时系统效率最大，我们把实验数据做成直观的曲线，我们设定气隙为1 mm，耦合器的初级所接功率为100～450 W之间，输入电压为30 V。实验可得，当输入功率在280～300 W之间是系统传输效率最大且我们设计的耦合器合格。

5 结论及建议

（1）本文设计的耦合器能解决井下可控偏心器中旋转外套和不旋转外套之间的非接触感应供电问题。

（2）目前笔者只验证了设计补偿电路的方法来提高耦合器传输效率，还没有验证其他方法提高耦合器传输效率的可行性。

（3）钻井过程中除了要解决偏心器的供电之外，还需要解决钻井过程中数据传输的问题，希望在可以用耦合器来实现钻井过程中的数据传输。

［1］ 马孝春，王贵和，李国民.钻井工程［M］.北京：地质出版社，2010. 116～196.

［2］ 大港油田集团钻采工艺研究院. 国内外钻井与采油工程新技术［M］. 北京：中国石化出版社，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，在读硕士，研究方向为一种新型解堵技术的研究与实现。

2015-09-04

国家科技重大专项“大型油田及煤层气开发”之子课题“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”（2011ZX05021-005）；中石油集团公司重大专项“钻井新装备新工具研制”之子课题“随钻测量与传输装备研制”（2014B-4313）；陕西省教育厅专项科研计划项目“随钻声波传输信道模拟与信息最佳传输研究”。