基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元.pdf

本实用新型公开了一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，包括由四个二极管构成的全桥整流电路，全桥整流电路输出端经电流反馈电阻与输入滤波电容并联，输入滤波电容与输入电压取样电阻并联，输入电压取样电阻输出端经升压电感、带有反向续流二极管的功率场效应管和升压二极管及输出滤波电解电容接输出电压取样电阻，输出电压取样电阻输出端接负载；APFC控制器分别与电流反馈电阻、输入电压取样电阻、功率场效应管和输出电压取样电阻电连接。采用本实用新型可提高电动机的功率因数和输出电压利用率，减小电流谐波，抑制脉动转矩。

权利要求书
1、  一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，包括由四个二极管D1、D2、D3和D4构成的全桥整流电路，其特征在于：所述全桥整流电路输出端经电流反馈电阻Ri与输入滤波电容C1并联，输入滤波电容C1与相串联的输入电压取样电阻R1和R2并联，输入电压取样电阻R1和R2输出端经升压电感L1、带有反向续流二极管的功率场效应管Q1和升压二极管D5及输出滤波电解电容C2接输出电压取样电阻R3和R4，输出电压取样电阻R3和R4输出端接负载；APFC控制器分别与电流反馈电阻Ri、输入电压取样电阻R1和R2、功率场效应管Q1和输出电压取样电阻R3和R4电连接。

2、  根据权利要求1所述的基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，其特征在于：所述APFC控制器为有源功率因数校正控制器，APFC控制器通过检测输入电压取样和输出电压取样信号及反馈电流信号，进行控制方案的调整与输出。

说明书基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元
技术领域
本实用新型属于钻井技术领域，具体涉及一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元。
背景技术
随着水平井、大位移井和多分支井等复杂结构井和“海油陆采”的迅速发展，旋转导向钻井技术成为国内外石油工业研究的热点，也是当今世界钻井技术的重大革命。它不仅用于水平钻井，还可以用于保证垂直钻井作业，控制井眼轨迹，提高井眼的质量和钻井效益及速度。
旋转导向闭环钻井系统主要通过控制井下偏置导向工具来达到控制井眼轨迹目的，其中稳定控制平台是关键，稳定平台主要由上、下涡轮发电机、平台控制轴及电子仓组成，其结构见图1所示。上涡轮发电机提供电子仓内的用电及一个逆时针转动力矩；下涡轮发电机提供一个顺时针旋转的可变力矩，使控制轴稳定到一个特定的工具面位置，稳定平台工具面的控制是通过改变下涡轮发电机输出负载电流来实现的。
为了使稳定平台在旋转的钻柱内能够维持稳定，必须使施加到平台上的力矩平衡。工作中平台受到的一个主要力矩是由钻柱旋转带来的机械力矩和作为电能发生器的涡轮发电机本身的电磁力矩之和MT，该力矩大小与轴承摩擦力及电机的特性及其负载有关，MT的存在使平台产生与钻柱旋转同向的旋转趋势。作为力矩发生器的下涡轮电机电枢在磁场中也会产生一个电磁力矩M，M与MT方向相反，且连续可调。
电磁转矩主要和转子电流及其功率因数有关，调节下发电机负载电流就可实现对稳定平台工具面角的控制，以往的电路中采用了交流全桥整流、直流斩控的电路。
从电动机负载电流波形来看，明显存在各次谐波，而且各次谐波幅值比较大；当电动机中含有l(奇数)次电流谐波时，在电动机的气隙中产生谐波磁势，且建立谐波旋转磁场；l次谐波磁场沿基波磁场相反方向旋转，并感应出l+1倍于基频的转子电流，产生l+1倍于基频的谐波转矩，使电动机的电磁转矩产生脉动。
由于波动转矩的存在，即使在恒定负载转矩下，电动机也存在动态转矩，从而产生转速波动，电动机角速度的波动分量幅值与基频成反比，基频越低，波动分量的幅值越大；电动机角速度的波动分量幅值与谐波次数成反比，低次谐波对转速的影响要比高次谐波大。
综上所述，由于脉动转矩的存在，即使在负载恒定时，电动机的角速度也是时变的，当电动机处于低速运行时还会产生爬行现象；同时大量的谐波存在于一个完全密闭的空间中，对控制电路产生很强的电磁干扰，对稳定平台的电磁兼容性能提出极高的要求。
通常设计中只考虑了对转子电流的控制，忽略了功率因数对输出转矩的影响，电路转换效率很低，无功损耗增大，额定转矩要求下电动机的设计体积增大，转动惯量增大，这些都影响系统的动态和稳态性能的提高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，以提高电动机的功率因数和输出电压利用率，减小电流谐波，抑制脉动转矩。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，包括由四个二极管D1、D2、D3和D4构成的全桥整流电路，其特征在于：所述全桥整流电路输出端经电流反馈电阻Ri与输入滤波电容C1并联，输入滤波电容C1与相串联的输入电压取样电阻R1和R2并联，输入电压取样电阻R1和R2输出端经升压电感L1、带有反向续流二极管的功率场效应管Q1和升压二极管D5及输出滤波电解电容C2接输出电压取样电阻R3和R4，输出电压取样电阻R3和R4输出端接负载；APFC控制器分别与电流反馈电阻Ri、输入电压取样电阻R1和R2、功率场效应管Q1和输出电压取样电阻R3和R4电连接。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：采用本实用新型控制技术后，电路的功率因数得到很大提高，负载电流得以降低，电路转换效率也得以提高，额定转矩要求下的电动机设计尺寸可以大为减小；较低的谐波幅值和较少的谐波次数有效抑制了脉动转矩的产生，能大大提高稳定平台的动态响应性能，可保证超调量在10％以内，工具面角的稳态控制精度达到±1°，能准确控制导向钻井工具，实现旋转导向钻井的目的；同时电磁干扰的抑制能力大大提高，电磁兼容性能超过了CCEC/T07.2-2001标准。
附图说明
图1为旋转导向闭环钻井系统中稳定控制平台的结构示意图。
图2为本实用新型的电原理图。
图3为采用功率因数校正的电动机输出负载电流波形及频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细说明。
如图2所示的一种基于功率因数校正的旋转导向钻井电驱动单元，该电驱动单元为一种AC/DC型转矩控制电路，电动机的输出接本控制电路的交流输入端，由四个二极管D1、D2、D3和D4构成全桥整流电路，得到脉动直流输出，C1为输入滤波电容，用于滤除输入电流纹波，L1为升压电感，D5为升压二极管，C2为输出滤波电解电容，Q1为带有反向续流二极管的功率场效应管，R1和R2为输入电压取样电阻，R3和R4为输出电压取样电阻，Ri为电流反馈电阻。所述全桥整流电路输出端经电流反馈电阻Ri与输入滤波电容C1并联，输入滤波电容C1与相串联的输入电压取样电阻R1和R2并联，输入电压取样电阻R1和R2输出端经升压电感L1、带有反向续流二极管的功率场效应管Q1和升压二极管D5及输出滤波电解电容C2接输出电压取样电阻R3和R4，输出电压取样电阻R3和R4输出端接负载；APFC控制器分别与电流反馈电阻Ri、输入电压取样电阻R1和R2、功率场效应管Q1和输出电压取样电阻R3和R4电连接。APFC控制器为有源功率因数校正控制器，APFC控制器通过检测输入电压取样和输出电压取样信号以及反馈的电流信号，进行控制方案的调整与输出。
本实用新型电路采用双闭环控制，外环为输出电压反馈控制，内环为输入电流反馈控制。带有反向续流二极管的功率场效应管Q1导通时，升压二极管D5截止，输出滤波电解电容C2向负载放电，同时升压电感L1储能；带有反向续流二极管的功率场效应管Q1截止时，升压电感L1的储能经升压二极管D5对输出滤波电解电容C2和负载充电；由于功率场效应管Q1和升压二极管D5交替导通，全桥整流电路输出电流经升压电感L1连续，交流输入电流也连续；输入电压取样电阻R1和R2取样输入电压，保证通过升压电感L1的电流跟随输入电压按正弦规律变化，通过升压电感L1的高频电流包络正比于输入电压，其平均电流呈正弦波形；输入电流也呈正弦波形，因此能有效减小输入电流失真度，降低输入电流谐波。
采用AC/DC型转矩控制电路进行对比试验，测试的电动机输出负载电流波形及频谱如图3所示，可以看出，电动机的负载电流呈正弦波形，跟随电动机的输出电压波形，基波幅值增大，低次谐波幅值明显减小，高次谐波的次数也明显减少。
表1列出了采用直接整流和AC/DC型转矩控制电路的测试结果，表明采用本实用新型控制技术后，电路的功率因数得到很大提高，负载电流得以降低，电路转换效率也得以提高，额定转矩要求下的电动机设计尺寸可以大为减小；较低的谐波幅值和较少的谐波次数有效抑制了脉动转矩的产生，能大大提高稳定平台的动态响应性能，可保证超调量在10％以内，工具面角的稳态控制精度达到±1°，能准确控制导向钻井工具，实现旋转导向钻井的目的；同时电磁干扰的抑制能力大大提高，电磁兼容性能超过了CCEC/T07.2-2001标准。
表1电动机负载电流测试结果(单位：mv)   谐波   次数  直接整  流电路   AC/DC   电路  谐波  次数 直接整流   电路  AC/DC  电路    1    260    320    9    100    4    3    220    28    11    80    2    5    160    16    13    40    4    7    120    4    15    20    2功率因数  0.538  0.955总电流有效值  417.6  (mA)  321.4  (mA)输出功率(W)  67.2  77.2谐波失真度  126％  9.37％