论文摘要：自动垂直钻井用电机系统关键技术研究

石油勘探的过程中，高陡构造及易井斜地区的防斜打快问题已成为钻井技术的难题，是制约我国油气开发的瓶颈。从目前石油钻探技术发展的状况来看，自动垂直钻井技术是解决井斜的有效方法。自动垂直钻井系统(Vertical Drilling System，VDS)是一种能够自动有效控制井斜、保证钻头始终沿垂直方向钻进的机电液集成钻井装置。目前只有欧美少数几家公司掌握了该项技术并对其进行封锁与垄断，因此，研制具有我国自主知识产权的自动垂直钻井系统具有重大的现实意义。自动垂直钻井系统主要由涡轮发电机、数据采集与定向管理单元、电机伺服控制单元、液压导向纠斜机构、动力钻具等构成。其中，涡轮发电机以及电控液压导向用电机伺服控制单元（合称自动垂直钻井用电机系统）是自动垂直钻井系统实现其功能的关键部件。涡轮发电机为整个系统提供电能，电机伺服控制单元则根据数据采集与定向管理单元的指令驱动导向纠斜机构中的盘阀对流过的钻井液进行控制，利用活塞驱动翼肋推靠井壁，产生具有纠斜作用的侧向推靠力，以实现有效的防斜、纠斜功能。目前，我国自动垂直钻井用电机系统相关技术的研究工作还属于起步阶段，对其进行详细深入的研究具有十分重要的理论意义和使用价值。本文以具有自主知识产权的捷联式自动垂直钻井系统（Automated Strap-Down Vertical Drilling System，AVDS）用发电及电动系统为研究对象，重点在基于多物理场综合设计方法的新型涡轮发电机设计，永磁同步电机逆变器脉宽调制方法优化，捷联式稳定平台反捷联跟踪运动控制策略以及捷联式稳定平台用耐高温、全数字伺服控制模块设计等四方面展开了相关研究工作。论文的主要工作内容和研究成果体现在以下几个方面：（1）针对井下高温、高压、振动、潜液且空间有限等复杂恶劣环境对涡轮发电机提出的高环境适应性、高功率密度、高效率的性能要求，提出了一种基于定转子独立静密封的新型涡轮永磁发电机结构形式。该发电机采用外转子结构形式，从而实现涡轮转子与发电机转子的直接耦合，有效简化了结构，减小了体积。采用定、转子独立静密封，取代传统磁耦合静密封和充油形式，使得钻井液可以通过滑动轴承流入发电机气隙中，实现了轴承的润滑、内外压力平衡、强迫对流散热，有效地提高了功率密度；转子永磁体采用Halbach阵列磁钢，利用其单边磁积聚和磁场分布正弦度高的优点进一步提高了发电机功率密度和降低了铁芯损耗；定子绕组采用集中非重叠式分数槽绕组，绕组端部更短、更小的铜损耗和更低的电压调整率。实验结果表明，与传统涡轮发电机相比，所设计的新型涡轮永磁发电机具有更高的环境适应性、功率密度和效率，可以满足井下复杂恶劣环境中自动垂直钻井系统的电能需求。（2）针对井下复杂恶劣的运行环境，本文提出一种涡轮永磁发电机多物理场综合设计方法。在ANSYS Workbench环境下的Maxwell中建立电磁仿真模型，以及在FLUENT中建立温度场-流体场耦合计算求解域模型，将温度场-流体场共轭耦合传热分析与电磁场-温度场迭代耦合分析相结合得到永磁发电机温度场与流体场分布，并将其作为载荷传递给应力场，在ANSYS/Mechanical中对其进行应力场求解。同时对流场分布、黏性摩擦损耗和对流传热系数随转子转速和涡轮排量的变化规律进行了研究。仿真与实验结果验证了多物理场耦合设计方法的有效性，可以为工作于复杂环境中的电机设计提供指导。（3）针对井下高温环境中且母线电压宽范围变化情况下，永磁同步电动机驱动控制系统逆变器损耗抑制和窄脉冲抑制的特殊问题，提出了一种开关频率在线调整的最大脉宽矢量调制方法(MPW-SVM)。将6 个60°大扇区细分为12 个30°小扇区，实现最大脉宽调制的零矢量最优分配，能够在极端电压时有效避免窄脉冲且又能够抑制开关损耗。同时，根据调制度的变化采用模糊逻辑规则实现开关频率的在线调整，从而兼顾正常电压时电流纹波的抑制。仿真与实验结果验证了该方法的有效性。（4）针对捷联稳定平台反捷联跟踪运动控制时的位置目标快速跟踪和强扰动抑制的性能要求，对系统控制结构和控制方法进行了研究。将基于扩张状态观测器的扰动补偿思想与二自由度控制思想相结合，提出了一种基于扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO）的前馈型二自由度(Feedforward type-2 degree of freedom, FF-2DOF)控制方法。该方法能够保证系统快速位置跟踪能力的同时，具备良好的扰动抑制能力，仿真与实验结果验证了该方法的有效性。（5）针对井下高温、振动、电磁干扰、空间有限等诸多不利条件对捷联式稳定平台用驱动控制器提出的耐高温、抗振动、防干扰、结构尺寸小等方面的要求，遵循结构简单、安装方便、可靠性高的原则，提出了基于DSP的捷联式稳定平台用耐高温、抗振动、全数字驱动控制器的总体设计方案。针对旋变解算芯片AD2S80、光耦隔离芯片、集成驱动芯片等器件耐温等级不够的问题，本文分别采用基于DSP的软件RDC实现旋变位置解算、采用基于磁隔离的ADUM1100替代光耦隔离、采用分立元件搭建电路和厚膜工艺封装来实现IGBT驱动与保护；根据系统控制中所需功能，运用模块化设计方法，完成了DSP软件设计。根据设计方案成功研制了耐高温、全数字驱动控制器原理样机，实验测试表明该驱动控制器可以满足性能要求。