油田测井装置深井电机地面供电方式的研究

彭其泽，张全柱

(1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070;2.华北科技学院电子信息工程系，北京 101601)

1 井下电机供电电源的特点

为了节省输电及信号传输的电缆线芯，在行业内普遍选用了双相交流电机。供电电源置于地面或海洋平台上，需要经过近7 km(井深)长距离输电电缆来驱动这台双相电机。电机额定功率为1.5 kW，相电压额定值为AC 600 V，两个绕组的输入供电电压相位互差为90°。由于井深7 km以上，因此供电电压的线路损耗不容忽略，估计的直流阻抗值约为240 Ω。与供电电压处于同一电缆线(但不同缆芯)的还有各种测控信号，这就要求电机的这一电压等级较高的供电电压不能对测控信号形成干扰，即电机的供电电压波形应该为正弦波，谐波含量低，对各种电信号具有较好的电磁兼容性。概括来说，井下电机的供电电源应该具有如下特点:

(1)考虑到电机的全电压硬起动，电源的供电容量应不低于 7.5 kVA［1］。

(2)考虑到传输电缆的长度变化，线路的损耗压降，电源输出的供电电压应能在AC 600～AC 1200 V之间连续可调节。

(3)电源应能提供双路交流电压，电压波形为正弦波，其相位互差为90°。

(4)电源输出的供电电压波形应具有较好的电磁兼容性能，特别不应该对其他电信号形成强干扰，影响信号传输的可靠性。

(5)供电电源应满足海油测井电机的供电要求，运行可靠，设备体积小、质量轻、便于移动和运输。

2 方案分析

(1)调压器加变压器的线性电源供电方式。调压器加变压器的线性电源供电方式如图1所示，这是目前行业内普遍采用的供电电源方式。该方式为典型的线性电源供电方式，输入侧有一台调压器，再加两台变压器。调压器的作用是实现对供电电压的调节，以克服传输线路的损耗压降，满足电机额定供电电压的要求［2］。变压器的作用是实现输入、输出电气隔离;实现电压值的升压变换;次边输出双绕组，输出两路相位上互差90°的供电电压，以驱动双相电机运行。为了得到该电压，调压器采用三相四线制调压器，输入相电压为 uA、uB、uC，为 AC 380 V;变压器采用两台单相变压器，其输入电压分别为线电压uAB、相电压uCN，输出电压为 uab、ucn，这两相输出电压有90°的相位差。为了使两相输出电压有效值(或幅值)相等，这两台变压器的变比(绕组匝比)相差倍，两台变压器的输出电压相量关系如图2所示。

该供电方式的优点是:技术传统、简单，直观，成本低，运行稳定可靠。但其缺点也十分明显，如体积大(共有3个机箱)，质量大(150 kg以上)，调节电压需要人工干预，自动调节功能差。

图1 调压器加变压器的线性电源供电方式

图2 变压器输入、输出电压相量关系图

图3 斩波升压加单相工频逆变的供电方式

(2)斩波升压加单相工频逆变供电方式。斩波升压加单相工频逆变的供电方式也称为“交—直—直—交(AC/DC/DC/AC)”的供电方式，如图3所示。其由斩波升压变换器将工频整流后的直流电升压至DC 1200 V(可以根据输出电压需要连续调节［3］，如 DC 750 ～1200 V)，再由两个单相逆变器逆变成SPWM波(基波为工频)，经正弦波滤波器得到工频正弦交流电，两相互差90°相位，给井下电机供电［4］。

该供电方式的优点是:全部依靠电力电子功率变换器来完成电压的变换，体积小、质量轻;电压连续可调节，技术先进，自动化程度高。缺点是:没有实现井上输入供电至井下电机供电的电气隔离，这样会带来电磁干扰和影响可靠性［5］。两个单相逆变器要实现相位上互差90°的交流电压，在控制驱动电路的触发脉冲生成上，必须保持触发脉冲的严格同步，这有一定的难度。

(3)斩波调压加三相逆变和工频变压器升压隔离的供电方式。斩波器加三相逆变和工频变压器升压隔离的供电方式如图4所示，该方式结合前面两种方式，既应用了电力电子功率变换器斩波调压、逆变的特点，也利用了工频变压器电气隔离、升压变换的特点。其与第2种方式相比，突出的优点是实现了输入至输出的电气隔离;但缺点也很明显，增加了笨重的隔离(含升压)工频变压器，以及变压器初级侧的正弦波滤波器。该方式与第1种方式相比，由直流斩波器自动调压代替了交流调压器人工调压，控制调节准确方便，自动化程度高，且体积小、质量轻［6］;但由于工频隔离(升压)变压器的存在，在缩小设备的体积和重量方面受到了影响。

图4 斩波调压加三相逆变和工频变压器升压隔离的供电方式

(4)直流输电加井下逆变的供电方式。直流输电加井下逆变的供电方式如图5所示。该供电方式是一种非常理想的供电方案，它符合目前电力系统中流行的直流输电的思想［7］。

该供电方式将输入交流电通过“交—直—交—直(AC/DC/AC/DC)”变换环节，成为直流电压，如DC 1200 V，甚至更高些，再向井下输送供电，也就是说，靠电缆传输的电是直流电，直流输电的最大特点是损耗低，效率高，干扰小，抗干扰性强［8］。“交—直—交—直”变换环节，需要经过工频整流、IGBT高频(20～30 kHz)逆变、高频变压器升压变换和快速二极管高频整流变换4个环节。直流电压输送到井下后，再由井下逆变器将直流电压逆变成交流电压，即实现DC/AC的变换，为了产生互差90°的两相电压，需要两组单相桥式逆变器。当然，也可以使用一组三相桥逆变，使用三桥臂双相交流输出的控制方式，同样可以实现相位互差90°的两相交流电压输出。

图5 直流输电加井下逆变的供电方式

该供电方式的优点是:依靠电力电子(如IGBT)逆变器和高频变压器实现电压的变换，由高频变换代替工频变换，可大大缩小设备的体积(为原来的1/3)和质量(不超过50 kg);容纳调压、升压、电气隔离于一体，控制调节一体化，自动化程度高;依靠电力电子技术和微型计算机控制技术，技术先进;将传统的交流输电(往井下送电)改为直流输电，损耗小、效率高、干扰小、抗干扰性能好［9］。但该种供电方式的缺点是:将逆变器置于井下，构成逆变器与井下电机的一体化设计，要求逆变器能耐高温(高于125℃)，满足井下安装条件(体积小、质量轻、散热特殊设计等)，这样的逆变器在设计和制造工艺上技术难度较大，整个方式的技术相对复杂，制造成本也会比传统的供电方式要高一些。

(5)晶闸管相控调压加工频三桥臂逆变器的供电方式。晶闸管相控调压加工频三桥臂逆变器的供电方式如图6所示，这是一种典型的交—直—交(AC/DC/AC)电压变换方式。该供电方式与上述第2～第4种供电方式相比，主要的区别是:调压部分采用晶闸管单相整流桥实现，电气隔离采用工频变压器实现;变压器兼顾了由交流低压(AC 110 V)至交流中压(最高AC 2400 V)的电压变换;由三相逆变器实现由中间直流电压至输出交流电压的变换;逆变器采用三桥臂双相控制方法，可以让一个桥臂为双相的公共桥臂，输出双相电压的公共相，即N相(也称公共地线)，另外两个桥臂分别输出X相、Y相的交流电压。

图6 晶闸管相控调压加工频三桥臂逆变的供电方式

该供电方式的优点是:电路环节较简单，变换也比较直接，既实现了输入与输出的电气隔离，也实现了由单相交流电压至双相交流中压的电压变换。特别是三相臂双相输出逆变器的应用可以使逆变电路大为简化，节省了电路硬件成本。但缺点也是明显的，该电路仍然在输入侧使用工频变压器来实现电气隔离和交流调压(有升压和稳压的功能)，相对上述高频变压器来说，仍然存在体积/质量大的问题。

(6)单相高频逆变、隔离、整流加工频三桥臂逆变器的供电方式。单相高频逆变、隔离、整流加工频三桥臂逆变器的供电方式如图7所示。该方式由两组AC/DC/AC变换器组成，前一级AC/DC/AC变换器可以称为低压侧变换器，实现了输入AC 110 V/50 Hz交流电压经直流电压DC 200 V再到AC 110 V/20 kHz交流电压的变换;后一级AC/DC/AC变换器可以称为中压侧变换器，它实现了输入AC 2400 V/20 kHz交流电压经直流电压DC 2700 V，再到AC 1200 V/50 Hz交流电压的变换［10］;中间环节由高频变压器实现电气隔离和升压变换，实现了AC 110 V/20 kHz至AC 2400 V/20 kHz的高频升压变换。变压器输入电压频率的提高(从50 Hz提高至20 kHz，提高了400倍)，可以大大缩小变压器的体积和质量，这也是该供电方式可以大大缩小装置体积，减轻其质量的主要原因。

图7 单相高频逆变、隔离、整流加工频三桥臂逆变器的供电方式

这种供电方案可看成是在第5种供电方式的基础上进行改进而得到的，将前级的工频变压器升压和电气隔离，加晶闸管整流桥调压来实现的变换，由高频逆变器调压和高频变压器升压和电气隔离来实现变换。也可以看成是在第4种供电方式的基础上，由最后一级的三相(三桥臂)逆变器代替了两组单相(双桥臂)逆变器而实现的。用一组三桥臂逆变器可以产生两相互差90°的正弦脉宽调制波，这样由三桥臂逆变器代替了四桥臂(两组单相逆变器，共4个桥臂)，可以节省两只IGBT功率器件，比较经济，但在生成控制脉冲的算法上相对要复杂一些。

通过对上述6种供电方式的比较，再结合目前的技术水平和实际应用情况，笔者认为:第6种供电方式是目前油田测井电机供电方式中的首选供电方式。

3 结论

通过对油田测井装置和液压泵电机6种供电方式的比较分析，方式中的 AC/DC/AC—AC/DC/AC多环节功率变换器最有应用前景。该供电方式克服了传统的调压器加变压器的油田测井电源方式的诸多缺点，具有体积小、质量轻、电压调节方便、起动电流小、动态响应快和智能化程度高等优点。该种功率变换电源，能够实现从单相低压AC 110 V至双相AC 600～AC 1200 V高压的变换。

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