井壁取心供电电源驱动系统的研究①

李孝平 邓永红 李学哲 卜祥丽

(1.华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

0 引言

海洋油田井壁取心装置［1－2］是海洋油田测井的重要装置之一，其实现对海洋地质深部岩层的取样分析。该电机的供电电源来自地面或海洋平台，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感应交流电机。供电电源置于地面或海洋平台上，需要经过约10000 m(井深)长的输电电缆来驱动这台双相电机。电机额定功率1.5kW，相电压额定值AC600V，两个绕组的输入供电电压相位互差90°。由于井深10000 m以上，所以供电电压的线路损耗不容忽略，直流阻抗(电阻)值每根导线约为240 Ω。与供电电压处于同一电缆线(但不同缆芯)还有各种测控信号采用的是载波技术，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，也就是说电机的供电电压波形应该为正弦波，谐波含量低，对各种电信号具有很好的电磁兼容性。对这个三相交流电机进行可靠控制，就显得尤为重要。

目前，国内生产的这种仪器，图1所示采用的供电电源是“调压器加变压器”的线性电源，由三个10 U机箱组成，体积大，每个机箱重达150 kg以上，在海平上工作或者在沙漠中工作时，不适合搬动，不利于维修。而对于双相感应交流电机的控制，调压器加变压器的线性电源供电方式，其电路原理如图1所示。为了得到输出两路相位互差90°的电压，调压器采用三相四线制调压器，输入相电压为uA、uB、uC，为AC380V，变压器需要两台单相变压器，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［3］。而要在海样钻井平台上获得AC380 V的交流电源，必需要单独备上一个发电机。

图1 调压器加变压器的线性电源供电方式

石油勘测的实际应用背景，迫切需要开发一种高频开关供电电源实现对双相感应电机的交流变频调速控制，提高电机运行效率，降低损耗，延长寿命，尤其能从地面可以任意设定电机的转速。概括来说，对井下电机的供电电源应该具有如下特点:(1)电源的供电容量应不低于7.5 kW。(2)电源输出的供电电压应该能够在AC600 V～AC1200 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90°。(4)电源输出的供电电压波形应该具有很好的电磁兼容性能，特别不应该对其它电信号形成强干扰，影响信号传输的可靠性。(5)供电电源要满足海油测井电机的供电要求，运行可靠，设备体积小，重量轻，便于移动和运输。(6)考虑到要调节取样的速度，控制系统能够实现变频调速，从地面可以任意设定所需的速度。

图2 供电电源控制系统结构框图

1 控制系统构成与原理框图

针对调压器加变压器线性电源供电方案存在的不足，设计一种基于现代电力电子技术的高频开关型电源方案(如图2所示)，它能完全克服上述传统供电方案不足。该方案由两组AC/DC/ AC变换器组成，单相交流AC110/60 Hz电源，经过 AC/DC/AC～AC/DC/AC变换输出三相AC600 V～AC1200 V连续可调的准正弦波三相交流电压。供电电源变频调速控制系统主要由输入滤波，二级管整流模块，H桥IGBT逆变模块，高频变压器升压，快速二级管整流滤波模块，三相逆变桥，电流传感器，正弦波滤波器模块，单片机控制电路，SG3525控制电路，驱动电路及检测电路构成等组成。

1.1 井壁取心供电电源工作分析

图2中，供电电源输出的是SPWM波，经正弦波滤波器滤成正弦供给两相感应交流电机，这种控制策略［3］要能输出AC600 V～AC1200 V连续可调的电压，则后级高压部分中间直流高压为DC1200 V～DC2700 V连续可调，主要靠调节低压部分H桥IGBT逆变模块的输出来实现的，其本质是调整控制H桥逆变模块的占空比。通过调节SG3525的占空比可以实现调压，适应不同深度测井供电的要求。而在工作中，当供电电缆长度确定时，供电电源工作在恒流或恒压工况。

1.2 供电电源主回路设计［4－6］

图3所示，为供电电源主回路原理图，当输入AC110 V/60 Hz时，通过整流桥实现AC/DC整流变换给支撑电容充电，建立直流电压DC160 V，直流电压经过单相逆变器，将直流电压逆变成单相高频交流方波电压，AC160 V/20 kHz，实现了第一级的AC/DC/AC1变换。高频变压器完成了升压隔离变换，将AC160 V/20 kHz的交流方波变为AC2400 V/20 kHz的方波，通过控制逆变器IGBT导通的脉冲宽度，可以控制逆变器的输出电压，使其在0～AC24000 V范围内变化。高频交流方波电压，再经过第二级快速二极管(反向恢复时间小于40 ns)组成的快速整流单元进行整流变换，然经高频电感和电解电容L－C组成的高频滤波单元，得到0～DC27000 V连续可调的直流电压。后级逆变器的功率器件IGBT，选用德国Infineon公司生产的型号为:FF200R33KF2C，其最大集电极电流IC=200A，最大集射极间耐压UCES= 3300 V。

图3 供电电源主回路原理图

2 驱动电路设计

针对本系统使用的是IGBT模块，尤其是后级IGBT为高压的IGBT模块，必需要采用驱动电路系统，同时由于海洋油田勘测的高温环境，驱动系统要在振动大、冲击大、温湿度变化大的恶劣环境条件下运行，使驱动系统可靠、稳定、安全运行。所以选择concept公司生产的集成智能驱动芯片IGD515，因为其只需要一路供电电源，就可实现单路驱动信号输出，驱动功率达到5 W，驱动能力强大，驱动方案更加安全可靠。由于它拥有内置的单端反激式直流斩波电路使得它的输入输出是被隔离的，即使多个芯片都由同一个+15 V电源供电他们的驱动输出信号也是相互隔离，这就节省了自行设计隔离电源的成本。而且它属于智能驱动模块，可自行检测驱动对象是否过载短路并对自身工作状况进行在线监测。如果IGBT有过载现象，无论有没有输入信号都会对IGBT模块封锁驱动脉冲使其强行被关断，经过阻断时间后重新为其发送脉冲(普通工作模式)。还可根据IGBT的不同连接方式灵活定义自己的工作模式，如果驱动模块工作在串并联工作模式上，若有故障输出，驱动模块不封锁脉冲，而是由控制电路对其停止发送脉冲，这样可保证串并联工作电路的安全，不至于使故障的影响被扩大而且控制电路的平衡性。图3为本系统的驱动电路原理图，主要由智能驱动芯片 IGD515及外围光纤电路组成。

图4 基于IGD 515的IGBT驱动电路

图5 控制系统框图

3 单片机控制框图

DSP TMS320F28035控制电路是本供电电源控制系统的核心部分，其框图如图5所示。控制系统由5个部分组成:(1)由DSP TMS320F28035、外部端子数字量输入信号等组成的单片机数字系统，它能完成各种数字计算、外部端子控制、双相交流感应电机的起停控制运行、正反转运行、点动运行、多段速给定等功能;(2)模拟量接口电路，主要由电压电流检测与调理、温度检测与调理等组成，电压、电流检测电路主要是将强电信号转换为弱电信号，供单片机进行数字采样;(3)IGBT驱动电路，将单片机系统发出的SPWM信号转化为可驱动IGBT的脉冲信号，同时当IGBT发生短路或过流故障时，向单片机系统反馈故障信号;(4)上位PC机显示及操作电路，可以通过键盘设定各种给定指令和参数，如实现电源的起动与停止，给定双相感应交流电机速度值等;可以显示供电电源运行的各种状态，并记录供电电源历史运行故障。(5)集成电路SG3525控制电路。

4 控制软件设计

本系统软件程序主要由主程序、定时器T1中断服务程序、异步通信中断程序、波形发生器中断程序等组成。软件流程图如图6所示。

主程序主要完成初始化变量和数据设置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化设置，以及各种中断设置，开中断等功能。

异步串行通信中断服务程序，主要完成与操作键盘的通信，将供电电源控制系统的运行状态、故障信息发给键盘显示;同时接收键盘的设置命令。波形发生器中断服务程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的计算以及SPWM波的生成输出。

图6 控制软件流程图

定时器T1中断服务程序，主要完成以下工作:(1)外部各端子信号的采样，采样供电电源的起停、方向、CPU的复位信号，输出故障信号。(2)直流电压电流、温度、输出电压电流采样计算。(3)完成电机缺相检测，转速跟踪计算，V/F曲线计算，转矩补偿计算，自动稳压计算，死区补偿计算，波形发生器周期寄存器值的计算，相位累加值计算，过载过流计算等。

图7 a IGBTSPWM驱动信号

图7 b 双相感应电机供电电压波形

5 实验结果

在输入电压为AC110V/60Hz，双相感应交流电机额定电压AC600V，额定功率1.5kW，供电电源与电机的连接通过10000 m测井电缆，完全模拟海洋油田井壁取芯的运行条件下，得到实验结果，其运行波形如图7a、图7b所示，图7a为高压部分逆变器SPWM驱动信号波形;图7b为双相感应电机供电电压波形UAN和UBN，输出有效值约AC1200 V，相位互差90°。

6 结论

针对海洋油田井壁取芯供电电源，研究设计的多环节功率变换地面供电电源控制系统，克服了传统的“交流调压器加变压器”供电方案的诸多缺点，具有小型轻量化、高度智能化、调压与调频方便、电压频率协调控制、软起动、变频节能运行等诸多优点。实验结果表明:研制设计的供电电源驱动系统功能先进、性能指标优越、操作方便，在海洋油田测井行业中具有推广应用的价值。

［1］ 邓永红，等.海样油田测井装置电机驱动供电方式的研究［J］.电源技术，2011，35:201－206

［2］ 邓永红，等.井壁取心供电电源控制系统研究［J］.测井技术，2012，(5):519－522

［3］ 陆宏亮，等.一种新型两相感应电动机变频器调速SPWM控制技术［J］.电工技术学报，2005，20［9］:44－50

［4］ 王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2009

［5］ 张占松.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，1998

［6］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2003