井下注水涡轮发电机的输出电路设计

摘要：实时监测并控制注水量可提高油田开采效率，现有的井下仪器供电系统无法满足油田高效节能的生产需求。针对实际应用设计了一种用于井下注水涡轮发电机的输出电路，介绍了三相桥式整流电路、Boost升压电路、UC3842 外围电路、滤波电路的设计与实现，并对关键元器件参数进行计算。通过Multisim 电路仿真软件进行建模仿真，仿真结果表明，所设计的输出电路能够满足设计需求，验证了设计的有效性和稳定性。

关键词：三相桥式整流；Boost 升压电路；UC3842；Multisim 仿真

中图分类号：TM46 文献标识码：A

0 引言

在油田注水领域，实时监测并控制油藏的注水量可以提高油田开采效率，目前油田主要使用压力脉冲发生器、流量计等井下仪器进行监测。这些监测设备需要在井下长时间运行，因此研究一种高效、可靠的井下供电系统变得尤为关键。目前为井下仪器供电的设备通常使用储能电池组或有线电缆，储能电池组具有结构紧凑、输出稳定的优点，但由于注水井井下空间受限，无法容纳大量锂电池，因此储能锂电池需要定期更换，增加了开采成本的同时还存在电池泄漏的风险。而有线电缆虽然可以长距离供电，但随着使用时间的增加，会出现短路、过负荷、漏电等故障，给油田带来直接经济损失。目前，在油田领域中逐步使用井下注水涡轮发电机来代替原有的供电方案。该发电机采用了磁力耦合传动系统，通过液压动力驱使涡轮转动，进而激发发电机转子转动以实现发电的目的。井下注水涡轮发电机将液压动能转换为机械能，再转化为电能，该供电系统可以长时间在井下工作并且作为稳定的电源为井下仪器供电，是一种符合可持续发展理念的高效井下供电设备。

当发电机旋转时，它产生的感应电动势随时间呈正弦波形变化，并通过3 个相位差为120° 的线圈产生三相交流电，然而井下仪器所需的电源大部分为直流电。在发电机产生电能后，需经过整流、滤波、稳压3 个步骤，发电机所发电能才能作为稳定的直流电源供负载使用。整流是将三相交流电转换为单相直流电的过程，通过整流桥能够将交流信号转换为具有稳定输出的直流信号。由于整流器产生的直流电仍然可能存在一些波动或脉动，需要使用电容或电感组成滤波电路以消除电流的波动，从而使输出电流更加稳定。稳压是确保输出电压在一定范围内保持稳定的过程，其可以通过调节电路来抵消输入电压的波动，以确保输出电压可以始终维持在所需水平。

目前，井下注水涡轮发电机多用于为压力脉冲发生器供电，其负载约为500 Ω，正常工作时所需电压为24 V，额定功率为5 W。根据以上需求，本文对井下注水涡轮发电机输出电路进行设计，并通过Multisim 仿真软件进行模拟验证。

1 整流电路设计

本设计的整流部分采用三相桥式整流电路，通过并联1 个电容进行滤波。该电路使用6 个二极管构成1 个桥式整流器，交流信号通过3 对互相串联的二极管进行整流。滤波部分利用电容两端的电压不能突变来滤除脉动直流电中的交流成分，从而产生稳定的直流输出，三相桥式整流电容滤波电路拓扑如图1 所示。

图1 中二极管D1、D3、D5 为共阴极组，二极管D4、D6、D2 为共阳极组，交流电源VA、VB、VC的相位相差120°。根据二极管正向导通、反向截止的导通特性，对于共阴极组的3 个二极管，总是阳极电压更高的二极管优先导通，导通后输出正向电压U1；对于共阳极组的3 个二极管，总是阴极电压更低的二极管优先导通，导通后输出反向电压U2。经过整流桥整流后，负载R 上得到的电压Uo 为共阴级组输出电压减去共阳级组输出电压的差值，即Uo=U1-U2。

滤波电容C 通常选用较短时间常数的电解电容，利用电容的充电和放电特性，可有效稳定输出电压。当输出电压值大于电容C 两端电压值时，电容C 进行充电，此时充电速度较快；当输出电压值小于电容C 两端电压值时，电容C 对负载R 进行缓慢放电。电容的充电速度快于放电速度，因此在电容未进行完全放电之前再次充电以发挥滤波作用[1]。

井下注水涡轮发电机转速范围为500 ～1 200 r/min， 工作时线圈可产生频率为50 Hz、有效电压值为12 V 左右的三相交流电，输出电压最大值约为17 V。在对整流二极管D1 ～ D6 进行选取时，主要考虑二极管的最大反向电压和正向导通电流两个因素。在实际应用中需考虑一定裕量以确保电路的稳定性和可靠性，查找相关数据手册得知1N4001 型号二极管的最大反向电压为50 V，正向导通电流为1 A，工作环境温度为-55 ～ 150℃，其可以满足整流桥的使用需求。

根据所需的输出电压波动范围和工作频率来确定滤波电容，一般情况下电容的容值越大，输出电压的波动越小。电容值的计算公式为：

C=IRΔTC／2f ΔUC。 （ 1）

式中，IR 为负载电流；ΔTC 为输出电压的允许波动时间，通常以ms 为单位；f 为工作频率；ΔUC 为输出电压的纹波。

根据井下仪器的用电需求以及后续稳压电路的工作状态，输出电压纹波控制在1% 以内，波动时间控制在1 ms，在留出一定裕量的情况下，滤波电容选择470 μF 的电解电容。

2 稳压电路设计

在实际应用中，井下注水涡轮发电机输出的交流电电压是不断变化的，传统的线性稳压器无法满足负载的用电需求。本文采用开关型Boost 升压电路，使用UC3842 电源管理芯片，对发电机输出电压进行升压、稳压处理。

UC3842 是得州仪器公司（TI） 生产的一款基于固定频率的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）控制芯片，其内部集成了启动电路、误差放大器、电流检测电路、反馈补偿网络等。该芯片PWM 输出频率最高可达500 kHz（输出范围为0 ～ 100%），工作温度为-40 ～ 85℃，并且具有可靠稳定、价格低廉、灵活耐用等优点，能够较好地适应井下恶劣的工作环境[2]。

如图2 所示，本文设计了UC3842 外围电路与Boost 变换器耦合后的电路，其中外围电路主要包括启动供电电路、振荡器与时钟电路、电流取样电路、电压反馈与补偿电路、功率开关器驱动电路等。

该升压电路中占空比D 计算公式为：

D=1-（Ui／Uo）。 （ 2）

式中，Ui 为发电机线圈产生电压经整流后的输入电压，Ui=12 V；Uo 为输出电压，Uo=24 V。

保证Boost 变换器工作在连续状态而非断续状态，电感临界值Lmin 计算公式为：

Lmin=D（1-D）2RL／2fs。 （ 3）

式中，RL 为负载电阻，RL=500 Ω；fs 为MOSFET 开关频率，fs=52 kHz。

为确保电流连续留有一定裕量，根据实际需求电感值L 选取为1.2 mH。

电感电流直流分量IL 计算公式为：

IL=Uo／RL（1-D）。 （ 4）

电感脉动量ΔiL 计算公式为：

ΔiL=UiD／f L 。 （ 5）

电感电流最大值ILmax 和最小值ILmin 计算公式为：

ILmax=IL+ 1／2ΔiL。 （ 6）

ILmin=IL-1／2ΔiL。 （ 7）

时钟振荡电路由芯片内部的振荡器与R4、C3组成，芯片8 引脚输出5 V 基准电压并且通过时钟电阻R4 对定时电容C3 进行充电，充电完成后通过芯片内部的电流源放电以形成锯齿波。当锯齿波处在上升周期时，振荡器输出低电平；当电容进行放电时，振荡器输出高电平，这就形成了芯片的时钟信号。芯片振荡周期的改变可以通过调整R5 和C4 的值来实现。采用型号为IRF641 的金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，MOSFET）， 其具有低导通电阻、高耐压等优点，IRF641 的经典开关频率为52 kHz。

开关频率的计算公式为：

fs= 1.72／RT×CT。 （ 8）

式中，RT 为外部时钟电阻，CT 为外部时钟电容。

根据式（8），选择RT（R4）为10 kΩ，CT（C3）为3.3 nF。C2 负责滤除高频叠加信号，消除高频噪声对芯片内部电路的干扰，保证芯片的正常运行，其通常选用0.01 μF/50 V。

电流取样电路主要负责采集流过功率MOSFET的电流，并起到限流作用。在开关电源中，功率开关管的开关瞬态以及负载的突然变化都可能导致电流突变形成尖峰，电流尖峰的存在会影响芯片工作的稳定性[3]。R5 和C4 组成电流取样电路中的RC滤波电路以消除电路中的尖峰，防止UC3842 芯片误触发。时间常数τ=R5×C4=200 ns，选择阻值R5 为1 kΩ，电容值C4为0.2。采样电阻R6需选用较小值，以减少功率损耗，故其阻值选择为0.4 Ω。

在反馈补偿网络中，通过多组数据的调试，最终确定阻值R7 为30 kΩ、R8 为3.2 kΩ 时可得到较为稳定的24 V 输出电压。

R3、C5 构成补偿网络可以改善误差放大器的动态响应，提升输出电压的稳定性，通过选择适当的阻值和电容值，可以有效消除功率电路中元件非理想性质引起的零点问题，R3 的最小值可由下式计算：

R3=VEAOUT／IEA。 （ 9）

式中，VEAOUT 为误差放大器输出端电压最大值，VEAOUT = 7 V；IEA 为误差放大器的输出电流， IEA=0.5×10-3 A。

实验调试测得电阻值R3 为20 kΩ、电容值C5为100 pF 的效果最优。

由于开关元件的开关动作会产生高频噪声，导致输出直流电压上带有高频纹波，需要设计滤波电路衰减高频成分，使输出波形更加平滑。储能电容C1、C8 与电感L2 共同构成π 型滤波电路，电容值C1 根据输出电压的纹波ΔUC 和纹波时间Ts来确定：

C=UoDTs／ΔUCRL。 （ 10）

为确保变换器工作在连续状态，电容在一个周期内功率MOSFET 关断时能够持续为负载供电，对电容值选取留有一定裕量，故选取C1 为22 μF。

截止频率fc 计算公式为：

fc=1／2π根号下 LC。 （ 11）

对于开关电源，滤波电路的截止频率通常在几十kHz 至几百kHz 之间，根据井下仪器的实际用电需求，实验调试得到L2 电感值为5 μF、C8 电容值为470 μF 可达到最佳滤波效果。

3 仿真验证

将整流电路与稳压电路在Multisim 仿真软件中建模并且进行仿真分析，UC3842 的驱动输出信号与时钟信号如图3 所示。从图3a 可以看出，UC3842 的驱动输出信号呈现出时间间隙相等、信号幅值保持一致的周期方波。当升压电路开始工作时，UC3842 芯片输出脉冲信号来控制功率MOSFET 的导通与关断，且每个脉冲信号的幅值均在14 V 左右，驱动信号输出稳定。图3b 为时钟信号，时钟信号的稳定输出保证了升压电路的高效运行，提高了系统的整体效率。

较小的输出电压纹波有助于减少输出电路负载受到噪声等因素的干扰，由图4a 可以看出输出电压纹波基本控制在10 mV 以内，满足纹波小于1%的设计需求，保障了井下精密电子设备的高质量供电。升压电感电流波形如图4b 所示，升压电感L1的电流在0 ～ 200 mA 内波动，升压电感L1 的电流始终大于0 A，这表明Boost 升压电路处于连续工作状态，电感值选型合理。

4 结论

本文设计了一种井下注水涡轮发电机的输出电路，介绍了UC3842 的引脚功能和Boost 升压电路的基本原理。设计的输出电路可以稳定输出24 V电压并且用于井下仪器的供电，该电路具有输出电压纹波较低、控制方式简单和效率高等优点。通过Multisim 电路仿真软件建立了输出电路模型，对重要元器件和线路上的电压电流波形进行分析，验证了设计的合理性，符合设计目标。

参考文献

[1] 汪远林，窦满峰. 六相永磁同步发电机的整流稳压电路仿真[J]. 微电机，2012，45（8）：46-49.

[2] 郝小聿. Boost 型软开关PFC 电路的设计与分析[D].太原：中北大学，2022.

[3] 吴翊铭. 基于PWM 整流的永磁同步发电机系统稳压控制技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2021.