油田測井裝置深井電機(jī)地面供電方式的研究

彭其澤，張全柱

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.華北科技學(xué)院電子信息工程系，北京 101601)

1 井下電機(jī)供電電源的特點(diǎn)

為了節(jié)省輸電及信號傳輸?shù)碾娎|線芯，在行業(yè)內(nèi)普遍選用了雙相交流電機(jī)。供電電源置于地面或海洋平臺上，需要經(jīng)過近7 km(井深)長距離輸電電纜來驅(qū)動這臺雙相電機(jī)。電機(jī)額定功率為1.5 kW，相電壓額定值為AC 600 V，兩個繞組的輸入供電電壓相位互差為90°。由于井深7 km以上，因此供電電壓的線路損耗不容忽略，估計(jì)的直流阻抗值約為240 Ω。與供電電壓處于同一電纜線(但不同纜芯)的還有各種測控信號，這就要求電機(jī)的這一電壓等級較高的供電電壓不能對測控信號形成干擾，即電機(jī)的供電電壓波形應(yīng)該為正弦波，諧波含量低，對各種電信號具有較好的電磁兼容性。概括來說，井下電機(jī)的供電電源應(yīng)該具有如下特點(diǎn):

(1)考慮到電機(jī)的全電壓硬起動，電源的供電容量應(yīng)不低于 7.5 kVA［1］。

(2)考慮到傳輸電纜的長度變化，線路的損耗壓降，電源輸出的供電電壓應(yīng)能在AC 600～AC 1200 V之間連續(xù)可調(diào)節(jié)。

(3)電源應(yīng)能提供雙路交流電壓，電壓波形為正弦波，其相位互差為90°。

(4)電源輸出的供電電壓波形應(yīng)具有較好的電磁兼容性能，特別不應(yīng)該對其他電信號形成強(qiáng)干擾，影響信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(5)供電電源應(yīng)滿足海油測井電機(jī)的供電要求，運(yùn)行可靠，設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、便于移動和運(yùn)輸。

2 方案分析

(1)調(diào)壓器加變壓器的線性電源供電方式。調(diào)壓器加變壓器的線性電源供電方式如圖1所示，這是目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的供電電源方式。該方式為典型的線性電源供電方式，輸入側(cè)有一臺調(diào)壓器，再加兩臺變壓器。調(diào)壓器的作用是實(shí)現(xiàn)對供電電壓的調(diào)節(jié)，以克服傳輸線路的損耗壓降，滿足電機(jī)額定供電電壓的要求［2］。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電氣隔離;實(shí)現(xiàn)電壓值的升壓變換;次邊輸出雙繞組，輸出兩路相位上互差90°的供電電壓，以驅(qū)動雙相電機(jī)運(yùn)行。為了得到該電壓，調(diào)壓器采用三相四線制調(diào)壓器，輸入相電壓為 uA、uB、uC，為 AC 380 V;變壓器采用兩臺單相變壓器，其輸入電壓分別為線電壓uAB、相電壓uCN，輸出電壓為 uab、ucn，這兩相輸出電壓有90°的相位差。為了使兩相輸出電壓有效值(或幅值)相等，這兩臺變壓器的變比(繞組匝比)相差倍，兩臺變壓器的輸出電壓相量關(guān)系如圖2所示。

該供電方式的優(yōu)點(diǎn)是:技術(shù)傳統(tǒng)、簡單，直觀，成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。但其缺點(diǎn)也十分明顯，如體積大(共有3個機(jī)箱)，質(zhì)量大(150 kg以上)，調(diào)節(jié)電壓需要人工干預(yù)，自動調(diào)節(jié)功能差。

圖1 調(diào)壓器加變壓器的線性電源供電方式

圖2 變壓器輸入、輸出電壓相量關(guān)系圖

圖3 斬波升壓加單相工頻逆變的供電方式

(2)斬波升壓加單相工頻逆變供電方式。斬波升壓加單相工頻逆變的供電方式也稱為“交—直—直—交(AC/DC/DC/AC)”的供電方式，如圖3所示。其由斬波升壓變換器將工頻整流后的直流電升壓至DC 1200 V(可以根據(jù)輸出電壓需要連續(xù)調(diào)節(jié)［3］，如 DC 750 ～1200 V)，再由兩個單相逆變器逆變成SPWM波(基波為工頻)，經(jīng)正弦波濾波器得到工頻正弦交流電，兩相互差90°相位，給井下電機(jī)供電［4］。

該供電方式的優(yōu)點(diǎn)是:全部依靠電力電子功率變換器來完成電壓的變換，體積小、質(zhì)量輕;電壓連續(xù)可調(diào)節(jié)，技術(shù)先進(jìn)，自動化程度高。缺點(diǎn)是:沒有實(shí)現(xiàn)井上輸入供電至井下電機(jī)供電的電氣隔離，這樣會帶來電磁干擾和影響可靠性［5］。兩個單相逆變器要實(shí)現(xiàn)相位上互差90°的交流電壓，在控制驅(qū)動電路的觸發(fā)脈沖生成上，必須保持觸發(fā)脈沖的嚴(yán)格同步，這有一定的難度。

(3)斬波調(diào)壓加三相逆變和工頻變壓器升壓隔離的供電方式。斬波器加三相逆變和工頻變壓器升壓隔離的供電方式如圖4所示，該方式結(jié)合前面兩種方式，既應(yīng)用了電力電子功率變換器斬波調(diào)壓、逆變的特點(diǎn)，也利用了工頻變壓器電氣隔離、升壓變換的特點(diǎn)。其與第2種方式相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了輸入至輸出的電氣隔離;但缺點(diǎn)也很明顯，增加了笨重的隔離(含升壓)工頻變壓器，以及變壓器初級側(cè)的正弦波濾波器。該方式與第1種方式相比，由直流斬波器自動調(diào)壓代替了交流調(diào)壓器人工調(diào)壓，控制調(diào)節(jié)準(zhǔn)確方便，自動化程度高，且體積小、質(zhì)量輕［6］;但由于工頻隔離(升壓)變壓器的存在，在縮小設(shè)備的體積和重量方面受到了影響。

圖4 斬波調(diào)壓加三相逆變和工頻變壓器升壓隔離的供電方式

(4)直流輸電加井下逆變的供電方式。直流輸電加井下逆變的供電方式如圖5所示。該供電方式是一種非常理想的供電方案，它符合目前電力系統(tǒng)中流行的直流輸電的思想［7］。

該供電方式將輸入交流電通過“交—直—交—直(AC/DC/AC/DC)”變換環(huán)節(jié)，成為直流電壓，如DC 1200 V，甚至更高些，再向井下輸送供電，也就是說，靠電纜傳輸?shù)碾娛侵绷麟?，直流輸電的最大特點(diǎn)是損耗低，效率高，干擾小，抗干擾性強(qiáng)［8］?！敖弧薄弧薄弊儞Q環(huán)節(jié)，需要經(jīng)過工頻整流、IGBT高頻(20～30 kHz)逆變、高頻變壓器升壓變換和快速二極管高頻整流變換4個環(huán)節(jié)。直流電壓輸送到井下后，再由井下逆變器將直流電壓逆變成交流電壓，即實(shí)現(xiàn)DC/AC的變換，為了產(chǎn)生互差90°的兩相電壓，需要兩組單相橋式逆變器。當(dāng)然，也可以使用一組三相橋逆變，使用三橋臂雙相交流輸出的控制方式，同樣可以實(shí)現(xiàn)相位互差90°的兩相交流電壓輸出。

圖5 直流輸電加井下逆變的供電方式

該供電方式的優(yōu)點(diǎn)是:依靠電力電子(如IGBT)逆變器和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的變換，由高頻變換代替工頻變換，可大大縮小設(shè)備的體積(為原來的1/3)和質(zhì)量(不超過50 kg);容納調(diào)壓、升壓、電氣隔離于一體，控制調(diào)節(jié)一體化，自動化程度高;依靠電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，技術(shù)先進(jìn);將傳統(tǒng)的交流輸電(往井下送電)改為直流輸電，損耗小、效率高、干擾小、抗干擾性能好［9］。但該種供電方式的缺點(diǎn)是:將逆變器置于井下，構(gòu)成逆變器與井下電機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，要求逆變器能耐高溫(高于125℃)，滿足井下安裝條件(體積小、質(zhì)量輕、散熱特殊設(shè)計(jì)等)，這樣的逆變器在設(shè)計(jì)和制造工藝上技術(shù)難度較大，整個方式的技術(shù)相對復(fù)雜，制造成本也會比傳統(tǒng)的供電方式要高一些。

(5)晶閘管相控調(diào)壓加工頻三橋臂逆變器的供電方式。晶閘管相控調(diào)壓加工頻三橋臂逆變器的供電方式如圖6所示，這是一種典型的交—直—交(AC/DC/AC)電壓變換方式。該供電方式與上述第2～第4種供電方式相比，主要的區(qū)別是:調(diào)壓部分采用晶閘管單相整流橋?qū)崿F(xiàn)，電氣隔離采用工頻變壓器實(shí)現(xiàn);變壓器兼顧了由交流低壓(AC 110 V)至交流中壓(最高AC 2400 V)的電壓變換;由三相逆變器實(shí)現(xiàn)由中間直流電壓至輸出交流電壓的變換;逆變器采用三橋臂雙相控制方法，可以讓一個橋臂為雙相的公共橋臂，輸出雙相電壓的公共相，即N相(也稱公共地線)，另外兩個橋臂分別輸出X相、Y相的交流電壓。

圖6 晶閘管相控調(diào)壓加工頻三橋臂逆變的供電方式

該供電方式的優(yōu)點(diǎn)是:電路環(huán)節(jié)較簡單，變換也比較直接，既實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離，也實(shí)現(xiàn)了由單相交流電壓至雙相交流中壓的電壓變換。特別是三相臂雙相輸出逆變器的應(yīng)用可以使逆變電路大為簡化，節(jié)省了電路硬件成本。但缺點(diǎn)也是明顯的，該電路仍然在輸入側(cè)使用工頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電氣隔離和交流調(diào)壓(有升壓和穩(wěn)壓的功能)，相對上述高頻變壓器來說，仍然存在體積/質(zhì)量大的問題。

(6)單相高頻逆變、隔離、整流加工頻三橋臂逆變器的供電方式。單相高頻逆變、隔離、整流加工頻三橋臂逆變器的供電方式如圖7所示。該方式由兩組AC/DC/AC變換器組成，前一級AC/DC/AC變換器可以稱為低壓側(cè)變換器，實(shí)現(xiàn)了輸入AC 110 V/50 Hz交流電壓經(jīng)直流電壓DC 200 V再到AC 110 V/20 kHz交流電壓的變換;后一級AC/DC/AC變換器可以稱為中壓側(cè)變換器，它實(shí)現(xiàn)了輸入AC 2400 V/20 kHz交流電壓經(jīng)直流電壓DC 2700 V，再到AC 1200 V/50 Hz交流電壓的變換［10］;中間環(huán)節(jié)由高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和升壓變換，實(shí)現(xiàn)了AC 110 V/20 kHz至AC 2400 V/20 kHz的高頻升壓變換。變壓器輸入電壓頻率的提高(從50 Hz提高至20 kHz，提高了400倍)，可以大大縮小變壓器的體積和質(zhì)量，這也是該供電方式可以大大縮小裝置體積，減輕其質(zhì)量的主要原因。

圖7 單相高頻逆變、隔離、整流加工頻三橋臂逆變器的供電方式

這種供電方案可看成是在第5種供電方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而得到的，將前級的工頻變壓器升壓和電氣隔離，加晶閘管整流橋調(diào)壓來實(shí)現(xiàn)的變換，由高頻逆變器調(diào)壓和高頻變壓器升壓和電氣隔離來實(shí)現(xiàn)變換。也可以看成是在第4種供電方式的基礎(chǔ)上，由最后一級的三相(三橋臂)逆變器代替了兩組單相(雙橋臂)逆變器而實(shí)現(xiàn)的。用一組三橋臂逆變器可以產(chǎn)生兩相互差90°的正弦脈寬調(diào)制波，這樣由三橋臂逆變器代替了四橋臂(兩組單相逆變器，共4個橋臂)，可以節(jié)省兩只IGBT功率器件，比較經(jīng)濟(jì)，但在生成控制脈沖的算法上相對要復(fù)雜一些。

通過對上述6種供電方式的比較，再結(jié)合目前的技術(shù)水平和實(shí)際應(yīng)用情況，筆者認(rèn)為:第6種供電方式是目前油田測井電機(jī)供電方式中的首選供電方式。

3 結(jié)論

通過對油田測井裝置和液壓泵電機(jī)6種供電方式的比較分析，方式中的 AC/DC/AC—AC/DC/AC多環(huán)節(jié)功率變換器最有應(yīng)用前景。該供電方式克服了傳統(tǒng)的調(diào)壓器加變壓器的油田測井電源方式的諸多缺點(diǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、電壓調(diào)節(jié)方便、起動電流小、動態(tài)響應(yīng)快和智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。該種功率變換電源，能夠?qū)崿F(xiàn)從單相低壓AC 110 V至雙相AC 600～AC 1200 V高壓的變換。

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