井壁取心供電電源驅(qū)動系統(tǒng)的研究①

李孝平 鄧永紅 李學(xué)哲 卜祥麗

(1.華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

0 引言

海洋油田井壁取心裝置［1－2］是海洋油田測井的重要裝置之一，其實現(xiàn)對海洋地質(zhì)深部巖層的取樣分析。該電機(jī)的供電電源來自地面或海洋平臺，為了節(jié)省輸電及信號傳輸?shù)碾娎|線芯，在行業(yè)內(nèi)普遍選用了雙相感應(yīng)交流電機(jī)。供電電源置于地面或海洋平臺上，需要經(jīng)過約10000 m(井深)長的輸電電纜來驅(qū)動這臺雙相電機(jī)。電機(jī)額定功率1.5kW，相電壓額定值A(chǔ)C600V，兩個繞組的輸入供電電壓相位互差90°。由于井深10000 m以上，所以供電電壓的線路損耗不容忽略，直流阻抗(電阻)值每根導(dǎo)線約為240 Ω。與供電電壓處于同一電纜線(但不同纜芯)還有各種測控信號采用的是載波技術(shù)，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，也就是說電機(jī)的供電電壓波形應(yīng)該為正弦波，諧波含量低，對各種電信號具有很好的電磁兼容性。對這個三相交流電機(jī)進(jìn)行可靠控制，就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的這種儀器，圖1所示采用的供電電源是“調(diào)壓器加變壓器”的線性電源，由三個10 U機(jī)箱組成，體積大，每個機(jī)箱重達(dá)150 kg以上，在海平上工作或者在沙漠中工作時，不適合搬動，不利于維修。而對于雙相感應(yīng)交流電機(jī)的控制，調(diào)壓器加變壓器的線性電源供電方式，其電路原理如圖1所示。為了得到輸出兩路相位互差90°的電壓，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AC380V，變壓器需要兩臺單相變壓器，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［3］。而要在海樣鉆井平臺上獲得AC380 V的交流電源，必需要單獨備上一個發(fā)電機(jī)。

圖1 調(diào)壓器加變壓器的線性電源供電方式

石油勘測的實際應(yīng)用背景，迫切需要開發(fā)一種高頻開關(guān)供電電源實現(xiàn)對雙相感應(yīng)電機(jī)的交流變頻調(diào)速控制，提高電機(jī)運(yùn)行效率，降低損耗，延長壽命，尤其能從地面可以任意設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。概括來說，對井下電機(jī)的供電電源應(yīng)該具有如下特點:(1)電源的供電容量應(yīng)不低于7.5 kW。(2)電源輸出的供電電壓應(yīng)該能夠在AC600 V～AC1200 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90°。(4)電源輸出的供電電壓波形應(yīng)該具有很好的電磁兼容性能，特別不應(yīng)該對其它電信號形成強(qiáng)干擾，影響信號傳輸?shù)目煽啃浴?5)供電電源要滿足海油測井電機(jī)的供電要求，運(yùn)行可靠，設(shè)備體積小，重量輕，便于移動和運(yùn)輸。(6)考慮到要調(diào)節(jié)取樣的速度，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，從地面可以任意設(shè)定所需的速度。

圖2 供電電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成與原理框圖

針對調(diào)壓器加變壓器線性電源供電方案存在的不足，設(shè)計一種基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻開關(guān)型電源方案(如圖2所示)，它能完全克服上述傳統(tǒng)供電方案不足。該方案由兩組AC/DC/ AC變換器組成，單相交流AC110/60 Hz電源，經(jīng)過 AC/DC/AC～AC/DC/AC變換輸出三相AC600 V～AC1200 V連續(xù)可調(diào)的準(zhǔn)正弦波三相交流電壓。供電電源變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由輸入濾波，二級管整流模塊，H橋IGBT逆變模塊，高頻變壓器升壓，快速二級管整流濾波模塊，三相逆變橋，電流傳感器，正弦波濾波器模塊，單片機(jī)控制電路，SG3525控制電路，驅(qū)動電路及檢測電路構(gòu)成等組成。

1.1 井壁取心供電電源工作分析

圖2中，供電電源輸出的是SPWM波，經(jīng)正弦波濾波器濾成正弦供給兩相感應(yīng)交流電機(jī)，這種控制策略［3］要能輸出AC600 V～AC1200 V連續(xù)可調(diào)的電壓，則后級高壓部分中間直流高壓為DC1200 V～DC2700 V連續(xù)可調(diào)，主要靠調(diào)節(jié)低壓部分H橋IGBT逆變模塊的輸出來實現(xiàn)的，其本質(zhì)是調(diào)整控制H橋逆變模塊的占空比。通過調(diào)節(jié)SG3525的占空比可以實現(xiàn)調(diào)壓，適應(yīng)不同深度測井供電的要求。而在工作中，當(dāng)供電電纜長度確定時，供電電源工作在恒流或恒壓工況。

1.2 供電電源主回路設(shè)計［4－6］

圖3所示，為供電電源主回路原理圖，當(dāng)輸入AC110 V/60 Hz時，通過整流橋?qū)崿F(xiàn)AC/DC整流變換給支撐電容充電，建立直流電壓DC160 V，直流電壓經(jīng)過單相逆變器，將直流電壓逆變成單相高頻交流方波電壓，AC160 V/20 kHz，實現(xiàn)了第一級的AC/DC/AC1變換。高頻變壓器完成了升壓隔離變換，將AC160 V/20 kHz的交流方波變?yōu)锳C2400 V/20 kHz的方波，通過控制逆變器IGBT導(dǎo)通的脈沖寬度，可以控制逆變器的輸出電壓，使其在0～AC24000 V范圍內(nèi)變化。高頻交流方波電壓，再經(jīng)過第二級快速二極管(反向恢復(fù)時間小于40 ns)組成的快速整流單元進(jìn)行整流變換，然經(jīng)高頻電感和電解電容L－C組成的高頻濾波單元，得到0～DC27000 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。后級逆變器的功率器件IGBT，選用德國Infineon公司生產(chǎn)的型號為:FF200R33KF2C，其最大集電極電流IC=200A，最大集射極間耐壓UCES= 3300 V。

圖3 供電電源主回路原理圖

2 驅(qū)動電路設(shè)計

針對本系統(tǒng)使用的是IGBT模塊，尤其是后級IGBT為高壓的IGBT模塊，必需要采用驅(qū)動電路系統(tǒng)，同時由于海洋油田勘測的高溫環(huán)境，驅(qū)動系統(tǒng)要在振動大、沖擊大、溫濕度變化大的惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行，使驅(qū)動系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。所以選擇concept公司生產(chǎn)的集成智能驅(qū)動芯片IGD515，因為其只需要一路供電電源，就可實現(xiàn)單路驅(qū)動信號輸出，驅(qū)動功率達(dá)到5 W，驅(qū)動能力強(qiáng)大，驅(qū)動方案更加安全可靠。由于它擁有內(nèi)置的單端反激式直流斬波電路使得它的輸入輸出是被隔離的，即使多個芯片都由同一個+15 V電源供電他們的驅(qū)動輸出信號也是相互隔離，這就節(jié)省了自行設(shè)計隔離電源的成本。而且它屬于智能驅(qū)動模塊，可自行檢測驅(qū)動對象是否過載短路并對自身工作狀況進(jìn)行在線監(jiān)測。如果IGBT有過載現(xiàn)象，無論有沒有輸入信號都會對IGBT模塊封鎖驅(qū)動脈沖使其強(qiáng)行被關(guān)斷，經(jīng)過阻斷時間后重新為其發(fā)送脈沖(普通工作模式)。還可根據(jù)IGBT的不同連接方式靈活定義自己的工作模式，如果驅(qū)動模塊工作在串并聯(lián)工作模式上，若有故障輸出，驅(qū)動模塊不封鎖脈沖，而是由控制電路對其停止發(fā)送脈沖，這樣可保證串并聯(lián)工作電路的安全，不至于使故障的影響被擴(kuò)大而且控制電路的平衡性。圖3為本系統(tǒng)的驅(qū)動電路原理圖，主要由智能驅(qū)動芯片 IGD515及外圍光纖電路組成。

圖4 基于IGD 515的IGBT驅(qū)動電路

圖5 控制系統(tǒng)框圖

3 單片機(jī)控制框圖

DSP TMS320F28035控制電路是本供電電源控制系統(tǒng)的核心部分，其框圖如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)由5個部分組成:(1)由DSP TMS320F28035、外部端子數(shù)字量輸入信號等組成的單片機(jī)數(shù)字系統(tǒng)，它能完成各種數(shù)字計算、外部端子控制、雙相交流感應(yīng)電機(jī)的起?？刂七\(yùn)行、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、點動運(yùn)行、多段速給定等功能;(2)模擬量接口電路，主要由電壓電流檢測與調(diào)理、溫度檢測與調(diào)理等組成，電壓、電流檢測電路主要是將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字采樣;(3)IGBT驅(qū)動電路，將單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的SPWM信號轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動IGBT的脈沖信號，同時當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過流故障時，向單片機(jī)系統(tǒng)反饋故障信號;(4)上位PC機(jī)顯示及操作電路，可以通過鍵盤設(shè)定各種給定指令和參數(shù)，如實現(xiàn)電源的起動與停止，給定雙相感應(yīng)交流電機(jī)速度值等;可以顯示供電電源運(yùn)行的各種狀態(tài)，并記錄供電電源歷史運(yùn)行故障。(5)集成電路SG3525控制電路。

4 控制軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、定時器T1中斷服務(wù)程序、異步通信中斷程序、波形發(fā)生器中斷程序等組成。軟件流程圖如圖6所示。

主程序主要完成初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設(shè)置，以及各種中斷設(shè)置，開中斷等功能。

異步串行通信中斷服務(wù)程序，主要完成與操作鍵盤的通信，將供電電源控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)給鍵盤顯示;同時接收鍵盤的設(shè)置命令。波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的計算以及SPWM波的生成輸出。

圖6 控制軟件流程圖

定時器T1中斷服務(wù)程序，主要完成以下工作:(1)外部各端子信號的采樣，采樣供電電源的起停、方向、CPU的復(fù)位信號，輸出故障信號。(2)直流電壓電流、溫度、輸出電壓電流采樣計算。(3)完成電機(jī)缺相檢測，轉(zhuǎn)速跟蹤計算，V/F曲線計算，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計算，自動穩(wěn)壓計算，死區(qū)補(bǔ)償計算，波形發(fā)生器周期寄存器值的計算，相位累加值計算，過載過流計算等。

圖7 a IGBTSPWM驅(qū)動信號

圖7 b 雙相感應(yīng)電機(jī)供電電壓波形

5 實驗結(jié)果

在輸入電壓為AC110V/60Hz，雙相感應(yīng)交流電機(jī)額定電壓AC600V，額定功率1.5kW，供電電源與電機(jī)的連接通過10000 m測井電纜，完全模擬海洋油田井壁取芯的運(yùn)行條件下，得到實驗結(jié)果，其運(yùn)行波形如圖7a、圖7b所示，圖7a為高壓部分逆變器SPWM驅(qū)動信號波形;圖7b為雙相感應(yīng)電機(jī)供電電壓波形UAN和UBN，輸出有效值約AC1200 V，相位互差90°。

6 結(jié)論

針對海洋油田井壁取芯供電電源，研究設(shè)計的多環(huán)節(jié)功率變換地面供電電源控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的“交流調(diào)壓器加變壓器”供電方案的諸多缺點，具有小型輕量化、高度智能化、調(diào)壓與調(diào)頻方便、電壓頻率協(xié)調(diào)控制、軟起動、變頻節(jié)能運(yùn)行等諸多優(yōu)點。實驗結(jié)果表明:研制設(shè)計的供電電源驅(qū)動系統(tǒng)功能先進(jìn)、性能指標(biāo)優(yōu)越、操作方便，在海洋油田測井行業(yè)中具有推廣應(yīng)用的價值。

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