一種用于旋轉導向鉆井工具的軟開關全橋逆變技術*

解 慶 白玉新 羅 翔 張朝陽 程召江

(北京精密機電控制設備研究所 北京 100076)

0 引 言

旋轉導向鉆井工具應用非接觸式電能傳輸系統實現中心鉆桿到不旋轉外套的電能傳輸，是目前國內外靜態(tài)推靠式旋轉導向主流的技術路線，國內石油設備相關機構研發(fā)并成功應用的實例并不多。

為提高非接觸式電能傳輸效率，井下高溫逆變技術一直是不斷研究的課題，既要滿足旋轉導向大功率用電需求，還要在高溫狹窄密封空間內可靠工作數百小時，對逆變器的效率、結構和工藝提出了超高的要求。

本文所闡述的高溫軟開關全橋逆變技術已成功應用在自主研發(fā)的旋轉導向鉆井工具上，取得了多次井下實驗的成功。

1 原理與設計

軟開關全橋逆變器與旋轉變壓器、穩(wěn)壓變換器共同組成旋轉導向中的非接觸式電能傳輸系統，電能傳輸方向是從中心鉆桿(全橋逆變器和旋轉變壓器原邊)到不旋轉外套(旋轉變壓器副邊和電源變換器)。

1.1 總體方案

全橋逆變器將發(fā)電機輸出的低頻三相交流電轉換為高頻單相交流電，通過電磁感應從旋轉變壓器原邊到副邊傳遞，再由穩(wěn)壓變換器輸出供電。

如圖1 所示，全橋逆變器由三相整流橋、電容陣列、DCDC、ZVS-PWM 控制器、全橋自舉驅動電路、全橋ZVS-PWM 諧振變換器、串聯諧振電路和保護電路組成。三相整流橋和電容陣列將輸入的低頻三相交流電變換為直流電后，一路輸出給全橋ZVS -PWM 諧振變換器，另一路經過DCDC 變換為+15 V 和+5 V 供ZVS -PWM控制器使用;ZVS -PWM 控制器輸出2 組4 路PWM 信號(每組的2 路相位差180°并包含死區(qū)時間)，經過全橋自舉驅動電路控制全橋ZVS -PWM 諧振變換器的開關管依次導通，最后輸出單相高頻交流電信號;系統內部設置過流保護、過壓保護功能，超出最高值即關閉ZVSPWM 控制器的輸出。軟開關全橋逆變參數指標見表1。

圖1 全橋軟開關ZVS 逆變功能圖

表1 軟開關全橋逆變參數指標

1.2 電路參數設計

1.2.1 ZVS 軟開關

ZVS 軟開關的實現是在諧振原理基礎上利用串聯諧振電路的串聯電容、串聯電感和開關管并聯電容作為諧振元件，使ZVS-PWM 諧振變換器的開關管中的電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化，實現恒頻軟開關［1］，大幅度減少開關損耗，并且可以調高開關頻率，實現電路的高密度、高效率和小體積。軟開關ZVS 逆變電路拓撲結構如圖2 所示。

圖2 所示的S1、S2、S3、S4為四個開關管構成全橋形式，D1、D2、D3、D4和C1、C2、C3、C4為相應開關管的并聯二極管和并聯電容，串聯諧振電容Cr和串聯諧振電感Lr作為諧振元件，使四個開關管依次在零電壓下導通。為了防止橋臂直通短路，S1和S3、S2和S4之間由PWM 控制電路加入死區(qū)時間△t［2］。它根據開通延時和關斷不延時原則來設置同一橋臂死區(qū)時間。

2 軟開關ZVS 逆變電路拓撲結構圖

1.2.2 ZVS-PWM 控制和自舉驅動電路的設計

ZVS-PWM 控制器以Unitrode 公司的UC1875 控制芯片為核心，并搭配相關的外圍電路組成ZVS-PWM 控制單元，如圖3 所示。

圖3 基于UC1875 的PWM 控制電路

OUTA、OUTB、OUTC、OUTD 為輸出的4 路PWM 控制信號，FREQ 設定PWM 輸出頻率，DELAY A/B 和DELAY C/D 分別設置2 組PWM 控制信號的死區(qū)時間。本設計方案不考慮輸出穩(wěn)壓，所以并未使用UC1875 的PWM 移相功能，故懸空誤差放大器的同相/反相輸入端E/A+、E/A-，并且對誤差放大器的輸出端E/A OUT 直接引入高電平，使得輸出的2 組PWM 信號的相位偏移到最大180°，確保了輸出占空比達到最高。過流保護信號通過外部采集電路進入C/S 端，當電流達到10 A 時便關斷UC1875 的PWM 輸出以停止系統的工作。

1.2.3 關鍵參數的設計

1)死區(qū)時間

死區(qū)時間會影響開關管的電壓應力限制和ZVS 的實現，為保證每個開關管上電壓應力為輸出電壓的一半，S1要比S3早關斷△t，S2要比S4早關斷△t，保證每個開關管S 的電壓達到Vin/2 時，對應的并聯二極管D已導通，通過公式可計算出合理的死區(qū)時間［3］:

式中，n 為旋轉變壓器的變比，Vo為旋轉變壓器副邊電壓，Lm為旋轉變壓器原邊電感，fs為開關頻率，Coss為開關管的輸出結電容。

2)串聯諧振參數

諧振參數的設計對于全橋逆變器甚至整個非接觸式電能傳輸系統起到了至關重要的作用，它是確保實現ZVS 零電壓開關，提升電能系統效率的關鍵參數。

串聯諧振電容Cr計算公式為［3］:

式中，Vcmax為串聯諧振電容的最大電壓應力，Tmax為最大開關周期，Ip為旋轉變壓器原邊電流。

串聯諧振電感Lr計算公式為［3］:

若串聯諧振電感Lr較大會有效抑制旋轉變壓器原邊電流寄生震蕩，降低損耗，但過大會造成占空比丟失;取小會提高效率，但過小會增大開關損耗。故Lr的確定還得根據實際應用情況來確定最佳參數［4］。

1.3 結構工藝設計

全橋逆變器電路被安裝在空間狹窄的探管內，為了使電路能夠得到充分的散熱，PCB 采用鋁基板工藝，所有元器件均采用標貼封裝形式焊接在1.6 mm 厚的鋁基面上，底面均勻涂抹導熱膠緊貼在探管金屬表面上，此工藝能夠將電路自身發(fā)熱有效地傳遞到金屬上，確保了逆變器的長時間可靠安全工作。

2 實 驗

本次實驗將全橋軟開關逆變器的開關頻率設定為70 kHz，死區(qū)時間1.2 μs，串聯諧振電容Cr為22 nF，串聯諧振電感Lr為5μH，全橋開關管選擇Vds≥400 V、Id≥30 A的MOSFET，旋轉變壓器變比n =1∶1。并聯二極管D 的耐壓V≥400 V，并聯電容C≤50 nF。

實現以非接觸式電能傳輸系統為整體進行，系統的輸出功率負載設定在200 W，直流輸入電壓范圍為75 V～135 V(繞過三相整流橋)。從表2 的測試結果中可得出，在輸入電壓85 V 時總體電能系統效率最高達到84.9%。

表2 測試結果

圖3 顯示了全橋軟開關逆變器開關管S4的驅動電壓Vgs和漏源電壓Vce的波形。從圖中可以清楚地看到，S4是零電壓開關的。圖4 顯示了開關管S1與S3的驅動電壓波形，可看出死區(qū)時間為1.2 μs。

圖3 S4 的驅動電壓Vgs和漏源電壓Vce的波形

圖4 開關管S1、S3 驅動電壓波形

3 結 論

分析了一種應用在旋轉導向鉆井工具中實現非接觸式電能傳輸的井下高溫軟開關零電壓式全橋逆變電路，給出了工作原理與參數設計，經實驗滿足性能要求。目前該設計已成功應用在8.5 寸旋轉導向鉆井工具中并進行了多次井下實驗，取得了優(yōu)異的成績。

另外，包含軟開關全橋逆變技術的非接觸式電能傳輸系統也可廣泛應用在垂直鉆井、連續(xù)管鉆井等多種石油鉆井工具或井下隨鉆測量設備中，不僅在石油鉆井領域有著廣泛的應用，同時在交通運輸、航空航天和水下也能創(chuàng)造巨大的經濟和社會效益。

［1］張化光，王 強，褚恩輝，等.新型諧振直流環(huán)節(jié)軟開關逆變器［J］.中國電機工程學報，2010，46(3):12 -16.

［2］黎 平，周雒維. 一種新型無源無損軟開關全橋逆變器［J］.電子技術應用，2007，32(06):26 -38.

［3］周林泉，阮新波.一種新穎的ZCZVS PWM Boost 全橋變換器［J］.中國電機工程學報，2003，37(11):12 -16.

［4］楊迎化，謝順依，鐘 祺，等.一種新型直流環(huán)節(jié)并聯諧振軟開關逆變器［J］.中國電機工程學報，2008，42(12):20-23.