油井套管脈沖電流陰極保護電源主電路設計

許　慶，周好斌，袁　森，張　濤

（西安石油大學材料科學與工程學院，陜西西安710065）

油井套管脈沖電流陰極保護電源主電路設計

許慶，周好斌，袁森，張濤

（西安石油大學材料科學與工程學院，陜西西安710065）

設計了一種基于二次逆變的油井套管脈沖電流陰極保護專用電源的主電路，一、二次逆變均采用PWM方式進行控制。二次逆變主電路結構形式的引入使得脈沖電流輸出參數（如頻率、幅值、占空比）可以在較大范圍內獨立調節，具有體積小、質量輕、電源動特性及可控性佳的特點，使其在套管陰極保護方面更有前途。

油井套管；二次逆變；脈沖電流；陰極保護；主電路

0　前言

脈沖電流陰極保護相比于傳統的直流陰極保護具有更均勻的電流密度、更深的穿透性和較小的電流需求等優點，應用脈沖電流陰極保護能夠有效延長油井套管的保護深度，使一些深井或者超深井得到有效的全線保護[1-2]。脈沖電流陰極保護中所用的脈沖電流參數可調量多，參數的變化對保護效果的影響明顯，且與應用環境關系密切，因此要求脈沖電源根據實際情況輸出不同種類的脈沖電流，從而達到良好的保護效果。為此，本研究采用二次逆變的思路，即在二次逆變的基礎上構建油井套管脈沖電流陰極保護功率主電路，生成頻率、幅值和占空比均可控的脈沖電流。

1　主電路的結構和設計思路

油井套管脈沖電流陰極保護專用電源主電路結構框圖如圖1所示，主電路分為一次逆變、中頻變壓和二次逆變三個部分。一次逆變部分：輸入380 V三相交流電首先經過大功率整流橋堆整流變成約520 V高壓直流電，再由電源的一次全橋逆變單元變成可控的交流電，并經過中頻變壓器實現電器隔離及降壓輸出，再經整流濾波后得到電壓固定為110 V的直流電源；二次逆變部分由單只IGBT管組成斬波電路，該電路通過PWM控制單元使直流電變為脈沖，并實現各項輸出參數的調節。二次逆變結構設計將使電源獲得良好的動特性，同時有助于減少體積，減輕質量，提高電源的工作效率，同時由于實現了電氣隔離使電源的安全性得到提升。

圖1　主電路原理

2　主電路設計

2.1全橋逆變電路設計

本逆變電源設計的最大輸出電壓為110 V，最大輸出電流30 A，載波頻率20 kHz，功率較大，因此選用IGBT全橋逆變結構電路。全橋逆變電路決定了電源的開關強度、損耗大小、電磁干擾強度、控制方法及可控性能，同時也制約了開關器件的種類[3]。常見的全橋逆變電路拓撲結構有：全橋硬開關PWM電路、全橋串聯諧振電路、移相式全橋PWM控制電路。本設計選用移相式全橋PWM控制電路。其優點是：

（1）利用電路中的寄生元件即變壓器漏感和開關器件結電容之間的諧振來實現開關器件的零電壓開通，一般不需要附加電感電容元件。電路元件數量少，結構簡單。

（2）開關器件電流應力、電壓應力與硬開關PWM變換器一樣。

（3）所有開關器件都是零電壓開通。

移相式全橋PWM控制電路的主要缺點是：零電壓開通條件受負載電流影響，輕載時難以滿足。

2.2中頻變壓器設計

中頻變壓器的作用是變換電壓、傳遞功率和實現輸入/輸出之間的隔離。對于逆變電源，中頻變壓器的工作頻率高達20 kHz，因此這種變壓器磁心材料的高頻損耗要盡可能的小，并避免磁心飽和[4]。中頻變壓器的設計方法與電力變壓器基本相仿，但由于這類變壓器在電路中與半導體開關器件相連接，工作頻率較高，變換的信號是交流方波，故其性能優劣不僅影響功率變換器的性能指標，還會影響電路工作的可靠性，甚至導致開關器件的損壞。所以在設計時需要對一些問題，諸如瞬態飽和、鐵心損耗、漏感及高頻集膚效應等加以特殊考慮[3]。目前市場上滿足上述要求的鐵心材料主要有兩種：一種是軟磁鐵氧體，一種是非晶態合金材料。考慮上述要求，本設計選用鐵氧體材料作為變壓器的磁心。由于中頻變壓器工作在低電壓、大電流的條件下，二次繞組電流較大，導線較粗，因此選擇E型鐵心便于繞制。

2.3斬波電路設計

斬波電路的主要作用是將110 V直流電調制成占空比、幅值、基值、頻率均可調節的調制脈沖波。二次斬波逆變單元由單只IGBT開關管構成，通過斬波形成寬窄相間的PWM波，如圖2所示，其中粗實線表示寬脈沖與窄脈沖的平均電流，因此通過改變寬、窄脈沖的頻率與各自的占空比便可獲得頻率、占空比、幅值、基值均可調節的脈沖電流，再通過對輸出電壓、電流、管道電位的采樣和一定的自動控制算法，便可維持套管的保護電位在設定范圍內。

圖2　脈沖調制原理

可使用硬件或者軟件的方法生成脈沖調制波。硬件實現方式是采用集成化的PWM模塊生成PWM波，該方式具有生成容易、只需要一塊PWM集成模塊即可實現；缺點是電路復雜，需要外擴其他元器件，而且是通過間接的方式實現PWM輸出，對電路的設計要求較高，否則工作不穩定，會出現波形畸變。軟件實現方式是在有PWM功能DSP程序中通過軟件變成的方式，不斷刷新脈沖的頻率占空比，就可生成調制脈沖波。該方式的優點是可實現精確的脈沖調制波輸出；缺點是對DSP性能要求較高，編程較復雜。

本設計采用具有PWM輸出功能的微處理器通過軟件編程實現PWM調制波輸出。

2.4主電路散熱設計

本電源屬于低電壓大電流設備，電子電力器件通電以后會消耗大量的功率，這部分耗散功率轉變成熱量使電力電子器件的溫度升高，當溫度升高到一定程度時會導致器件的性能惡化，甚至損壞。散熱的目的是利用熱傳遞技術使電力電子器件的溫度控制在正常工作的范圍內。熱傳遞主要有三個途徑，分別為對流、傳導和輻射。在此采用散熱器傳導散熱和風扇散熱兩種途徑來降低器件的溫度，保證電源的穩定工作。

對于半導體器件，主要通過散熱器的傳導散熱來實現[5]。散熱器的材料為鋁，分別安裝于三相整流橋模塊、IGBT模塊、整流二極管模塊。

3　主電路參數計算

3.1三相整流橋

三相整流橋的輸入電壓為

式中U2為電網側相電壓；U21為電網側線電壓。

三相整流橋的輸出電流平均值為

式中Pomax為最大輸出功率，Pomax=1.2U0I0=1.2×110× 30 W=3 960 W；η為電源效率，最大輸出時取η=0.9，代入得到Id=8.54 A。

考慮電網電壓波動（最大波動取±10％），則整流橋滿載輸出的最大電流和電壓為

選用2RI100G-160整流橋，其平均電流為100 A，額定電壓為1 600 V，滿足要求。

3.2全橋逆變IGBT

IGBT是逆變電源中的核心元件，主要通過它的周期性開和關作用，把直流電壓變成交流方波電壓。IGBT的選擇直接關系到整個電源的安全性和可靠性。因此在設計時應留有較大裕量。

當電網電壓最低時（最大波動10％），IGBT上流過的最大電流為

當電網電壓最高時（最大波動10％），IGBT上承受的最大反電壓為

式中U2為網側相電壓。

在考慮到兩倍裕量之后，IGBT的額定電壓在1 200 V以上，額定電流在23 A以上。對比價格、性能等多方面因素，選用FF100R12KS4英飛凌IGBT模塊，額定電壓1 200 V，額定電流100 A。

3.3中頻變壓器

變壓器一次側最低輸入電壓

變壓器二次電壓幅值為

一、二次側匝數比為

按照一、二次匝數比為3.5∶1進行設計。

3.4斬波開關管

斬波器的開關頻率至少為20 kHz，經查器件手冊，FF100R12KS4英飛凌IGBT模塊能夠滿足此次設計要求，故斬波器與全橋變換器的開關器件一致，均采用FF100R12KS4英飛凌IGBT模塊。

4　結論

（1）一次逆變部分實現了電氣隔離和電壓變換；中頻變壓引入極大程度地減少了電源的體積和質量；二次逆變使得直流變為脈沖，通過相應的控制電路，可實現脈沖的調節。

（2）二次逆變結構形式的引入使得脈沖電流的輸出參數（頻率、幅值、占空比）可以在較大的范圍內獨立調節，在套管的陰極保護方面更有前途。

（3）主電路在工作時主要起傳遞能量的作用，因此設計時考慮到足夠的安全裕量，能夠保證電源的安全性和可靠性。

[1]邱于兵，王昊，郭稚孤.油井套管方波脈沖電流陰極保護模擬研究[J].油氣田地面工程，2000，19（6）：35.

[2]袁森，周好斌，徐興龍.油井套管脈沖電流陰極保護監控系統設計[J].表面技術，2015，44（3）：133.

[3]鐘桂香.新型高壓集成一體化逆變電源及其計算機控制應用研究[D].陜西：西安石油大學，2005.

[4]錢勇，李承文，龔健，任翠英，潘娜娜.多功能逆變焊機功率變壓器設計[J].焊接技術，2013，42（5）：59.

[5]姚磊.脈沖電流燒結電源的研究[D].湖北：華中科技大學，2013.

Design of the cathodic protection power supply main circuit for oil well casing pulse current based on the two inversion

XU Qing，ZHOU Haobin，YUAN Sen，ZHANG Tao
（Material Science and Engineering School of Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

In this paper，Oil well casing pulse current cathodic protection of main circuit which based on two inversion was designed. The first and second inversion is controlled by PWM method.The introduction of the structure of the two inverter main circuit makes the pulse current output parameter can be adjusted independently in a wide range.The characteristics of small size，light weight，power supply and controllable，which make it more promising in casing cathodic protection.

oil well casing；two inversion；pulse current；cathodic protection；main circuit

TG434.2

A

1001－2303（2016）02－0062-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.13

2015－08－03；

2015－09－20

陜西省科技統籌創新工程計劃項目（2013KTCL-04）；西安石油大學《材料科學與工程》省級優勢學科資助

許慶（1990—），男，陜西咸陽人，在讀碩士，主要從事油井套管腐蝕機理及專用防腐蝕電源設備的研究。