油田井壁取心供電電源研究

摘要：傳統(tǒng)的調(diào)壓器加變壓器油田測井電源方案具有體積大、電壓調(diào)節(jié)不靈敏等缺點，研制了一種深井用雙相交流電機地面供電系統(tǒng)，分析了供電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件參數(shù)計算和軟件控制方法。實驗結(jié)果證明，設(shè)計的供電電源具有體積小、質(zhì)量輕等特點，實現(xiàn)了電機的變頻軟起動和降頻快速制動停機，提高了電機的運行效率和穩(wěn)定性，并且能夠滿足電機在不同工作條件下的需求，從而提高油田測井裝置的工作效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：油田測井電源；SiC 雙相三橋臂逆變器；雙相電機控制；井壁取心

中圖分類號：TN386；TN86 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代油田勘探與生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，油田工程領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)獲取、分析和監(jiān)測的需求日益增加。井壁取心技術(shù)作為油田測井中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在油田勘探與開發(fā)中較為重要。井壁取心技術(shù)通過在井下對地層進行取心采樣，為地質(zhì)學(xué)家提供沉積巖石的樣本，可用于分析巖石的物理性質(zhì)、地層構(gòu)造和儲層特征，為油氣勘探開發(fā)提供重要的地質(zhì)信息。在油田測井裝置中，液壓機械節(jié)扮演著舉足輕重的角色。它負責(zé)從海洋底部的地面層采集液體樣本，以供后續(xù)分析。雙相交流電機作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負責(zé)驅(qū)動液壓機械節(jié)中液壓泵運轉(zhuǎn)，而電機的穩(wěn)定運行對于井壁取心裝置的正常工作至關(guān)重要。傳統(tǒng)的井壁取心供電電源通常用于深海、高溫高壓等極端條件下，然而隨著測井深度逐漸增加，在高溫高壓的條件下，井下電源供應(yīng)方式可能無法滿足取心設(shè)備的需求，導(dǎo)致取心操作不穩(wěn)定、不可靠。因此，地面供電方式變得尤為重要，由于井深可以達到7 000 m 以上，所以線路損耗不容忽略。同一電纜（不同纜芯）還需傳輸多種檢測與控制信號，這就要求高電壓供電電磁干擾必須得到有效控制[1]。

目前，行業(yè)內(nèi)廣泛采用傳統(tǒng)的調(diào)壓器與變壓器組合的線性電源供電方式（圖1）。這種供電方式具有技術(shù)成熟、成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[2]。然而，這種供電方式在實際應(yīng)用中存在諸多不足，在應(yīng)對日益復(fù)雜的電路需求以及實現(xiàn)精準(zhǔn)的動態(tài)調(diào)節(jié)時，其不足之處逐漸顯現(xiàn)，如體積、質(zhì)量較大（3 個機箱的質(zhì)量超過150 kg）、電壓調(diào)節(jié)需要人工操作、智能化程度低等，這些不足在一定程度上制約了油田測井技術(shù)的發(fā)展。因此，探索更為先進、高效的供電方式對于提升油田測井技術(shù)的整體水平和競爭力具有重要意義。鑒于電力電子技術(shù)的連續(xù)提升及石油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，同時考慮到石油勘探作業(yè)的具體需求，研究設(shè)計一種高頻開關(guān)電源顯得極為重要[3]。針對井下電機供電的特殊要求，所研發(fā)的電源系統(tǒng)需滿足以下特性：①供電能力需≥ 10 kW；②輸出電壓范圍靈活，能在600 ～1 500 V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；③電源能夠同時輸出兩路正弦波交流電，且兩路電壓相位差為90°；④電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，以保證優(yōu)良的電磁兼容性；⑤電源具備高可靠性，且體積緊湊，質(zhì)量輕便，便于搬運和運輸[4]；⑥過流過壓能實現(xiàn)自動降頻，智能化程度高。

1 新型供電方式

1.1 主電路設(shè)計

本文根據(jù)系統(tǒng)要求，基于電力電子器件碳化硅（SiC）的供電方案設(shè)計了供電電源主回路圖，如圖2 所示。

在電力電子技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的機電一體化產(chǎn)品正加速實現(xiàn)數(shù)字化與智能化的升級轉(zhuǎn)型。針對目前調(diào)壓器與變壓器組合所顯露的諸多問題，本文提出了一種基于電力電子技術(shù)的高頻開關(guān)型電源方案，該方案能有效克服傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的不足[5]。該電源的供電為三相380 V 交流電（來自交流發(fā)電機或者市電），該交流電首先經(jīng)過三相可控整流器轉(zhuǎn)換為600 V 直流電，再通過三橋臂逆變器，將600 V 直流電逆變?yōu)殡p相交流電，其波形采用正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）技術(shù)，確保兩個相位之間的基波相位差為90°。逆變器的輸出經(jīng)過正弦波濾波器進行濾波后，可以得到260 V 的雙相交流電正弦波，再經(jīng)過一臺兩相的升壓變壓器，輸出600 ～ 1 500 V 的電壓。該雙相正弦交流電的頻率能夠在0 ～ 55 Hz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，幅值滿足幅頻規(guī)律變化。變壓變頻的雙相交流電可以給深井雙相交流電動機供電，滿足電機的變頻調(diào)速運行，調(diào)頻范圍可設(shè)定為15 ～50 Hz，同時電動機的供電電壓也會進行相應(yīng)的調(diào)整。這既能實現(xiàn)雙相交流電機的變頻軟起動，又能確保電動機在變壓變頻條件下的運行，從而顯著提升電動機的動態(tài)性能，并有助于實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1.2 變壓器設(shè)計

變壓器不僅能夠調(diào)整電壓水平，以滿足不同電力設(shè)備和負載的需求，還能實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和優(yōu)化。變壓器通過有效地轉(zhuǎn)換電壓等級，從而優(yōu)化電力傳輸?shù)男剩嵘娔苜|(zhì)量，確保電力供應(yīng)的連續(xù)性與安全性。海洋油田測井的雙相感應(yīng)交流電機額定電壓為850 V，N 相電流為3 A，額定功率為2.55 kW。供電電源與電機通過7 000 m 測井電纜（阻值為264 Ω）進行連接[6]，線路損耗不容忽略，考慮容量等因素，本文選擇的變壓器容量為5 kV·A，變壓器原邊電壓為260 V、副邊電壓為1 560 V。

1.3 三相高頻濾波器設(shè)計

在現(xiàn)代逆變器等系統(tǒng)中，LC 型濾波器[ 由電感器（L）和電容器（C）組合而成的元件] 通常能夠?qū)崿F(xiàn)對高階諧波電流的有效抑制。相較于L 型和LCL 型濾波器，LC 型濾波器結(jié)構(gòu)更為簡單，而且具備成本低廉和優(yōu)良濾波性能等特點。在確定濾波器參數(shù)時，必須綜合考慮開關(guān)頻率、無功功率損耗、元件的物理尺寸和系統(tǒng)總體成本等多方面因素，以確保設(shè)計的合理性與經(jīng)濟性[7]。LC 型濾波電路等效模型如圖3 所示。

在遵循濾波電容設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，提升電容Cf 可有效減少逆變器生成的高頻紋波。然而，電容過高將導(dǎo)致逆變器無功功率輸出增加。為保障有功功率輸出穩(wěn)定，必須在逆變器輸入端實施功率補償，但這會使得電流級別提高，從而引起更大的損耗，降低系統(tǒng)整體運作效率。在工程實踐中，通常根據(jù)電容吸收的無功功率總量的5% 進行電容的計算與選取。

（1）濾波電容Cf 需要滿足以下條件。

濾波電容Cf 計算公式：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（1）計算得到Cf 為35 μF。

（2）濾波電感L 需要滿足以下條件。

流過電感電流的最大紋波電流Δipp（max）計算公式：

對式（2）進行整理可以得到L 的取值范圍：

為了確保逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定操作，在應(yīng)對負載電壓波動時，系統(tǒng)需保持對負載的連續(xù)供電，以防止電流逆流。通常在設(shè)計上需預(yù)留一定的安全裕量，紋波電流的最大值為電感電流峰值的20%。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（3）計算得到L 為7 mH。

1.4 功率器件SiC 選型

為了找到適合的功率器件，本文對常用的各類電力電子功率器件進行了詳細對比分析。針對小功率逆變應(yīng)用，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）因驅(qū)動電路簡便和快速開關(guān)的特性而成為常見選擇，然而，其承受的工作電流較低，易損壞，因此不適用于大功率場合。此外，電力晶體管（giant transistor，GTR）雖然具備較短的開關(guān)時間和較小的損耗，但是其承受浪涌電流的能力較弱，易發(fā)生擊穿。絕緣柵雙極晶體管（insulated gatebipolar transistor，IGBT）作為結(jié)合了雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor，BJT）和MOSFET雙重特點的復(fù)合型器件，不僅繼承了MOSFET 的高輸入阻抗，同時也擁有GTR 的低導(dǎo)通壓降優(yōu)勢[8]。但是，相較于MOSFET，IGBT 的開關(guān)速度較慢，開關(guān)過程中會有較高的開關(guān)損耗，這限制了其在高頻應(yīng)用中的性能。SiC 器件具有更低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗以及穩(wěn)定的高溫特性[9]，因此，本文選擇SiC 作為功率開關(guān)管。

在SiC 功率開關(guān)管的選型過程中，需要從以下兩個方面進行考慮。

（1）電壓等級的選擇。在本系統(tǒng)中，直流側(cè)輸入電壓為600 V，為了確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，且滿足一定的安全裕量，開關(guān)器件應(yīng)能承受相當(dāng)于直流輸入電壓1.5 倍的電壓。根據(jù)該設(shè)計要求，計算得出功率開關(guān)管所需的最大耐壓應(yīng)為900 V。因此，在選擇開關(guān)器件時，需確保其具備不低于900 V 的電壓承受能力[10]。

（2）電流等級的選擇。由于SiC 功率開關(guān)管處于高頻工作的狀態(tài)，為了防止電流過大，保證逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將系統(tǒng)的過載系數(shù)β 設(shè)為2，流過功率開關(guān)管的電流最大值IQ 計算公式：

2 控制系統(tǒng)方案

本文控制電路選用得州儀器（TI） 公司的TMS320F28335 單片機，其具有高速運行處理能力和豐富的外設(shè)接口，因此廣泛應(yīng)用于電機控制、逆變器等領(lǐng)域。軟件框架由初始化程序、定時器T0 中斷主程序、異步通信程序以及脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波形發(fā)生器中斷程序等組成，控制軟件流程如圖4 所示。

初始化程序主要包含輸入/ 輸出（input/output，I/O）初始化、各個特殊功能寄存器初始化、外部中斷初始化，程序運行時啟用中斷功能。定時器T0 中斷主程序主要工作包括：①控制端子狀態(tài)采樣，如供電電源的起停、急停按鈕狀態(tài)、電阻值設(shè)定、頻率設(shè)定等；②對直流電壓、功率器件溫度、輸出電壓電流進行采樣；③控制算法的實現(xiàn)，幅頻曲線計算，過載過流的判斷、自動升頻的判斷。

3 實驗結(jié)果

在模擬海洋油田井壁取心作業(yè)的環(huán)境中，本文采用了輸入交流電壓為380 V/50 Hz 的供電系統(tǒng)，并針對額定交流電壓為850 V 的雙相感應(yīng)電機進行了測試。電機與電源之間使用一根長度為7 000 m的測井電纜進行連接。雙相感應(yīng)電機供電電壓波形圖如圖5 所示，兩相輸出交流電壓的有效值約為1 100 V，且兩相位間存在90° 的相位差。

4 結(jié)論

本文研究了一種集微型計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)于一體的供電方式。相較于傳統(tǒng)供電方案難以調(diào)頻調(diào)速、調(diào)節(jié)速度慢等缺點，新型供電電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：首先，體積設(shè)計緊湊，便于在海洋測井平臺搬運和使用；其次，具備智能化特性，能夠自動調(diào)節(jié)電壓和頻率，以適應(yīng)不同的工作條件，確保電機高效穩(wěn)定運行；最后，具有良好的軟起動特性，這有助于減少啟動過程中的電流沖擊，延長電機壽命，并降低維護成本。這些優(yōu)點使得該電源系統(tǒng)在海洋油田測井行業(yè)中具有一定的推廣價值和應(yīng)用前景。

參考文獻

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