井壁取心供電電源控制系統研究

鄧永紅，趙立永，張全柱

（華北科技學院信息與控制技術研究所，河北 燕郊 065201）

0 引 言

海洋油田測井井壁取心裝置中最重要的設備是一臺雙相感應交流電機，該電機的供電電源選用雙相感應交流電機。供電電源置于地面或海洋平臺上，需要經過約10000m（井深）長的輸電電纜驅動這臺雙相電機。電機額定功率1.5kW，相電壓額定值AC600V，2個繞組的輸入供電電壓相位互差90°。由于井深10000m以上，所以供電電壓的線路損耗不容忽略，直流阻抗（電阻）值每根導線約為240Ω。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，這就要求電機電壓等級較高的供電電壓不能對測控信號形成干擾，也就是說電機的供電電壓波形應該為正弦波，諧波含量低，對各種電信號具有很好的電磁兼容性。目前，國內生產的這種儀器采用的供電電源[1]是調壓器加變壓器的線性電源，由3個10U機箱組成，體積大，每個機箱重達100kg以上，在海洋平臺上工作或者在沙漠中工作時，不適合搬動，不利于維修，需要開發一種高頻開關供電電源實現對雙相感應電機的交流變頻調速控制，提高電機運行效率，降低損耗，延長壽命，尤其能從地面可以任意設定電機的轉速。井下電機的供電電源應該具有的特點：①電源的供電容量應不低于7.5kW；②電源輸出的供電電壓應該能夠在（AC600～AC1200）V之間連續可調節；③電源應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該具有很好的電磁兼容性能，特別不應該對其他電信號形成強干擾，影響信號傳輸的可靠性；⑤供電電源要滿足海油測井電機的供電要求，運行可靠，設備體積小，重量輕，便于移動和運輸；⑥考慮到要調節取樣的速度，控制系統能夠實現變頻調速，從地面可以任意設定所需的速度。

1 控制系統構成與原理框圖

1.1 井壁取心供電電源工作原理分析

井壁取心供電電源控制系統結構見圖1。圖1中，供電電源輸出的是SPWM波，經正弦波濾波器濾成正弦波供給兩相感應交流電機，這種控制策略[2]要能輸出AC600～AC1200V連續可調的電壓，則二次側高壓部分中間直流高壓為DC1200～DC2400V連續可調，主要靠調節一次側低壓部分H橋IGBT逆變模塊的輸出實現，其本質是調整控制H橋逆變模塊的占空比。通過調節UC3875的占空比可以實現調壓，適應不同深度測井供電的要求。而在工作中，當供電電纜長度確定時，供電電源工作在恒流或恒壓工作狀況。

1.2 UC3875控制原理圖及輸出波形

井壁取心供電電源是高頻開關電源[3－4]，一次側低壓部分主要是H橋逆變電路，輸出的高頻方波經高頻變壓器升壓，從電源效率、中間直流電壓電流閉環調節和輸出電壓AC600～AC1200V連續可調等方面考慮，采用的是移相式準諧振變換器[5－7]控制集成電路UC3875。圖2為UC3875閉環控制電路原理，AOUT為單片輸出的PWM信號，濾波后的直流電壓AM輸入到UC3875的第4腳EA＋，作為占空比的輸出給定，也是閉環控制的給定輸入，當AM在0～3.5V之間變化的時候，移相角在在0%～100%之間變化，調節供電電源輸出電壓的變化[見圖3（a）和圖3（b）]。中間直流高壓電壓電流經傳感器后的值UOS和IOHS1，通過最大值選擇電路，輸入到UC3875的第3腳EA－，作為閉環輸入的反饋值，給定電壓和反饋輸入值就構成了UC3875的外部PID，實現供電電源中間直流高壓的恒流或恒壓輸出。

2 單片機控制

單片機SMPC75F2413A控制電路是供電電源控制系統的核心部分。控制系統由6個部分組成：①由SPMC75F2413A單片機、外部端子數字量輸入信號等組成的單片機數字系統，它能完成各種數字計算、外部端子控制、雙相交流感應電機的啟停控制運行、正反轉運行、點動運行、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理、溫度檢測與調理等組成，電壓、電流檢測電路主要是將強電信號轉換為弱電信號，供單片機進行數字采樣；③IGBT驅動電路，將單片機系統發出的SPWM信號轉化為可驅動IGBT的脈沖信號，同時當IGBT發生短路或過流故障時，向單片機系統反饋故障信號；④CAN通信電路；⑤上位PC機顯示及操作電路，可以通過鍵盤設定各種給定指令和參數，如實現電源的啟動與停止，給定雙相感應交流電機速度值等，可以顯示供電電源運行的各種狀態，并記錄供電電源歷史運行故障；⑥移相式準諧振變換器控制集成電路UC3875控制電路。

圖1 供電電源控制系統結構框圖

3 控制軟件設計

系統軟件程序主要由主程序、定時器T1中斷服務程序、異步通信中斷程序、CAN通信中斷程序、波形發生器中斷程序等組成。軟件流程見圖4。

圖4 控制軟件流程圖

主程序主要完成初始化變量和數據設置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設置，以及各種中斷設置，開中斷等功能。

異步串行通信中斷服務程序，主要完成與操作鍵盤的通信，將供電電源控制系統的運行狀態、故障信息發給鍵盤顯示；同時接收鍵盤的設置命令。波形發生器中斷服務程序，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。定時器T1中斷服務程序，主要完成工作：①外部各端子信號的采樣，采樣供電電源的啟停、方向、CPU的復位信號，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完成電機缺相檢測，轉速跟蹤計算，V／F曲線計算，轉矩補償計算，自動穩壓計算，死區補償計算，波形發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。

4 實驗結果

在輸入電壓為AC110V，雙相感應交流電機額定電壓AC600V，額定功率1.5kW，供電電源與電機的連接通過10000m測井電纜，完全模擬海洋油田井壁取心的運行條件下，得到實現結果，其運行波形見圖5、圖6。圖5為二次側高壓部分逆變器SPWM驅動信號波形；圖6為雙相感應電機供電電壓波形UAN和UBN，輸出有效值約AC1040V，相位互差90°。

圖5 二次側逆變器SPWM驅動信號

圖6 雙相感應電機供電電壓波形

5 結束語

針對海洋油田井壁取心雙相交流電機，研究設計的多環節功率變換地面供電電源控制系統，克服了傳統的交流調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、調壓與調頻方便、電壓頻率協調控制、軟起動、變頻節能運行等諸多優點。實驗結果表明，研制設計的供電電源功能先進、性能指標優越、操作方便，在海洋油田測井行業中具有推廣應用的價值。

[1]鄧永紅，任學軍，張全柱，等.海樣油田測井裝置電機驅動供電方式的研究[J].電源技術，2011，35（2）：201-206.

[2]陸宏亮，戴國駿，錢照明.一種新型兩相感應電動機變頻器調速SPWM控制技術[J].電工技術學報，2005，20（9）：44－50.

[3]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]張占松.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[5]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6]（美）鮑斯BK.電力電子學與交流傳動[M].西安：西安交通大學出版社，1991.

[7]張明勛.電力電子設備設計和應用手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.