井壁取心供电电源控制系统研究

邓永红，赵立永，张全柱

（华北科技学院信息与控制技术研究所，河北 燕郊 065201）

0 引 言

海洋油田测井井壁取心装置中最重要的设备是一台双相感应交流电机，该电机的供电电源选用双相感应交流电机。供电电源置于地面或海洋平台上，需要经过约10000m（井深）长的输电电缆驱动这台双相电机。电机额定功率1.5kW，相电压额定值AC600V，2个绕组的输入供电电压相位互差90°。由于井深10000m以上，所以供电电压的线路损耗不容忽略，直流阻抗（电阻）值每根导线约为240Ω。与供电电压处于同一电缆线（但不同缆芯）还有各种测控信号采用的是载波技术，这就要求电机电压等级较高的供电电压不能对测控信号形成干扰，也就是说电机的供电电压波形应该为正弦波，谐波含量低，对各种电信号具有很好的电磁兼容性。目前，国内生产的这种仪器采用的供电电源[1]是调压器加变压器的线性电源，由3个10U机箱组成，体积大，每个机箱重达100kg以上，在海洋平台上工作或者在沙漠中工作时，不适合搬动，不利于维修，需要开发一种高频开关供电电源实现对双相感应电机的交流变频调速控制，提高电机运行效率，降低损耗，延长寿命，尤其能从地面可以任意设定电机的转速。井下电机的供电电源应该具有的特点：①电源的供电容量应不低于7.5kW；②电源输出的供电电压应该能够在（AC600～AC1200）V之间连续可调节；③电源应能提供双路交流电压，电压波形为正弦波，其相位互差90°；④电源输出的供电电压波形应该具有很好的电磁兼容性能，特别不应该对其他电信号形成强干扰，影响信号传输的可靠性；⑤供电电源要满足海油测井电机的供电要求，运行可靠，设备体积小，重量轻，便于移动和运输；⑥考虑到要调节取样的速度，控制系统能够实现变频调速，从地面可以任意设定所需的速度。

1 控制系统构成与原理框图

1.1 井壁取心供电电源工作原理分析

井壁取心供电电源控制系统结构见图1。图1中，供电电源输出的是SPWM波，经正弦波滤波器滤成正弦波供给两相感应交流电机，这种控制策略[2]要能输出AC600～AC1200V连续可调的电压，则二次侧高压部分中间直流高压为DC1200～DC2400V连续可调，主要靠调节一次侧低压部分H桥IGBT逆变模块的输出实现，其本质是调整控制H桥逆变模块的占空比。通过调节UC3875的占空比可以实现调压，适应不同深度测井供电的要求。而在工作中，当供电电缆长度确定时，供电电源工作在恒流或恒压工作状况。

1.2 UC3875控制原理图及输出波形

井壁取心供电电源是高频开关电源[3－4]，一次侧低压部分主要是H桥逆变电路，输出的高频方波经高频变压器升压，从电源效率、中间直流电压电流闭环调节和输出电压AC600～AC1200V连续可调等方面考虑，采用的是移相式准谐振变换器[5－7]控制集成电路UC3875。图2为UC3875闭环控制电路原理，AOUT为单片输出的PWM信号，滤波后的直流电压AM输入到UC3875的第4脚EA＋，作为占空比的输出给定，也是闭环控制的给定输入，当AM在0～3.5V之间变化的时候，移相角在在0%～100%之间变化，调节供电电源输出电压的变化[见图3（a）和图3（b）]。中间直流高压电压电流经传感器后的值UOS和IOHS1，通过最大值选择电路，输入到UC3875的第3脚EA－，作为闭环输入的反馈值，给定电压和反馈输入值就构成了UC3875的外部PID，实现供电电源中间直流高压的恒流或恒压输出。

2 单片机控制

单片机SMPC75F2413A控制电路是供电电源控制系统的核心部分。控制系统由6个部分组成：①由SPMC75F2413A单片机、外部端子数字量输入信号等组成的单片机数字系统，它能完成各种数字计算、外部端子控制、双相交流感应电机的启停控制运行、正反转运行、点动运行、多段速给定等功能；②模拟量接口电路，主要由电压电流检测与调理、温度检测与调理等组成，电压、电流检测电路主要是将强电信号转换为弱电信号，供单片机进行数字采样；③IGBT驱动电路，将单片机系统发出的SPWM信号转化为可驱动IGBT的脉冲信号，同时当IGBT发生短路或过流故障时，向单片机系统反馈故障信号；④CAN通信电路；⑤上位PC机显示及操作电路，可以通过键盘设定各种给定指令和参数，如实现电源的启动与停止，给定双相感应交流电机速度值等，可以显示供电电源运行的各种状态，并记录供电电源历史运行故障；⑥移相式准谐振变换器控制集成电路UC3875控制电路。

图1 供电电源控制系统结构框图

3 控制软件设计

系统软件程序主要由主程序、定时器T1中断服务程序、异步通信中断程序、CAN通信中断程序、波形发生器中断程序等组成。软件流程见图4。

图4 控制软件流程图

主程序主要完成初始化变量和数据设置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化设置，以及各种中断设置，开中断等功能。

异步串行通信中断服务程序，主要完成与操作键盘的通信，将供电电源控制系统的运行状态、故障信息发给键盘显示；同时接收键盘的设置命令。波形发生器中断服务程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的计算以及SPWM波的生成输出。定时器T1中断服务程序，主要完成工作：①外部各端子信号的采样，采样供电电源的启停、方向、CPU的复位信号，输出故障信号；②直流电压电流、温度、输出电压电流采样计算；③完成电机缺相检测，转速跟踪计算，V／F曲线计算，转矩补偿计算，自动稳压计算，死区补偿计算，波形发生器周期寄存器值的计算，相位累加值计算，过载过流计算等。

4 实验结果

在输入电压为AC110V，双相感应交流电机额定电压AC600V，额定功率1.5kW，供电电源与电机的连接通过10000m测井电缆，完全模拟海洋油田井壁取心的运行条件下，得到实现结果，其运行波形见图5、图6。图5为二次侧高压部分逆变器SPWM驱动信号波形；图6为双相感应电机供电电压波形UAN和UBN，输出有效值约AC1040V，相位互差90°。

图5 二次侧逆变器SPWM驱动信号

图6 双相感应电机供电电压波形

5 结束语

针对海洋油田井壁取心双相交流电机，研究设计的多环节功率变换地面供电电源控制系统，克服了传统的交流调压器加变压器供电方案的诸多缺点，具有小型轻量化、高度智能化、调压与调频方便、电压频率协调控制、软起动、变频节能运行等诸多优点。实验结果表明，研制设计的供电电源功能先进、性能指标优越、操作方便，在海洋油田测井行业中具有推广应用的价值。

[1]邓永红，任学军，张全柱，等.海样油田测井装置电机驱动供电方式的研究[J].电源技术，2011，35（2）：201-206.

[2]陆宏亮，戴国骏，钱照明.一种新型两相感应电动机变频器调速SPWM控制技术[J].电工技术学报，2005，20（9）：44－50.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]张占松.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6]（美）鲍斯BK.电力电子学与交流传动[M].西安：西安交通大学出版社，1991.

[7]张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].北京：机械工业出版社，1992.