油井套管脉冲电流阴极保护电源主电路设计

许　庆，周好斌，袁　森，张　涛

（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065）

油井套管脉冲电流阴极保护电源主电路设计

许庆，周好斌，袁森，张涛

（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065）

设计了一种基于二次逆变的油井套管脉冲电流阴极保护专用电源的主电路，一、二次逆变均采用PWM方式进行控制。二次逆变主电路结构形式的引入使得脉冲电流输出参数（如频率、幅值、占空比）可以在较大范围内独立调节，具有体积小、质量轻、电源动特性及可控性佳的特点，使其在套管阴极保护方面更有前途。

油井套管；二次逆变；脉冲电流；阴极保护；主电路

0　前言

脉冲电流阴极保护相比于传统的直流阴极保护具有更均匀的电流密度、更深的穿透性和较小的电流需求等优点，应用脉冲电流阴极保护能够有效延长油井套管的保护深度，使一些深井或者超深井得到有效的全线保护[1-2]。脉冲电流阴极保护中所用的脉冲电流参数可调量多，参数的变化对保护效果的影响明显，且与应用环境关系密切，因此要求脉冲电源根据实际情况输出不同种类的脉冲电流，从而达到良好的保护效果。为此，本研究采用二次逆变的思路，即在二次逆变的基础上构建油井套管脉冲电流阴极保护功率主电路，生成频率、幅值和占空比均可控的脉冲电流。

1　主电路的结构和设计思路

油井套管脉冲电流阴极保护专用电源主电路结构框图如图1所示，主电路分为一次逆变、中频变压和二次逆变三个部分。一次逆变部分：输入380 V三相交流电首先经过大功率整流桥堆整流变成约520 V高压直流电，再由电源的一次全桥逆变单元变成可控的交流电，并经过中频变压器实现电器隔离及降压输出，再经整流滤波后得到电压固定为110 V的直流电源；二次逆变部分由单只IGBT管组成斩波电路，该电路通过PWM控制单元使直流电变为脉冲，并实现各项输出参数的调节。二次逆变结构设计将使电源获得良好的动特性，同时有助于减少体积，减轻质量，提高电源的工作效率，同时由于实现了电气隔离使电源的安全性得到提升。

图1　主电路原理

2　主电路设计

2.1全桥逆变电路设计

本逆变电源设计的最大输出电压为110 V，最大输出电流30 A，载波频率20 kHz，功率较大，因此选用IGBT全桥逆变结构电路。全桥逆变电路决定了电源的开关强度、损耗大小、电磁干扰强度、控制方法及可控性能，同时也制约了开关器件的种类[3]。常见的全桥逆变电路拓扑结构有：全桥硬开关PWM电路、全桥串联谐振电路、移相式全桥PWM控制电路。本设计选用移相式全桥PWM控制电路。其优点是：

（1）利用电路中的寄生元件即变压器漏感和开关器件结电容之间的谐振来实现开关器件的零电压开通，一般不需要附加电感电容元件。电路元件数量少，结构简单。

（2）开关器件电流应力、电压应力与硬开关PWM变换器一样。

（3）所有开关器件都是零电压开通。

移相式全桥PWM控制电路的主要缺点是：零电压开通条件受负载电流影响，轻载时难以满足。

2.2中频变压器设计

中频变压器的作用是变换电压、传递功率和实现输入/输出之间的隔离。对于逆变电源，中频变压器的工作频率高达20 kHz，因此这种变压器磁心材料的高频损耗要尽可能的小，并避免磁心饱和[4]。中频变压器的设计方法与电力变压器基本相仿，但由于这类变压器在电路中与半导体开关器件相连接，工作频率较高，变换的信号是交流方波，故其性能优劣不仅影响功率变换器的性能指标，还会影响电路工作的可靠性，甚至导致开关器件的损坏。所以在设计时需要对一些问题，诸如瞬态饱和、铁心损耗、漏感及高频集肤效应等加以特殊考虑[3]。目前市场上满足上述要求的铁心材料主要有两种：一种是软磁铁氧体，一种是非晶态合金材料。考虑上述要求，本设计选用铁氧体材料作为变压器的磁心。由于中频变压器工作在低电压、大电流的条件下，二次绕组电流较大，导线较粗，因此选择E型铁心便于绕制。

2.3斩波电路设计

斩波电路的主要作用是将110 V直流电调制成占空比、幅值、基值、频率均可调节的调制脉冲波。二次斩波逆变单元由单只IGBT开关管构成，通过斩波形成宽窄相间的PWM波，如图2所示，其中粗实线表示宽脉冲与窄脉冲的平均电流，因此通过改变宽、窄脉冲的频率与各自的占空比便可获得频率、占空比、幅值、基值均可调节的脉冲电流，再通过对输出电压、电流、管道电位的采样和一定的自动控制算法，便可维持套管的保护电位在设定范围内。

图2　脉冲调制原理

可使用硬件或者软件的方法生成脉冲调制波。硬件实现方式是采用集成化的PWM模块生成PWM波，该方式具有生成容易、只需要一块PWM集成模块即可实现；缺点是电路复杂，需要外扩其他元器件，而且是通过间接的方式实现PWM输出，对电路的设计要求较高，否则工作不稳定，会出现波形畸变。软件实现方式是在有PWM功能DSP程序中通过软件变成的方式，不断刷新脉冲的频率占空比，就可生成调制脉冲波。该方式的优点是可实现精确的脉冲调制波输出；缺点是对DSP性能要求较高，编程较复杂。

本设计采用具有PWM输出功能的微处理器通过软件编程实现PWM调制波输出。

2.4主电路散热设计

本电源属于低电压大电流设备，电子电力器件通电以后会消耗大量的功率，这部分耗散功率转变成热量使电力电子器件的温度升高，当温度升高到一定程度时会导致器件的性能恶化，甚至损坏。散热的目的是利用热传递技术使电力电子器件的温度控制在正常工作的范围内。热传递主要有三个途径，分别为对流、传导和辐射。在此采用散热器传导散热和风扇散热两种途径来降低器件的温度，保证电源的稳定工作。

对于半导体器件，主要通过散热器的传导散热来实现[5]。散热器的材料为铝，分别安装于三相整流桥模块、IGBT模块、整流二极管模块。

3　主电路参数计算

3.1三相整流桥

三相整流桥的输入电压为

式中U2为电网侧相电压；U21为电网侧线电压。

三相整流桥的输出电流平均值为

式中Pomax为最大输出功率，Pomax=1.2U0I0=1.2×110× 30 W=3 960 W；η为电源效率，最大输出时取η=0.9，代入得到Id=8.54 A。

考虑电网电压波动（最大波动取±10％），则整流桥满载输出的最大电流和电压为

选用2RI100G-160整流桥，其平均电流为100 A，额定电压为1 600 V，满足要求。

3.2全桥逆变IGBT

IGBT是逆变电源中的核心元件，主要通过它的周期性开和关作用，把直流电压变成交流方波电压。IGBT的选择直接关系到整个电源的安全性和可靠性。因此在设计时应留有较大裕量。

当电网电压最低时（最大波动10％），IGBT上流过的最大电流为

当电网电压最高时（最大波动10％），IGBT上承受的最大反电压为

式中U2为网侧相电压。

在考虑到两倍裕量之后，IGBT的额定电压在1 200 V以上，额定电流在23 A以上。对比价格、性能等多方面因素，选用FF100R12KS4英飞凌IGBT模块，额定电压1 200 V，额定电流100 A。

3.3中频变压器

变压器一次侧最低输入电压

变压器二次电压幅值为

一、二次侧匝数比为

按照一、二次匝数比为3.5∶1进行设计。

3.4斩波开关管

斩波器的开关频率至少为20 kHz，经查器件手册，FF100R12KS4英飞凌IGBT模块能够满足此次设计要求，故斩波器与全桥变换器的开关器件一致，均采用FF100R12KS4英飞凌IGBT模块。

4　结论

（1）一次逆变部分实现了电气隔离和电压变换；中频变压引入极大程度地减少了电源的体积和质量；二次逆变使得直流变为脉冲，通过相应的控制电路，可实现脉冲的调节。

（2）二次逆变结构形式的引入使得脉冲电流的输出参数（频率、幅值、占空比）可以在较大的范围内独立调节，在套管的阴极保护方面更有前途。

（3）主电路在工作时主要起传递能量的作用，因此设计时考虑到足够的安全裕量，能够保证电源的安全性和可靠性。

[1]邱于兵，王昊，郭稚孤.油井套管方波脉冲电流阴极保护模拟研究[J].油气田地面工程，2000，19（6）：35.

[2]袁森，周好斌，徐兴龙.油井套管脉冲电流阴极保护监控系统设计[J].表面技术，2015，44（3）：133.

[3]钟桂香.新型高压集成一体化逆变电源及其计算机控制应用研究[D].陕西：西安石油大学，2005.

[4]钱勇，李承文，龚健，任翠英，潘娜娜.多功能逆变焊机功率变压器设计[J].焊接技术，2013，42（5）：59.

[5]姚磊.脉冲电流烧结电源的研究[D].湖北：华中科技大学，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

陕西省科技统筹创新工程计划项目（2013KTCL-04）；西安石油大学《材料科学与工程》省级优势学科资助

许庆（1990—），男，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事油井套管腐蚀机理及专用防腐蚀电源设备的研究。