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油田井壁取心供电电源研究

2025-01-06 115 上传者：管理员

摘要：传统的调压器加变压器油田测井电源方案具有体积大、电压调节不灵敏等缺点，研制了一种深井用双相交流电机地面供电系统，分析了供电系统的整体结构、工作原理、硬件参数计算和软件控制方法。实验结果证明，设计的供电电源具有体积小、质量轻等特点，实现了电机的变频软起动和降频快速制动停机，提高了电机的运行效率和稳定性，并且能够满足电机在不同工作条件下的需求，从而提高油田测井装置的工作效率和可靠性。

关键词：
SiC双相三桥臂逆变器
井壁取心
双相电机控制
油田测井电源
生产技术
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随着现代油田勘探与生产技术的不断发展，油田工程领域对数据获取、分析和监测的需求日益增加。井壁取心技术作为油田测井中的一项关键技术，在油田勘探与开发中较为重要。井壁取心技术通过在井下对地层进行取心采样，为地质学家提供沉积岩石的样本，可用于分析岩石的物理性质、地层构造和储层特征，为油气勘探开发提供重要的地质信息。在油田测井装置中，液压机械节扮演着举足轻重的角色。它负责从海洋底部的地面层采集液体样本，以供后续分析。双相交流电机作为整个系统的关键部件，负责驱动液压机械节中液压泵运转，而电机的稳定运行对于井壁取心装置的正常工作至关重要。传统的井壁取心供电电源通常用于深海、高温高压等极端条件下，然而随着测井深度逐渐增加，在高温高压的条件下，井下电源供应方式可能无法满足取心设备的需求，导致取心操作不稳定、不可靠。因此，地面供电方式变得尤为重要，由于井深可以达到7 000 m以上，所以线路损耗不容忽略。同一电缆（不同缆芯）还需传输多种检测与控制信号，这就要求高电压供电电磁干扰必须得到有效控制[1]。

目前，行业内广泛采用传统的调压器与变压器组合的线性电源供电方式（图1）。这种供电方式具有技术成熟、成本低、稳定可靠等优点[2]。然而，这种供电方式在实际应用中存在诸多不足，在应对日益复杂的电路需求以及实现精准的动态调节时，其不足之处逐渐显现，如体积、质量较大（3个机箱的质量超过150 kg）、电压调节需要人工操作、智能化程度低等，这些不足在一定程度上制约了油田测井技术的发展。因此，探索更为先进、高效的供电方式对于提升油田测井技术的整体水平和竞争力具有重要意义。鉴于电力电子技术的连续提升及石油勘探技术的不断发展，同时考虑到石油勘探作业的具体需求，研究设计一种高频开关电源显得极为重要[3]。针对井下电机供电的特殊要求，所研发的电源系统需满足以下特性：①供电能力需≥10 kW；②输出电压范围灵活，能在600～1 500 V范围内调节；③电源能够同时输出两路正弦波交流电，且两路电压相位差为90°；④电压波形为标准的正弦波，以保证优良的电磁兼容性；⑤电源具备高可靠性，且体积紧凑，质量轻便，便于搬运和运输[4]；⑥过流过压能实现自动降频，智能化程度高。

图1 传统供电电源

1、新型供电方式

1.1 主电路设计

本文根据系统要求，基于电力电子器件碳化硅（SiC）的供电方案设计了供电电源主回路图，如图2所示。

在电力电子技术迅速发展的背景下，传统的机电一体化产品正加速实现数字化与智能化的升级转型。针对目前调压器与变压器组合所显露的诸多问题，本文提出了一种基于电力电子技术的高频开关型电源方案，该方案能有效克服传统供电系统的不足[5]。该电源的供电为三相380 V交流电（来自交流发电机或者市电），该交流电首先经过三相可控整流器转换为600 V直流电，再通过三桥臂逆变器，将600 V直流电逆变为双相交流电，其波形采用正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation,SPWM）技术，确保两个相位之间的基波相位差为90°。逆变器的输出经过正弦波滤波器进行滤波后，可以得到260 V的双相交流电正弦波，再经过一台两相的升压变压器，输出600～1 500 V的电压。该双相正弦交流电的频率能够在0～55 Hz范围内调节，幅值满足幅频规律变化。变压变频的双相交流电可以给深井双相交流电动机供电，满足电机的变频调速运行，调频范围可设定为15～50 Hz，同时电动机的供电电压也会进行相应的调整。这既能实现双相交流电机的变频软起动，又能确保电动机在变压变频条件下的运行，从而显著提升电动机的动态性能，并有助于实现节能减排的目标。

1.2 变压器设计

变压器不仅能够调整电压水平，以满足不同电力设备和负载的需求，还能实现电力系统的稳定运行和优化。变压器通过有效地转换电压等级，从而优化电力传输的效率，提升电能质量，确保电力供应的连续性与安全性。海洋油田测井的双相感应交流电机额定电压为850 V,N相电流为3 A，额定功率为2.55 kW。供电电源与电机通过7 000 m测井电缆（阻值为264Ω）进行连接[6]，线路损耗不容忽略，考虑容量等因素，本文选择的变压器容量为5 kV·A，变压器原边电压为260 V、副边电压为1 560 V。

图2 供电电源主回路图

1.3 三相高频滤波器设计

在现代逆变器等系统中，LC型滤波器[由电感器（L）和电容器（C）组合而成的元件]通常能够实现对高阶谐波电流的有效抑制。相较于L型和LCL型滤波器，LC型滤波器结构更为简单，而且具备成本低廉和优良滤波性能等特点。在确定滤波器参数时，必须综合考虑开关频率、无功功率损耗、元件的物理尺寸和系统总体成本等多方面因素，以确保设计的合理性与经济性[7]。LC型滤波电路等效模型如图3所示。

图3 LC型滤波电路等效模型

在遵循滤波电容设计原则的基础上，提升电容Cf可有效减少逆变器生成的高频纹波。然而，电容过高将导致逆变器无功功率输出增加。为保障有功功率输出稳定，必须在逆变器输入端实施功率补偿，但这会使得电流级别提高，从而引起更大的损耗，降低系统整体运作效率。在工程实践中，通常根据电容吸收的无功功率总量的5%进行电容的计算与选取。

(1）滤波电容Cf需要满足以下条件。

滤波电容Cf计算公式：

式中，Pac为逆变器额定输出功率，取值为15 kV·A;f为电网频率，取值为50 Hz;VO为三桥臂逆变器输出电压，取值为260 V。

将相关数据带入式（1）计算得到Cf为35μF。

(2）滤波电感L需要满足以下条件。

流过电感电流的最大纹波电流∆ipp(max）计算公式：

式中，UBus为直流母线电压，Ts为开关周期。

对式（2）进行整理可以得到L的取值范围：

为了确保逆变器系统的稳定操作，在应对负载电压波动时，系统需保持对负载的连续供电，以防止电流逆流。通常在设计上需预留一定的安全裕量，纹波电流的最大值为电感电流峰值的20%。将相关数据带入式（3）计算得到L为7 mH。

1.4 功率器件SiC选型

为了找到适合的功率器件，本文对常用的各类电力电子功率器件进行了详细对比分析。针对小功率逆变应用，金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductorﬁeld-effect transistor,MOSFET）因驱动电路简便和快速开关的特性而成为常见选择，然而，其承受的工作电流较低，易损坏，因此不适用于大功率场合。此外，电力晶体管（giant transistor,GTR）虽然具备较短的开关时间和较小的损耗，但是其承受浪涌电流的能力较弱，易发生击穿。绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）作为结合了双极性结型晶体管（bipolar junction transistor,BJT）和MOSFET双重特点的复合型器件，不仅继承了MOSFET的高输入阻抗，同时也拥有GTR的低导通压降优势[8]。但是，相较于MOSFET,IGBT的开关速度较慢，开关过程中会有较高的开关损耗，这限制了其在高频应用中的性能。SiC器件具有更低的导通电阻和开关损耗以及稳定的高温特性[9]，因此，本文选择SiC作为功率开关管。

在SiC功率开关管的选型过程中，需要从以下两个方面进行考虑。

(1）电压等级的选择。在本系统中，直流侧输入电压为600 V，为了确保系统的安全性和稳定性，且满足一定的安全裕量，开关器件应能承受相当于直流输入电压1.5倍的电压。根据该设计要求，计算得出功率开关管所需的最大耐压应为900 V。因此，在选择开关器件时，需确保其具备不低于900 V的电压承受能力[10]。

(2）电流等级的选择。由于SiC功率开关管处于高频工作的状态，为了防止电流过大，保证逆变系统的稳定性，将系统的过载系数β设为2，流过功率开关管的电流最大值IQ计算公式：

由式（4）可得，IQ≈54.388 A。在综合考虑系统效率和开关损耗后，本文功率器件选用了清纯半导体（宁波）有限公司型号为S1M014120H的SiC MOSFET，其耐压等级为1 200 V，最大载流能力为152 A。

2、控制系统方案

本文控制电路选用得州仪器（TI）公司的TMS320F28335单片机，其具有高速运行处理能力和丰富的外设接口，因此广泛应用于电机控制、逆变器等领域。软件框架由初始化程序、定时器T0中断主程序、异步通信程序以及脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）波形发生器中断程序等组成，控制软件流程如图4所示。

初始化程序主要包含输入/输出（input/output,I/O）初始化、各个特殊功能寄存器初始化、外部中断初始化，程序运行时启用中断功能。定时器T0中断主程序主要工作包括：①控制端子状态采样，如供电电源的起停、急停按钮状态、电阻值设定、频率设定等；②对直流电压、功率器件温度、输出电压电流进行采样；③控制算法的实现，幅频曲线计算，过载过流的判断、自动升频的判断。

图4 控制软件流程

3、实验结果

在模拟海洋油田井壁取心作业的环境中，本文采用了输入交流电压为380 V/50 Hz的供电系统，并针对额定交流电压为850 V的双相感应电机进行了测试。电机与电源之间使用一根长度为7 000 m的测井电缆进行连接。双相感应电机供电电压波形图如图5所示，两相输出交流电压的有效值约为1 100 V，且两相位间存在90°的相位差。

图5 双相感应电机供电电压波形图

4、结论

本文研究了一种集微型计算机控制技术和电力电子技术于一体的供电方式。相较于传统供电方案难以调频调速、调节速度慢等缺点，新型供电电源系统具有以下优点：首先，体积设计紧凑，便于在海洋测井平台搬运和使用；其次，具备智能化特性，能够自动调节电压和频率，以适应不同的工作条件，确保电机高效稳定运行；最后，具有良好的软起动特性，这有助于减少启动过程中的电流冲击，延长电机寿命，并降低维护成本。这些优点使得该电源系统在海洋油田测井行业中具有一定的推广价值和应用前景。

参考文献:

[1]邓永红,任学军,张全柱,等.海洋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):202-206.

[2]李学哲,雷旻,邓永红.一种新型油田井壁取芯供电电源研究[J].华北科技学院学报,2015,12(2):74-77.

[3]邓永红,赵立永,张全柱.井壁取心供电电源控制系统研究[J].测井技术,2012,36(5):519-522.

[4]李昆,田志宾,魏赞庆,等.海油井壁取心双相电机驱动电源的研制[J].化学工程与装备,2023(9):125-127.

[5]李孝平,邓永红,李学哲.油田测井装置供电电源箱的改造优化[J].黑龙江科技信息,2013(10):28.

[6]李孝平,邓永红,李学哲,等.井壁取心供电电源驱动系统的研究[J].华北科技学院学报,2013,10(1):77-82.

[7]房玲.基于下垂控制的三相逆变器并联技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.

[8]杨亚刚.基于LC滤波电路的逆变器研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2021.

[9]邓大汗. SiC MOSFET栅极驱动电源与保护电路研究[D].徐州:中国矿业大学,2023.

[10]李庆辉.10kW储能逆变器(PCS)的研究与设计[D].上海:上海电机学院,2022.

文章来源:李昕禹,邓永红,李清林,等.油田井壁取心供电电源研究[J].电子产品世界,2025,32(01):24-28.