鄧永紅，趙立永，張全柱

（華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，河北 燕郊 065201）

0 引 言

海洋油田測(cè)井井壁取心裝置中最重要的設(shè)備是一臺(tái)雙相感應(yīng)交流電機(jī)，該電機(jī)的供電電源選用雙相感應(yīng)交流電機(jī)。供電電源置于地面或海洋平臺(tái)上，需要經(jīng)過約10000m（井深）長(zhǎng)的輸電電纜驅(qū)動(dòng)這臺(tái)雙相電機(jī)。電機(jī)額定功率1.5kW，相電壓額定值A(chǔ)C600V，2個(gè)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(dǎo)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(cè)控信號(hào)采用的是載波技術(shù)，這就要求電機(jī)電壓等級(jí)較高的供電電壓不能對(duì)測(cè)控信號(hào)形成干擾，也就是說電機(jī)的供電電壓波形應(yīng)該為正弦波，諧波含量低，對(duì)各種電信號(hào)具有很好的電磁兼容性。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的這種儀器采用的供電電源[1]是調(diào)壓器加變壓器的線性電源，由3個(gè)10U機(jī)箱組成，體積大，每個(gè)機(jī)箱重達(dá)100kg以上，在海洋平臺(tái)上工作或者在沙漠中工作時(shí)，不適合搬動(dòng)，不利于維修，需要開發(fā)一種高頻開關(guān)供電電源實(shí)現(xiàn)對(duì)雙相感應(yīng)電機(jī)的交流變頻調(diào)速控制，提高電機(jī)運(yùn)行效率，降低損耗，延長(zhǎng)壽命，尤其能從地面可以任意設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。井下電機(jī)的供電電源應(yīng)該具有的特點(diǎn)：①電源的供電容量應(yīng)不低于7.5kW；②電源輸出的供電電壓應(yīng)該能夠在（AC600～AC1200）V之間連續(xù)可調(diào)節(jié)；③電源應(yīng)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(yīng)該具有很好的電磁兼容性能，特別不應(yīng)該對(duì)其他電信號(hào)形成強(qiáng)干擾，影響信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?；⑤供電電源要滿足海油測(cè)井電機(jī)的供電要求，運(yùn)行可靠，設(shè)備體積小，重量輕，便于移動(dòng)和運(yùn)輸；⑥考慮到要調(diào)節(jié)取樣的速度，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，從地面可以任意設(shè)定所需的速度。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中，供電電源輸出的是SPWM波，經(jīng)正弦波濾波器濾成正弦波供給兩相感應(yīng)交流電機(jī)，這種控制策略[2]要能輸出AC600～AC1200V連續(xù)可調(diào)的電壓，則二次側(cè)高壓部分中間直流高壓為DC1200～DC2400V連續(xù)可調(diào)，主要靠調(diào)節(jié)一次側(cè)低壓部分H橋IGBT逆變模塊的輸出實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)是調(diào)整控制H橋逆變模塊的占空比。通過調(diào)節(jié)UC3875的占空比可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，適應(yīng)不同深度測(cè)井供電的要求。而在工作中，當(dāng)供電電纜長(zhǎng)度確定時(shí)，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(guān)電源[3－4]，一次側(cè)低壓部分主要是H橋逆變電路，輸出的高頻方波經(jīng)高頻變壓器升壓，從電源效率、中間直流電壓電流閉環(huán)調(diào)節(jié)和輸出電壓AC600～AC1200V連續(xù)可調(diào)等方面考慮，采用的是移相式準(zhǔn)諧振變換器[5－7]控制集成電路UC3875。圖2為UC3875閉環(huán)控制電路原理，AOUT為單片輸出的PWM信號(hào)，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(huán)控制的給定輸入，當(dāng)AM在0～3.5V之間變化的時(shí)候，移相角在在0%～100%之間變化，調(diào)節(jié)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(jīng)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(huán)輸入的反饋值，給定電壓和反饋輸入值就構(gòu)成了UC3875的外部PID，實(shí)現(xiàn)供電電源中間直流高壓的恒流或恒壓輸出。

2 單片機(jī)控制

單片機(jī)SMPC75F2413A控制電路是供電電源控制系統(tǒng)的核心部分?？刂葡到y(tǒng)由6個(gè)部分組成：①由SPMC75F2413A單片機(jī)、外部端子數(shù)字量輸入信號(hào)等組成的單片機(jī)數(shù)字系統(tǒng)，它能完成各種數(shù)字計(jì)算、外部端子控制、雙相交流感應(yīng)電機(jī)的啟?？刂七\(yùn)行、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)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(cè)與調(diào)理、溫度檢測(cè)與調(diào)理等組成，電壓、電流檢測(cè)電路主要是將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字采樣；③IGBT驅(qū)動(dòng)電路，將單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的SPWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖信號(hào)，同時(shí)當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過流故障時(shí)，向單片機(jī)系統(tǒng)反饋故障信號(hào)；④CAN通信電路；⑤上位PC機(jī)顯示及操作電路，可以通過鍵盤設(shè)定各種給定指令和參數(shù)，如實(shí)現(xiàn)電源的啟動(dòng)與停止，給定雙相感應(yīng)交流電機(jī)速度值等，可以顯示供電電源運(yùn)行的各種狀態(tài)，并記錄供電電源歷史運(yùn)行故障；⑥移相式準(zhǔn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序、異步通信中斷程序、CAN通信中斷程序、波形發(fā)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(shù)據(jù)設(shè)置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設(shè)置，以及各種中斷設(shè)置，開中斷等功能。

異步串行通信中斷服務(wù)程序，主要完成與操作鍵盤的通信，將供電電源控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)給鍵盤顯示；同時(shí)接收鍵盤的設(shè)置命令。波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的計(jì)算以及SPWM波的生成輸出。定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序，主要完成工作：①外部各端子信號(hào)的采樣，采樣供電電源的啟停、方向、CPU的復(fù)位信號(hào)，輸出故障信號(hào)；②直流電壓電流、溫度、輸出電壓電流采樣計(jì)算；③完成電機(jī)缺相檢測(cè)，轉(zhuǎn)速跟蹤計(jì)算，V／F曲線計(jì)算，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計(jì)算，自動(dòng)穩(wěn)壓計(jì)算，死區(qū)補(bǔ)償計(jì)算，波形發(fā)生器周期寄存器值的計(jì)算，相位累加值計(jì)算，過載過流計(jì)算等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在輸入電壓為AC110V，雙相感應(yīng)交流電機(jī)額定電壓AC600V，額定功率1.5kW，供電電源與電機(jī)的連接通過10000m測(cè)井電纜，完全模擬海洋油田井壁取心的運(yùn)行條件下，得到實(shí)現(xiàn)結(jié)果，其運(yùn)行波形見圖5、圖6。圖5為二次側(cè)高壓部分逆變器SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；圖6為雙相感應(yīng)電機(jī)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(cè)逆變器SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖6 雙相感應(yīng)電機(jī)供電電壓波形

5 結(jié)束語

針對(duì)海洋油田井壁取心雙相交流電機(jī)，研究設(shè)計(jì)的多環(huán)節(jié)功率變換地面供電電源控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的交流調(diào)壓器加變壓器供電方案的諸多缺點(diǎn)，具有小型輕量化、高度智能化、調(diào)壓與調(diào)頻方便、電壓頻率協(xié)調(diào)控制、軟起動(dòng)、變頻節(jié)能運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制設(shè)計(jì)的供電電源功能先進(jìn)、性能指標(biāo)優(yōu)越、操作方便，在海洋油田測(cè)井行業(yè)中具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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