解 慶 白玉新 羅 翔 張朝陽 程召江

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具應(yīng)用非接觸式電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中心鉆桿到不旋轉(zhuǎn)外套的電能傳輸，是目前國內(nèi)外靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向主流的技術(shù)路線，國內(nèi)石油設(shè)備相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)并成功應(yīng)用的實(shí)例并不多。

為提高非接觸式電能傳輸效率，井下高溫逆變技術(shù)一直是不斷研究的課題，既要滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向大功率用電需求，還要在高溫狹窄密封空間內(nèi)可靠工作數(shù)百小時，對逆變器的效率、結(jié)構(gòu)和工藝提出了超高的要求。

本文所闡述的高溫軟開關(guān)全橋逆變技術(shù)已成功應(yīng)用在自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具上，取得了多次井下實(shí)驗(yàn)的成功。

1 原理與設(shè)計(jì)

軟開關(guān)全橋逆變器與旋轉(zhuǎn)變壓器、穩(wěn)壓變換器共同組成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向中的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)，電能傳輸方向是從中心鉆桿(全橋逆變器和旋轉(zhuǎn)變壓器原邊)到不旋轉(zhuǎn)外套(旋轉(zhuǎn)變壓器副邊和電源變換器)。

1.1 總體方案

全橋逆變器將發(fā)電機(jī)輸出的低頻三相交流電轉(zhuǎn)換為高頻單相交流電，通過電磁感應(yīng)從旋轉(zhuǎn)變壓器原邊到副邊傳遞，再由穩(wěn)壓變換器輸出供電。

如圖1 所示，全橋逆變器由三相整流橋、電容陣列、DCDC、ZVS-PWM 控制器、全橋自舉驅(qū)動電路、全橋ZVS-PWM 諧振變換器、串聯(lián)諧振電路和保護(hù)電路組成。三相整流橋和電容陣列將輸入的低頻三相交流電變換為直流電后，一路輸出給全橋ZVS -PWM 諧振變換器，另一路經(jīng)過DCDC 變換為+15 V 和+5 V 供ZVS -PWM控制器使用;ZVS -PWM 控制器輸出2 組4 路PWM 信號(每組的2 路相位差180°并包含死區(qū)時間)，經(jīng)過全橋自舉驅(qū)動電路控制全橋ZVS -PWM 諧振變換器的開關(guān)管依次導(dǎo)通，最后輸出單相高頻交流電信號;系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置過流保護(hù)、過壓保護(hù)功能，超出最高值即關(guān)閉ZVSPWM 控制器的輸出。軟開關(guān)全橋逆變參數(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 全橋軟開關(guān)ZVS 逆變功能圖

表1 軟開關(guān)全橋逆變參數(shù)指標(biāo)

1.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 ZVS 軟開關(guān)

ZVS 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)是在諧振原理基礎(chǔ)上利用串聯(lián)諧振電路的串聯(lián)電容、串聯(lián)電感和開關(guān)管并聯(lián)電容作為諧振元件，使ZVS-PWM 諧振變換器的開關(guān)管中的電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)［1］，大幅度減少開關(guān)損耗，并且可以調(diào)高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)電路的高密度、高效率和小體積。軟開關(guān)ZVS 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 所示的S1、S2、S3、S4為四個開關(guān)管構(gòu)成全橋形式，D1、D2、D3、D4和C1、C2、C3、C4為相應(yīng)開關(guān)管的并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容，串聯(lián)諧振電容Cr和串聯(lián)諧振電感Lr作為諧振元件，使四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通。為了防止橋臂直通短路，S1和S3、S2和S4之間由PWM 控制電路加入死區(qū)時間△t［2］。它根據(jù)開通延時和關(guān)斷不延時原則來設(shè)置同一橋臂死區(qū)時間。

2 軟開關(guān)ZVS 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2.2 ZVS-PWM 控制和自舉驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

ZVS-PWM 控制器以Unitrode 公司的UC1875 控制芯片為核心，并搭配相關(guān)的外圍電路組成ZVS-PWM 控制單元，如圖3 所示。

圖3 基于UC1875 的PWM 控制電路

OUTA、OUTB、OUTC、OUTD 為輸出的4 路PWM 控制信號，F(xiàn)REQ 設(shè)定PWM 輸出頻率，DELAY A/B 和DELAY C/D 分別設(shè)置2 組PWM 控制信號的死區(qū)時間。本設(shè)計(jì)方案不考慮輸出穩(wěn)壓，所以并未使用UC1875 的PWM 移相功能，故懸空誤差放大器的同相/反相輸入端E/A+、E/A-，并且對誤差放大器的輸出端E/A OUT 直接引入高電平，使得輸出的2 組PWM 信號的相位偏移到最大180°，確保了輸出占空比達(dá)到最高。過流保護(hù)信號通過外部采集電路進(jìn)入C/S 端，當(dāng)電流達(dá)到10 A 時便關(guān)斷UC1875 的PWM 輸出以停止系統(tǒng)的工作。

1.2.3 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

1)死區(qū)時間

死區(qū)時間會影響開關(guān)管的電壓應(yīng)力限制和ZVS 的實(shí)現(xiàn)，為保證每個開關(guān)管上電壓應(yīng)力為輸出電壓的一半，S1要比S3早關(guān)斷△t，S2要比S4早關(guān)斷△t，保證每個開關(guān)管S 的電壓達(dá)到Vin/2 時，對應(yīng)的并聯(lián)二極管D已導(dǎo)通，通過公式可計(jì)算出合理的死區(qū)時間［3］:

式中，n 為旋轉(zhuǎn)變壓器的變比，Vo為旋轉(zhuǎn)變壓器副邊電壓，Lm為旋轉(zhuǎn)變壓器原邊電感，fs為開關(guān)頻率，Coss為開關(guān)管的輸出結(jié)電容。

2)串聯(lián)諧振參數(shù)

諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)對于全橋逆變器甚至整個非接觸式電能傳輸系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，它是確保實(shí)現(xiàn)ZVS 零電壓開關(guān)，提升電能系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)。

串聯(lián)諧振電容Cr計(jì)算公式為［3］:

式中，Vcmax為串聯(lián)諧振電容的最大電壓應(yīng)力，Tmax為最大開關(guān)周期，Ip為旋轉(zhuǎn)變壓器原邊電流。

串聯(lián)諧振電感Lr計(jì)算公式為［3］:

若串聯(lián)諧振電感Lr較大會有效抑制旋轉(zhuǎn)變壓器原邊電流寄生震蕩，降低損耗，但過大會造成占空比丟失;取小會提高效率，但過小會增大開關(guān)損耗。故Lr的確定還得根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來確定最佳參數(shù)［4］。

1.3 結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

全橋逆變器電路被安裝在空間狹窄的探管內(nèi)，為了使電路能夠得到充分的散熱，PCB 采用鋁基板工藝，所有元器件均采用標(biāo)貼封裝形式焊接在1.6 mm 厚的鋁基面上，底面均勻涂抹導(dǎo)熱膠緊貼在探管金屬表面上，此工藝能夠?qū)㈦娐纷陨戆l(fā)熱有效地傳遞到金屬上，確保了逆變器的長時間可靠安全工作。

2 實(shí) 驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)將全橋軟開關(guān)逆變器的開關(guān)頻率設(shè)定為70 kHz，死區(qū)時間1.2 μs，串聯(lián)諧振電容Cr為22 nF，串聯(lián)諧振電感Lr為5μH，全橋開關(guān)管選擇Vds≥400 V、Id≥30 A的MOSFET，旋轉(zhuǎn)變壓器變比n =1∶1。并聯(lián)二極管D 的耐壓V≥400 V，并聯(lián)電容C≤50 nF。

實(shí)現(xiàn)以非接觸式電能傳輸系統(tǒng)為整體進(jìn)行，系統(tǒng)的輸出功率負(fù)載設(shè)定在200 W，直流輸入電壓范圍為75 V～135 V(繞過三相整流橋)。從表2 的測試結(jié)果中可得出，在輸入電壓85 V 時總體電能系統(tǒng)效率最高達(dá)到84.9%。

表2 測試結(jié)果

圖3 顯示了全橋軟開關(guān)逆變器開關(guān)管S4的驅(qū)動電壓Vgs和漏源電壓Vce的波形。從圖中可以清楚地看到，S4是零電壓開關(guān)的。圖4 顯示了開關(guān)管S1與S3的驅(qū)動電壓波形，可看出死區(qū)時間為1.2 μs。

圖3 S4 的驅(qū)動電壓Vgs和漏源電壓Vce的波形

圖4 開關(guān)管S1、S3 驅(qū)動電壓波形

3 結(jié) 論

分析了一種應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中實(shí)現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)木赂邷剀涢_關(guān)零電壓式全橋逆變電路，給出了工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)滿足性能要求。目前該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在8.5 寸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中并進(jìn)行了多次井下實(shí)驗(yàn)，取得了優(yōu)異的成績。

另外，包含軟開關(guān)全橋逆變技術(shù)的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用在垂直鉆井、連續(xù)管鉆井等多種石油鉆井工具或井下隨鉆測量設(shè)備中，不僅在石油鉆井領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時在交通運(yùn)輸、航空航天和水下也能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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