摘要：
针对井壁取心高频电源在带载工作过程中输入电压拉低引起的电机功率不能满足使用条件的问题，以及传统不控整流器存在的稳定性差等缺点，应用碳化硅（silicon carbide，SiC）功率器件，提出了基于数字信号处理（digital signal processing，DSP）的井壁取心高频电源可控整流器系统设计。对可控整流器及其控制系统进行设计，同时考虑到高压对控制系统的隔离干扰问题，设计了DSP技术控制板的各部分硬件电路以及模数转换器（analog to digital converter，ADC）采集电路。通过搭建实验平台，验证所设计的针对海油的高频电源可控整流器，实现了交流-直流（alternating current-direct current，AC-DC）的稳定输出，该系统工作稳定且具有较强的抗干扰能力。
引言
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，井壁取心技术的重要性也日益突出。井壁取心供电电源为地面供电面板，通过将近7km井深的长距离传输电缆进行远距离供电，从而驱动双相马达电机。本文设计的可控整流器系统主要用于双相电机，其额定功率为1.5kW，相电压额定值为交流电（alternatingcurrent，AC）600V，并且两个绕组的输入供电电压相位互差90°。在现场工作环境中，由于海洋油田（简称“海油”）井壁取心高频电源无法提供稳定的输出电压供双相电机正常稳定运行，因此需要研发可控整流装置。将高频电源输入的电压通过可控整流稳定控制在AC600V，这可以为后续高频电源输出提供稳定的电压，以保证双相电机的稳定、健康运行。由于外部输入的AC电压无法确定为AC380V，所以此装置系统需要应用锁相环，对交流电压的有效值进行计算，并利用数字信号处理（digitalsignalprocessing，DSP）技术对其进行控制。
整流装置是一种广泛应用于人们生活和生产的设备，在工业生产、轨道交通、电网优化等领域中发挥了重要作用。根据具体对象的不同，可控整流装置在实际工程中的脉冲宽度调制（pulsewidth modulation，PWM）整流有两种：第一种是电压型PWM整流器，由于其具备功率因数可控、理想无低次谐波以及能量可双向流动等特点，有效解决了整流系统的谐波问题，已经成为电力电子技术研究的热点；第二种是电流型PWM整流器，其具有网侧电流谐波小、直流侧电流可调以及降压斩波等特点，广泛应用于如超导储能装置、有源滤波器、动力蓄电池组充电、感应加热电源等场合。随着超导储能技术的发展，三相电流型PWM整流系统的效率问题将逐渐得到解决，使其在市场中更具竞争力和影响力。因此，本文设计的可控整流器系统以电压型PWM整流器作为基础，锁相环作为其核心算法。
首先，本文介绍了四象限整流器的主回路图，设计了应用于海油高频电源的可控整流器的总体控制方案。其次，描述了整流锁相环环节的采样电路设计以及锁相环的程序设计，通过DSP高速计算芯片TMS320F28335实现电压相位的精准锁相。最后，通过测试，证明采用此可控整流器系统可以满足实际应用的需求，并且响应速度快，具有实际应用价值。
1、系统整体设计
本系统是由碳化硅（siliconcarbide，SiC）电路、电流检测电路、电压检测电路、控制电路、滤波电路、驱动电路以及负载等组成四象限可控整流器系统。
如图1所示，可控整流器系统由以下几个部分组成：控制系统主要采用得州仪器（TI）公司生产的DSP高速计算芯片TMS320F28335，其优异的工作性能和表现可以较好地满足设计要求。系统设计了模数转换器（analogtodigitalconverter，ADC）采样电路来接收温度、电压、电流等信号，将其上传至上位机进行显示，同时具备输入/输出（input/output，I/O）控制功能，可以对主接触器和预充接触器进行通断控制，还可以对SiC电路进行模式控制。系统还具备算法的控制功能，控制算法的设计可控整流器系统设计中最重要的部分，其可通过算法实时控制PWM波输出驱动波形使装置实现目标功能。
可控整流器系统的设计原则是根据全数字化、模块化、轻量化要求进行设计，能与其他模块电路设计兼容且安全可靠。该系统采用了安全可靠性设计，各电源模块电路具备三级保护功能：电力电子器件硬件驱动保护、工作参数设定保护和过流及短路故障保护，其还具有输入、输出端电路的过压、欠压、过流保护以及设备过热保护等。在主电路中，设置安全连锁隔离、线路开关等多重保护器件，增强产品安全运行的可靠性。
井壁取心高频电源的应用环境恶劣，系统设计时既要考虑抗振性能，又要考虑在有限的密闭空间内的冷却效果，保证良好的散热功能。此外，可控整流器系统还应考虑实际组装过程中是否方便、维修是否便捷等因素，所以尺寸不应过大。基于实际需求，本文将11个EACO公司的700V、145μF电容相互串联，用于支撑电容使用，电容的使用会导致空间的拮据，因此本文在整流器系统上进行体积的缩小。
将所有硬件安置于一个机箱，为了提高整个系统的电磁兼容性，可控整流器系统应采用紧凑型布局，所使用器件应用板载式布局。
2、系统硬件电路设计
2.1器件选型设计
由于本文所使用的场景是井壁取心的工作环境，所使用的设备需要具有高性能的优点，因此选用SiC功率器件，具体型号为深圳爱仕特科技的ASC100N1200MEP6B。SiC功率器件主要在整流环节中使用，针对其电压的范围来确定SiC功率器件的具体型号，设计可控整流最初的想法就是将输入高频电源的AC300～380V电压进行整流后稳定控制在600V。在工程上为了安全考虑，在器件选型时，一般选取其最大电压值的2倍，所以这种情况下可以针对此数据进行器件选型，选用耐压值为1200V的SiC功率器件。根据其额定功率可知，其电流值最高为25A，所以应选用最高值2倍有余的额定电流的SiC功率器件，最后选用1200V/50A的SiC功率器件。
在设计时，SiC功率器件的额定功率设定为15kW，具体参数计算如下。
2.1.1整流器系统输入/输出侧电流最大值
交流输入侧额定电流为22A，要求1.2倍过载运行，计算得到直流输入侧额定电流最大值为26.4A，实际计算时取27A。
输出侧额定电流为25A，要求1.2倍过载运行，因此输出侧额定电流最大值取30A。
2.1.2 储能电抗器
根据相关技术指标，总电感电流Imp计算公式：
式中，Pac为逆变器额定输出功率，Pac=15kW；Em为三桥臂逆变器输出电压，Em=600V。将数据代入式（1）可得Imp=20.41A。因此，可得纹波电流ΔIripple-max：
由式（2）可得，纹波电流ΔIripple-max=5.77A。电感L取值范围：
式中，Udc为直流电压，Udc=600V；f为电网频率，f=50Hz；Em为三桥臂整流器系统输入电压，Em=380V。
将所求Imp和ΔIripple-max代入式（3）中，可得电感L=5.28mH。
2.1.3滤波电容
根据相关技术标准，电压纹波率不高于5%。本文假设电压纹波率为2%，滤波电容Cf计算公式：
式中，P为额定功率；γ为电网电压有效值，γ=0.03。
将数据代入式（5），可得Cf=19.85μF。
考虑到实际应用，系统应设有10%的容量，故本文选用AC550V、3×20µF的金属化聚丙烯薄膜电容，具体为EACO模块的SMF-550-3×20-S1型金属化聚丙烯薄膜电容。该电容具有干式无感结构，塑料外壳封装，并且使用树脂填充。
2.2辅助电源设计
供电电源的质量决定了整个系统的稳定性，所以需要对供电电源进行一些改进，由于工作人员有时会因为误操作导致±24V电源反接，从而对设备产生影响，尤其是对芯片造成的影响较大，所以本系统针对反接误操作进行了设计与改进。
整流器的运行与采样相关，±15V的供电电源的稳定程度也决定了采样的稳定性。
辅助电源主要由URA2415YND-10WR3输出±15V以供ADC采样工作。为避免反接出现短路而造成损失，本文使用了防反接设计，其利用P沟道实现防反接功能。
3、系统软件设计
针对海油井壁取心高频电源供电不足导致电机无法正常工作的情况，本文提出应用软件锁相环来对电网进行跟踪，其在三相电压不平衡或者有干扰的情况下均能较好地跟踪实际电网电压相量角度。同时，应用同步旋转坐标系将原来三相坐标系中的交流量都变为直流量，通过控制d轴电流控制整流器的有功功率，通过控制q轴电流控制整流器的无功功率，主程序流程如图2所示。
4、系统测试与结果分析
为验证本文所设计的在可控整流器系统主回路能够安全可靠地运行，本文完全模拟井壁取心供电电源条件，模仿井壁取心作业时的工况。输入电压为AC380V，可以看到此方案可以将电压稳定输出在600V，其运行波形为稳定的直流波形。
5、结语
本文设计一个适用于井壁取心供电电源的可控整流器系统，该系统具有诸多优势，在海洋油田测井领域展现出巨大的应用潜力。首先，该系统可以在输入电压不稳定的情况下进行整流操作输出稳定的直流；其次，其体积设计较为紧凑，可以节约大量的空间；再次，应用的器件为SiC功率器件，其高效率的优势有助于提高整流效率；最后，系统还具有良好的适应性，可以在电压不足的情况下进行整流，这有助于提高设备对外部条件的包容性。这些优点使得该可控整流器系统在海洋油田测井行业中的供电电源使用中具有广泛的推广价值和应用前景。综上，基于其小型化、高包容性、高效率特性，该双相交流电机地面供电电源可控整流器系统为海洋油田测井行业提供了一种高效、可靠的能源解决方案，满足了工业项目的需求，并且有望在未来的实际应用中得到广泛应用。
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