自动垂直钻井系统大功率开关电源研制

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1、石油仪器2012年第26卷第4期PETRoLEUMINSTRUMENIS·25．·开发设计·自动垂直钻井系统大功率开关电源的研制解庆张建国白玉新韩志富李广伟(北京精密机电控制设备研究所北京)摘要：针对以泥浆发电机为供电方式的自动垂直钻井系统，需要大功率电源系统来驱动随钻测量仪器与液压动力组件，为了适应较宽的泥浆发电机电压输入范围，并在提供大功率、高稳定性的基础上满足井下高温环境工作要求，研制出了一种额定功率为200W的移相全桥(ZVS)软开关电源，性能稳定可靠、电能效率达到92％。关键词：自动垂直钻井系统软开关电源移相全桥ZVS中图法分

2、类号：TN86文献标识码：B文章编号：1004—9134(2012)04—0025—04术，即移相全桥ZVS变换技术，通过谐振元件使得0引言电源的开关管在谐振的状态下高频开关，降低了开关损耗，大大提高了电源的效率；在结构工艺上，元器随着石油钻井工业的发展，自动垂直钻井系统已件均采用贴片封装结构并具备耐高温特性，电路印制进入了更加智能化、信息化阶段。在复杂地质条件板采用铝基板散热结构，使得元器件上的热量快速通下，垂钻系统中的精密随钻仪器与液压动力组件对电过铝基板底面扩散到垂钻钢体结构上。电源原理图如能的要求量越来越大，对电能品质要求也越来

3、越苛刻，并且井下长时间高温环境对电源的性能与寿命也图1所示。是一大考验。因此除去常规性能指标外，井下电源还必须要具备耐高温、高效率和小体积等优点。目前较移相+48v先进的垂钻系统采用泥浆发电机将泥浆压能转换为机整直流电全ZV桥S供电S械能带动永磁发电机发出交流电，再通过大功率电源流变换系统将电能转换为稳定的直流电供随钻测量仪器与液r滤控制波+15V压动力组件使用。泥浆涡轮的转速制约发电机的输出供电：syr。。堕。。一C功率，转速越高，电机输出电压越高、功率越大。因l电Dc／Dc片——瞄；I采集机信此垂钻系统的大功率电源也必须适应宽范围的

4、电压输电源系统人，为控制系统稳定供电。图1电源原理图1方案设计与技术指标1．2功能模块分析与参数指标llJ1．1总体方案设计电源稳定输出48V、+l5V、一15V和+5V电压，针对井下特殊环境与垂钻本体结构特点，在满足额定功率200W。系统包括整流滤波模块、移相全桥功率要求的前提下，方案设计时要更多的考虑电源耐ZVS变换模块、DC／DC变换模块和单片机数字处理高温设计与结构工艺设计。随着下井深度的增加，每模块：钻进10001TI温升30℃，这对本身发热量大的电源功(1)整流滤波模块将三相交流电转换为稳定的直率器件提出了更加苛刻的要求。因

5、此，井下电源的设流电输出给移相全桥ZVS变换模块，并经过DC／DC计最主要是提高电能效率、减少功耗，这样电源的功集成模块向前者和单片机提供+15V与+5V供电电压；率元器件就会减少发热，在井下高温环境中避免烧(2)移相全桥ZVS变换模块是系统的核心控制坏。另一方面，要有合理的散热结构使得热量最大限器，将宽范围的直流电经过精确的移相全桥PWM控度的排出，保证电源在较好的环境中运行。制，产生稳定的48V直流电为总供电输出，提供大功为解决上述问题，本设计采用了“软开关”技率电能供液压机械组件和随钻仪器使用；第一作者简介：解庆，男，1984年生

6、，工程师，硕士研究生，毕业于四川工业学院机械电子工程专业，现在北京精密机电控制设备研究所从事技术研发工作邮编：100076石油仪器·26·PETROLEUMINSTRUMENIS2012年8月(3)、DC／DC模块把48V直流电转换为多路电压制电路加入了死区时间△t。它是根据开通延时和关断信号，输出随钻控制系统所需的+15V、一15V和+5V不延时原则来设置同一桥臂死区时问。S1和S、S2和电源；s3之间的驱动信号存在移相角，通过调节角的大小，(4)、单片机数字处理模块采集系统的电压、电可调节输出电压的大小，实现稳压控制。图3为ZVS流

7、信号，通过CAN总线向随钻测量仪器传输供系统变换器在一个开关周期内主要波形。监控。电源技术指标见表1。表1电源技术指标功能分项指标输入要求整萎嚣誉蓍围∞RPvM～~3∞50v0M输出电压48V、+15V、一15V、+5V输出要求纹波电压范围100mV图2移相全桥ZVS软开关电源的主电路拓扑结构图输出功率200W性能要求电率过压关：。流关断环境要求张譬振动2⋯015Hz～500Hz随机黝振动2移相全桥ZVS软开关变换器2．1软开关技术L2上世纪80年代起发展和应用的DC／DCPWM功,itliiii率变换技术是一种“硬开关”技术，为缩小电

8、源体积、提高功率密度，从提高开关电源的工作频率做变压器T-原边电压]⋯一．L～1．起，但却降低效率增加了发热，因为开关管的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗，驱动损耗图3ZVS电路各模态波形随工作频