龐恒昌，尤 辰，羅鳳強(qiáng)

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

近幾年我國(guó)大力發(fā)展海洋油氣資源勘探，但是，目前還停留在淺海區(qū)域的開發(fā)。由于受到裝備以及各種技術(shù)條件的限制，深?？碧竭€處于探索階段。為了打破這種瓶頸，海洋電磁勘探邁出了第一步。海洋電磁勘探利用深水發(fā)射源在距離海底一定高度的地方進(jìn)行電流激發(fā)，配合電磁采集站對(duì)海底電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行記錄，最終根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析出海底的地質(zhì)信息。

深水發(fā)射源是海洋電磁勘探的主要設(shè)備，它由勘探船通過鎧裝電纜對(duì)深水發(fā)射源進(jìn)行供電，并在水下拖行工作。發(fā)射源在3～4 km的水下根據(jù)施工要求激發(fā)電流，最大激發(fā)電流可達(dá)1 000 A，屬于大功率儀器。

如果使用普通船用380 V/50 Hz為發(fā)射源供電，由于船用電源電壓較低，鎧裝電纜內(nèi)的電流相對(duì)較大。大電流使鎧裝電纜產(chǎn)生的無功損耗遠(yuǎn)大于深水發(fā)射源的功率，而且電纜會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果選定用船用電源供電，則對(duì)鎧裝電纜的技術(shù)要求非常高。由于船用電源是固定電壓，但深水發(fā)射源需激發(fā)不同幅度的電流，這使深水發(fā)射源的設(shè)計(jì)和加工難度增大。因此研制一套大功率高壓中頻連續(xù)可調(diào)的甲板供電系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 大功率高壓中頻電磁可控源整體框架

大功率高壓中頻電磁可控源的輸入為普通船用380 V/50 Hz電源，輸出為0～4 000 V/400 Hz的可調(diào)電壓?？煽卦磧?nèi)部主要由主控單元和高壓?jiǎn)卧M成。

主控單元以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，內(nèi)部編寫了系統(tǒng)控制程序并搭建了SPWM系列形生成電路，用于生成功能控制信號(hào)和SPWM序列信號(hào)。功能控制信號(hào)用于控制可控源的啟動(dòng)、關(guān)閉等一些基礎(chǔ)功能；SPWM系列信號(hào)控制高壓?jiǎn)卧心孀儤螂娐返哪孀兤骷?。單片系統(tǒng)添加了RS485接口和GPS接口。RS485通信用來接收上位機(jī)傳輸?shù)目刂菩畔?，包括啟?dòng)時(shí)間、輸出電壓等。GPS串口用來接收GPS授時(shí)信息和PPS信號(hào)，用來對(duì)比啟動(dòng)時(shí)間并精準(zhǔn)啟動(dòng)輸出。

高壓?jiǎn)卧獙⑵胀ù?80 V/50 Hz電源進(jìn)行整流濾波[1-2]，轉(zhuǎn)換為單相電。整流濾波后，由兩組逆變器件構(gòu)成逆變橋電路。逆變器件根據(jù)主控單元生成的SPWM系列進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)斷，把單相電轉(zhuǎn)換成幅度相等、寬度按可變化的電壓脈沖系列。通過控制SPWM系列脈沖寬度和周期可對(duì)電壓脈沖系列進(jìn)行變壓變頻，然后經(jīng)過感漏濾波可實(shí)現(xiàn)0～400 V/400 Hz的高壓脈沖系列輸出。最后，將高壓脈沖系列通過10倍變壓器升壓實(shí)現(xiàn)0～4 000 V/400 Hz的電壓輸出，輸出功率最大為200 kW。大功率高壓中頻電磁可控源的整體框架圖如圖1所示。

圖1 大功率高壓中頻電磁可控源整體框架圖

可控源將0～4 000 V/400 Hz的電壓通過鎧裝電纜傳輸給深水發(fā)射源。當(dāng)輸出功率恒定時(shí)，高壓輸出使鎧裝電纜上的電流很小，也就降低了鎧裝電纜上的無功損耗，降低了產(chǎn)生的熱量。因此，不但降低了海洋電磁勘探對(duì)鎧裝電纜的技術(shù)要求，高效率的可控源使深水發(fā)射源大功率發(fā)射得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，可控源輸出電壓的可調(diào)性使深水發(fā)射源輸出電流變?yōu)榭烧{(diào)，降低了深水發(fā)射源的設(shè)計(jì)難度。

2 大功率高壓中頻電磁可控源設(shè)計(jì)

2.1 SPWM波脈寬調(diào)制的設(shè)計(jì)

SPWM波脈寬調(diào)制是大功率高壓中頻電磁可控源實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，利用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形(即SPWM波形)控制逆變橋電路中逆變器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

通過改變PWM波的寬度，即維持他們的相對(duì)寬度，就可以改變可控源輸出電壓幅度，同時(shí)維持輸入頻率不變。通過改變PWM的周期，即維持寬度比例不變，就可以改變輸出頻率，可控源輸出電壓不變。當(dāng)設(shè)置正弦波的周期為400 Hz時(shí)，即可使電源輸出頻率為400 Hz。

可控源采用主控單元編寫程序和搭建波形生成電路生成正弦波和雙極性的等腰三角波。將正弦波設(shè)置為調(diào)制波，將雙極性的等腰三角波設(shè)置為載波。兩波通過比較器進(jìn)行比較，當(dāng)正弦波幅值高于三角波時(shí)，輸出正極性電壓；當(dāng)正弦波幅值低于三角波時(shí)，輸出負(fù)極性電壓。輸出的序列即PWM序列，調(diào)制電路工作原理如圖2所示。

圖2 調(diào)制電路工作原理圖

PWM序列經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后控制逆變橋電路的逆變器件。逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按PWM序列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，產(chǎn)生高壓PWM波。高壓PWM波的幅值范圍為0～400 V/400 Hz，是一種基頻為400 Hz的波，這種波形的諧波能量很強(qiáng)，需要采用大功率的流感變壓器和電容進(jìn)行濾波[3-4]，經(jīng)過變壓濾波后可便可得到0～4 000 V/400 Hz的可調(diào)高壓輸出。

2.2 利用GPS秒脈沖同步可控源相位

在進(jìn)行海洋電磁勘探時(shí)，要求可控源在啟動(dòng)時(shí)刻的輸出電壓相位為零[5]。為了解決這個(gè)問題，可控源以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，采用了中斷接口和RS485通信接口。將GPS的PPS(秒脈沖)信號(hào)接入單片機(jī)的外中斷接口，通過中斷程序不斷捕捉PPS的上升沿。RS485接口用于接收上位機(jī)(控制系統(tǒng))發(fā)送的命令，包括啟動(dòng)時(shí)間、發(fā)射電壓、上限保護(hù)等。同時(shí)，單片機(jī)設(shè)置一個(gè)輸出引腳為正弦波輸出使能引腳，用來使能載波正弦波的零相位輸出。GPS秒脈沖信號(hào)同步輸出相位結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 GPS秒脈沖信號(hào)同步輸出相位結(jié)構(gòu)框圖

GPS在發(fā)送PPS信號(hào)的同時(shí)，會(huì)將實(shí)時(shí)的定位信息和時(shí)間信息發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)對(duì)GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后可得出實(shí)時(shí)時(shí)間信息。單片機(jī)將設(shè)置的啟動(dòng)時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)間作比較來判斷是否到達(dá)啟動(dòng)時(shí)刻。一旦單片機(jī)中斷接口捕捉到PPS的上升沿，并且實(shí)時(shí)時(shí)間為啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，單片機(jī)將使能正弦波輸出功能，使波形生成電路輸出初始為零相位的正弦波。從而，實(shí)現(xiàn)了利用PPS同步可控源輸出相位的功能。

2.3 系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)

1)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大功率高壓中頻電磁可控源屬于大功率源，最大功率可達(dá)200 kW。為了得到低失真的電源輸出，可控源內(nèi)部功率器件的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)的很高(8 kHz)，因此可控源產(chǎn)生的熱量非常大[6]。并且，可控源內(nèi)部使用的元器件耐溫有限，如果不采取有效的散熱措施，將會(huì)損壞器件。解決好可控源的散熱是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

可控源采用水冷與風(fēng)冷結(jié)合的散熱設(shè)計(jì)，將逆變橋電路的逆變器件安裝在水冷散熱板上，通過水泵達(dá)到水冷系統(tǒng)中冷卻液的循環(huán)。冷卻水循環(huán)中設(shè)計(jì)了一處散熱體，通過風(fēng)扇協(xié)助散熱體的散熱，達(dá)到快速散熱的效果。散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

可控源內(nèi)部逆變器件緊貼散熱板安裝，并與散熱板之間涂抹了散熱硅脂。當(dāng)逆變器件工作產(chǎn)生熱量時(shí)，溫度較低的冷卻液可吸收熱量，再通過水循環(huán)將熱量帶走。當(dāng)水循環(huán)內(nèi)冷卻液到達(dá)散熱體時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)會(huì)對(duì)冷卻液進(jìn)一步散熱，大大提高散熱系統(tǒng)的效率。水循環(huán)水箱處安裝有傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控冷卻液的狀態(tài)，如果冷卻液不足，可控源會(huì)發(fā)出警告并停止工作，確?？煽卦吹陌踩?。可控源內(nèi)部安裝多組散熱風(fēng)扇，將可控源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量排到儀器外，防止其內(nèi)部溫度過高。

圖4 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2)安全保護(hù)設(shè)計(jì)

大功率高壓中頻電磁可控源工作在高壓、大電流條件下，如何進(jìn)行安全保護(hù)措施的設(shè)計(jì)尤為重要。

在整體設(shè)計(jì)方面，可控源采用低壓電路驅(qū)動(dòng)高壓電路，高壓部分與人工操作部分完全隔離，弱電與強(qiáng)電隔離。在設(shè)備檢測(cè)和調(diào)試時(shí)，工作人員只需在弱電部分操作即可，避免了高壓傷害。

可控源電路中還設(shè)計(jì)有過壓、過流、欠流、過熱、短路等多種快速保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)故障，在10 μs內(nèi)切斷系統(tǒng)電源。

在高壓逆變電路方面，為防止逆變橋兩組器件換相瞬間的短路，設(shè)計(jì)了死區(qū)保護(hù)時(shí)間[7]，互鎖延遲時(shí)間通過外接電容、電阻值決定，互鎖延遲時(shí)間的設(shè)置根據(jù)逆變的要求綜合考慮。死區(qū)保護(hù)電路圖如圖5所示。

圖5 死區(qū)保護(hù)電路圖

保護(hù)死區(qū)輸出時(shí)序圖如圖6所示。

圖6 死區(qū)保護(hù)輸出時(shí)序圖

在死區(qū)保護(hù)電路中，利用RC電路充放電的特性，可延遲逆變器件的通斷時(shí)間。在逆變接收到開通信號(hào)時(shí)，會(huì)對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)充電達(dá)到一定程度時(shí)，逆變器件才會(huì)開啟導(dǎo)通，而充電時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。

逆變橋進(jìn)行逆變時(shí)，換相脈沖非常大，是母線電壓的4～5倍。若不消除尖沖，就會(huì)擊穿逆變器件，對(duì)器件造成損害，因此吸釋掉尖脈非常重要。稀釋保護(hù)電路采用高壓電容進(jìn)行保護(hù)，可有效地降低換相時(shí)的脈沖幅度，并使輸出變得平緩[8]。吸釋保護(hù)電路圖如圖7所示。

圖7 吸釋保護(hù)電路圖

3 應(yīng)用效果

大功率高壓中頻電磁可控源目前已應(yīng)用到海洋電磁勘探中試驗(yàn)中?？煽卦磁c深水發(fā)射源通過3 000 m鎧裝電纜進(jìn)行連接，可控源維持1 600 V輸出、輸出功率45 kW長(zhǎng)達(dá)十多個(gè)小時(shí)?？煽卦垂ぷ髌陂g，性能穩(wěn)定可靠，內(nèi)部溫度維持在安全范圍。海洋電磁勘探試驗(yàn)期間，可控源最大發(fā)射電壓達(dá)2 400 V，輸出功率達(dá)92.8 kW，工作效率達(dá)到66%，能夠滿足海洋電磁勘探的需求。

4 結(jié)束語

新研制的大功率高壓中頻電磁可控源，具有無功損耗低，輸出功率高，輸出電壓高等特點(diǎn)，降低了為深水發(fā)射源供電鎧裝電纜的技術(shù)要求，為海洋電磁勘探提供了可靠的電源供應(yīng)。同時(shí)，可控源輸出電壓可調(diào)的特性使深水發(fā)射源的設(shè)計(jì)難度降低，對(duì)海洋電磁勘探的發(fā)展有參考價(jià)值。