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稠油远程遥控感应加热系统的研究


稠油远程遥控感应加热系统的研究 【摘要】 稠油 (高凝油) 的储量和产量在我国大部分油田占有相当大的比重, 目前国内外对稠油或高凝油的开采多采用热采技术。感应加热具有高效,节能且 可控性好以及易于实现等优点。 本设计以稠油开采加热电源装置为设计对象,以 Atmega128 单片机为控制核心采用 IGBT 大功率开关管以及光耦等电力电子器 件,编程实现了可控交流-直流-交流的稠油高

频感应加热装置。通过 Labview 编 程,此装置还实现了远程监控的功能。通过完善的保护设计,本装置具有稳定性 高,加热速度快,使用方便,成本低等诸多优点。通过实际应用,效果良好。本 装置在稠油油田开采上具有很大的实用性和应用前景。 【关键词】高频;稠油;闭环;IGBT;节能;高效 1.引言 目前解决在油层内稠油能流动的问题主要方法有注蒸汽,注 CO2,火烧油 层等方法。但这些方法多有不便,不易于实施。现有的加热方法也存在一定的问 题。本装置采用电力电子、数字电子以及高频感应加热系统。 2.系统整体方案设计 本系统采用 ATMEGA128 单片机作为主控制器,采用集成光电隔离驱动模 块 HCPL-3120 对 IGBT 的驱动电路进行了设计。集成光电隔离驱动模块一方面 用来避免单片机主控电路与主电路之间的互相影响提高抗扰和安全, 另一方面可 以为 IGBT 提供驱动。 图 1 系统整体结构框图 IGBT 可以通过单片机输出的 PWM 信号的宽度和频率来改变改变输出脉冲 的宽度, 即采用脉宽调制达到直接改变输出交流电压幅值的目的。由软件很容易 实现既变压又变频的目的。感应加热电源装置结构所示。 3.系统工作原理 本设计的逆变器采用双 IGBT 并联单相半桥逆变电路,通过串联谐振电路, 把恒定的直流电压变成 20kHz 方波电压输出给负载。主控电路如图 2 所示。 图 2 感应加热电源主电路 本系统采用三相 380V 的交流电网电压,设计输出 20Khz 电流为 6-10A,功 率再 4-7KW。采用 AC-DC-AC 的设计方式,滤波电路和四个 IGBT 组成的逆变 电路。 主控电路为电压型半桥逆变电路由两个半桥电路并联组合而成,目的是减 轻管子在开通和关断过程中承受的过电压及过电流。两对桥臂交替各导通 180 度。 4.IGBT 驱动及保护 为了提高系统的抗干扰及系统的工作稳定, 本设计采用的 IGBT 驱动电路采 用性价比较高的 AGILENT 公司的光电耦合驱动器件 HCPL-3120。 本设计的驱动电路输出选择+15V 和-10V 为开通和关断电压。 因此 3120 的 5 引脚 VEE 接-10V,8 引脚 VCC 接+15V。电压由整流桥整流得,VCC 与 VEE 之 间接一电容,抑制干扰。HCPL-3120 的 2 引脚接与单片机的 PWM 输出口相连, 实现芯片按指定频率导通和关断。 图 3 下位机设置子程序流程 图 4 IGBT 驱动波形图 5.软件设计 如图 3 所示,软件设计分为单片机软件和上位机软件两个部分的设计。 由于本装置需要操作人员可以远程电脑操控感应加热装置以及实时掌握装 置的运行情况,本装置采用 Labview 来设计上位机界面。 6.实验 图 4 所示为驱动电路输出的隔离驱动波形。上下桥臂输出为互补关系,其开 通电压为+15V,关断负电压为-10V。为了防止 IGBT 上下桥臂直通短路,在上 下桥臂驱动信号之间留有一定的死区时间,死区时间 t=8us 左右。 如图 5 所示为负载回路波形。 输出电压近似为方波, 输出电流近似为正弦波

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