專利名稱：適用于原油脫水的全數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流電源裝置，具體地 說(shuō)，是一種適用于原油電脫水和電脫鹽的全數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流電源
直O(jiān)
背景技術(shù)：
地層里的原油不可避免地含有大量的水和鹽類，而且隨著油田進(jìn)入高含水期開(kāi)采 階段，大部分油井采出液的綜合含水量高達(dá)90%。另外，為了提高采收率，一般采用三次采 油技術(shù)進(jìn)行原油開(kāi)采，通過(guò)向地下注入驅(qū)油劑驅(qū)出原油，這些驅(qū)油劑使采出液的組成和油 水乳化狀態(tài)極為復(fù)雜，乳化液粘度大、分散相顆粒細(xì)微，對(duì)這些采出液進(jìn)行破乳和沉降操作 都很困難，而且導(dǎo)致油品的絕緣性變差，常使電脫水器極板間產(chǎn)生短路現(xiàn)象。原油含水量高 和油水乳化狀態(tài)復(fù)雜對(duì)后續(xù)的儲(chǔ)運(yùn)、煉制加工等環(huán)節(jié)都帶來(lái)了許多負(fù)面影響，因此在油田 一般需要對(duì)原油進(jìn)行脫水處理以使其外輸前的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0. 5% ；且在煉油廠進(jìn)蒸 餾裝置前需要進(jìn)一步進(jìn)行脫水、脫鹽處理而使其含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低為0. 0. 2%，并使 鹽類組分的質(zhì)量濃度小于5mg/L。如果三次采出液油水處理工藝技術(shù)得不到很好地解決，將 成為制約三次采油技術(shù)推廣及老油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的關(guān)鍵。原油電脫水依靠電場(chǎng)力的作用對(duì)油 包水型乳化液進(jìn)行破乳脫水，因其效率高、速度快而在各油田得到了普遍應(yīng)用。分散相水顆粒之所以能懸浮在原油中并能穩(wěn)定相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，是因?yàn)榉稚⑾嗨w粒 周圍有一層乳化膜。乳化膜既能與分散相水顆粒產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力，也能與原油產(chǎn)生較強(qiáng) 的結(jié)合力，要使分散相水顆?？焖俪两?，必須把乳化膜打碎。一般情況下原油中的小分散相 水顆粒內(nèi)部都含有鹽類的正、負(fù)離子，在原油中加上高頻高壓交流電場(chǎng)后，小分散相水顆粒 被極化，這些正負(fù)離子會(huì)向電場(chǎng)的正、反方向快速移動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦熱，不斷克服膜強(qiáng)度。被 極化的小分散相水顆粒相結(jié)合形成大分散相水顆粒，加速沉降使油水分離(圖1)。交變電 場(chǎng)的頻率同樣存在適合脫水的最優(yōu)值，在該頻率下，平均撞擊力強(qiáng)。原油電脫水的效果還與電壓的波形有關(guān)。2001年，美國(guó)Natco集團(tuán)通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出 了不利于脈沖DC電場(chǎng)的結(jié)論在相同的頻率下，為獲得同樣的聚結(jié)效率脈沖DC電場(chǎng)所需施 加的電場(chǎng)強(qiáng)度要比AC電場(chǎng)所需施加的電場(chǎng)強(qiáng)度高。普通交流脫水電源為低頻正弦交流或 近似正弦交流，屬緩慢變化的電場(chǎng)，對(duì)乳化膜的沖擊力不強(qiáng)。交流矩形波電場(chǎng)由零開(kāi)始瞬間 躍變到極大值，使分散相水顆粒中的正、負(fù)離子得到最大限度的加速，可以對(duì)乳化膜形成強(qiáng) 烈的沖擊。原油脫水需要一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，但強(qiáng)度要合適，太高會(huì)產(chǎn)生電分散，使分散相水顆 粒以更細(xì)的顆粒懸浮在原油中；太低水顆粒間不能發(fā)生震蕩聚結(jié)及偶極聚結(jié)，不能實(shí)現(xiàn)油 水快速分離。從乳化液的電性能可知，任何乳化液都有其臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)外加的電場(chǎng)強(qiáng) 度超出其臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，乳狀液會(huì)發(fā)生短路，電場(chǎng)消失后短路會(huì)消失，不同性質(zhì)的乳化液其臨界電場(chǎng)強(qiáng)度、短路形成時(shí)間和短路消失時(shí)間也各不相同。特別是三次采出液臨界擊穿 電壓低，短路消失時(shí)間長(zhǎng)，用常規(guī)電脫水器很難送電，且經(jīng)常造成脫水器電極間短路，對(duì)原 油脫水非常不利?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整原油脫水電源高頻矩形波的頻率和占空比，使高頻脈沖輸出 時(shí)間(脈沖寬度)小于短路形成時(shí)間，高頻脈沖的間隔時(shí)間大于短路消失時(shí)間。也就是說(shuō)， 乳狀液短路形成之前，高頻交流脈沖就消失，乳狀液短路消失，絕緣性能恢復(fù)后再出現(xiàn)下一 個(gè)脈沖。綜上所述，為了獲得較好的脫水效果，在實(shí)際的原油脫水工藝中需要根據(jù)原油的 含水率、表面張力、密度、壓力、溫度等參數(shù)按照一定的數(shù)學(xué)關(guān)系模型來(lái)調(diào)整原油脫水電源 矩形波的頻率、電壓和占空比等參數(shù)，并控制電源在該參數(shù)下運(yùn)行。目前，電脫水器使用的 交流電源主要有兩種形式。一種是工頻50Hz的正弦交流高壓電源。該高壓電源用于原油 時(shí)，存在一定的小水珠分散電場(chǎng)區(qū)和無(wú)效電場(chǎng)區(qū)，脫水效率低。另一種是采用一次逆變結(jié)構(gòu)的逆變式原油脫水電源(圖2)，逆變電路的前級(jí)直流 輸入采用可控或不可控全波整流模式。中國(guó)石化勝利油田有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院申請(qǐng)的 中國(guó)專利(授權(quán)號(hào)CN1171957C)闡述了一種高頻脈沖原油電脫水裝置，該裝置為采用一次 逆變結(jié)構(gòu)的逆變式脫水電源，由高頻電源發(fā)生器、高頻變壓整流器和高頻電脫水器等組成。 高頻電源發(fā)生器主要由三相硅整流電路、變頻主電路、驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、脈沖升壓 電路組成，高頻電源發(fā)生器產(chǎn)生的矩形波經(jīng)高頻變壓整流器后輸出功率為5 50kVA，電壓 為20 35kV(可調(diào))，頻率為1000 2500Hz (無(wú)級(jí)調(diào)節(jié))的矩形方波。該原油電源脫水裝 置存在效率低、體積大、輸出電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)大和調(diào)節(jié)困難、脈沖頻率穩(wěn)定性差且調(diào)節(jié)困難等 缺點(diǎn)。在美國(guó)Natco集團(tuán)申請(qǐng)的美國(guó)專利US6860979B2和US7351320B2中，分別闡述了 雙頻和復(fù)頻靜電聚結(jié)處理技術(shù)。兩個(gè)專利中的靜電聚結(jié)電源系統(tǒng)都是由基于PC的控制器、 整流器、調(diào)節(jié)器、斬波器和中頻升壓變壓器等組成。工作過(guò)程中將首先將三相交流電整流產(chǎn) 生一直流電壓，調(diào)節(jié)器將直流電壓調(diào)節(jié)成以頻率f2變化的各種形式的電壓信號(hào)；斬波器將 該電壓信號(hào)逆變成以基頻fi變化的交流電壓，供給中頻升壓變壓器的原邊，中頻升壓變壓 器將該輸入電壓升高到足以產(chǎn)生水顆粒有效聚結(jié)的程度。升壓變壓器副邊的電壓輸出由一 系列頻率為1的基本交流信號(hào)組成，但與此同時(shí)該基本信號(hào)的交流峰值電壓又以頻率4變 化(f2也被稱為調(diào)整頻率)。一般情況下，fi要遠(yuǎn)大于&，其中fi的取值范圍在60 2500Hz 之間，f2的取值范圍在0. 1 IOOHz之間。該靜電聚結(jié)電源系統(tǒng)的基頻較低且調(diào)節(jié)范圍小， 此外還不能調(diào)整基頻信號(hào)的占空比。從橋式逆變電路的控制方式來(lái)看，圖2所示的橋式逆變電路的頻率和脈寬一般采 用模擬控制方式，脈寬調(diào)制(PWM)波形的生成采用SG3525、UC3846、TL494等模擬PWM控制 芯片。模擬控制方式元器件數(shù)目眾多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行復(fù)雜控制的能力受 到電路結(jié)構(gòu)的制約。同時(shí)數(shù)目眾多的元器件也增加了控制器的調(diào)試難度，降低了控制系統(tǒng) 的穩(wěn)定性、可靠性和維護(hù)性。另外，模擬PWM控制芯片因電壓不穩(wěn)，存在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)半 周導(dǎo)通時(shí)間不等、PWM波形的頻率和脈寬穩(wěn)定性較差且調(diào)節(jié)困難等固有缺陷，導(dǎo)致原油脫水 電源主變壓器和升壓變壓器容易發(fā)生偏磁和運(yùn)行噪聲大等缺點(diǎn)。2009年4月，中國(guó)石油大學(xué)(華東)申請(qǐng)了矩形波交流原油脫水電源的專利(申 請(qǐng)?zhí)?00910020710. X)，闡述了一種由基于半橋逆變結(jié)構(gòu)的直流調(diào)壓電路、全橋逆變矩形波生成電路、以TL494脈寬調(diào)制芯片為核心的調(diào)壓控制電路、基于SG3525脈寬調(diào)制芯片為核 心的矩形波生成控制電路、以PLC與工控觸摸屏為基礎(chǔ)的優(yōu)化控制電路和中頻升壓變壓器 組成的矩形波交流原油脫水電源。雖然該矩形波原油脫水電源的主電路采用二次逆變結(jié) 構(gòu)，但調(diào)壓控制電路和矩形波生成控制電路仍采用前述模擬控制方式，而且主電路一次整 流濾波電路交流輸入僅采用單相交流(220V/50HZ)輸入，導(dǎo)致原油脫水電源輸出功率受到 局限。另外，采用PLC輸出模擬信號(hào)到調(diào)壓控制電路和矩形波生成控制電路來(lái)調(diào)制電源輸 出的電壓、頻率和脈寬，具有成本高和控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。鑒于上述原因，有必要進(jìn)一步研制新型全數(shù)字控制二次逆變式矩形波交流原油脫 水電源來(lái)克服上述原油脫水電源裝置的不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有一次逆變結(jié)構(gòu)原油脫水電源效率低、重量大和前級(jí)直流輸入電壓調(diào) 節(jié)步長(zhǎng)大的缺點(diǎn)；避免模擬控制方式輸出PWM波形一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)半周導(dǎo)通時(shí)間不相等、 PWM波形的頻率和脈寬穩(wěn)定性較差且調(diào)節(jié)困難等固有缺陷；解決模擬控制電路難以根據(jù)一 定數(shù)學(xué)模型對(duì)脫水電源電壓、脈寬和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的難題，本發(fā)明提供了一種新型的全數(shù) 字控制二次逆變結(jié)構(gòu)的原油脫水電源裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻交流原油脫水電源裝置，其特殊之處在于包括 整流濾波電路，用于對(duì)單相或三相交流電進(jìn)行整流濾波處理，獲得直流電壓輸出；一次橋式 逆變直流調(diào)壓電路，與所述整流濾波電路連接，用于對(duì)所述直流電壓進(jìn)行高頻逆變處理，通 過(guò)占空比調(diào)制整流，輸出電壓大小可按需快速調(diào)節(jié)的直流電壓；二次橋式逆變電路，與所述 一次橋式逆變直流調(diào)壓電路連接，用于對(duì)所述快速調(diào)節(jié)的直流電壓進(jìn)行逆變處理，通過(guò)頻 率和占空比調(diào)制，向升壓變壓器原邊輸出幅值、頻率和占空比均可按需調(diào)節(jié)的交流電壓；升 壓變壓器，與所述二次橋式逆變電路連接，用于將變壓器原邊前述交流電壓升高到足以產(chǎn) 生水顆粒有效聚結(jié)的程度；以微處理器為核心的數(shù)字控制電路，用于按照控制需求產(chǎn)生數(shù) 字PWM控制信號(hào)，控制一次橋式逆變直流調(diào)壓電路和二次橋式逆變電路。其中，所述整流濾 波電路由整流橋電路MD、濾波電容C構(gòu)成；所述整流濾波電路其各端子的連接為三相或單 相交流電的U端、V端、W端分別與整流橋電路MD的1端、2端、3端連接，整流橋電路MD的 4端和5端之間并聯(lián)有濾波電容C。其中，所述一次橋式逆變直流調(diào)壓電路由橋式逆變電路、第一變壓器B1、第一二極 管0工、第二二極管D2、第一續(xù)流電感！^、第三電容C3、第一電壓傳感器、第一驅(qū)動(dòng)電路、第一閉 環(huán)PWM控制電路組成；所述一次橋式逆變直流調(diào)壓電路各端子的連接為整流橋電路MD的 4端連接至第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極C，整流橋電路MD的5端連接至第二功率開(kāi)關(guān)管T2 的發(fā)射極E ；逆變電路采用全橋或半橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一功率開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極E與 第二功率開(kāi)關(guān)管T2的集電極C相連；第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極C經(jīng)第一電容C1后連接 在第一變壓器B1的A端，第二功率開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E經(jīng)第二電容C2后連接在第一變壓器 B1的A端；第一變壓器B1的B端連接在第一功率開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極E與第二開(kāi)關(guān)管T2的 集電極C之間；第一變壓器B1的C端經(jīng)第一二極管D1后與第一續(xù)流電感L1的1端連接，第 一變壓器B1的D端經(jīng)第二二極管&后與第一續(xù)流電感L1的1端連接；第一續(xù)流電感L1的2端與第三電容C3的1端相連，第一變壓器B1的E端與第三電容C3的2端相連，且第三電 容C3兩端并有第一電壓傳感器；第一電壓傳感器將采集到的第三電容C3兩端的電壓Vf (即 一次逆變電路輸出電壓或二次逆變電路的輸出電壓)反饋給第一 PWM閉環(huán)控制電路，第一 PWM閉環(huán)控制電路對(duì)接收的反饋電壓信號(hào)Vf與給定電壓信號(hào)Vg進(jìn)行差值比較后閉環(huán)控制 輸出第一 PWM脈沖，所述的第一脈沖經(jīng)第一驅(qū)動(dòng)電路后分別作用在第一功率開(kāi)關(guān)管T1的柵 極G和第二功率開(kāi)關(guān)管T2的柵極G上。其中，所述的二次橋式逆變電路，由第三功率開(kāi)關(guān)管 T3、第四功率開(kāi)關(guān)管T4、第五功率開(kāi)關(guān)管T5、第六功率開(kāi)關(guān)管T6組成。所述二次橋式逆變電 路各端子的連接為前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的正極(即續(xù)流電感L1的2端或第三 電容C3的1端)分別與第三功率開(kāi)關(guān)管T3的集電極C端、第五功率開(kāi)關(guān)T5的集電極C端 相連；前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的負(fù)極(即第一變壓器B1的E端與第三電容C3的2 端)分別與第四功率開(kāi)關(guān)T4的發(fā)射極E端、第六功率開(kāi)關(guān)T6的發(fā)射極E端相連；第三功率 開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端相連，第五功率開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射 極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C端相連；升壓變壓器化的A端連接在第三功率開(kāi)關(guān) 管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端之間，升壓變壓器化的B端連接在第 五功率開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C端之間。其中，所述的以微 處理器為核心的數(shù)字控制電路，控制一次橋式逆變電路直流調(diào)壓電路按需迅速調(diào)整輸出電 壓大小，并可根據(jù)要求數(shù)字控制輸出電壓以特定形式的波形(如正弦形式、指數(shù)形式等)按 某種頻率周期變化。其中，所述的數(shù)字控制電路控制一次橋式逆變直流調(diào)壓電路，其中閉環(huán) 反饋控制采用定頻調(diào)制脈寬模式，控制算法采用數(shù)字增量式PID算法。其中，所述的數(shù)字控 制電路控制一次橋式逆變直流調(diào)壓電路，其中數(shù)字式PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是利用微處 理器生成相位相差180°并且脈寬可調(diào)的雙端PWM信號(hào)，所述數(shù)字控制電路生成雙端PWM的 方法為直接滯后法，該方法需使用微處理器的兩個(gè)定時(shí)器資源，兩個(gè)定時(shí)器設(shè)置完全相同， 同時(shí)啟動(dòng)，只是第二個(gè)定時(shí)器的初值比第一個(gè)定時(shí)器的初值大半個(gè)周期；調(diào)制雙端PWM信 號(hào)的脈寬只需更改比較寄存器的值。其中，所述的以微處理器為核心的數(shù)字控制電路，采用 數(shù)字控制電路數(shù)字控制二次橋式逆變電路的交流輸出的頻率和占空比。其中，所述的數(shù)字 控制電路控制二次橋式逆變電路，在數(shù)字控制電路產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的頻率在fmin 40kHz 之間時(shí)仍采用前述直接滯后法；產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的頻率在0 fmin之間(低頻雙端PWM 信號(hào))時(shí)則需對(duì)寄存器計(jì)數(shù)周期和比較匹配次數(shù)都進(jìn)行計(jì)數(shù)后，再采取相應(yīng)操作。其中， 輸出功率為5 IOOkVA,矩形波交流電壓輸出電壓在100V 40kV之間連續(xù)可調(diào)，頻率在 OHz 40kHz之間連續(xù)可調(diào)，脈寬在0 49%之間連續(xù)可調(diào)。 本發(fā)明數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流原油脫水電源裝置的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)與采用一次逆變結(jié)構(gòu)的原油脫水電源相比，效率高、重量輕、電壓調(diào)節(jié)性能好；(2) —次 逆變直流調(diào)壓電路和二次逆變電路均采用數(shù)字化PWM控制方式，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便； ⑶利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)生的雙端PWM與模擬PWM集成芯片相比，頻率和脈寬穩(wěn) 定性高，一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)半周導(dǎo)通時(shí)間嚴(yán)格相等，在一定程度上抑制了一次逆變電路變壓 器和升壓變壓器偏磁現(xiàn)象的發(fā)生；(4) 二次逆變式矩形波交流原油脫水電源采用數(shù)字化控 制后，易于采集被脫水原油的含水率、密度、壓力、溫度等參數(shù)，根據(jù)一定數(shù)學(xué)模型對(duì)脫水 電壓、脈寬和頻率進(jìn)行復(fù)雜控制，進(jìn)一步提高脫水生產(chǎn)效率；( 由于主電路采用二次逆變 結(jié)構(gòu)和控制方式采用數(shù)字控制，電源輸出功率為5 lOOkVA，矩形波交流電壓輸出電壓在100V 40kV之間連續(xù)可調(diào)，頻率在OHz 40kHz之間連續(xù)可調(diào)，脈寬在0 49%之間連續(xù)可調(diào)。


圖1為原油電脫水過(guò)程的示意2為采用一次逆變結(jié)構(gòu)的逆變式原油脫水電源結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流原油脫水電源電路的結(jié) 構(gòu)框4為直接滯后法產(chǎn)生fmin 40kHz雙端PWM過(guò)程的示意5為微處理器產(chǎn)生低頻(0 fmin)雙端PWM信號(hào)的主程序流程6為微處理器產(chǎn)生低頻雙端PWM信號(hào)的定時(shí)器周期中斷服務(wù)流程7為微處理器產(chǎn)生低頻雙端PWM信號(hào)的定時(shí)器比較中斷服務(wù)流程圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見(jiàn)圖3所示，本發(fā)明所述的數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流原油脫水 電源裝置由整流濾波電路、一次橋式逆變直流調(diào)壓電路、二次橋式逆變電路、升壓變壓器及 以微處理器為核心的數(shù)字控制電路組成。在本發(fā)明中，所述一次整流濾波電路由整流橋MD、 濾波電容C構(gòu)成。所述一次橋式逆變直流調(diào)壓電路由橋式逆變電路、第一變壓器B1、第一二 極管D1、第二二極管D2、第一續(xù)流電感！^、第三電容C3、第一電壓傳感器、第一驅(qū)動(dòng)電路、第一 閉環(huán)PWM控制電路組成。其各端子的連接為三相或單相交流電的U端、V端、W端分別與整 流橋電路MD的1端、2端、3端連接，整流橋電路的4端和5端之間并聯(lián)有濾波電容C ；整流 橋電路MD的4端連接至第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極C，整流橋電路MD的5端連接至第二 功率開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E ；逆變電路采用全橋或半橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一功率開(kāi)關(guān)管T1 的發(fā)射極E與第二功率開(kāi)關(guān)管T2的集電極C相連；第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極C經(jīng)第一電 容C1后連接在第一變壓器B1的A端，第二功率開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E經(jīng)第二電容C2后連接 在第一變壓器B1的A端；第一變壓器B1的B端連接在第一功率開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極E與第 二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C之間；第一變壓器B1的C端經(jīng)第一二極管D1后與第一續(xù)流電感L1 的1端連接，第一變壓器B1的D端經(jīng)第二二極管D2后與第一續(xù)流電感L1的1端連接；第一 續(xù)流電感L1的2端與第三電容C3的1端相連，第一變壓器B1的E端與第三電容C3的2端 相連，且第三電容C3兩端并有第一電壓傳感器；第一電壓傳感器將采集到的第三電容C3兩 端的電壓Vf (即一次逆變電路輸出電壓或二次逆變電路的輸出電壓)反饋給第一 PWM閉環(huán) 控制電路，第一閉環(huán)控制電路對(duì)接收的反饋電壓信號(hào)Vf與給定電壓信號(hào)Vg進(jìn)行差值比較后 閉環(huán)控制輸出第一 PWM脈沖，所述第一脈沖經(jīng)第一驅(qū)動(dòng)電路后分別作用在第一功率開(kāi)關(guān)管 T1的柵極G和第二功率開(kāi)關(guān)管T2的柵極G上。在本發(fā)明中，所述的二次逆變電路由第三功率開(kāi)關(guān)管T3、第四功率開(kāi)關(guān)管T4、第五 功率開(kāi)關(guān)管T5、第六功率開(kāi)關(guān)管T6組成。前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的正極(即續(xù)流 電感L1的2端或第三電容C3的1端)分別與第三功率開(kāi)關(guān)管T3的集電極C端、第5功率 開(kāi)關(guān)T5的集電極C端相連；前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的負(fù)極(即第一變壓器B1的E端與第三電容C3的2端)分別與第四功率開(kāi)關(guān)T4的發(fā)射極E端、第六功率開(kāi)關(guān)T6的發(fā)射 極E端相連；第三功率開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端相連，第 五功率開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C端相連；升壓變壓器化的 A端連接在第三功率開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端之間，升壓 變壓器化的B端連接在第五功率開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C 端之間；升壓變壓器化的C端和D端分別接原油電脫水器的兩個(gè)電極。本發(fā)明采用數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流原油脫水電源裝置的工作 原理是一次橋式逆變直流調(diào)壓電路得到可控的直流電壓輸出，直流電壓由第一 PWM閉環(huán) 控制電路進(jìn)行控制；二次橋式逆變電路對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變后，經(jīng)升壓變壓器升壓后得到 頻率、電壓、脈寬均可控的高壓變頻矩形波交流電壓輸出，接原油電脫水器的電極板上向原 油乳化液提供電能；矩形波交流電源的電壓由第一 PWM閉環(huán)控制電路調(diào)節(jié)；矩形波交流電 源的頻率、脈寬由第二 PWM控制電路調(diào)節(jié)。本發(fā)明一次橋式逆變直流調(diào)壓電路的輸出電壓范圍為0. 5 500V。本發(fā)明向原油電脫水器提供的變頻矩形波交流電源輸出的電壓調(diào)節(jié)范圍在 100V 40kV之間，頻率的調(diào)節(jié)范圍為OHz 40kHz，脈寬的調(diào)節(jié)范圍為0 49%。本發(fā)明所述的第一 PWM閉環(huán)控制電路以微處理器為核心，一次橋式逆變直流調(diào)壓 電路的恒壓閉環(huán)反饋控制采用定頻調(diào)制脈寬模式，控制算法采用數(shù)字增量式PID算法?；?于微處理器的數(shù)字式PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)利用微處理器生成相位相差180°并且脈寬可調(diào)的 雙端PWM信號(hào)。本發(fā)明所使用生成雙端PWM的方法可稱為直接滯后法，該方法需使用微處 理器的兩個(gè)定時(shí)器資源，兩個(gè)定時(shí)器設(shè)置完全相同且同時(shí)啟動(dòng)，只是第二個(gè)定時(shí)器的初值 比第一個(gè)定時(shí)器的初值大半個(gè)周期。直接滯后法能簡(jiǎn)便地生成相位相差180°的雙端PWM。 對(duì)于帶有PWM特殊功能輸出口的微處理器的定時(shí)器資源，一般都具有比較寄存器和周期寄 存器，并且比較寄存器和周期寄存器具有自動(dòng)重裝載功能。設(shè)圖4所示的雙端PWM信號(hào)的 周期為T，每路PWM信號(hào)的正頻寬為Tw，微處理器定時(shí)器資源的計(jì)數(shù)輸入頻率為T。pu。則周 期寄存器值TrfR的計(jì)算公式為TrfR = TXTcpu-I,比較寄存器值的計(jì)算公式為TxCMPR = TxPR-TwXT。pu，產(chǎn)生第一 PWM信號(hào)的定時(shí)器初值為0，產(chǎn)生第二 PWM信號(hào)的定時(shí)器初值為 Tdni = TXf。pu/21。雙端PWM的具體產(chǎn)生過(guò)程如圖4所示，調(diào)制雙端PWM信號(hào)的脈寬只需 更改比較寄存器的值。前述直接滯后法所能產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的最低頻率fmin = f。pu/TXPRMaX，其中 TxPRMax為該微處理器定時(shí)器寄存器的最大計(jì)數(shù)值。因此，本發(fā)明第二 PWM控制電路產(chǎn)生雙 端PWM信號(hào)的頻率在fmin 40kHz之間時(shí)仍采用前述直接滯后法；產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的頻率 在0 fmin之間(低頻雙端PWM信號(hào))時(shí)則需對(duì)寄存器計(jì)數(shù)周期和比較匹配次數(shù)都進(jìn)行計(jì) 數(shù)后，再采取相應(yīng)操作。設(shè)雙端PWM信號(hào)的周期為T，則半周期對(duì)應(yīng)的總計(jì)數(shù)值為TxPRSum =f。puXT/2，需計(jì)數(shù)的總周期數(shù)為TxPRTime = TxPRSum/TxPRMax，最后一個(gè)周期的計(jì)數(shù)值 為iTxPRLast = TxPRSum TxPRTimeXTxPRMax0設(shè)雙端PWM信號(hào)的占空比為D，則總的比較 值為 I1XCMPSum = TxPRSumXD,總的比較匹配次數(shù)為 iTxCMPTime = TxCMPSum/TxPRMax,比較 寄存器的計(jì)數(shù)值為IiXCMPRS = TxCMPSum-TxPRMax X TxCMPTime。微處理器產(chǎn)生0 fmin之 間的低頻雙端PWM信號(hào)時(shí)，主程序流程如圖5所示。利用變量TxPRCur表征當(dāng)前所在的計(jì) 數(shù)周期數(shù)，定時(shí)器周期中斷服務(wù)的程序流程如圖6所示。定時(shí)器比較中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。 最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照 較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù) 方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種適用于原油脫水的全數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流電源裝置，其特 征在于包括整流濾波電路，用于對(duì)單相或三相交流電進(jìn)行整流濾波處理，獲得直流電壓輸 出；一次橋式逆變直流調(diào)壓電路，與所述整流濾波電路連接，用于對(duì)所述直流電壓進(jìn)行高頻 逆變處理，通過(guò)占空比調(diào)制整流，輸出電壓大小可按需快速調(diào)節(jié)的直流電壓；二次橋式逆變 電路，與所述一次橋式逆變直流調(diào)壓電路連接，用于對(duì)所述快速調(diào)節(jié)的直流電壓進(jìn)行逆變 處理，通過(guò)頻率和占空比調(diào)制，向升壓變壓器原邊輸出幅值、頻率和占空比均可按需調(diào)節(jié)的 交流電壓；升壓變壓器，與所述二次橋式逆變電路連接，用于將變壓器原邊前述交流電壓升 高到足以產(chǎn)生水顆粒有效聚結(jié)的程度；以微處理器為核心的數(shù)字控制電路，用于按照控制 需求產(chǎn)生數(shù)字PWM控制信號(hào)，控制一次橋式逆變直流調(diào)壓電路和二次橋式逆變電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于所述整流濾波電路由整流橋電路MD、 濾波電容C構(gòu)成；所述整流濾波電路其各端子的連接為三相或單相交流電的U端、V端、W 端分別與整流橋電路MD的1端、2端、3端連接，整流橋電路MD的4端和5端之間并聯(lián)有濾 波電容C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于所述一次橋式逆變直流調(diào)壓電路由 橋式逆變電路、第一變壓器B1、第一二極管D1、第二二極管D2、第一續(xù)流電感！^、第三電容C3、 第一電壓傳感器、第一驅(qū)動(dòng)電路、第一閉環(huán)PWM控制電路組成；所述一次橋式逆變直流調(diào)壓 電路各端子的連接為整流橋電路MD的4端連接至第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極C，整流橋 電路MD的5端連接至第二功率開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極E ；逆變電路采用全橋或半橋逆變電路拓 撲結(jié)構(gòu)，第一功率開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極E與第二功率開(kāi)關(guān)管T2的集電極C相連；第一功率開(kāi) 關(guān)管T1的集電極C經(jīng)第一電容C1后連接在第一變壓器B1的A端，第二功率開(kāi)關(guān)管T2的發(fā) 射極E經(jīng)第二電容C2后連接在第一變壓器B1的A端；第一變壓器B1的B端連接在第一功 率開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極E與第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極C之間；第一變壓器B1的C端經(jīng)第一二 極管D1后與第一續(xù)流電感L1的1端連接，第一變壓器B1的D端經(jīng)第二二極管&后與第一 續(xù)流電感L1的1端連接；第一續(xù)流電感L1的2端與第三電容C3的1端相連，第一變壓器B1 的E端與第三電容C3的2端相連，且第三電容C3兩端并有第一電壓傳感器；第一電壓傳感 器將采集到的第三電容仏兩端的電壓Vf (即一次逆變電路輸出電壓或二次逆變電路的輸出 電壓)反饋給第一 PWM閉環(huán)控制電路，第一 PWM閉環(huán)控制電路對(duì)接收的反饋電壓信號(hào)Vf與 給定電壓信號(hào)Vg進(jìn)行差值比較后閉環(huán)控制輸出第一 PWM脈沖，所述的第一脈沖經(jīng)第一驅(qū)動(dòng) 電路后分別作用在第一功率開(kāi)關(guān)管T1的柵極G和第二功率開(kāi)關(guān)管T2的柵極G上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于所述的二次橋式逆變電路，由第三功 率開(kāi)關(guān)管T3、第四功率開(kāi)關(guān)管T4、第五功率開(kāi)關(guān)管T5、第六功率開(kāi)關(guān)管T6組成，所述二次橋 式逆變電路各端子的連接為前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的正極(即續(xù)流電感L1的2 端或第三電容C3的1端)分別與第三功率開(kāi)關(guān)管T3的集電極C端、第五功率開(kāi)關(guān)T5的集 電極C端相連；前述一次逆變直流調(diào)壓回路輸出的負(fù)極(即第一變壓器B1的E端與第三電 容C3的2端)分別與第四功率開(kāi)關(guān)T4的發(fā)射極E端、第六功率開(kāi)關(guān)T6的發(fā)射極E端相連； 第三功率開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端相連，第五功率開(kāi)關(guān)管 T5的發(fā)射極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C端相連；升壓變壓器化的A端連接在第 三功率開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極E端與第四功率開(kāi)關(guān)管T4的集電極C端之間，升壓變壓器化的B 端連接在第五功率開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射極E端與第六功率開(kāi)關(guān)管T6的集電極C端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于所述的以微處理器為核心的數(shù)字控 制電路，控制一次橋式逆變電路直流調(diào)壓電路按需迅速調(diào)整輸出電壓大小，并可根據(jù)要求 數(shù)字控制輸出電壓以特定形式的波形(如正弦形式、指數(shù)形式等)按某種頻率周期變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電源裝置，其特征在于所述的數(shù)字控制電路控制一次橋式 逆變直流調(diào)壓電路，其中閉環(huán)反饋控制采用定頻調(diào)制脈寬模式，控制算法采用數(shù)字增量式 PID算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電源裝置，其特征在于所述的數(shù)字控制電路控制一次橋式 逆變直流調(diào)壓電路，其中數(shù)字式PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是利用微處理器生成相位相差 180°并且脈寬可調(diào)的雙端PWM信號(hào)，所述數(shù)字控制電路生成雙端PWM的方法為直接滯后 法，該方法需使用微處理器的兩個(gè)定時(shí)器資源，兩個(gè)定時(shí)器設(shè)置完全相同，同時(shí)啟動(dòng)，只是 第二個(gè)定時(shí)器的初值比第一個(gè)定時(shí)器的初值大半個(gè)周期；調(diào)制雙端PWM信號(hào)的脈寬只需更 改比較寄存器的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于所述的以微處理器為核心的數(shù)字控 制電路，采用數(shù)字控制電路數(shù)字控制二次橋式逆變電路的交流輸出的頻率和占空比。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述電源裝置，其特征在于所述的數(shù)字控制電路控制二次橋式逆 變電路，在數(shù)字控制電路產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的頻率在fmin 40kHz之間時(shí)仍采用前述直接 滯后法；產(chǎn)生雙端PWM信號(hào)的頻率在0 fmin之間(低頻雙端PWM信號(hào))時(shí)則需對(duì)寄存器 計(jì)數(shù)周期和比較匹配次數(shù)都進(jìn)行計(jì)數(shù)后，再采取相應(yīng)操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于輸出功率為5 IOOkVA,矩形波交 流電壓輸出電壓在100V 40kV之間連續(xù)可調(diào)，頻率在OHz 40kHz之間連續(xù)可調(diào)，脈寬在 0 49%之間連續(xù)可調(diào)。
全文摘要
一種適用于原油脫水的全數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流電源裝置，它主要包括有整流濾波電路、一次橋式逆變直流調(diào)壓電路、二次橋式逆變電路、升壓變壓器和以微處理器為核心的數(shù)字控制電路及其控制方式；其中一次橋式逆變直流調(diào)壓電路采用數(shù)字增量式PID算法調(diào)節(jié)數(shù)字PWM信號(hào)的脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，二次橋式逆變電路的雙端PWM控制信號(hào)由微處理器直接輸出；高壓變頻矩形波交流電壓輸出的電壓調(diào)節(jié)范圍在100V～40kV之間，頻率的調(diào)節(jié)范圍為0Hz～40kHz，脈寬的調(diào)節(jié)范圍為0～49％。本發(fā)明數(shù)字控制二次逆變式高壓變頻矩形波交流原油脫水電源裝置的優(yōu)點(diǎn)在于(1)與采用一次逆變結(jié)構(gòu)的原油脫水電源相比，效率高、電壓調(diào)節(jié)性能好；(2)一次逆變直流調(diào)壓電路和二次逆變電路均采用數(shù)字化PWM控制方式，有利于抑制變壓器偏磁，并且易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。
文檔編號(hào)G05B19/05GK102097953SQ20091025079
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者俞建榮, 焦向東, 陳家慶, 黃松濤 申請(qǐng)人:北京石油化工學(xué)院