黄显汤
【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術。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，且满足设计要求：电压超前电流，系统工作在偏感性的串联谐振状态。
图5 负载回路波形
图6 稠油感应加热装置远程监控
如图6所示为稠油加热装置的监控系统，在此处可以对加热器进行频率及输出温度设置并可以反馈一些实际的输出和效果反馈。非常方便了操作人员根据实际情况进行集中监控各个分区的加热装置。
7.总结
本文以Atmega128为控制核心，完成了输油管道高频感应加热系统的设计。利用高频加热电源产生交流电，利用集肤效应、圆环效应和邻近效应对空心抽油杆进行加热。通过实际现场测试，系统运行稳定，效果良好，且热效率高并实现了远程监控系统，使得操作人员可以更加方便直观地对加热设备进行远程操控。
参考文献
[1]熊一频，沈锦飞，初中原.基于IGBT倍频式180kHz感应加热电源研究[J].电力电子技术，2008，42（11）.
