案例四 原油電脫水高頻高壓脈沖電源研究

1、案例四 原油電脫水高頻高壓脈沖電源研究一 基本原理傳統(tǒng)獲得高壓的方式是通過(guò)升壓變壓器將低電壓升壓至所需要的高電壓，但是由于本電源頻率的要求在1K20KHz，高頻變壓器的材料以及散熱問(wèn)題都嚴(yán)重阻礙了這種方法的應(yīng)用。脈沖同步疊加就是將n個(gè)相同的低壓脈沖電源通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式串接起來(lái)，以獲得高壓脈沖的方法。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于上述方法中只能以單個(gè)電源電壓幅值為基數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)輸出電壓的誤差很大。因此本文設(shè)計(jì)的高頻高壓脈沖電源是由n個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊(一個(gè)電壓可調(diào)模塊和n-1個(gè)電壓固定模塊)同步疊加而成，以此來(lái)提高電源輸出電壓的精度。對(duì)于電壓固定模塊，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輸出電壓為；當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為

2、0。而電壓可調(diào)模塊的電壓與PWM 信號(hào)的占空比D 成正比。故在某一個(gè)時(shí)刻，整個(gè)脈沖電源的輸出為：二 高頻高壓脈沖電源的技術(shù)指標(biāo)及形成電路2.1 電源的技術(shù)指標(biāo)輸入電壓：38010%VAC；輸出電壓：030KV(連續(xù)調(diào)節(jié))；輸出電流：最大2A；最大功率：50KVA；輸出波形：直流脈沖；頻率：1K20K(連續(xù)調(diào)節(jié))；占空比：10%60%。2.2 高壓脈沖形成電路結(jié)構(gòu)高頻高壓脈沖電源如圖2 所示。三相輸入電壓經(jīng)兩個(gè)工頻功率變壓器(單原邊繞組，24 副邊繞組)升壓隔離后由整流塊整流濾波得到直流電壓，然后經(jīng)過(guò)功率開(kāi)關(guān)斬波得到高頻直流脈沖電壓，最后將這些高頻低壓脈沖疊加得到高頻高壓脈沖電壓。圖2中，M0-

3、47為整流模塊：C0-47為整流塊后的濾波電容；D0-47為模塊單元未接入時(shí)提供通路；D00-047可以除掉功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的負(fù)電流沖擊。其中工頻功率變壓器的原邊繞組和副邊繞組采用至少一側(cè)為三角形接法的技術(shù)方案，徹底的消除三次諧波，盡量減少系統(tǒng)的諧波影響。2.3 IGBT 同步驅(qū)動(dòng)電路由于本電源中所有48個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊都由一個(gè)高頻信號(hào)控制斬波，而主控制板往往與強(qiáng)電硬件電路隔得比較遠(yuǎn)，要使脈沖電壓同步疊加，所以就涉及到功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步問(wèn)題，這樣才能提高脈沖形成電路的可靠性和輸出高壓脈沖的質(zhì)量。因此，在本文電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用光纖來(lái)傳輸高頻控制信號(hào)，即在主控制板上通過(guò)光纖發(fā)送器HFBR

4、-1521將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)變成與之等價(jià)的光脈沖，然后通過(guò)光纖傳輸?shù)絾蝹€(gè)模塊的控制板，這些控制板上都有將光脈沖轉(zhuǎn)換為與之等價(jià)的電信號(hào)的光纖接收器HFBR-2521。這樣就可以盡可能的減小由于導(dǎo)線傳輸電信號(hào)可能產(chǎn)生的時(shí)間延遲，避免傳輸過(guò)程中的干擾。三 系統(tǒng)控制方法研究由于脈沖電源負(fù)載(油水混合物)是實(shí)時(shí)變化的，因此控制器要能及時(shí)地補(bǔ)償當(dāng)負(fù)載變化或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)引起的輸出電壓波動(dòng)。根據(jù)分析，我們需要脈沖的前沿盡量的陡，以保證脈沖對(duì)乳狀液的沖擊作用，加速破乳?？紤]到電源控制器是一個(gè)多變量輸出(1路模擬量，47路開(kāi)關(guān)量)系統(tǒng)，本文采取改進(jìn)型PI控制器,同時(shí)這種控制方法將軟啟動(dòng)思想包含在其中。具體設(shè)計(jì)思想原理框

5、圖如圖3。由圖3 可知，此控制系統(tǒng)為電流單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中開(kāi)關(guān)電源模塊為47個(gè)700V 電壓固定模塊；PWM 模塊是1 個(gè)0700V電壓可調(diào)模塊；反饋回路中的調(diào)理電路為峰值保持電路，將峰值保持一個(gè)周期；模塊質(zhì)量檢測(cè)單元是為了將損壞的電源模塊（質(zhì)量完好輸出為1，損壞輸出為0）移除在正常運(yùn)行的系統(tǒng)之外，以保證電源的輸出電壓可以達(dá)到與負(fù)載特性匹配的值，使電源輸出達(dá)到一定的精度；開(kāi)關(guān)狀態(tài)生成模塊的主要任務(wù)是依據(jù)負(fù)載所需電壓值給需要的每一個(gè)質(zhì)量完好的模塊分配地址，即將PI 控制器輸出值除固定常數(shù)A 后所得的商與模塊質(zhì)量檢測(cè)單元的輸出值綜合；主PWM 生成模塊是產(chǎn)生高頻電壓的關(guān)鍵，是用FPGA 生成的高頻信

6、號(hào)，電源利用其作為斬波的控制信號(hào)。四 仿真分析當(dāng)采用絕緣電極時(shí)，將絕緣電極和原油乳狀液都等效為電阻和電容并聯(lián)的形式，但是由于絕緣電極等效電路中容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于阻抗，因此忽略阻抗，而在乳狀液等效電路中阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容抗，可忽略容抗（低頻時(shí)）。因此破乳器模型等效為絕緣電極的容抗和乳狀液的阻抗相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在本文的設(shè)計(jì)中兩極板之間的乳狀液的特性在一般情況下不會(huì)發(fā)生很大變化，而且破乳器供電方式采用的是高頻脈沖，所以將乳狀液等效為小阻抗和大容抗（小電容）并聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證用脈沖疊加的方法來(lái)得到高壓脈沖電源的可行性以及電源的動(dòng)態(tài)特性，在本文中，采用四個(gè)基本模塊單元(三個(gè)電壓固定為700V 的模塊單元，1個(gè)電壓在0700V之間連續(xù)可調(diào)的模塊單元) 串聯(lián)進(jìn)行仿真，負(fù)載為電阻和電容的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，取電容為10pF，電阻在0.05秒時(shí)從1200歐姆跳變至900歐姆?？刂破髦斜壤?shù)設(shè)定為0.3，積分常數(shù)設(shè)定為425，負(fù)載電流恒定設(shè)為2A，頻率設(shè)定為5KHz，占空比設(shè)定為0.3。電源的具體仿真波形如圖4 所示。從電源輸出電壓和負(fù)載電流波形可以看出，此電源具有軟啟動(dòng)過(guò)程，即在電源啟動(dòng)時(shí)，模塊電源是逐級(jí)投入的，并且電源具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。圖4 中，兩個(gè)平穩(wěn)階段的局部放大圖如圖5 所示。從上述兩個(gè)平穩(wěn)過(guò)程