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稠油油井中频加热电源设计 摘要 目前各大油r _ i 在开采禽胶质沥青，含蜡和凝固点高的“三高”原油方面， 通常采用空心抽油杆工频加热技术。为j ，解决稠油井热采中工频加热效果差和 浪费电能等问题，利用成熟的变频技术，研制了变频加热电源，为加热电缆提 供电压、频率及功率都可调的电源，从而解决了原工频情况下三相变单相造成 的电网不平衡而划电网的污染，提高了功率因数，改善了加热效果。现场试验 表明，胞用变频加热电源提高了加热效率，实现了软启动，增加了保护功能， 避免- r 因含砂、结蜡和稠油而造成的断杆故障，节能在2 0 以上。采用中频电加 热技术，采油效率高、耗能低、对电网污染小、操作简单、自动化程度高完全 可以替代工频加热。 关键词：稠油开采；中频电源；感应加热；电加热技术 a d e s i g no fm e d i u m f i e q u e n c y p o w e r s u p p l yf o r h e a v yo i le x t r a c t i o n a b s t l a c t a t p r e s e n t ， m a n yb i go i l f i e l d s a r ei i l i n i n gt oc o m a i n i n gt h eg u mq u a l i t y a s p h a l t ，c o n t a i n i n gw a xa n dt h eh i g hf r e e z i n gp o i n to i lw h i c ha r ec a l l e d ”t h r e eh i g h ” c m d eo i l u s u a l l ya d o p t i n gt h ew o r k - 行e q u e n c yt oh e a tt h ec m d eo i i ， w h j c hi s c a l l e dh o l l o wo i l p o l ee x t r a c t i o nt e c h i l i q u e f o rr e s o l v i n gt h e1 0 we 币c i e n c ya n d w a s t i n gp o w e ri nt h ew o r k 一仃e q u e n c yh e a t i n go ft h eh e a v yo i l w em a l ( eu s eo ft h e 疗e q u e n c yc h a n g e a b l et e c h n i q u et od e s 培naf 砘q u e n c yc h a r 玛e a b l ep o w e rs u p p l yi n o r d e rt op r o v i d et h ee l e c t c a lc a b l ew i t ht h ep o w e rw h o s ev 0 1 t a g e ， 仔e q u e n c ya n d p o w e rc a nb ea d j u s t e d s ow ec a nr e s 0 1 v et h ep r o b l e mf o rw h i c hc a np 0 1 l u t et h e p o w e rn e tb e c a u s eo ft h eu n b a l a n c ef o ft r a n s d u c e rt h et h r e ep h a s e st os i n g l ew h e n u s et h ew o r k - 行e q u e n c yt oh e a t i n ga n dw ec a nr a i s et h ep o w e rf a c t o ra 1 1 di m p r o v e t h er e s u ho f h e a t i n g ， a c c o r d i n gt ot h ee n u n c i a t i o no f e x p e r i m e mo n t h es c e n e ， t h ea p p l i c a t i o no f t h e c h a n g e a b l e 行e q u e n c yh e a t i n gp o w e rs u p p l yc a i lr a i s et h ee 珩c i e n c yo fh e a t i n g ， c a r r yo u tt h es o rs t a n ， i n c r e a s et h ep m t e c t i o n 向n c t i o na n da v o i dt h ep o l e b r e a k d o w nb e c a u s eo f c o m a i nt h es a n d ，w a xa n dh e a v yo i l s i nt h ea d o 砸o no f t h e m e d i u m f r e q u e n c ye l e c t r i c i t yh e a t i n gt e c h n i q u e ， t h eo i le x t r a c l i o ne f f i c i e n c yi sh 噜h a n dc o n s u m e s1 0 w l y ， p 0 1 1 u t et ot h en e ts m a l l ，o p e r a t e ss i m p l y ， t h ed e g r e e a u t o m 砒i o ni sh i g h k e yw o r d s ：t h eh e a v yo i l e x t r a c t i o n ，t h em e d i u m f b q u e n c yp o w e rs u p p l y ， h e a t i n gt h ec m d eo i l ， e l e c t r i c a lh e a t i n gt e c h n i q u e 插图清单 图21 趋肤效应原理 图22 空心抽油杆中频电力热小意图” 图23 负载的等效电路模型 图24 功率随距离变化的曲线l 图25 功率随距离变化的曲线2 图3l 主电路设计接线图 图32 e 8 4 1 的结构图 剀33 芯片接线图 图34 过压保护电路 图35 温度信号采样电路 图3 6 电压信号采样电路 图37 电流信号采样电路 图41 u n s p t m 的模块式集成结构 图42 单片机控制系统框图 图43 移相调压波形 表2 1 相关参数测量与计算 2 l 6 1 1 1 1 1 4 1 6 1 6 1 7 1 9 2 0 2 0 2 l 2 4 2 5 l l 独创性声明 本人声明所号交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒胆王些塞堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的制料。与我一同工作的同志剥本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：弘若习 签字日期：印件，月岬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完令了解坌胆工业盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 工些太堂可以将学位论文的伞部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文存解密后适用本授权书) 一虢弘署司聊龆麟魄 签字日期：- 啡，_ r 叫扫 签字日期皂衅c 1 月2 牛 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话：0 5 4 3 3 4 6 5 2 1 9 邮编：2 5 7 4 3 9 致谢 本人在三年的硕上研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师张崇巍敬授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了张崇巍老师的心血，由衷感谢张崇巍老师在学业 指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操， 张崇巍老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠 诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢人事处的领导和同仁们，在 我课程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 媾谢所有的j 司学给r 的帮助。 作者：段忠习 2 0 0 5 年8 月2 0 日 ll 课题研究的目的及意义 第一章导论 中国已探明的石油矿藏中碉油成份较多，其凝固点超过5 0 ，用常规采集 稀油的方法不能开采。稠油由于粘度高、凝度高、和含蜡量高( 三高) 给开采 利集输带来了巨大的困难。目前，困内外稠油采集主要采用热采方式，在稠油 开采工艺上可以概括为：注入蒸气、伴热水、掺入稀油、化学降粘、电加热开 采等方法，这些方法在我国都有应用，但存在投资高、生产效率低、不便管理 等缺点。所以通常采用注入高温高压蒸汽和电加热相结合的方法，即先从井口 汴入高温高压蒸汽，然后给深入油井的特种加热电缆( 简称特种电缆或电缆) 输 入合适的电流，将井底垒升口的稠油加热至足够高温度，达到稠油采集条件。 全国已具备开采条件的稠油井数量超过l o o o 口，每年耗电总量超过2 亿k w h 。 若能节省l 5 ，效益相当可观。 目前，稠油电源加热生要有三种万法：低频电源加热、工频电源加热、中 频电源加热，该课题目的是设计一种高效、节能型中频加热电源。 1 2 课题研究现状及趋势 目前各大油出在开采含胶质沥青、含蜡和凝固点高的“三高”原油方面， 通常采用蒸汽吞吐、化学降粘、热水射流伴送以及钢质空心抽油杆工频感应电 加热等方法。蒸汽吞吐、化学降粘、热水射流伴送等方法需要大量的车辆设备 州合且旖作业量大，萨逐步被电加热所代替。钢质空心抽油杆工频感应电加 热系统，施工作业量小，操作简单，便于维护。 二十世纪9 0 年代起“空心抽油杆电加热技术”从某种程度上降低了抽油开 采的难度。其基本原理是通过向空心杆内孑l 下入整体专用电缆，经终端器使电 缆和空心陡壁构成回路。利用工频交流电的电阻加热机理使壁杆发热，利用热 传导月法埘稠油进行加热，从而防f 了油管的内壁结蜡，增加了原油的流动性。 但是由丁，常规的空心杆加热电源采用5 0 h z 的工频，频率低，集肤效应热效 果差，耗电严重，对于稠油年度大 ：6 万m p a s 的稠油并不适宜。因此设计一 种高效、节能型中频加热电源，为油田增产，节能、降耗有着重要意义。 种高效、节能型中频加热电源，为油田增产，节能、降耗有着重要意义。 l3t 频感应加热存在的问题 采用t 频存在着一些明显的不足之处： ( 1 ) 加热效率低 由j i 空心油杆加热采用5 0 h z 频率，使得只能是利用电阻热功率对稠油和高 凝油的热传导在加热，集肤效应微乎其微，热效果差，耗电严重。 ( 2 ) 易导致i 相不平衡 由于负载是中相的，一般采用单相交流电加热，极易导致用电三相不平衡， 若人面积集中使用，将威胁到电网的安全运行。尤其是，电加热功率一般为抽 油机功率的3 4 倍，将容量如此悬殊的负载接到同一电网上运行将严重影响 电机的运行。 ( 3 ) 设备的有效容量的利用率低 设备有效容量率是指没备的额定容量的实际利用率。单相的工频加热装置 变压器至少为1 2 0 k v a ，抽油机的电机配变压器为5 0 k v a ，设备的容量为1 7 0 k v a 。 可见，单相工频加热装置的设备有效利用率仅为3 0 左右。 ( 4 ) 操作不便 工频加热电源通过改变变压器的绕组抽头来调节电源的输出功率，功率不 能连续_ h j 调，电压等级的接头必须有专门的人员操作。电源成本高、笨重、效 二棼低、进线功率因数低于0 7 。 l _ 4 新型中频感应电加热的特点 为了解决工频电源存在的严重问题，在此基础上提出了中频加热的方法， 采用中频加热的原理如下： 中频加热电源采 j5 0 0 h z 一2 0 0 0h z 变频电源，加热电压5 0 0 伏至1 0 0 0 伏。 当空心抽油杆上通过巾频交流电时，在加热电缆与钢质空心抽油杆之间建立起 交变磁场，由于趋肤效应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量( 抽油杆 内电阻也发热) ，然后再通过钢质空心抽油杆将这些热量传递给稠油。 采用中频加热实现了对稠油的高效开采其主要的特点如下： 1 ) 加热效率商。一方面提高了电源的输出频率，与工频相比涡流加热效 果明显；舅一方面，采用输出频率自动追踪的方案，即电源输出频率跟踪负载 谐振频率的变化，保证了系统的加热效率最高，使得功率因数的值始终保持在 1 的附近。 2 ) 体积小、成本低、可靠性高。通过使用无感电容代替现有的一般电源 设计中使用的电解电容，使整机不受影响的前提下，减少整机重量，减少体积， 降低制造成本，也提高了加热电源的使用可靠性。 3 ) 控制性能优越。采用移相方波控制，通过调节桥臂的移相角就可以控 制输出功率连续可调：控制系统采用基于微处理器的温度闭环控制系统，可根 据油温自动调节功率大小，尤需要人为调节，而且提高了加热效率既能满足工 艺要求又能保证系统的经济运行。 1 5 本课题的主要技术、功能指标及研究内容 巾频稠油油井加热利用集肤效应加热原理，比工频加热效率高，具有明显 节能效果。该课题设计交一直一交中频电源，以凌阳6 l 系列单片机为控制核心， 实现键盘参数设定，数据显示，变频控制等功能。采用智能式变频加热控制系 统是集移相控制技术、锁相技术、微处理技术于一体的控制装置。 本课题所需要设计的系统主要功能简述如下： 1 ) 设汁交一直一交变频、变压卜电路。 2 ) 对主删路的各种故障迅速准确的检测、判断并尽快做出保护； 3 ) 从理论上分析中频加热油井井筒功率分布。 4 ) 对当前井口油温、电源的输出电流、工作频率、占空比变化进行实时检测并 显示； 5 ) 系统运行过程中可以根据需要通过键盘改变温度设定值；电源能够根据负载 和外界条件变化，进行自动控制和调节输出功率，实现快速、准确的油温控制： 6 ) 具有过流、过压、欠压和过热保护功能提高系统工作的安全性能； 第二章空心抽油杆电加热理论及功率分析 2 1 中频交流电加热的基本原理 2 ll 涡流效应原理“1 大块的金属相对于磁场运动或处于变化的磁场中，金属内部要产生自行闭 合的涡旋状的感应电流，这种电流叫做涡电流简称涡流。 2 1 2 趋肤效应原理 图2 l 趋肤效麻原理图 在直流电路中，导线横截面上的电流密度是均匀分 布的。但在交流电路里面，随着频率的增加，导线截面 上的电流分布越来越趋向表面集中，这种现象叫做趋肤 效应。 严格的说，趋肤效应本质是衰减电磁波向导体内传 播引起的效应，属于电动力学的内容。但在趋肤效应不 太显著的情况下，可做粗略的说明。右图是一圆柱型导 体，当导体中有电流i 流过时，磁场在导体中产生涡流 i o ，如果分析一下两个电流的瞬时方向就会发现，在一 个周期的大部分时间内，轴线附近i 与i o 方向相反，表面附近i 与i o 方向相 同，于是在导体截面上电流密度的分布将是边缘大于中心的，从而产生趋肤效 应。详细分析必须考虑i 与i o 的相位关系。 假设在某一个时刻，加热电缆的电流和空心抽油杆的电流如图所示，在空 心抽油杆中的磁场分布重要以加热电缆电流产生的磁场为主，运动电荷受力趋 于表面。 趋肤效应随着电流的频率增加而履著加强，特别是达到射频范围时，这种 电流分布的不均匀性十分显著。在达到1 0 0 0 k z 时，在距离表面不远处，电流密 度即趋j i 零。 趋肤效应使导体的有效截面积减小，从而使它的等效电阻增大。这样可以 提高电流时，导线中心几乎没有电流，故可以用空心导线代替实导线节省材料。 趋肤效应存工业上可以用与金属的表面淬火。来提高金属的韧性，这是高 频淬火的独有优点。本课题也是利用了抽油杆在高频时的趋肤效应来提高加热 的电流，加大加热的功率从而可以是原油在比较快的时问内加热到预定的温度。 对于本系统来说当导线从铁磁钢管的中间穿过并与钢管连接形成回路时， 通一交流电时，绝大多数电流集中在钢管的内表面通过，而钢管的外表面几乎 没有电流通过，也被称为内趋肤效应，产生这种效应的原因是钢管的内径很小， 导线与钢管的内壁距离很近，在磁通和邻近效应的作用下，电流驱向两个导体 4 邻近的一面。由于加热电缆在趋肤效应的作用下电流趋向外表面流动所以对于 空心抽油杆来说就趋1 铂内表面流动。同样也相当于是趋肤效应的作用结果。我 们还可以从受力的角度来分析电流的分布情况。在左图中我们可以看出在这个 瞬时分析电荷的受力情况来说也是趋向内表面( 图中已经给出了电荷的受力分 析) ，在电流反向时同样可以分析出来也是趋向于内表面。因此也可以利用空心 抽油杆的趋肤效应来提高其电阳达到提高加热效率的目的。 2 1 3 邻近效应原理“1 如果有若t 个载有交流的导体彼此相距较近时，则每一导体不仅处在本身 电流产生的电磁场中，同时还处在其他载流导体产生的电磁场中，因此，每 个导体的电流分布与只有单导体时坷；同。这种效应称为邻近效应。设有一单 根导线，其中通以正弦交变的电流，由于集肤效应，电流主要集中在导体的表 而附近。，如果在其相邻近处有另。根载有相同方向的正弦交变电流的导线，则 将使两导线之间内侧的电磁场减弱，而使外侧的电磁场加强。因此，两导线外 侧的电磁场量和电流密度比内侧的大，从而使电流的分布更趋向于不均匀，使 导线的有效电阻变大，如果两根相邻近的导体载有相反的正弦交变电流，则使 两导线之间内侧的电磁场增强、而使外侧的电磁场减弱。这样，电磁场量和电 流密度将集中在两导体相对应的内侧。 2 2 空心抽油杆电加热的工作原理“、“7 、“ 图22 空心抽油杆中频电加热示意图 如图所示为中频电源装 置的基本结构，基本加热原 理是：特种电缆由电缆引入 器插入空心抽油杆内，与空 心抽油杆形成回路。通电后 使电缆和空心抽油杆基本 形成大小相等方向相反的 电流，在加热电缆与刚质空 心抽油杆之间建立起交变 磁场，空心油杆内壁就会产 生趋肤效应，使电流集中在 管内壁薄层流过，从而大幅 度增加交流阻抗。同时趋肤效应产生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量( 抽 油杆内电阻也发热) ，然后再通过刚质空心抽油杆将这些热量传递给原油( 交流 低频时趋肤效应不明显，抽油杆内电阻发热不可忽略不计，频率较高时趋肤效 应非常明显，抽油杆内电阻发热可忽略不计) 。由于加热体在油管内部，故产生 的热量随时被所举升的介质( 油流) 带走，实现了对油管内部原油的全过程加 热。原油的哐常开采过程中，电费是主要的生产成本，随着各大油田对节能降 耗、挖潜增效的呼声越来越高，如何最大限度地提高投入产出比，已成为一项 酋要考虑的课题。义凶为发热是的大小可由加热电源的功率控制、调整，故该 课题设计。完令可以满足要求，保证油井正常生产。 中频加热l 岂源采用5 0 0 h z 一2 0 0 0h z 变频电源，加热电压5 0 0 伏至1 0 0 0 伏。 当空心抽油杆上通过中频交流电时，在加热电缆与钢质空心抽油杆之间建立起 交变磁场，由于趋肤效应产：生涡流和磁滞损耗，从而产生大量的热量( 抽油杆 内电阻也发热) ，然后再通过钢质空心抽油杆将这些热量传递给稠油。 中频加热电源根据趋肤效应原理，如果导体的相对导磁率为常数，则电流 透入深度可根据下式计算： f = 5 0 3 0 f j ，_ ( 硎) ，式中：一趋肤电流透入深度 ur _ 钢管的相对导磁率 、“，) p铡管的电阻率卜交流电源的频率 由于透入深度的影响，在一定的相对导磁率、磁场强度情况下，电源的输 出频率越高，趋肤效应越强，电流在导体中的流过的截面积越小，电阻就越大， 根据焦耳楞茨定理可有：w = l ! r t ，从而看出工作频率的提高使得空心抽油杆的 趋肤效心强度增加，导体电阳增大。因此，在相同数值的电流作用下，负载所 获得能吊就增高，从而提高加热效率。 2 3 系统负载的等效电路 j 民出岛出 i + 兰出 卜一r + 出一 图2 3 负载的等效电路模型 根据电路原理当实际 电路的尺寸与工作波长接 1 近时，不能用集总参数电 |路的模型来计算电路的特 l 疗性，在传输线中，电流在 l导线中的电阻中引起原线 l 一的电压降，并在导线的周 围产生磁场，即沿线有电 感的存在，变动的电流沿 线产生电感电压降。所以 导线问的电压是连续变化 的。另一方砸，由于两导体构成电容，因此在线问存在电容电流，导体间还有 漏电流，战还有电导电流。这样沿线不同的地方，导线中的电流也就不是相同 的。特种加热电缆置于空心抽油杆内部并贯穿稠油井全长。其系统的等效电路 模型如图2 3 所示： 设单位k 度的传输线的参数为 圮单位长度的电阻q ； c 。单位长度的电容f m ； 2 4 加热功率理论分析 厶单位长度的电感h m 。 g n 单位长度的电导s m 。 设无穷小的长度元为出，每一长度元疵具有电阻r 凼和电感厶皿，而两 导线n u 具有电容c 0 出和电导g ，出。这样就构成了如下的电路模型。设在出左端 的电j 玉和电流为”和，在出右端的电压为“+ 孚出和电流为f + 昙出，根据k c l 定理，对于节点b 有： 出出 f o + 昙汰) = g 。 + 罢出) + g 昙 + 罢出) 斑 删凹出血 对于回路a b c d a 应用k v l ，则有： 一似+ 孚出) = r 船+ 厶婴办 不考虑二阶无穷小量并消去出后，得到下面的方程： 怯铆+ 厶罢 愕却+ c o 詈 实际电路中负载主要是窄心抽油杆由集肤效应、涡流效应、邻近效应产生 的阻抗和感抗以及加热电缆铜线产生的阻抗和感抗，以及由它们互相作用产生 的电容和电感。 根据图2 3 电路模型和均匀传输线在始端电源为正弦时间函数时电路的稳 态分析有“。：e ，= 4 p 芦+ 以p ，= b p 津+ b 。p 肄 其中2 每确2 丢，。：一妻 由初始条件始端距离为x = o 处的电压u = u p 编，末端x = ，处玩= o 南边界条件可以得到： ( ，1 = 一1 + 彳。，o = 4 p “+ 爿，p “ 隅小南妒尚 凶此有 南e 1 尚以， f 1 u 1 p2 一) 由于y = a + 粥，设“= j4i ，= 爿：l ，有： e d 羲矿( 1 一p ”) - z 。 彳l = l4 1 p ” = u i e ”，爿2 = l 爿2 | p7 9 一= u i p 9 i = i j j e 。9 e ”+ uj ej 9 e x = t jj e ej 一。x i + uj e “ej t 4 。+ 4 1 1 从而有： 堕一( p 一引 z 。 化为时间函数形式，得： 堕x ( p 一堆) z 。 酊= 及，i - g “5 c o s ( f 一x + 妒一) + 乏d i p “z c o s ( 国f + 肛x + 妒) 没z 。i 和臼为z 。的模和辐角，有 k 业 阮i 2 ，i i z 。f e c o s (f 一工+ 妒+ 一口) p “。c o s ( f + 工+ 妒一秒) 因此有功率： p 2 亭j ：f 2 r 出研 = 亭j i 等( 可“- c o s 红一肚训) 一簖矿c o s 讧堆训咖 2 等r ( m - c o s 缸嘶删婀c o s 缸坍删) 2 西 ：等_ 【簖) 2 e _ 2 “+ 眠) 2 _ 2 哳c o s 降+ 矿一删 其中： 8 r ( ( u j g 一“c o s ( ，庳+ 妒+ 一日) ) 2 + ( u i e “c o s ( 出f + 摩+ 妒一一口) ) 2 ) 斫 2 ( 【，j ) 2 + p 。“fc 。s ( 国f 一肛+ 妒+ 一口) 2 魂+ ( ) 2 p 2 “r c 。s ( 国f + 皿+ 伊一一目) 2 嘶 2 ( w ) 2 p ”( + 去s t n 2 ( 脚卜肛+ 妒+ - 驯；) + ( 2 叩“。( 考+ 去由n 2 ( 斛肛何埘d = ( 哳) 2 “ 每+ 去( s i n 2 ( 印? 一肛+ 妒+ 一口) 一s i n 2 ( 一胁+ 妒+ 一目) ) 】 z 斗国 。 “o ) 2 叩“ + 去( s i n 2 ( 卯+ 毋埘) _ s i n 2 ( 胁何卅) 】 7 t = ( 嘛 + ；( = ( ( g _ 2 “+ 去( 2 矿“( s i n 2 ( 国，一犀+ p + 删娟n 2 ( 肛+ p + 删) e 2 。+ 去( 2 “( s 蚴丁+ 摩协卅“n 2 ( 厨+ p 删) e2 “+ ；( ) 2 “ j ： r 2 ( 砺矿“c 。s 缸一肚+ 矿一国( 矿c o s 印+ 皿+ 妒_ 一黜 = r 2 ；f c 。s 何一胁+ 矿一d + + 肛+ 矿一研 + 。s 钮一皿+ 矿一句一 + 屈+ 矿一绷劬 2 蛎土 c o s 黝+ 矿+ 妒一+ c o s ( _ 2 胁+ 矿一矿) 坤 2 皤分玄5 i n + 妒+ + 妒2 圳j + _ c 。s ( _ 2 肛+ 矿一妒一) 2 “。云 s i n 湖+ 矿+ 矿彻一s i n 杪+ 矿一厕 + w ，c o s 鼢+ p + 一妒一 = 7 c o s ( _ 2 屈+ 矿一妒) 同样可以假设x = ，一x ，转换为以岁i ：底为零点，则 【7 = 爿l g 一7 7 一。+ 4 2 9 7 。一t ? = b 1 p 一，一。+ b 2 p y ( 卜z ) 由初始条件，始端距离为互= ，处的电压玩= 阢p 。铀，末端工：o 处阢：o 由边界条件可以得到： 阿 p 2 日+ 肛 一 p日 f | ， 肛 p 2 4+ 芦 一 p4 = 瓢驴 o = 爿i + 彳2 ，( 夕1 = 4 1 p 一+ 4 2 8 解得： 仁寿= 志小尚= 南 竺! p ” 2s i n h ( ) z 。 ，：j 等_ c o s h ( 肛，) s i n h ( ) z 。 “ ，z ：旦王! ! 垫兰型：! ! 堕! 堕! ! i z 。1 2 c o s h ( 2 口，) 一c o s ( 2 ，) p = i 2 r o d x u ? r o d x c o s h ( 2 d x ) + c o s ( 2j 融) i z 。1 2 c o s h ( 2 口，) 一c o s ( 2 ，) 特种加热电缆置于空心抽油杆内部并贯穿稠油井全长，根据负载电路模型， 假设特种电缆长度为1 2 0 0 m 。电缆芯为铜，外壳为钢。铜芯半径、钢壳内径和钢 壳外径分别用r 1 、r 。和b 代表。由于特种电缆长达i ( 1 i l 数量级，因此选用图2 分 布参数电路模型。对于均匀材质制成的特种电缆，图2 中各电阻值、各电感量 和各电容量均相等( 一般忽略漏电流g 。的影响) ，分别设为凡、l 0 和c 。r 0 、l 0 、 c 。3 个量中，g 仪取决于电缆结构和材料。然而在交流电流作用下，电缆中存 在趋肤效心、涡流效应、和磁滞效应，因此，如和i 。不仅取决于电缆结构和材 料，还取决于电源频率。6 ，即 i r = “( ，恐，n ，岛，“，2 ，) 厶= e ( 吒，吃，玛，n ，岛，“，鲍，) 【= 巧( _ ，吃，亭。) 式中：p 。，p 。分别为铜和钢的电阻率，u 。，u 。分别为铜和钢的磁导率，e ，为 相对电容率，f 为电源频率。冈此，在电缆的材料和结构一定的情况下，c 。的大 小将被确定，而心和l 0 为f 的函数”。 选用l h 缆铜芯半径：r ，= 3 5 m m ；抽油杆内半径：r 。= 1 0 m m ，绝缘材料。= 3 8 8 ， 叭一 - 志 脯 ： 赤乩 从而有：c 0 = 熹蕊= 2 。5 6 9 尸_ 所；其它参数测量与计算结果如表3 1 。 表2 一l 相关参数测量与计算 频率( h z ) 尺。( q 卅) 1 0 。三。( 艘聊) 1 0 1 口( l o _ 4 ) 卢( l o “) 5 0 08 0 4 3 7 5l - 7 2 3 7 1 k9 03 1 2 52 3 14 0 2 k1 1 o1 8 6 2 53 6 56 1 9 将以上参数代入，得出在不同电源频率下，电缆各段功率随井深变化规律， 绘制曲线如图2 4 ，图2 5 所示。 图24 功率随距离变化的曲线1 图25 功率随距离变化的曲线2 其中，图2 4 中变量p 为电缆各段的发热功率，p 0 为井口处电缆段的发热功率。 图2 一j 中变量p 为电缆各段的发热功率，m 为井底处电缆段的发热功率。 在电加热频率较高时，电缆功率分布取决于分布参数( 其中g 很小，可忽略) 和电源频率。通过不同频率加热功率随井深变化曲线可以看出，功率分布随井 深按非线性变化，适当埔加电源频率可提高井筒各段发热功率，从而提高井筒 温度，提高加热效率，降低加热成本，达到节能降耗的目的。 第三章硬件电路设计与实现 3 1 系统总体设计方案 该系统包括主回路和智能监控回路两大部分。其主回路包括三相输入整流 电路、全桥逆变电路、串联谐振电容、中频隔离变压器和抽油杆负载；控制部 分主要包括电压检测、电流检测电路、稠油温度检测、故障信号指示和基于凌 阳单片机的控制及显示。 3 2 主同路的t 作原理与设计 3 2 1 主回路的工作原理 系统上电后，三相交流电经整流，通过一电阻限流给滤波电容充电，经延 时后输出脉冲信号将并联h j 控碎触发导通，切除充电限流电阻并启动系统工作。 主电路的功率器什选用i g b t ，额定电流值为1 5 0 a ，电压为1 2 0 0 v 的，采用两电 半电路，整流电路用不可拧的三相整流桥实现整流。逆变器采用单相全控逆变 桥。系统启动后以固有频率5 0 0 h z 产生移相控制信号使系统工作，经特种变压 器隔离并升压后接到空心抽油杆上。微处理器产生的移相信号控制i g b t 功率器 件的导通与关断，通过对输山电流相位的检测，并在输出侧串无感电容与负载 实现谐振，使装置的输出效率最高，根据温度的设定值和温度的检测值进行闭 环控制，调整移相角，改变逆变器的输出电压实现井口油温的准确控制。 3 2 2 主回路的电路设计 整个系统卡电路采用电容滤波的三相桥式不可控整流电路及单相无源可控 逆变电路，其主电路的结构如图1 所示： 一、三相不可控整流电路 由六只电力二极管构成1 i 可控的整流桥，其输入输出之间的数量关系分析 如下：当空载时，电容相对于后面的负载来说放电常数为无限大，电容充电到 线电压峰值后不再变化，此时输出电压最大，玑= 2 j i 阢= 2 4 5 以，即交流 侧线电压的峰值。，当负载很重时，对电容来说，相当放电电阻很小，这样电容 放电很快，几乎失去储能作用。因此，随着负载的加重，平均电压逐渐趋近 于23 4 u ，即趋近于纯电阻负载时的特性。 r l 1 k n j v l 辨鸷 够 飞 iv 5 _d 7 d 9d l l l l 一冒l 工一 一c二譬j c 5 ) d 蚓】。彗 一cjjl 飞 d 8d 1 0d 1 2 c ，j _ 图3 1 主电路设计接线图 通常如果电容( 1 取得较大，在r c 均正常连接的情况下，输出电压可依照 * 2 4 ( ，进行计算，即系数介于2 3 4 与6 之间。总之，对于玑的定量计算 n j 概括为如下公式： 24 5 【厶e 空譬戋时，r 断于f ) = 2 3 4 ( c 断开，或彰曲 i2 4 u ( 威燃入，般负载j 比如对于3 8 0 v 的三相交流电源而言，相电压玑= 2 2 0 v ，故在一般负载下整 流输出电压uz 2 4 职= 5 2 8 矿。 需要指出，卜述公式适用于直流侧无滤波电感的电容滤波三相桥式不可控 整流电路，在接入较大的直流电感的感容滤波情况下，由于电流连续性较好， 般n j 按照，= 2 3 4 眠进行估算。 电流平均值：输出电流平均值为：，。= 乩r 。与单相电路情况一样，电 容电流j c 平均值为零，冈此有，。= 厶。在一个电流源周期中，由六个波头， 流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为，。的1 3 ，即： i ) = id | 3 = i r | 3 二极管承受的电压降：二极管承受的最大反向压降为线电流的峰值，即：6 玑。 _ 、单向全桥逆变电路 单相电压型的全桥逆变电路如主电路图所示，共有四支桥臂，可看成由两 个半桥电路组合而成，负载跨接在两个半桥的输出端之间。对于该逆变器比较 典型的控制方式是采用移干h 控制方式。移相控制方式两个半桥电路各自按照 1 8 0 。方波控制( 上下两桥臂可：补通断) ，但两半桥的控制方波在相位上相差一定 角度曰( o 茎占1 酊) ，如图2 所示右半桥的控制信号z ，。、。比左半桥的控 制信号。、“。，滞后9 角。每个半桥的工作情况及输出电压的波形与半桥电路 单独工作时相同，但负载上所得到的输出电压波形为正负对称占宽的方波，幅 度为仉2 。臼角的移相范围为o 1 8 0 。对其工作过程作详细分析如下： 发在时刻前k 和导通，输出电压口。为玑，时刻k 和栅极信号反向， k 截1 卜，而因负载电感l _ l 的电流t ，不能突变，k 不能立即导通，吼导通续流。 因为k 和m i 司r 0 导通，所以输出电压为零。到f ，时刻k 和以栅极信号反向，k 截止，而k 不能立即导通，阳0 导通续流，和陋k 构成续流通路，输出电压为一玑。 到负载电流过零并开始反向时，吼和嘎截止，k 和k 开始导通，蚝仍为一。 f ；时刻k 和栅极信号再次反向，k 截至而k 不能立即导通，阳j 导通续流，”。 再次为零。以后的过程与前面类似。这样，输出电压”为正负对称臼宽度方波， 幅度为仉。通过改变移相角臼就可以调节输出交流电压有效值大小。采用移 相调压的方式来调节逆变器的输出电压，这种方式即为移相调压。移相调压实 际上是调节输出电压的宽度。在本设计过程中由于对加热电源的输出不能太小 所以调节移相的臼角范围设定在9 0 。18 0 。之间，这样可实现电压在2 6 4 v 5 2 8 v 之间连续可调。 三、软肩动 在主电路图的直流侧串入了一个电阻并且与之并联了一个晶闸管，当系统 刚启动时由于电容电压为零对瞬态的启动电容相当于短路，这样就会使得启动 电流过高对系统产生危害，在接入电阻之后可实现系统的软启动，系统上电后 通过电阻对电容充电使电容电压逐渐升高，但电容电压达到一定值时触发导通 晶闸管，切除电阳。系统软启动有效的抑制了启动电流但是带给系统的缺点是 降低了启动的速度，因此要合理选择充电电阻使得在能够有效抑制启动电流的 前提下迅速对电容充电实现快速性。 四、隔离变压器 由于对整个系统而言如果彳i 加隔离变压器，则对电网来说当将变频后的电 压通入剑抽油杆后，抽油杆与地相连就相当直接把电源短路掉了。加入隔离变 压器后使电网的地与通入的电j 玉的地隔离。这样就能够使得抽油杆在中频电源 加热的情况下顺利对稠油加热。 3 3i g b t 驱动电路的设计 3 3 1t g b t 驱动电路硬件电路 t c m t ( 绝缘栅晶体管) 是南单极型的m o s 和双极型的晶体管复合而成的 器件。它的输入阻抗高，驱动功率小，导通压降小，开关速度快，损耗低，是 目前最引人注目的功率器件。i g b t 通常工作状态要快速开关，以减少开关损耗； 它只能承受2 0z 舢的过载电流冲击，所以必须快速保护。为使i g b t 安全可靠 的i 。作，其驱动和保护有较严格的要求。现在对其工作过程及保护作一简单分 析。 现在，大电流高电压的i g b t 己模块化，它的驱动电路除了可以由分立元 件构成之外，现在已制造出集成化的i g b t 专用驱动电路。其性能更好，整机 图3 2e x b 8 4 l 的结构图 的可靠性更高及体积更小。如图3 2 是富士公司生产的i g b t 驱动集成芯片 e x b 8 4 l 的结构图。 e x b 8 4 1 足高速型( 最大d o k h z 运行) ，其内部电路 框图如罔所示，它的集成芯片为直插式结构。芯片与愚 i g b t 的接法如图3 3 所示，具体的e x b 8 4 li g b t 驱动 一 器的其它各引脚功能如下：，瓢 脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器； 一 脚2 ：电源( + 2 0 v ) ： m 脚3 ：驱动输出； 脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路 图3 3 芯片接线图 误动作( 大多数场合小需要该电容器) ： 脚5 ：过流保护输出； 脚6 ：集电极电压监视： 脚7 、8 ：不接； 脚9 ：电源； 脚1 0 、1 1 ：不接： 脚1 4 、1 5 ：驱动信号输入( 一，+ ) ： 由于奉系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能 用于交流3 8 0 v 的动力设备上。 1 6 i g b t 通常只能承受2 0 u s 的短路电流，所以必须有快速保护电路。e 系 列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。 当集电极电压高时，虽然加入信号也队为存在过电流，但是如果发生过电流， 驱动器的低速切断电路就慢速关断i g b t ( 2 0 u s 的过流不响应) ，从而保证i g b t 不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏 l g b t 。i g b t 在开关过程中需要一个十1 5 v 电压以获得低开启电压，还需要一 个一5 v 关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压( + 1 5 v 和一5 v ) 均可由 2 0 v 供电的驱动器内部电路，。：生。 跨接于c _ e 问的关联型缓冲电路，如图3 4 所示， 用于改善。的【：升沿，也就改善关断时的运行轨迹。 i g b t 关断时，上升沿的u ，。使电容c 充电，从而使u ， 受到约束： 叭匹= 古f 似 图3 4 过压保护电路 电容对尖峰吸收是抑制电压过冲的主要手段。当i g b t 转入到同时，c 将通 过r 和i g b t 放电。在导通的时间。n 内，它的储能应该基本释放完毕，以保证 下一次关断前它是零状态的。 3 3 2t g b t 驱动电路工作过程分析 一、正常开通过程 当控制电路使e 8 4 1 输入端脚1 4 和脚1 5 有1 0 m a 的电流流过时，光耦 合器i s o l 就会导通，a 点电位迅速下降至o v ，使v 1 和v 2 截止；v 2 截止使d 点电位卜升至2 0 v ，v 4 导通，v 5 截止，e 8 4 1 通过v 4 及栅极电阻r g 向i g b t 提供电流使之迅速导通，u c 下降至3 v 。与此同时，v 1 截止使+ 2 0 v 电源通r 3 向电容c 2 充电，时间常数r 为： l = r c 2 = 2 4 2 胛 ( 3 1 ) 又使b 点电位上升，它由零升到1 3 v 的时间可用下式求得： 1 3 = 2 0 ( 1 一p 一 1 ) ( 3 2 ) f = 25 4 “s( 3 3 ) 然而由于i g b t 约1 u s 后己导通，u c e 下降至3 v ，从而将e 8 4 l 脚6 电 位筘制在8 v 亢右，因此b 点和c 点电位不会充到1 3 v ，而是充到8 v 左右，这 个过程时间为l2 4 u s ：又稳压管v z l 的稳压值为1 3 v ，i g b t 正常开通时不会 被击穿，v 3 不通，e 点电位仍为2 0 v 左右，二极管v d 6 截止，不影响v 4 和 v 5 的正常工作。 二、正常关断过程 1 7 砸 正常关断过程控制电路使e 8 4 1 输入端脚1 4 和脚1 5 无电流流过，光耦 合器i s o l 不通，a 点电位上升使v l 和v 2 导通；v 2 导通使v 4 截止，v 5 导通， i g b t 栅极电荷通过v 5 迅速放电，使e 8 4 1 的脚3 电位迅速下降至0 v ( 相 对于的e 8 4 1 脚1 低5 v ) ，使i g b t 可靠关断，u c e 迅速上升，使e 8 4 1 的脚6 “悬空”。与此同时v 1 导通，c 2 通过v 1 更快放电，将b 和c 点电位筘 庄o v ，使v z i 仍不通，后继电路1 i 会动作，i g b t 正常关断。 三、保护动作 设i g b t 己正常导通，则v l 和v 2 截止，v 4 导通，v 5 截止，b 点和c 点 电位稳定在8 v 左右，v z l 不被击穿，v 3 不导通，e 点电位保持为2 0 v ，二极 管v d 6 截止。若此时发牛短路，i g b t 承受大电流而退饱和，u c e 上升很多， 二极管v d 7 截止，则e 8 4 1 的脚6 “悬空”，b 点和c 点电位开始由8 v 上升； 当上升至1 3 v 叫，v z l 被击穿，v 3 导通，c 4 通过r 7 和v 3 放电，e 点电位逐 步下降，二极管6 导通时d 点电位也逐步下降，从而使e 8 4 1 的脚3 电位 也逐步卜降，缓慢关断i g b t 。b 点和c 点电位由8 v 上升到1 3 v 的时间可用下 式求得： 1 3 = 2 0 4 ( 1 一