董海通 王春明 王翠琴

【摘要】針對(duì)目前普遍采用的電加熱式熱處理設(shè)備溫度控制精度低，加熱效率低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合于針對(duì)石油輸油管加熱的高頻電源，解決了傳統(tǒng)電加熱溫度控制精度低，能源浪費(fèi)的問題。該方案以DSP為控制核心采用模糊PID溫度控制策略，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)負(fù)載參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)性，有效的提高了溫度控制精度。分析了加熱電源的結(jié)果和原理，并對(duì)控制電路和控制方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，該系統(tǒng)提高了對(duì)輸油管路溫度的精確控制，提高加熱效率能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，可用于對(duì)現(xiàn)有的石油輸油管路加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造。

【關(guān)鍵詞】輸油管道;高頻電源;恒溫控制

Abstract：Due to the present electric heating heat treatment equipment is generally used to low temperature control precision，the shortcomings of low efficiency of heating，we design a suitable for heating for oil pipeline of high frequency power supply，solve the traditional electric heating temperature control precision is low，the problem of energy waste.This project using DSP as the cybernetics core and adopting fuzzy-PID control strategy，enhance the adaption for the parameter change and external interference; effectively improve the temperature control precision.We analyze the structure and the control strategy of the system and designed the control circuit and the control strategy.On the system performance is verified through the experiment，the surface of the experimental results，the system improves the precision of pipelines temperature control，improve the efficiency of heating can meet the requirement of industrial production，and can be used for the reconstruction of the existing oil pipelines heating system.

Keyword：The pipeline;medium-frequency power supply;constant temperature control

1.引言

稠油在我國(guó)大部分油田中占有相當(dāng)大的比重，稠油主要特點(diǎn)是流動(dòng)性差，但是對(duì)溫度敏感，當(dāng)原油加熱到一定程度，流動(dòng)性將大幅提高。對(duì)石油輸油管路的加熱可以有效提高石油的流動(dòng)性。

石油輸油管高頻加熱電源，以DSP為控制核心，采用以溫度環(huán)為外環(huán)、以電壓環(huán)、電流環(huán)和阻抗環(huán)為內(nèi)環(huán)的恒溫控制方案，集控制、觸發(fā)、顯示、上位機(jī)通信于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)石油輸油管道的恒溫度控制。

2.加熱電源的結(jié)構(gòu)

該加熱電源采用高頻感應(yīng)加熱的主電路及控制電路如圖1所示。三相交流電經(jīng)過全控整流橋整流，再經(jīng)過電感、電容濾波變成穩(wěn)定的直流，單相可控逆變器通過IGBT，將直流逆變成高頻電源[1]。負(fù)載是由補(bǔ)償電容和感應(yīng)線圈組成的并聯(lián)諧振電路?？刂齐娐钒ǎ喝囝l率跟蹤控制電路、溫度監(jiān)測(cè)控制電路、整流觸發(fā)脈沖控制電路及功放電路、高頻頻電壓反饋電路、高頻頻率采樣電路、逆變觸發(fā)脈沖隔離及功放電路、模擬量采樣電路、鍵盤的輸入及模擬量數(shù)字顯示電路等。同時(shí)控制電路中還包括三相過流保護(hù)、三相電源斷相保護(hù)、高頻電壓過壓保護(hù)及控制板電源欠壓等保護(hù)電路。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，即可使系統(tǒng)進(jìn)入逆變保護(hù)狀態(tài)，然后可靠地停機(jī)。為了保護(hù)晶閘管安全運(yùn)行，每個(gè)晶閘管還加了阻容吸收電路來減小器件的開關(guān)損耗[2]。

2.1 整流觸發(fā)

圖1 高頻感應(yīng)加熱的主電路及控制電路框圖

整流觸發(fā)電路由三相電壓同步、數(shù)字觸發(fā)脈沖控制電路和整流驅(qū)動(dòng)電路等組成。三相整流的同步信號(hào)由共陽極晶閘管的陰極引線從主電路三相進(jìn)線上取得，并送入DSP的ADC模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到同步電壓。在每個(gè)數(shù)據(jù)采樣程序里判斷電壓是否過零（包括由正到負(fù)電壓和由負(fù)到正電壓的過零），如果過零，則記下該時(shí)刻通用定。

時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并在此后的時(shí)間里實(shí)時(shí)的根據(jù)觸發(fā)角α的變化比較定時(shí)器計(jì)數(shù)值，如果相等則發(fā)出相應(yīng)晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖觸發(fā)。DSP輸出的窄脈沖經(jīng)過放大，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，通過改變整流控制角來改變整流器輸出電壓。

2.2 逆變控制

以全控型器件作為開關(guān)的逆變器的控制通常采用他激轉(zhuǎn)自激的控制策略，即在開機(jī)或是負(fù)載電壓低于閾值時(shí)采用開環(huán)定頻控制，工作在它激狀態(tài);當(dāng)輸出負(fù)載電壓大于閾值電壓時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換，這時(shí)逆變器工作在閉環(huán)狀態(tài)，跟蹤負(fù)載頻率的變化[3] [4]。

圖2 頻率跟蹤策略

高頻電壓的反饋信號(hào)是從高頻反饋?zhàn)儔浩魅〉?，?jīng)過零比較電路得到與高頻電壓同頻率的方波，該方波和輸出的PWM控制脈沖一起經(jīng)過相器鑒相，得到二者的相位差;再經(jīng)過低通濾波器得到反映該相位差大小的直流電平。該電平經(jīng)過A/D采樣送入DSP中進(jìn)行PI調(diào)節(jié)并輸出相應(yīng)頻率的控制脈沖模擬壓控振蕩器（VCO）的功能。

在并聯(lián)逆變電路中開關(guān)管必須遵循先到通后關(guān)斷的原則，因此控制脈沖必須具有一個(gè)重疊死區(qū)。本文采用在DSP的PWM輸出端口接上反相器的方法，將DSP輸出的帶有死區(qū)的PWM脈沖反相，實(shí)現(xiàn)帶重疊區(qū)的PWM脈沖輸出信號(hào)。重疊時(shí)間如圖2所示。

3.保護(hù)電路設(shè)計(jì)

晶閘管高頻電源在運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到各種非正常情況，對(duì)這些情況必須采取一定的保護(hù)措施。保護(hù)電路主要包括：直流電流過流保護(hù)，高頻電壓過高等。為了保證故障檢測(cè)實(shí)時(shí)性，保護(hù)電路采用模擬電路。

3.1 直流過流檢測(cè)

直流過流保護(hù)電路如圖3所示，電流轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)送至555定時(shí)器THOLD引腳。當(dāng)引腳上電壓大于2/3VCC時(shí)，OUT引腳輸出“0”，輸出保護(hù)信號(hào);DISCHG引腳導(dǎo)通接地，過流指示燈亮。

圖3 直流過流保護(hù)電路

3.2 高頻過壓保護(hù)

圖4 高頻電壓過壓保護(hù)電路

高頻電壓過壓保護(hù)電路如圖4所示，高頻電壓信號(hào)整流后，經(jīng)電阻分壓在送至555定時(shí)器THOLD引腳。當(dāng)引腳上電壓大于2/3VCC時(shí)，OUT引腳輸出“0”，輸出保護(hù)信號(hào);DISCHG引腳導(dǎo)通接地，高頻過壓指示燈亮。

4.控制策略

在對(duì)石油輸油管道溫度控制中，由于各種擾動(dòng)的存在，高頻感應(yīng)加熱電源必須具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，這樣才能使系統(tǒng)可靠工作，保證加熱質(zhì)量。系統(tǒng)采用了溫度控制外環(huán)與電壓環(huán)、電流環(huán)以及阻抗三個(gè)閉環(huán)相結(jié)合的恒溫控制方式?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

電壓和電流調(diào)節(jié)器組成常規(guī)的電壓、電流雙閉環(huán)控制。在啟動(dòng)和運(yùn)行的整個(gè)階段，電流環(huán)始終參與工作，電壓環(huán)只在運(yùn)行階段工作。而阻抗調(diào)節(jié)器，的輸出控制的是高頻電壓與直流電壓的關(guān)系。文獻(xiàn)[5]中詳細(xì)的論述了高頻電源電壓、電流雙閉環(huán)控制，此處不多作論述。下面主要分析模糊PID溫度控制策略。

溫度閉環(huán)采用調(diào)節(jié)電源輸出功率的方式來控制加熱溫度。在高頻電源中，高頻輸出功率PH與輸油管加熱的終點(diǎn)溫度T之間有如下關(guān)系：

（1）

式中：G為輸油管的質(zhì)量;T0為初始溫度;C為輸油管的比熱;為電源效率;t為對(duì)輸油管的加熱時(shí)間。

圖5 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

又：

（2）

式中：UH為高頻電壓;RH為等效電阻。由（1）、（2）式可得：

（3）

由于T>>T0所以由上式可得：

（4）

由公式（5）可知，調(diào)節(jié)高頻電壓UH就可以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。當(dāng)測(cè)得的坯料溫度高于設(shè)定范圍時(shí)，高頻電源將會(huì)自動(dòng)降低輸出功率，反之溫度低于設(shè)定溫度范圍時(shí)，高頻電源會(huì)自動(dòng)升高輸出。

圖6 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

功率，使加熱溫度始終保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了克服高頻電源加熱時(shí)，受負(fù)載的影響較大、參數(shù)變化等問題，溫度控制閉環(huán)采用了模糊PID調(diào)節(jié)方式。模糊控制器以加熱時(shí)間作為一個(gè)輸入量，以第n個(gè)采樣周期高頻加熱系統(tǒng)的溫度偏差e（t）作為另一個(gè)輸入量，設(shè)計(jì)三個(gè)模糊控制器對(duì)PID控制中的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。PID控制器根據(jù)整定后的參數(shù)、輸入溫度設(shè)定值以及檢測(cè)得到的溫度計(jì)數(shù)控制輸出量。參數(shù)自整定模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖8所示[5]。

5.軟件流程

控制系統(tǒng)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)它激轉(zhuǎn)自激啟動(dòng)、溫度調(diào)節(jié)控制、人機(jī)互動(dòng)接口程序等功能?？刂瞥绦虻能浖鞒倘鐖D7所示，系統(tǒng)上電后，DSP進(jìn)行程序初始化、打開中斷，然后檢測(cè)是否有報(bào)警信號(hào)，完成與上位機(jī)的連接，一切連接正常后采樣輸入加熱溫度設(shè)定值，溫度設(shè)定之后按啟動(dòng)按鈕，之后系統(tǒng)由它激轉(zhuǎn)自激啟動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)成功后，系統(tǒng)開始升高輸出功率，進(jìn)入溫度自動(dòng)跟蹤階段，若有擾動(dòng)則系統(tǒng)通過模糊PID自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率。

圖7 軟件流程圖

6.實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了一套250KW/1500Hz的石油輸油管高頻加熱電源。圖8中Va是α=30°時(shí)A相輸入電壓波形，UgVT2是A相下橋臂晶閘管整流觸發(fā)脈沖波形，圖中前一個(gè)窄脈沖上升沿基本在正弦波30°，兩個(gè)窄脈沖上升沿基本相差20°。圖9為單相逆變電路觸發(fā)脈沖波形。

圖8 整流觸發(fā)脈沖實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)高頻電壓大于設(shè)定值時(shí)，外部模擬觸發(fā)電路將向DSP發(fā)送過壓保護(hù)信號(hào)，當(dāng)DSP收到過壓保護(hù)信號(hào)后將立刻執(zhí)行過壓保護(hù)程序，并發(fā)出高頻觸發(fā)脈沖，通過多次短暫通斷，達(dá)到逐步釋放能量的目的。過壓保護(hù)波形如圖10所示。圖10的波形與圖8相比，觸發(fā)脈沖的頻率升高。

圖9 正常逆變觸發(fā)波形

圖10 過壓保護(hù)時(shí)逆變觸發(fā)脈沖波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出得基于DSP的石油輸油管道高頻感應(yīng)加熱電源，整流逆變觸發(fā)以及過載保護(hù)電路，都可以溫度正常的工作。溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)可以根據(jù)溫度的變化來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石油書輸油管道的恒溫控制，可以解決輸油管道加熱時(shí)恒溫控制問題，基于該方案研制出的控制系統(tǒng)可以應(yīng)用在石油輸油管道中。

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