基于DELTA 逆变器的超声波逆变电源

韩书臣

（中国石化石油工程技术研究院胜利分院，山东 东营 257000）

超声波采油技术是一种近几十年发展起来的三次采油技术，此项技术对于中后期油井产量和油田采收率都非常重要。在超声波采油技术中，大功率超声波逆变电源作为关键设备。其控制技术的优劣直接影响采油工艺。工作过程中对正弦超声波逆变电源输出波形的要求主要有动态响应度、总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）、稳态波形正弦度等技术指标，逆变器运行中，为防止直通所设置的死区引起正弦波形畸变，频率越高，死区时间对波形的影响会越严重，对此，通过谐振槽路来进行参数优化这种效果并不理想[1]，提高逆变器PWM 开关频率也无法有效地改善输出波形，畸变波形会导致电路中元件损耗增加，降低设备运行效率[2]，影响换能器负载的工作，进而对采油工艺产生影响。针对以上问题，本文应用Delta逆变技术，采用DSP组成智能控制系统，对正弦超声波逆变电源的研制进行了研究。

1 控制原理

逆变电源硬件系统如图1所示。

图1 逆变电源硬件系统框图

系统中主逆变器调制波使用标准正弦波 ur，载波为三角波，主逆变器通过SPWM变换后向换能器提供交流电源，设主逆变器输出电压为uout，uout含有高次谐波，其方程为[3]

式中，ub表示基波电压，uh表示谐波电压，基准正弦电压为ur=Urmsinωt。

在ur≠ub的情况下，Delta逆变器采用瞬时值波形比较法，电源工作过程中，主逆变器的输出电压uout减去ur，再用ur减去这个差值，得到Delta逆变器的给定值，Delta逆变器也采用SPWM控制方式，Delta逆变器在这个给定值的控制下输出补偿电压对主逆变器的Δu和uh进行补偿，从而使主逆变器输出的正弦波形得到优化，表示为

可以得到Delta逆变器的SPWM调制波表达式为

式中，K表示电压检测变压器的变比。

设SPWM的载波频率为fc，幅值为Uc，电源输出电压的频率为fout，载波比和调制度为

式中，

Delta补偿逆变器的输出电压 udout的双重傅里叶级数可以表示为

式中，A=cosmπ·sin[(mN＋n)ωt]; B=cosm′π·sin[(m′N′＋n′)n′ωt]。

Delta补偿逆变器的LC滤波电路由Ld和Cd组成，主逆变器的LC滤波电路由Lm和Cm组成，udout通过滤波电路后高次谐波被滤除掉，通过式（5）得到基波和电压中谐波表达式为

将式（5）中的M1和M2代入，令K=Uc/Ud得到

uout和ud′out通过各自滤波电感（即并联平衡电感）于主电路并联后向负载供电，根据节点电压法可得到负载电压为

设计时取参数Lm=Ld，可以得到

把式（1）和式（2）带入式（10）得到

从式（11）可以看出，对主逆变器的Δu和uh，采用并联的 Delta逆变器作为补偿装置能够对其进行补偿，使负载电压uL波形等于标准的正弦波ur，能够有效地对输出波形进行优化。

2 系统构成

2.1 DSP控制系统

该逆变电源采用 DSPTMS320LF2407A作为控制核心，采用T2定时器作为基波产生的时基，AD模块 ADCIN00和 ADCIN08用来对采集的 uout和ud′out进行转换，PWM脉冲由事件管理器（EVA）模块中的3个全功能比较单元负责，全功能比较单元配有死区控制单元。DSPTMS320LF2407和外扩芯片CY7C1021V33-122组成最小微机系统，配合外设键盘和显示液晶完成超声波频率和电压大小的设置和显示，以及载波频率的设置。

2.2 交直交主电路

主电路整流器采用单相桥式整流模块，由市电220V直接供电，主逆变器和DELTA逆变器采用智能功率模块PM59RSA120，模块内部集成有各路内置IGBT驱动电路和故障检测电路（但在图1系统框图中为使逻辑清晰将驱动电路分开画出），所以本装置无需独立的逆变器驱动模块，简化了硬件电路，降低了运行故障率，并且开关速度更快，该模块内置保护电路，包括控制电压欠电压保护、过温保护、过流保护，当模块过流过压或过温时，在F0端口输出低电平，向DSP发出中断请求，实施保护，由于高频开关过程和功率回路的寄生电感叠加后产生的di/dt、dv/dt瞬时功耗能够产生对器件的冲击，导致器件损坏。所以需要设置缓冲电路（吸收电路），以便通过改变器件的开关轨迹，控制瞬态过压，降低器件的开关损耗，保护器件安全。

3 软件设计

电源主程序如图2（a）所示，包括初始化子程序，PWM子程序，键盘扫描和显示子程序，显示子程序显示输出电压，以及正弦波的频率和幅值，初始化子程序对各个输入输出端口以及堆栈地址和载波频率进行初始化，运行所需的频率可以通过键盘输入，存入外扩芯片中。电源的PWM子程序如图2（b）所示，主逆变器的调制波ur与三角载波进行比较，得到SPWM信号控制主逆变器，输出正弦波电压，Delta逆变器的实际调制波uc′与三角载波进行比较，得到SPWM信号控制Delta逆变器，如果逆变电源运行过程中出现故障，比如逆变模块温度过高，它的F0端口输出低电平，向DSP发出中断请求，DSP会将标示符 F置 1，停止脉冲输出，等故障接触后复位，将 F置 0，逆变电源重新能够输出脉冲，本逆变电源采用单极性调制，所以只研究半个周期内的采样数据，在每半周期内建立1200个采样点，每个频率区间内，载波比N为常数，N个采样点得到的数据存储于存储器内，通过数组进行存取。通过S变量实现每隔半个周期交换两相，产生单极性调制的正弦波，由于主逆变器与DELTA逆变器控制方式相同，因此只给出DELTA逆变器的流程图。

图2 程序流程图

4 实验结果

采用上述方案制作了输出频率 20kHz，载波频率500kHz，输出功率4.5kW的超声波逆变电源，主逆变器输出波形如图3所示，图3（a）是没有并联DELTA逆变器的输出波形，输出波形有些畸变，图3（b）为加上DELTA逆变器并联补偿后得到的输出波形，可以看出波形得到有效的优化。

图3 实验结果

5 结论

大功率超声波逆变电源通过并联DELTA逆变器作为补偿装置，能够对输出的电压波形进行优化，同时采用DSP作为核心控制器，采用IPM智能模块作为逆变单元，提高了系统运行速度并简化硬件电路，试验表明，该方案能改善运行中死区时间引起的波形畸变，对提高中后期提高油井产量具有重要意义。

[1] 李金刚,钟彦儒,盛祖权.一种并联负载谐振电源谐振槽路参数的设计方法[J].电力电子技术, 2001, 35(4)：5-7.

[2] 郭卫农,陈坚.电压型逆变器输出波形控制技术[J].通信电源技术, 2001, 9(3): 5-9.

[3] 刘凤君, DELTA逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[4] 夏建全,基于PWM技术的大功率超声波电源系统的研究[J].电子技术应用, 2002, 28(1): 38-39.

[5] 陈道炼, DC-AC逆变技术及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2003.