基于DSP的石油输油管高频加热电源的研究

董海通 王春明 王翠琴

【摘要】针对目前普遍采用的电加热式热处理设备温度控制精度低，加热效率低的缺点，设计了一种适合于针对石油输油管加热的高频电源，解决了传统电加热温度控制精度低，能源浪费的问题。该方案以DSP为控制核心采用模糊PID温度控制策略，增强了系统对负载参数变化和外部干扰的适应性，有效的提高了温度控制精度。分析了加热电源的结果和原理，并对控制电路和控制方法进行了设计。通过实验对该系统的性能进行了验证，实验结果表面，该系统提高了对输油管路温度的精确控制，提高加热效率能够满足工业生产要求，可用于对现有的石油输油管路加热系统进行改造。

【关键词】输油管道;高频电源;恒温控制

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

稠油在我国大部分油田中占有相当大的比重，稠油主要特点是流动性差，但是对温度敏感，当原油加热到一定程度，流动性将大幅提高。对石油输油管路的加热可以有效提高石油的流动性。

石油输油管高频加热电源，以DSP为控制核心，采用以温度环为外环、以电压环、电流环和阻抗环为内环的恒温控制方案，集控制、触发、显示、上位机通信于一体，可实现对石油输油管道的恒温度控制。

2.加热电源的结构

该加热电源采用高频感应加热的主电路及控制电路如图1所示。三相交流电经过全控整流桥整流，再经过电感、电容滤波变成稳定的直流，单相可控逆变器通过IGBT，将直流逆变成高频电源[1]。负载是由补偿电容和感应线圈组成的并联谐振电路。控制电路包括：三相频率跟踪控制电路、温度监测控制电路、整流触发脉冲控制电路及功放电路、高频频电压反馈电路、高频频率采样电路、逆变触发脉冲隔离及功放电路、模拟量采样电路、键盘的输入及模拟量数字显示电路等。同时控制电路中还包括三相过流保护、三相电源断相保护、高频电压过压保护及控制板电源欠压等保护电路。一旦系统发生故障，即可使系统进入逆变保护状态，然后可靠地停机。为了保护晶闸管安全运行，每个晶闸管还加了阻容吸收电路来减小器件的开关损耗[2]。

2.1 整流触发

图1 高频感应加热的主电路及控制电路框图

整流触发电路由三相电压同步、数字触发脉冲控制电路和整流驱动电路等组成。三相整流的同步信号由共阳极晶闸管的阴极引线从主电路三相进线上取得，并送入DSP的ADC模块，经转换后得到同步电压。在每个数据采样程序里判断电压是否过零（包括由正到负电压和由负到正电压的过零），如果过零，则记下该时刻通用定。

时器的计数值，并在此后的时间里实时的根据触发角α的变化比较定时器计数值，如果相等则发出相应晶闸管触发脉冲信号，实现双窄脉冲触发。DSP输出的窄脉冲经过放大，驱动脉冲变压器输出触发脉冲，通过改变整流控制角来改变整流器输出电压。

2.2 逆变控制

以全控型器件作为开关的逆变器的控制通常采用他激转自激的控制策略，即在开机或是负载电压低于阈值时采用开环定频控制，工作在它激状态;当输出负载电压大于阈值电压时进行自动切换，这时逆变器工作在闭环状态，跟踪负载频率的变化[3] [4]。

图2 频率跟踪策略

高频电压的反馈信号是从高频反馈变压器取得，经过零比较电路得到与高频电压同频率的方波，该方波和输出的PWM控制脉冲一起经过相器鉴相，得到二者的相位差;再经过低通滤波器得到反映该相位差大小的直流电平。该电平经过A/D采样送入DSP中进行PI调节并输出相应频率的控制脉冲模拟压控振荡器（VCO）的功能。

在并联逆变电路中开关管必须遵循先到通后关断的原则，因此控制脉冲必须具有一个重叠死区。本文采用在DSP的PWM输出端口接上反相器的方法，将DSP输出的带有死区的PWM脉冲反相，实现带重叠区的PWM脉冲输出信号。重叠时间如图2所示。

3.保护电路设计

晶闸管高频电源在运行时会遇到各种非正常情况，对这些情况必须采取一定的保护措施。保护电路主要包括：直流电流过流保护，高频电压过高等。为了保证故障检测实时性，保护电路采用模拟电路。

3.1 直流过流检测

直流过流保护电路如图3所示，电流转换成的电压信号送至555定时器THOLD引脚。当引脚上电压大于2/3VCC时，OUT引脚输出“0”，输出保护信号;DISCHG引脚导通接地，过流指示灯亮。

图3 直流过流保护电路

3.2 高频过压保护

图4 高频电压过压保护电路

高频电压过压保护电路如图4所示，高频电压信号整流后，经电阻分压在送至555定时器THOLD引脚。当引脚上电压大于2/3VCC时，OUT引脚输出“0”，输出保护信号;DISCHG引脚导通接地，高频过压指示灯亮。

4.控制策略

在对石油输油管道温度控制中，由于各种扰动的存在，高频感应加热电源必须具有自动调节能力，这样才能使系统可靠工作，保证加热质量。系统采用了温度控制外环与电压环、电流环以及阻抗三个闭环相结合的恒温控制方式。控制系统的结构如图5所示。

电压和电流调节器组成常规的电压、电流双闭环控制。在启动和运行的整个阶段，电流环始终参与工作，电压环只在运行阶段工作。而阻抗调节器，的输出控制的是高频电压与直流电压的关系。文献[5]中详细的论述了高频电源电压、电流双闭环控制，此处不多作论述。下面主要分析模糊PID温度控制策略。

温度闭环采用调节电源输出功率的方式来控制加热温度。在高频电源中，高频输出功率PH与输油管加热的终点温度T之间有如下关系：

（1）

式中：G为输油管的质量;T0为初始温度;C为输油管的比热;为电源效率;t为对输油管的加热时间。

图5 控制系统的结构

又：

（2）

式中：UH为高频电压;RH为等效电阻。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，调节高频电压UH就可以达到调节温度的目的。当测得的坯料温度高于设定范围时，高频电源将会自动降低输出功率，反之温度低于设定温度范围时，高频电源会自动升高输出。

图6 模糊控制器的结构

功率，使加热温度始终保持在规定的范围内。为了克服高频电源加热时，受负载的影响较大、参数变化等问题，温度控制闭环采用了模糊PID调节方式。模糊控制器以加热时间作为一个输入量，以第n个采样周期高频加热系统的温度偏差e（t）作为另一个输入量，设计三个模糊控制器对PID控制中的三个参数进行在线调整。PID控制器根据整定后的参数、输入温度设定值以及检测得到的温度计数控制输出量。参数自整定模糊控制器的结构如图8所示[5]。

5.软件流程

控制系统的软件部分主要实现它激转自激启动、温度调节控制、人机互动接口程序等功能。控制程序的软件流程如图7所示，系统上电后，DSP进行程序初始化、打开中断，然后检测是否有报警信号，完成与上位机的连接，一切连接正常后采样输入加热温度设定值，温度设定之后按启动按钮，之后系统由它激转自激启动，当启动成功后，系统开始升高输出功率，进入温度自动跟踪阶段，若有扰动则系统通过模糊PID自动调节输出功率。

图7 软件流程图

6.实验及结论

根据上述分析，设计了一套250KW/1500Hz的石油输油管高频加热电源。图8中Va是α=30°时A相输入电压波形，UgVT2是A相下桥臂晶闸管整流触发脉冲波形，图中前一个窄脉冲上升沿基本在正弦波30°，两个窄脉冲上升沿基本相差20°。图9为单相逆变电路触发脉冲波形。

图8 整流触发脉冲实验波形

当高频电压大于设定值时，外部模拟触发电路将向DSP发送过压保护信号，当DSP收到过压保护信号后将立刻执行过压保护程序，并发出高频触发脉冲，通过多次短暂通断，达到逐步释放能量的目的。过压保护波形如图10所示。图10的波形与图8相比，触发脉冲的频率升高。

图9 正常逆变触发波形

图10 过压保护时逆变触发脉冲波形

实验结果表明，本文提出得基于DSP的石油输油管道高频感应加热电源，整流逆变触发以及过载保护电路，都可以温度正常的工作。温度闭环控制系统可以根据温度的变化来实时调节输出功率，实现了对石油书输油管道的恒温控制，可以解决输油管道加热时恒温控制问题，基于该方案研制出的控制系统可以应用在石油输油管道中。

参考文献

[1]孙宁，施建华.感应加热工艺与设备的发展状况及趋势[J].金属加工，2009（5）：26-28.

[2]韩天锐，郭凤仪，等.新型圆环链高频加热系统的研制[J].煤矿机电，2008（6）：90-92.

[3]武鹏.500KWIGBT并联谐振感应加热电源研制[D].西安理工大学，2008.

[4]李宏，崔立国，等.基于DSP的大功率感应加热电源设计[J].电力电子技术，2008，42（7）：43-45.

[5]付华，张伟强，顾德英.高频热处理温度的模糊控制方法[J].阜新矿业学院学报，1997，16（1）.