韓書臣

（中國石化石油工程技術研究院勝利分院，山東 東營 257000）

超聲波采油技術是一種近幾十年發(fā)展起來的三次采油技術，此項技術對于中后期油井產量和油田采收率都非常重要。在超聲波采油技術中，大功率超聲波逆變電源作為關鍵設備。其控制技術的優(yōu)劣直接影響采油工藝。工作過程中對正弦超聲波逆變電源輸出波形的要求主要有動態(tài)響應度、總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）、穩(wěn)態(tài)波形正弦度等技術指標，逆變器運行中，為防止直通所設置的死區(qū)引起正弦波形畸變，頻率越高，死區(qū)時間對波形的影響會越嚴重，對此，通過諧振槽路來進行參數(shù)優(yōu)化這種效果并不理想[1]，提高逆變器PWM 開關頻率也無法有效地改善輸出波形，畸變波形會導致電路中元件損耗增加，降低設備運行效率[2]，影響換能器負載的工作，進而對采油工藝產生影響。針對以上問題，本文應用Delta逆變技術，采用DSP組成智能控制系統(tǒng)，對正弦超聲波逆變電源的研制進行了研究。

1 控制原理

逆變電源硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 逆變電源硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中主逆變器調制波使用標準正弦波 ur，載波為三角波，主逆變器通過SPWM變換后向換能器提供交流電源，設主逆變器輸出電壓為uout，uout含有高次諧波，其方程為[3]

式中，ub表示基波電壓，uh表示諧波電壓，基準正弦電壓為ur=Urmsinωt。

在ur≠ub的情況下，Delta逆變器采用瞬時值波形比較法，電源工作過程中，主逆變器的輸出電壓uout減去ur，再用ur減去這個差值，得到Delta逆變器的給定值，Delta逆變器也采用SPWM控制方式，Delta逆變器在這個給定值的控制下輸出補償電壓對主逆變器的Δu和uh進行補償，從而使主逆變器輸出的正弦波形得到優(yōu)化，表示為

可以得到Delta逆變器的SPWM調制波表達式為

式中，K表示電壓檢測變壓器的變比。

設SPWM的載波頻率為fc，幅值為Uc，電源輸出電壓的頻率為fout，載波比和調制度為

式中，

Delta補償逆變器的輸出電壓 udout的雙重傅里葉級數(shù)可以表示為

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

Delta補償逆變器的LC濾波電路由Ld和Cd組成，主逆變器的LC濾波電路由Lm和Cm組成，udout通過濾波電路后高次諧波被濾除掉，通過式（5）得到基波和電壓中諧波表達式為

將式（5）中的M1和M2代入，令K=Uc/Ud得到

uout和ud′out通過各自濾波電感（即并聯(lián)平衡電感）于主電路并聯(lián)后向負載供電，根據(jù)節(jié)點電壓法可得到負載電壓為

設計時取參數(shù)Lm=Ld，可以得到

把式（1）和式（2）帶入式（10）得到

從式（11）可以看出，對主逆變器的Δu和uh，采用并聯(lián)的 Delta逆變器作為補償裝置能夠對其進行補償，使負載電壓uL波形等于標準的正弦波ur，能夠有效地對輸出波形進行優(yōu)化。

2 系統(tǒng)構成

2.1 DSP控制系統(tǒng)

該逆變電源采用 DSPTMS320LF2407A作為控制核心，采用T2定時器作為基波產生的時基，AD模塊 ADCIN00和 ADCIN08用來對采集的 uout和ud′out進行轉換，PWM脈沖由事件管理器（EVA）模塊中的3個全功能比較單元負責，全功能比較單元配有死區(qū)控制單元。DSPTMS320LF2407和外擴芯片CY7C1021V33-122組成最小微機系統(tǒng)，配合外設鍵盤和顯示液晶完成超聲波頻率和電壓大小的設置和顯示，以及載波頻率的設置。

2.2 交直交主電路

主電路整流器采用單相橋式整流模塊，由市電220V直接供電，主逆變器和DELTA逆變器采用智能功率模塊PM59RSA120，模塊內部集成有各路內置IGBT驅動電路和故障檢測電路（但在圖1系統(tǒng)框圖中為使邏輯清晰將驅動電路分開畫出），所以本裝置無需獨立的逆變器驅動模塊，簡化了硬件電路，降低了運行故障率，并且開關速度更快，該模塊內置保護電路，包括控制電壓欠電壓保護、過溫保護、過流保護，當模塊過流過壓或過溫時，在F0端口輸出低電平，向DSP發(fā)出中斷請求，實施保護，由于高頻開關過程和功率回路的寄生電感疊加后產生的di/dt、dv/dt瞬時功耗能夠產生對器件的沖擊，導致器件損壞。所以需要設置緩沖電路（吸收電路），以便通過改變器件的開關軌跡，控制瞬態(tài)過壓，降低器件的開關損耗，保護器件安全。

3 軟件設計

電源主程序如圖2（a）所示，包括初始化子程序，PWM子程序，鍵盤掃描和顯示子程序，顯示子程序顯示輸出電壓，以及正弦波的頻率和幅值，初始化子程序對各個輸入輸出端口以及堆棧地址和載波頻率進行初始化，運行所需的頻率可以通過鍵盤輸入，存入外擴芯片中。電源的PWM子程序如圖2（b）所示，主逆變器的調制波ur與三角載波進行比較，得到SPWM信號控制主逆變器，輸出正弦波電壓，Delta逆變器的實際調制波uc′與三角載波進行比較，得到SPWM信號控制Delta逆變器，如果逆變電源運行過程中出現(xiàn)故障，比如逆變模塊溫度過高，它的F0端口輸出低電平，向DSP發(fā)出中斷請求，DSP會將標示符 F置 1，停止脈沖輸出，等故障接觸后復位，將 F置 0，逆變電源重新能夠輸出脈沖，本逆變電源采用單極性調制，所以只研究半個周期內的采樣數(shù)據(jù)，在每半周期內建立1200個采樣點，每個頻率區(qū)間內，載波比N為常數(shù)，N個采樣點得到的數(shù)據(jù)存儲于存儲器內，通過數(shù)組進行存取。通過S變量實現(xiàn)每隔半個周期交換兩相，產生單極性調制的正弦波，由于主逆變器與DELTA逆變器控制方式相同，因此只給出DELTA逆變器的流程圖。

圖2 程序流程圖

4 實驗結果

采用上述方案制作了輸出頻率 20kHz，載波頻率500kHz，輸出功率4.5kW的超聲波逆變電源，主逆變器輸出波形如圖3所示，圖3（a）是沒有并聯(lián)DELTA逆變器的輸出波形，輸出波形有些畸變，圖3（b）為加上DELTA逆變器并聯(lián)補償后得到的輸出波形，可以看出波形得到有效的優(yōu)化。

圖3 實驗結果

5 結論

大功率超聲波逆變電源通過并聯(lián)DELTA逆變器作為補償裝置，能夠對輸出的電壓波形進行優(yōu)化，同時采用DSP作為核心控制器，采用IPM智能模塊作為逆變單元，提高了系統(tǒng)運行速度并簡化硬件電路，試驗表明，該方案能改善運行中死區(qū)時間引起的波形畸變，對提高中后期提高油井產量具有重要意義。

[1] 李金剛,鐘彥儒,盛祖權.一種并聯(lián)負載諧振電源諧振槽路參數(shù)的設計方法[J].電力電子技術, 2001, 35(4)：5-7.

[2] 郭衛(wèi)農,陳堅.電壓型逆變器輸出波形控制技術[J].通信電源技術, 2001, 9(3): 5-9.

[3] 劉鳳君, DELTA逆變技術及其在交流電源中的應用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2003.

[4] 夏建全,基于PWM技術的大功率超聲波電源系統(tǒng)的研究[J].電子技術應用, 2002, 28(1): 38-39.

[5] 陳道煉, DC-AC逆變技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2003.