IGBT在石油感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用 

1 引言
  為了開(kāi)采含膠質(zhì)瀝青、含蠟和凝固點(diǎn)高的“三高”稠油，油田通常采用蒸氣吞吐、化學(xué)降粘和熱水射流伴進(jìn)等方法進(jìn)行開(kāi)采，這些方法存在投資高、不便管理等缺點(diǎn)。目前，江蘇油田在開(kāi)采稠油時(shí)，結(jié)合自身特點(diǎn)，采用鋼質(zhì)空心抽油桿感應(yīng)加熱技術(shù)。該技術(shù)具有：所需設(shè)備簡(jiǎn)單，井下作業(yè)與維修方便；輸入功率可調(diào)；便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；沿程加熱均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱；熱效率高（在油管中心發(fā)熱）；不怕停電停抽；延長(zhǎng)作業(yè)周期；提高生產(chǎn)效率；對(duì)環(huán)境無(wú)污染；使用安全，管理方便；一次性投資較少，資金回收快［1］等特點(diǎn)。
  根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的供電模式，空心抽油桿感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用的是工頻感應(yīng)加熱方式。為了三相用電平衡，工頻加熱電源將工頻三相交流電中的一相分別經(jīng)電抗器、電容器列相移相疊加到其它二相，再經(jīng)變壓器直接變成適于各種加熱要求的單相工頻交流電后連接加熱導(dǎo)體。因而工頻加熱電源成本高、體積大、笨重、效率低。
  石油中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT作為逆變開(kāi)關(guān)器件，與常用的工頻加熱電源相比，體積縮小40％、重量減輕50％。
  2 中頻感應(yīng)加熱電源
  中頻感應(yīng)加熱電源的電路結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。三相整流器將工頻三相交流電整流成直流電，經(jīng)濾波后，由全橋逆變器變換成頻率和占空比在一定范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)的單相中頻交流電，再經(jīng)隔離變壓器輸出給加熱負(fù)載。全橋逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM）零電壓開(kāi)關(guān)電路，具有開(kāi)關(guān)損耗低、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)［2］?？刂齐娐凡捎肧G3524集成塊，調(diào)節(jié)⑨腳電壓以保證輸出信號(hào)的死區(qū)時(shí)聞。輸出信號(hào)的脈寬受石油溫度探測(cè)器調(diào)制．石油的溫度控制在45～7O℃。溫度過(guò)高易改變石油的化學(xué)特性．溫度過(guò)低會(huì)降低石油的流動(dòng)性。
 
  3 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路
  3．1 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)模塊的選用
IGBT柵極驅(qū)動(dòng)模塊EXB841、M57962L均可用于驅(qū)動(dòng)1200V 系列400A以?xún)?nèi)的IGBT模塊，且具有過(guò)流檢顙j及保護(hù)功能。這兩種驅(qū)動(dòng)模塊短路保護(hù)情況下的輸出波形如圖2所示。EXB841內(nèi)部產(chǎn)生一5v負(fù)偏壓且不可調(diào)；M57962L在外部利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生一9v 負(fù)偏壓，關(guān)柵可靠性比EXB841高。另外M57962L的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間（從出現(xiàn)過(guò)流到柵壓降至0V）為6．3μs，（參見(jiàn)圖2a）；EXB841的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為16μs且關(guān)柵電壓不能降至一2v 以下，（參見(jiàn)圖2b），導(dǎo)致IGBT 炸管的危險(xiǎn)性比M57962L大。因此宜選用M57962L。
 
  3．2 驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路的改進(jìn)
  IGBT在關(guān)斷時(shí)．集電極．發(fā)射極之間產(chǎn)生的電壓上升率高達(dá)30000V／μs。過(guò)高的會(huì)產(chǎn)生較大的位移電流。并導(dǎo)致產(chǎn)生較大的集電極脈沖浪涌電流，很容易使IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住現(xiàn)象。為了避免IGBT發(fā)生這種誤動(dòng)作，必須在IGBT柵極加負(fù)偏壓［3］。然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，以下兩種情況會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路負(fù)偏壓的消失：① 穩(wěn)壓二極管擊穿短路；② 驅(qū)動(dòng)電路失去+24V電源。
針對(duì)以上兩種情況，筆者在廠商推薦應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上改進(jìn)了IGBT驅(qū)動(dòng)模塊M57962L的外圍電路，如圖3所示。在正常情況下．VZ4導(dǎo)通，M57962L⑧腳為高電位，VD1截止。VT2導(dǎo)通。VO1輸出端呈低阻態(tài)。如果穩(wěn)壓二極管VZ1或VZ3擊穿短路，則VZ4截止，VT1截止，VO1輸出端呈高阻態(tài)。如果驅(qū)動(dòng)電路失去+24V 電壓，則VO1輸入端無(wú)電流通過(guò)，VO1輸出端呈高阻態(tài)。
 
  4 IGBT模塊與濾波電容的聯(lián)接
  IGBT的輸入特性與MOSFET相類(lèi)似。輸入阻抗高。如果驅(qū)動(dòng)電路失去電壓，則IGBT 的柵極失去負(fù)偏壓。對(duì)發(fā)射極呈高阻態(tài)。此時(shí)，一旦有干擾竄至IGBT的柵極，則IGBT模塊的上、下兩管易同時(shí)導(dǎo)通。如果IGBT模塊直接與數(shù)千微法的濾波電容聯(lián)接，那么濾波電容儲(chǔ)存的能量會(huì)通過(guò)IGBT模塊的上、下管直接釋放，易導(dǎo)致IGBT模塊損壞。因此，感應(yīng)加熱電源在開(kāi)機(jī)時(shí)先接通控制、驅(qū)動(dòng)電路的電源，后將IGBT模塊與濾波電容聯(lián)接。在關(guān)機(jī)時(shí)先將IGBT模塊與濾波電容斷開(kāi)，后關(guān)斷控制、驅(qū)動(dòng)電路的電源。
  5 試驗(yàn)情況及結(jié)論
  石油中援感應(yīng)加熱電源自1997年6月在試采二廠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)至今，仍正常工作。電源功率為3588kw。石油中援感應(yīng)加熱電源不僅可以應(yīng)用于空心抽油桿感應(yīng)加熱系統(tǒng)。還可以應(yīng)用于復(fù)雜小斷塊油田的集輸管道中頻感應(yīng)電伴熱系統(tǒng)，這對(duì)于降低集輸管道的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用有著重要意義。
 
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