石油管道感應(yīng)加熱電源中功率調(diào)節(jié)方法的研究

張恭銘 李婉瑩 門(mén)艷旗 彭萬(wàn)里 哈爾濱師范大學(xué) 150025

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石油管道感應(yīng)加熱電源中功率調(diào)節(jié)方法的研究

張恭銘 李婉瑩 門(mén)艷旗 彭萬(wàn)里 哈爾濱師范大學(xué) 150025

【文章摘要】

針對(duì)石油管道感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了研究。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，闡述了負(fù)載連接方式、系統(tǒng)功率和加熱溫度的控制方法。在分析脈沖密度調(diào)功方法的同時(shí)，提出了一種改進(jìn)的脈沖密度調(diào)功方式。建立了PID溫度控制系統(tǒng)模型，依據(jù)改進(jìn)的密度調(diào)功方法編寫(xiě)了逆變器驅(qū)動(dòng)程序。為石油傳輸管道感應(yīng)加熱電源的進(jìn)一步研究打下了良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】

感應(yīng)加熱；密度調(diào)功；PID控制；逆變器

0　引言

管道運(yùn)輸廣泛應(yīng)用于石油的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。由于我國(guó)石油多產(chǎn)在高寒地區(qū)含蠟度較高，在運(yùn)輸途中極易結(jié)蠟?zāi)Y(jié)。一般管道進(jìn)行加熱處理。但是目前加熱爐效率比較低，消耗大量的煤還會(huì)對(duì)空氣造成污染。感應(yīng)加熱是一種綠色的加熱方式。其工作可靠、無(wú)污染、效率高是理想的加熱方式。但目前對(duì)于石油管道的感應(yīng)加熱電源研究較少，其功率控制及安全性無(wú)法得到保證。因此對(duì)感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)方法的研究有重要意義。

1　感應(yīng)加熱電源工作原理與負(fù)載分析

電源工作時(shí)，需要在管道上纏繞均勻的負(fù)載線圈。其主要應(yīng)用了感應(yīng)加熱的原理，由于加熱對(duì)象是石油管道，為了保證系統(tǒng)，因此要對(duì)加熱溫度進(jìn)行控制。對(duì)于加熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)加熱溫度的控制歸根結(jié)底是系統(tǒng)輸出功率的調(diào)節(jié)，因此對(duì)于石油傳輸管道感應(yīng)加熱電源來(lái)說(shuō)功率調(diào)節(jié)算法的研究至關(guān)重要。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)在工作時(shí)需要消耗大量的無(wú)功功率，這就需要增加補(bǔ)償電容。與并聯(lián)諧振電路相比較，串聯(lián)諧振逆變電路的啟動(dòng)和關(guān)斷比較容易，宜使用在負(fù)載性質(zhì)變化不大的場(chǎng)合。對(duì)于石油傳輸管道感應(yīng)加熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，加熱對(duì)象是石油管道，負(fù)載線圈固定不變，所以選用串聯(lián)諧振逆變電路。

2　功率控制方法研究

脈沖密度調(diào)功通過(guò)調(diào)節(jié)輸出脈沖的密度調(diào)節(jié)輸送能量的時(shí)間比，從而控制輸出功率。通過(guò)改變脈沖密度就可以改變電源的輸出功率。由于輸出頻率跟隨負(fù)載的諧振頻率，電源一直工作在諧振點(diǎn)附近，有很高的效率，很適合在感應(yīng)加熱電源中使用。但是功率閉環(huán)情況下工作穩(wěn)定性較差，特別在全橋逆變中易使系統(tǒng)失控。為了克服這些缺點(diǎn)提出改進(jìn)的脈沖密度調(diào)功方法。

首先建立系統(tǒng)模型。由于感應(yīng)加熱電源功率的控制歸結(jié)為加熱溫度的控制。因此建立系統(tǒng)溫度閉環(huán)PID模型：

設(shè)每隔時(shí)間T讀取一次溫度，則第次讀取的溫度值與期望溫度值差為，積分時(shí)間，則第次采樣時(shí)脈沖的占空比為：

對(duì)式（2）做差量PID運(yùn)算，得第次脈沖的占空比與第次差值為：

通過(guò)建立PID模型，找到了功率調(diào)節(jié)中占空比與加熱溫度值之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)功率的控制。

根據(jù)式（3）編寫(xiě)程序并在Keil中仿真輸出波形如圖1所示。

圖1　PID算法系統(tǒng)模型圖

脈沖1為兩路占空比為50%、互補(bǔ)帶死區(qū)時(shí)間的方波信號(hào)。脈沖2為高頻占空比可變方波。將脈沖信號(hào)1分別與脈沖信號(hào)2進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，就得到了用于逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電源工作在諧振點(diǎn)，有很高的效率。脈沖1互補(bǔ)且具有死區(qū)時(shí)間，能夠防止兩橋臂同時(shí)導(dǎo)通。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖2高頻方波的占空比改變電源的輸出功率。既實(shí)現(xiàn)了功率的調(diào)節(jié)功能，保證了電源的高效性；又克服了脈沖密度調(diào)功方式工作穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)。

3　總結(jié)

脈沖密度調(diào)功方法是一種良好的的調(diào)功方式。但由于存在一定缺陷，使其在具體應(yīng)用時(shí)有著諸多困難，本文提出了一種改進(jìn)的脈沖密度調(diào)功方法，為進(jìn)一步研究石油管道感應(yīng)加熱電源打下了良好的基礎(chǔ)。

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