CN100486097C - 高频高压脉冲电源和高频高压电脉冲的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频高压脉冲电源和高频高压电脉冲的产生方法，所述电源包括一具有一个原边绕组和多个副边绕组的工频变压器，工频变压器的每个副边绕组与依次串接的整流电路、滤波电路和高频脉冲发生电路连接，多个高频脉冲发生电路正输出端和负输出端依次首尾相连，且与一控制其导通或断开的计算机控制器连接。所述方法包括步骤：(1)对一组工频交流电源变压输出多组工频交流电源；(2)对多组工频交流电源整流输出多组脉动电压电源；(3)对多组脉动电压电源滤波输出多组直流电源；(4)对多组直流电源进行高频脉冲和叠加处理，输出高频高压脉冲电源。本发明具有可变频、易调压、能调脉宽、电流范围宽、无谐波污染、节能等优点。

Description

高频高压脉冲电源和高频高压电脉冲的产生方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲电源和电脉冲的产生方法，尤其是一种用于原油电脱水或脱盐设备的高频高压脉冲电源和高频高压电脉冲的产生方法。

背景技术

近年来，高频高压脉冲电源在石油化工领域的应用越来越普遍，包括进行电破乳、溶剂萃取、油水分离等。实际应用中发现，可调频、调幅、调脉宽的高频高压脉冲电源是石油化工生产中的关键设备。

在原油加工过程中原油的脱水脱盐是重要环节，目前在脱水脱盐环节所采用的脱水脱盐方式主要是电-化学脱水方法，即加入电压为50Hz的交流或直流高压，根据供电方式不同可选择交流脱水脱盐、直流脱水脱盐和交-直流混合脱水脱盐方法。但随着油田进入高含水期开采阶段，大部分油区综合含水量高达90％，为了提高采收率，一般采用三次采油技术进行原油开采，通过向地下注入驱油剂驱出原油，这些驱油剂使采出液的组成和油水乳化状态极为复杂，乳化液粘度大、颗粒细微，对这些采出液进行破乳和沉降操作都很困难，而且导致了油品的绝缘性变差。常规的原油电脱水/脱盐供电设备在处理复合驱原油时，现有技术的电源一般无法建立稳定的破乳电场，而且常常会在电脱水器极板间出现短路现象。如果三次采出液油水处理工艺得不到很好的解决，其将成为制约三次采油技术推广及老油田稳产增产的关键问题。

为克服上述缺陷，现有技术提出了一种利用高频高压脉冲进行脱水的装置，三相电源A、B、C经整流、滤波和逆变后形成高频脉冲，再通过高频变压器进行升压，经高频整流器整流后形成高频高压脉冲，最后这种高频高压脉冲再经高压防爆接口及高压绝缘棒引入高频电脱水器电极板上，在电脱水器内形成高频脉冲电场进行脱水。但该装置在实际使用中存在消耗大、高频脉冲波形严重失真的技术问题。这是由于电路中的升压变压器并非是理想材料制成的变压器，在交变磁化过程中，高频高压变压器铁芯内部会出现磁滞损耗和涡流损耗，随着磁场交变频率增加，磁滞损耗和涡流损耗会以指数级数增长。对于频率达到大约10000Hz的高频脉冲来说，该能耗使高压变压器无法正常工作，而在电感一定的情况下，过高的频率会使输出脉冲波形严重失真，从而无法获得需要的脉冲波形以满足生产要求。

现有技术还提出了一种由直流高压电源、倍压整流、信号源和稳压三极管等电路组成的高频高压脉冲电源，但其一方面成本高，另一方面电流小，电流只能达到约1mA～5mA，不能满足电流要求范围大的电脱水使用的要求。

发明内容

本发明的第一目的是针对现有技术的技术缺陷，提出一种高频高压脉冲电源，在具备可调频、调幅、调脉宽的同时，具有输出电流范围宽、能耗小和低成本等特点。

本发明的第二目的是针对现有技术的技术缺陷，提出一种高频高压电脉冲的产生方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种高频高压脉冲电源，包括一具有一个原边绕组和多个副边绕组的工频变压器，所述工频变压器的每个副边绕组与依次串接的整流电路、滤波电路和高频脉冲发生电路连接，多个高频脉冲发生电路的正输出端和负输出端依次首尾相连，第一个高频脉冲发生电路的正输出端和最后一个高频脉冲发生电路的负输出端与负载连接，所述多个高频脉冲发生电路还与一控制其导通或断开的计算机控制器连接，所述高频脉冲发生电路包括脉冲开关和续流二极管，所述脉冲开关串联于所述滤波电路和正输出端之间，所述续流二极管并联在所述正输出端和负输出端之间，所述脉冲开关通过驱动单元与所述计算机控制器连接。

进一步地，所述脉冲开关和续流二极管还分别串接有脉冲电流检测元件，所述脉冲电流检测元件通过测量单元与所述计算机控制器连接。所述计算机控制器为可编程控制器或工业控制计算机，所述脉冲开关为绝缘栅双极晶体管。

在上述技术方案中，所述工频变压器的原边绕组和副边绕组至少一侧为三角形接法，进一步地，所述工频变压器的原边还串联有用于调节脉冲电源输出幅值和防止由于副边负载短路而导致电流过大的直流电源控制的可变电抗器，所述可变电抗器与所述计算机控制器连接。

为实现本发明的第二目的，本发明还提供了一种高频高压电脉冲的产生方法，包括步骤：

步骤10、对一组工频交流电源进行变压处理，输出多组工频交流电源；

步骤20、对所述多组工频交流电源进行整流处理，输出多组脉动电压电源；

步骤30、对所述多组脉动电压电源进行滤波处理，输出多组直流电源；

步骤40、通过多组高频脉冲发生电路对所述多组直流电源进行高频脉冲和叠加处理，输出高频高压脉冲电源，具体为：

步骤401、计算机控制器通过驱动单元向所述多组高频脉冲发生电路中设定数量的高频脉冲发生电路发出所设计的驱动信号，向所述多组高频脉冲发生电路中其余的高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号；

步骤402、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出具有所设计的相同脉冲宽度和周期的脉冲电压；

步骤403、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出的脉冲电压进行同步叠加后得到所设计的电压。

本发明基于同步叠加原理的高频高压脉冲电源可以获得三种电源：直流电源、脉冲电源和混合(直流和脉冲)电源。针对现有技术中高频高压脉冲电源中的脉冲变压器电能损耗大和波形严重畸变的技术缺陷，本发明提出了一种不采用高能耗的高频高压脉冲变压器的技术方案，采用多副边的工频变压器来生成多组交流电压，经整流和滤波后，再进行调频调幅调脉宽同步叠加，既解决了对高频脉冲进行变压带来波形严重畸变的技术问题，又具有能耗小的优点，能节省因使用脉冲变压器方案的原油电脱水(或盐)高压脉冲电源所消耗的大量的电能。

本发明在采用计算机控制器和高频脉冲发生电路将多组直流电源同步叠加成高频高压脉冲电源的技术方案基础上，采用智能预测控制策略使得高压脉冲电源输出恒流，保证电脱水(或盐)系统具有稳定的电场，而且具有宽范围的输出电流，最大限度地满足了实际生产需要。

本发明工频变压器的原边绕组和副边绕组采用至少一侧为三角形接法的技术方案，彻底消除了三次谐波，不会对系统电源造成谐波影响。同时通过在工频变压器的原边串联直流电源控制的可变电抗器，计算机控制器根据副边电流调节可变电抗器的阻抗值，从而使本发明具有过电流保护功能，即使在负载发生短路时，系统仍能安全运行。

本发明基于同步叠加原理的高频高压电脉冲的产生方法突破了现有技术“交-直-变压器升压”产生高频高压脉冲电源的方式，创造性地提出了“交-直-脉冲叠加升压”产生高频高压脉冲电源的新方法。与现有技术相比，本发明不采用高耗能的高频高压脉冲变压器方案，从而能节省目前已有原油电脱水(或盐)高压脉冲电源所消耗的大量的电能，同时具有可调频、调幅、调脉宽、电流范围宽、无谐波污染、节能等优点。

本发明同样适用于使用直流或脉冲电源的电除尘、雷达发射、直线加速器和食品杀菌等领域。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高频高压脉冲电源的结构示意图；

图2为本发明高频脉冲发生电路的结构示意图；

图3为本发明工频变压器原、副边绕组的示意图；

图4为本发明工频变压器的电路连接示意图；

图5为本发明高频高压电脉冲的产生方法流程图；

图6为本发明进行高频脉冲和叠加处理流程图。

附图标记说明：

1—工频变压器；         2—整流电路；              3—滤波电路；

4—高频脉冲发生电路；   5—控制和保护电路；        6—计算机控制器；

7—直流电源辅助电路；   8—负载；                  9—可变电抗器；

10—驱动单元；          11—测量单元；             411/421—电流检测元件；

412/422—脉冲开关；     413/423—电流检测元件；    414/424—续流二极管；

415/425—正输出端；     416/426—负输出端。

具体实施方式

图1为本发明高频高压脉冲电源的结构示意图，包括工频变压器1、多个整流电路21、21...2N、多个滤波电路31、31...3N、多个高频脉冲发生电路41、41...4N和计算机控制器6，其中，工频变压器1具有一个原边绕组和多个副边绕组，可以将一组工频交流电源变换为多组工频交流电源。整流电路、滤波电路和高频脉冲发生电路的数量与副边绕组个数相同，整流电路21、22...2N依次与每个副边绕组连接，每一副边绕组输出的工频交流电源都进入相应的整流电路21、22...2N，可以将多组工频交流电源进行整流，输出多组脉动电压电源。滤波电路31、32...3N依次与整流电路21、22...2N连接，将多组脉动电压电源进行滤波，输出多组直流电源。高频脉冲发生电路41、42...4N的输入端依次与滤波电路31、32...3N连接，且每个高频脉冲发生电路的负输出端和下一个高频脉冲发生电路的正输出端依次首尾相连，第一个高频脉冲发生电路41的正输出端和最后一个高频脉冲发生电路4N的负输出端与负载8连接，将多组直流电源变换为一组高压高频脉冲电源后向负载8输出。计算机控制器6具有N个控制输出端，分别与多个高频脉冲发生电路41、42...4N的控制输入端连接，用于控制设定数量的高频脉冲发生电路导通或关断，使设定数量的高频脉冲发生电路输出具有相同脉冲宽度和周期的脉冲电源，最后脉冲电源同步叠加成高压高频脉冲电源。计算机控制器6提供同频同脉宽同步控制信号，基于叠加原理，当控制其中一部分高频脉冲发生电路开启，另一部分关断时，可以叠加出不同幅度的输出电压，实现输出电源的幅度调整。同时该控制信号具有一定的脉冲宽度和占空比，使输出的高压高频脉冲电源具有设定的脉冲宽度和频率，而电源幅度、脉冲宽度和频率之间相互无制约。本发明上述技术方案既可以保证良好的输出波形，又具有输出脉宽、幅度和频率任意可调的特点，控制过程十分简捷、可靠。

在上述技术方案中，每个高频脉冲发生电路包括脉冲开关和续流二极管，脉冲开关串联在滤波电路和正输出端之间，续流二极管并联在正输出端(对应二极管的负极)和负输出端(对应二极管的正极)之间，脉冲开关通过驱动单元10与计算机控制器6连接，根据计算机控制器6发出的控制信号完成闭合和断开，还包括分别与脉冲开关和续流二极管串接的脉冲电流检测元件，脉冲电流检测元件通过测量单元11与计算机控制器6连接。图2为本发明高频脉冲发生电路的结构示意图，只示意了高频脉冲发生电路41和42，其他结构和工作原理完全相同。其中脉冲开关412和422分别通过驱动单元10与计算机控制器6连接，高频脉冲发生电路41的负输出端416和高频脉冲发生电路42的正输出端425连接，高频脉冲发生电路41的正输出端415和高频脉冲发生电路42的负输出端426分别连接负载8。其输出高频脉冲电源的工作过程为：计算机控制器6通过驱动单元10向脉冲开关412、422发出高电平，脉冲开关412、422导通，其正输出端415、425分别输出一组高频脉冲电源，续流二极管414、424处于截止状态，由于高频脉冲发生电路41的负输出端416和高频脉冲发生电路42的正输出端425连接，所以两组高频脉冲电源同步叠加后施加在负载上。计算机控制器6向脉冲开关412发出高电平，向脉冲开关422发出零电平，脉冲开关412导通，其正输出端415输出一组高频脉冲电源，续流二极管414处于截止状态，同时脉冲开关422断开，续流二极管424处于导通状态，高频脉冲发生电路42被短路，无输出，所以只有一组高频脉冲电源施加在负载8上。从上述技术方案可以看出，本发明可以通过高频脉冲发生电路实现电源幅度、脉冲宽度和脉冲频率宽范围的调节，其中脉冲开关412、422...4N2和续流二极管414、424...4N4的配合可以调节高频脉冲电源的电压幅度，脉冲开关412、422...4N2的闭合、断开时间可以调节高频脉冲电源的频率和脉冲宽度。

在本发明上述技术方案中，脉冲开关选用近年来发展起来的绝缘栅双极晶体管(IGBT)进行实现，绝缘栅双极晶体管具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定性能好、驱动简单、阻断电压高以及载流能力强等优点，能满足复杂的工业要求。更重要的是，绝缘栅双极晶体管可以保证本发明可以输出较大的电流，这对于要求电流范围大的电脱水(或盐)领域十分必要。所有脉冲电流检测元件通过测量单元11与计算机控制器6连接，监测高频脉冲发生电路的动作是否与命令一致，脉冲电流检测元件411...4N1和脉冲电流检测元件414...4N4所检测的信号的通断应是互补的，实现在线监视并进行故障诊断，提高本发明控制的可靠性。

在本发明技术方案中，计算机控制器6由抗干扰能力强的可编程控制器PLC或工业控制计算机实现，向高频脉冲发生电路输出具有一定脉冲宽度和占空比的脉冲信号。计算机控制器6还分别连接有控制和保护电路5和直流电源辅助电路7，用于为整个系统提供过流、过压、过载和短路等保护功能。

同时，计算机控制器6可以根据罐内油水比例状态或油水(或盐)等效电阻大小，结合通过测量单元11采集的脉冲电流检测元件411...4N1、414...4N4的电流信号，对高频脉冲发生电路41...4N进行同步控制，达到恒流输出的目的。在电脱水的工艺过程中，为了使脱水器中的电极板不发生短路，高频脉冲必须在乳状液短路形成之前消失，使得乳状液短路消失，再待到绝缘性能恢复后发送下一个脉冲，以保证电场的稳定性。但实际生产中存在油品质、油水比例状态、油盐等效电阻大小等不确定因素，因此，本发明计算机控制器根据检测信号在线计算控制规律使高压高频脉冲电源的波形、幅度和频率也随之改变的技术方案完全适应实际生产需要，具有重要的实际意义。

图3为本发明工频变压器原、副边绕组的示意图，原边绕组为普通的A、B、C三相，副边由多个相同数量的绕组构成，可以实现将一组工频交流电源变换为多组工频交流电源。其中原边绕组、副边绕组至少有一侧为三角形接法，以消掉由整流产生的三次谐波，不会对系统电源造成不良影响。如果原边绕组不采用三角形接法的话，为了消除在整流电路整流所产生出的三次谐波，所有的副边绕组应当采用相同的三角形接法。图3为三相输入的交流电源，本发明对于单相交流电源也同样适用。此外，本发明每个整流电路由6个整流二极管组成，每个滤波电路为大电容。

图4为本发明工频变压器的电路连接示意图。为了能够对工频变压器1的副边输出进行调节，本发明在工频变压器1的原边串接了直流电源控制的可变电抗器9，其控制端与计算机控制器6连接，通过调节直流电压的大小就可调节其阻抗大小，从而调节工频变压器1的输出。同时，由于计算机控制器6与副边电路上的脉冲电流检测元件411...4N1、414...4N4连接，计算机控制器6依据副边电路电流数据调节可变电抗器9的阻抗值，最终实现对副边回路电流的控制。上述技术方案尤其在负载8出现短路时负载8的电流也很小从而对本发明能起到保护作用。通过控制可变电抗器9改变电压幅值为电压外环调节。通过控制高频脉冲发生电路41...4N的叠加改变电压幅值为电压内环调节。

下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：输出8000伏电压的直流电源的控制过程

假设每个滤波电路的输出为800伏直流电源，当需要输出8000伏电压的直流电源时，计算机控制器6通过驱动单元10向10个高频脉冲发生电路41、42...410发出高电平驱动信号，同时向其余的高频脉冲发生电路411、412...4N发出零电平驱动信号，计算机控制器6通过测量单元11和脉冲电流检测元件监测所有信号是否与命令一致。当不需要输出直流电源时，计算机控制器6向所有高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号。

实际上，10个高频脉冲发生电路不仅限制在第一到第十个，计算机控制器6可以向任意10个高频脉冲发生电路发出高电平，也可实现同样效果。

实施例二：输出4000伏电压、脉宽0.05毫秒、周期0.1毫秒的高压高频脉冲电源的控制过程

假设每个滤波电路的输出为800伏直流电源，当需要所设计的高压高频脉冲电源时，计算机控制器6通过驱动单元10向任意5个高频脉冲发生电路发出脉冲宽度为0.05毫秒、周期为0.1毫秒的脉冲驱动信号，同时向其余N-5个高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号，计算机控制器6监测所有信号是否与命令一致。当不需要输出所设计的脉冲电源时，计算机控制器6向所有高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号。

实施例三：输出4000伏电压、脉宽0.05毫秒、周期0.1毫秒的高压高频脉冲电源和8000伏电压的直流混合电源的控制过程

将上述实施例一和实施例二两种情况结合起来即可实现。

图5为本发明高频高压电脉冲的产生方法流程图，具体为：

步骤10、对一组工频交流电源进行变压处理，输出多组工频交流电源；

步骤20、对所述多组工频交流电源进行整流处理，输出多组脉动电压电源；

步骤30、对所述多组脉动电压电源进行滤波处理，输出多组直流电源；

步骤40、对所述多组直流电源进行高频脉冲和叠加处理，输出高频高压脉冲电源。

图6为本发明进行高频脉冲和叠加处理流程图，具体为：

步骤401、计算机控制器通过驱动单元对设定数量的高频脉冲发生电路发出所设计的驱动信号，对其余的高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号；

步骤402、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出具有所设计的相同脉冲宽度和周期的脉冲电压；

步骤403、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出的脉冲电压进行同步叠加。

在上述技术方案中，计算机控制器控制高频脉冲发生电路导通具体为：

步骤4011a、计算机控制器通过驱动单元向高频脉冲发生电路的脉冲开关发出高电平驱动信号；

步骤4012a、所述脉冲开关导通，所述高频脉冲发生电路有输出电压；

步骤4013a、与所述高频脉冲发生电路并联的续流二极管截止。

在上述技术方案中，计算机控制器控制高频脉冲发生电路断开具体为：

步骤4011b、计算机控制器向高频脉冲发生电路的脉冲开关发出零电平驱动信号；

步骤4012b、所述脉冲开关关断，所述高频脉冲发生电路没有输出电压；

步骤4013b、与高频脉冲发生电路输出端并联的续流二极管导通。

现有技术通常采用“交-直-变压器升压”的方式产生高频高压脉冲电源，即先对交流电源进行整流、滤波和逆变后形成高频脉冲，再通过高频变压器进行升压，最后经高频整流器整流形成高频高压脉冲。本发明上述技术方案创造性地提出了基于同步叠加原理的“交-直-脉冲叠加升压”产生高频高压脉冲电源的新方法，与现有技术相比，本发明不采用高耗能的高压高频脉冲变压器方案，从而能节省目前已有原油电脱水(或盐)高压脉冲电源所消耗的大量的电能，同时具有可调频、调幅、调脉宽、电流范围宽、无谐波污染、节能等优点。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1、一种高频高压脉冲电源，其特征在于，包括一具有一个原边绕组和多个副边绕组的工频变压器，所述工频变压器的每个副边绕组与依次串接的整流电路、滤波电路和高频脉冲发生电路连接，多个高频脉冲发生电路的正输出端和负输出端依次首尾相连，第一个高频脉冲发生电路的正输出端和最后一个高频脉冲发生电路的负输出端与负载连接，所述多个高频脉冲发生电路还与一控制其导通或断开的计算机控制器连接，所述高频脉冲发生电路包括脉冲开关和续流二极管，所述脉冲开关串联在所述滤波电路和正输出端之间，所述续流二极管并联在所述正输出端和负输出端之间，所述脉冲开关通过驱动单元与所述计算机控制器连接。

2、根据权利要求1所述的高频高压脉冲电源，其特征在于，所述脉冲开关和续流二极管还分别串接有脉冲电流检测元件，所述脉冲电流检测元件通过测量单元与所述计算机控制器连接。

3、根据权利要求1或2所述的高频高压脉冲电源，其特征在于，所述计算机控制器为可编程控制器或工业控制计算机。

4、根据权利要求1或2所述的高频高压脉冲电源，其特征在于，所述脉冲开关为绝缘栅双极晶体管。

5、根据权利要求1所述的高频高压脉冲电源，其特征在于，所述工频变压器的原边绕组和副边绕组至少一侧为三角形接法。

6、根据权利要求1或5所述的高频高压脉冲电源，其特征在于，所述工频变压器的原边还串联有用于调节脉冲电源输出幅值和防止由于副边负载短路而导致电流过大的直流电源控制的可变电抗器，所述可变电抗器与所述计算机控制器连接。

7、一种高频高压电脉冲的产生方法，其中，包括步骤：

步骤10、对一组工频交流电源进行变压处理，输出多组工频交流电源；

步骤20、对所述多组工频交流电源进行整流处理，输出多组脉动电压电源；

步骤30、对所述多组脉动电压电源进行滤波处理，输出多组直流电源；

步骤40、通过多组高频脉冲发生电路对所述多组直流电源进行高频脉冲和叠加处理，输出高频高压脉冲电源，具体为：

步骤401、计算机控制器通过驱动单元向所述多组高频脉冲发生电路中设定数量的高频脉冲发生电路发出所设计的驱动信号，向所述多组高频脉冲发生电路中其余的高频脉冲发生电路发出零电平驱动信号；

步骤402、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出具有所设计的相同脉冲宽度和周期的脉冲电压；

步骤403、所述设定数量的高频脉冲发生电路输出的脉冲电压进行同步叠加后得到所设计的电压。

8、根据权利要求7所述的高频高压电脉冲的产生方法，其中，所述步骤401中计算机控制器发出所设计的驱动信号具体为：

步骤4011a、计算机控制器通过驱动单元向所述多组高频脉冲发生电路中设定数量的高频脉冲发生电路的脉冲开关发出高电平驱动信号；

步骤4012a、所述设定数量的高频脉冲发生电路的脉冲开关导通，所述设定数量的高频脉冲发生电路有输出电压；

步骤4013a、与所述设定数量的高频脉冲发生电路并联的续流二极管截止。

所述步骤401中计算机控制器发出零电平驱动信号具体为：

步骤4011b、计算机控制器向所述多组高频脉冲发生电路中其余的高频脉冲发生电路的脉冲开关发出零电平驱动信号；

步骤4012b、所述其余的高频脉冲发生电路的脉冲开关关断，所述其余的高频脉冲发生电路没有输出电压；

步骤4013b、与所述其余的高频脉冲发生电路输出端并联的续流二极管导通。

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