CN215344384U - 一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置 - Google Patents

一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置 Download PDF

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黄松涛
贺雪
李伟
焦向东
陈家庆
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Abstract

本实用新型公开了一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置，包括整流滤波电路、DC/DC调压电路、分段加压电路、全桥逆变电路、升压变压器、以微处理器为核心的数字控制电路，整流滤波电路用于将输入的单相或三相交流电进行整流滤波处理；DC/DC调压电路用于对稳定直流电压进行降压处理；分段加压电路用于按照预设脉宽信号分段导通开关管，抑制换相瞬间的电流尖峰；全桥逆变电路用于对缓冲后的直流电压进行逆变处理，在升压变压器的原边侧得到交流电压；升压变压器用于将交流电压进行升压，并将升压后的电压连接在原油电脱水器的电极上。该装置克服了功率开关管电流尖峰大、电磁干扰严重的问题，使得电源运行稳定性更高。

Description

一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置
技术领域
本实用新型涉及原油脱水电源技术领域，尤其涉及一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置。
背景技术
原油是由各种有机物在地底岩层经过几百万年的压缩沉积而成，原油的采出液成分极其复杂，其中含有较多的盐类和水分，如果含油水过高将会带来诸多的危害，如无形中占用了原油运输和储存过程中管道及其他附属设备的资源空间、对远距离输送管线以及精密设备腐蚀严重、污染环境、催化剂中毒、能耗增加以及产品质量下降等。因此在原油的净化和加工过程中，采用高效的脱水技术，将原油进行脱水处理是至关重要的，目前我国大多数仍采用电脱水技术配合化学破乳法进行原油脱水处理。
电脱水技术是利用原油乳化液中的分散相水颗粒在高压电场的作用下会发生极化现象的原理进行电破乳，从而达到脱水的效果，现有的原油电脱水电源主要有高压直流电源装置、高压交流电源装置、高压脉冲电源装置三种形式。而在实际的原油脱水工艺中为了获得较好的脱水效果，通常需要根据原油的含水率、表面张力、密度、压力、温度等参数，按照一定的数学关系模型来调整原油脱水电源矩形波的频率、电压和占空比等参数，并控制电源在该参数下运行，目前电脱水器高频交流脉冲电源的使用主要有两种形式，一种是采用一次逆变结构的原油脱水电源，但是此类原油脱水电源存在效率低、体积大、输出电压调节步长大和调节困难、脉冲稳定性差且调节困难等缺点；另一种是采用二次逆变结构的原油脱水电源，但该电源仍存在频率准确调节困难、电压波形稳定性差以及输出功率受限等缺点。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置，该装置克服了功率开关管电流尖峰大、电磁干扰严重的问题，使得电源运行稳定性更高、可靠性更好、性能更优越。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置，所述装置包括整流滤波电路、DC/DC调压电路、分段加压电路、全桥逆变电路、升压变压器、以微处理器为核心的数字控制电路，其中：
所述整流滤波电路由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4，以及滤波电容C1组成，各部件的连接关系为：
输入的单相或三相交流电的U端接整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极、V端接整流二极管D2的阳极和整流二极管D5的阴极、W端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D6的阴极；
单相或三相交流电的U端与V端之间接有压敏电阻RV1、V端与W端之间接有压敏电阻RV2、U端与W端之间接有压敏电阻RV3；
整流二极管D1、D2、D3的阴极与整流二极管D4、D5、D6的阳极之间并接有压敏电阻RV4以及滤波电容C1；
所述DC/DC调压电路由功率开关管T1，电容C2，二极管D7、D8，电感L0、L1，电阻R1，第一PWM闭环控制电路和第一驱动电路组成，与所述整流滤波电路相连接，所述DC/DC调压电路中各部件的连接关系为：
所述整流滤波电路的输出1端串联所述DC/DC调压电路的电感L0及功率开关管T1；
功率开关管T1的发射极E端串联二极管D7、二极管D8和电感L1；
电感L1接于所述整流滤波电路的输出2端，且电阻R1并联于电感L1两端；
在二极管D7的阳极和所述整流滤波电路的输出1端之间并接有电容C2；
第一PWM闭环控制电路经第一驱动电路与功率开关管T1的栅极G端相连接；
所述分段加压电路由电阻R2、R3，电容C3、C4，功率开关管T2、T3，二极管D9、D10，以及第一电压传感器、第二驱动电路、第二PWM控制电路组成，与所述DC/DC调压电路相连接，所述分段加压电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路中功率开关管T2的集电极C端接于所述DC/DC调压电路的输出1端；功率开关管T3的集电极C端经电容C3连接于所述DC/DC调压电路的输出1端，且所述功率开关管T3的集电极C端同时经电容C4连接于所述DC/DC调压电路的输出2端；
功率开关管T2的发射极E端串联二极管D9，功率开关管T3的发射极E端串联二极管D10；且二极管D9与二极管D10共阴连接；
电阻R2和R3分别并联于电容C3和C4的两端，且在所述DC/DC调压电路的输出1端和2端之间并有第一电压传感器；
所述第一电压传感器将采集到的电阻R2、R3两端的电压和电压信号Vf反馈给所述DC/DC调压电路的第一PWM闭环控制电路；
第二PWM控制电路经第二驱动电路分别与功率开关管T2、功率开关管T3的栅极G端相连接；
所述全桥逆变电路由功率开关管T4、T5、T6、T7，电感L2、L3，以及第三PWM控制电路和第三驱动电路组成，与所述分段加压电路相连接，所述全桥逆变电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路的输出正极，即二极管D9、D10的阴极与所述全桥逆变电路中功率开关管T4、T6的集电极C端连接；
所述分段加压电路的输出负极，即电阻R3的2端与所述全桥逆变电路中功率开关管T5、T7的发射极E端连接；
功率开关管T4的发射极E端与功率开关管T5的集电极C端经电感L3和升压变压器B1原边侧的B端相连，功率开关管T6的发射极E端与功率开关管T7的集电极C端经电感L2和所述升压变压器B1原边侧的A端相连；
所述升压变压器B1输出侧的C端和D端连接在原油电脱水器的电极上；
第三PWM控制电路经第三驱动电路分别与功率开关管T4、功率开关管T5、功率开关管T6、功率开关管T7的栅极G端相连接；
所述升压变压器与所述全桥逆变电路连接，且所述升压变压器的输出端连接在原油电脱水器的电极上；
所述以微处理器为核心的数字控制电路分别与所述DC/DC调压电路、分段加压电路和全桥逆变电路电连接。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，上述装置克服了功率开关管电流尖峰大、电磁干扰严重的问题，使得电源运行稳定性更高、可靠性更好、性能更优越，在相同运行环境状态下有效延长了电源装置的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本实用新型实施例提供的具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例所述分段加压电路与全桥逆变电路PWM及变压器输出过程的一种波形图；
图3为本实用新型实施例所述分段加压电路与全桥逆变电路PWM及变压器输出过程的另一波形图；
图4为本实用新型实施例所述直接滞后法产生fmin～40kHz双端PWM过程的示意图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
下面将结合附图对本实用新型实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本实用新型实施例提供的具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置结构示意图，所述装置主要包括整流滤波电路、DC/DC调压电路、分段加压电路、全桥逆变电路、升压变压器、以微处理器为核心的数字控制电路，其中：
所述整流滤波电路由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4，以及滤波电容C1组成，用于将输入的单相或三相交流电进行整流滤波处理，获得稳定的直流电压；
所述DC/DC调压电路由功率开关管T1，电容C2，二极管D7、D8，电感L0、L1，电阻R1，第一PWM闭环控制电路和第一驱动电路组成，与所述整流滤波电路相连接，用于对所述整流滤波电路得到的稳定直流电压进行降压处理，得到可控的直流电压；
所述分段加压电路由电阻R2、R3，电容C3、C4，功率开关管T2、T3，二极管D9、D10，以及第一电压传感器、第二驱动电路、第二PWM控制电路组成，与所述DC/DC调压电路相连接，用于按照预设脉宽信号分段导通开关管，抑制换相瞬间的电流尖峰，以降低电流尖峰对开关管的冲击，从而对所述DC/DC调压电路得到的直流电压进行缓冲；
所述全桥逆变电路由功率开关管T4、T5、T6、T7，电感L2、L3，以及第三PWM控制电路和第三驱动电路组成，与所述分段加压电路相连接，用于通过对频率和占空比的调制，对经所述分段加压电路缓冲后的直流电压进行逆变处理，在所述升压变压器的原边侧得到幅值、频率、占空比均能按需调节的交流电压；
所述升压变压器与所述全桥逆变电路连接，用于将原边侧所得到的交流电压进行升压，得到电压、频率、脉宽均可控的高压变频矩形波交流电压，所述升压变压器的输出端连接在原油电脱水器的电极上，向原油乳化液提供电能；
所述以微处理器为核心的数字控制电路分别与所述DC/DC调压电路、分段加压电路和全桥逆变电路电连接，用于按照控制要求产生数字PWM控制信号，控制所述DC/DC调压电路、分段加压电路和全桥逆变电路。
具体实现中，如图1所示，所述整流滤波电路中各部件的连接关系为：
输入的单相或三相交流电的U端接整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极、V端接整流二极管D2的阳极和整流二极管D5的阴极、W端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D6的阴极；
单相或三相交流电的U端与V端之间接有压敏电阻RV1、V端与W端之间接有压敏电阻RV2、U端与W端之间接有压敏电阻RV3；
整流二极管D1、D2、D3的阴极与整流二极管D4、D5、D6的阳极之间并接有压敏电阻RV4以及滤波电容C1。
所述DC/DC调压电路中各部件的连接关系为：
所述整流滤波电路的输出1端串联所述DC/DC调压电路的电感L0及功率开关管T1；
功率开关管T1的发射极E端串联二极管D7、二极管D8和电感L1；
电感L1接于所述整流滤波电路的输出2端，且电阻R1并联于电感L1两端；
在二极管D7的阳极或二极管D8的阴极和所述整流滤波电路的输出1端之间并接有电容C2；
第一PWM闭环控制电路经第一驱动电路与功率开关管T1的栅极G端相连接。
所述分段加压电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路中功率开关管T2的集电极C端接于所述DC/DC调压电路的输出1端；功率开关管T3的集电极C端经电容C3连接于所述DC/DC调压电路的输出1端，且所述功率开关管T3的集电极C端同时经电容C4连接于所述DC/DC调压电路的输出2端；
功率开关管T2的发射极E端串联二极管D9，功率开关管T3的发射极E端串联二极管D10；且二极管D9与二极管D10共阴连接；
电阻R2和R3分别并联于电容C3和C4的两端，且在所述DC/DC调压电路的输出1端和2端之间并有第一电压传感器；
所述第一电压传感器将采集到的电阻R2、R3两端的电压和电压信号Vf反馈给所述DC/DC调压电路的第一PWM闭环控制电路；其中，所述电压信号Vf包括所述DC/DC调压电路的输出电压或所述分段加压电路的输入电压；
所述第一PWM闭环控制电路将接收的电压信号Vf与设定的电压信号Vg进行差值比较后闭环控制输出第一PWM脉冲，所述第一PWM脉冲经所述DC/DC调压电路的第一驱动电路后作用于所述DC/DC调压电路的功率开关管T1的栅极G端；
第二PWM控制电路经第二驱动电路分别与功率开关管T2、功率开关管T3的栅极G端相连接。
所述全桥逆变电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路的输出正极，即二极管D9、D10的阴极与所述全桥逆变电路中功率开关管T4、T6的集电极C端连接；
所述分段加压电路的输出负极，即电阻R3的2端与所述全桥逆变电路中功率开关管T5、T7的发射极E端连接；
功率开关管T4的发射极E端与功率开关管T5的集电极C端经电感L3和升压变压器B1原边侧的B端相连，功率开关管T6的发射极E端与功率开关管T7的集电极C端经电感L2和所述升压变压器B1原边侧的A端相连；
所述升压变压器B1输出侧的C端和D端连接在原油电脱水器的电极上；
第三PWM控制电路经第三驱动电路分别与功率开关管T4、功率开关管T5、功率开关管T6、功率开关管T7的栅极G端相连接。
另外，具体实现中，所述以微处理器为核心的数字控制电路通过所产生的脉宽可调的双端PWM信号分段导通所述分段加压电路的功率开关管，所述双端PWM信号控制功率开关管通断实现分段加压功能时，所述分段加压电路与全桥逆变电路按照一定时序相互配合工作，具体过程为：
所述全桥逆变电路中两组桥臂交替导通，即一组桥臂导通时，另一组桥臂处于关断状态，当所述全桥逆变电路中任意一组桥臂接收到驱动信号导通工作时，所述分段加压电路的功率开关管T3也随之导通，在所述全桥逆变电路工作过程中，功率开关管T3始终处于导通状态，如图2所示为本实用新型实施例所述分段加压电路与全桥逆变电路PWM及变压器输出过程的一种波形图。或是在所述全桥逆变电路低压换相过程结束后择时关闭，如图3所示为另一波形图，此时在升压变压器的原边侧加上了相对较低的电压；
在所述全桥逆变电路低压换相过程结束时，所述分段加压电路的第二驱动电路驱动功率开关管T2导通，升压变压器的原边侧全幅值加上了前级电压，且在一组桥臂关断之后(包括关断瞬间)与另一组桥臂开通之前的时间段内，功率开关管T2能随时关断；
伴随着所述全桥逆变电路两桥臂的交替导通，所述分段加压电路中两个功率开关管T2、T3也随之重复以上动作，以实现极板高压幅值分阶上升，且所述分段加压电路中两个功率开关管T2、T3的导通时间由第二PWM控制电路进行调节。
另外还可以通过设置比较寄存器的值，设置双端PWM信号一个周期内脉宽。
上述以微处理器为核心的数字控制电路生成脉宽可调的双端PWM信号的方法为直接滞后法，具体是使用了微处理器的两个定时器资源，使两个定时器同时启动，且第二个定时器的初值比第一个定时器的初值大半个周期，其余参数设置完全相同，通过直接滞后法能生成相位相差180°的双端PWM。
对于带有PWM特殊功能输出口的微处理器的定时器资源，一般都具有比较寄存器和周期寄存器，并且比较寄存器和周期寄存器具有自动装载功能。
举例来说，如图4所示为本实用新型实施例所述直接滞后法产生fmin～40kHz双端PWM过程的示意图，设图4所示的双端PWM信号的周期为T，每路PWM信号的正频宽为TON，微处理器定时器资源的计数输入频率为fcpu。则周期寄存器的值TxPR的计算公式为TxPR＝T×fcpu－1，比较寄存器值的计算公式为TxCMPR＝TxPR－TON×fcpu，产生第一PWM信号的定时器初值为0，产生第二PWM信号的定时器初值为TxIni＝T×fcpu/2－1。双端PWM的具体产生过程如图2所示，调制双端PWM信号的脉宽只需更改比较寄存器的值。
上述直接滞后法所能产生双端PWM信号的最低频率fmin＝fcpu/TxPRMax，其中TxPRMax为该微处理器定时器寄存器的最大计数值。因此在本实用新型实施例中，第三PWM控制电路控制全桥逆变电路时，当产生双端PWM信号的频率在fmin～40kHz之间时采用上述直接滞后法；若产生双端PWM信号的频率在0～fmin之间(低频双端PWM信号)时，则需对寄存器计数周期和比较匹配次数都进行计数后，再采取相应操作。
另外，所述以微处理器为核心的数字控制电路能控制所述DC/DC调压电路按需迅速调整输出电压大小，并根据要求控制输出电压以特定形式的波形(如正弦形式、指数形式等)按设定的频率周期变化；其中，闭环反馈控制采用定频调制脉宽模式，控制算法采用数字增量式PID算法。
基于上述结构的电源装置，所述DC/DC调压电路的输出电压范围为0.5～500V；经所述升压变压器升压后所得到的高压变频矩形波交流电压的电压调节范围在100V～40kV之间，频率调节范围在0Hz～40kHz之间，脉宽调节范围在0～49％之间。
值得注意的是，本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本实用新型实施例所述装置具有如下优点：
(1)与传统二次逆变式高压变频矩形波交流原油脱水电源相比，一次调压部分采用非隔离式调压方式，效率更高；
(2)DC/DC调压回路采用的新型降压拓扑结构，电路连接简单，维护方便，易于控制，电源转化效率高，同等运行环境状态下电源的使用寿命更长；
(3)分段加压电路按照预设脉宽信号分段导通开关管，实现了极板高压在换相瞬间分阶上升至幅值电压，同时抑制了换相瞬间全桥逆变电路中的电流尖峰，降低电流尖峰对开关管的冲击，在一定程度上延长了开关管的使用寿命，减少了开关损耗，提高了电路的安全可靠性，进一步提升了原油脱水的效率。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置，其特征在于，所述装置包括整流滤波电路、DC/DC调压电路、分段加压电路、全桥逆变电路、升压变压器、以微处理器为核心的数字控制电路，其中：
所述整流滤波电路由整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，压敏电阻RV1、RV2、RV3、RV4，以及滤波电容C1组成，各部件的连接关系为：
输入的单相或三相交流电的U端接整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极、V端接整流二极管D2的阳极和整流二极管D5的阴极、W端接整流二极管D3的阳极和整流二极管D6的阴极；
单相或三相交流电的U端与V端之间接有压敏电阻RV1、V端与W端之间接有压敏电阻RV2、U端与W端之间接有压敏电阻RV3；
整流二极管D1、D2、D3的阴极与整流二极管D4、D5、D6的阳极之间并接有压敏电阻RV4以及滤波电容C1；
所述DC/DC调压电路由功率开关管T1，电容C2，二极管D7、D8，电感L0、L1，电阻R1，第一PWM闭环控制电路和第一驱动电路组成，与所述整流滤波电路相连接，所述DC/DC调压电路中各部件的连接关系为：
所述整流滤波电路的输出1端串联所述DC/DC调压电路的电感L0及功率开关管T1；
功率开关管T1的发射极E端串联二极管D7、二极管D8和电感L1；
电感L1接于所述整流滤波电路的输出2端，且电阻R1并联于电感L1两端；
在二极管D7的阳极和所述整流滤波电路的输出1端之间并接有电容C2；
第一PWM闭环控制电路经第一驱动电路与功率开关管T1的栅极G端相连接；
所述分段加压电路由电阻R2、R3，电容C3、C4，功率开关管T2、T3，二极管D9、D10，以及第一电压传感器、第二驱动电路、第二PWM控制电路组成，与所述DC/DC调压电路相连接，所述分段加压电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路中功率开关管T2的集电极C端接于所述DC/DC调压电路的输出1端；功率开关管T3的集电极C端经电容C3连接于所述DC/DC调压电路的输出1端，且所述功率开关管T3的集电极C端同时经电容C4连接于所述DC/DC调压电路的输出2端；
功率开关管T2的发射极E端串联二极管D9，功率开关管T3的发射极E端串联二极管D10；且二极管D9与二极管D10共阴连接；
电阻R2和R3分别并联于电容C3和C4的两端，且在所述DC/DC调压电路的输出1端和2端之间并有第一电压传感器；
所述第一电压传感器将采集到的电阻R2、R3两端的电压和电压信号Vf反馈给所述DC/DC调压电路的第一PWM闭环控制电路；
第二PWM控制电路经第二驱动电路分别与功率开关管T2、功率开关管T3的栅极G端相连接；
所述全桥逆变电路由功率开关管T4、T5、T6、T7，电感L2、L3，以及第三PWM控制电路和第三驱动电路组成，与所述分段加压电路相连接，所述全桥逆变电路中各部件的连接关系为：
所述分段加压电路的输出正极，即二极管D9、D10的阴极与所述全桥逆变电路中功率开关管T4、T6的集电极C端连接；
所述分段加压电路的输出负极，即电阻R3的2端与所述全桥逆变电路中功率开关管T5、T7的发射极E端连接；
功率开关管T4的发射极E端与功率开关管T5的集电极C端经电感L3和升压变压器B1原边侧的B端相连，功率开关管T6的发射极E端与功率开关管T7的集电极C端经电感L2和所述升压变压器B1原边侧的A端相连；
所述升压变压器B1输出侧的C端和D端连接在原油电脱水器的电极上；
第三PWM控制电路经第三驱动电路分别与功率开关管T4、功率开关管T5、功率开关管T6、功率开关管T7的栅极G端相连接；
所述升压变压器与所述全桥逆变电路连接，且所述升压变压器的输出端连接在原油电脱水器的电极上；
所述以微处理器为核心的数字控制电路分别与所述DC/DC调压电路、分段加压电路和全桥逆变电路电连接。
2.根据权利要求1所述具有脉宽内分段加压功能的交流脉冲原油脱水电源装置，其特征在于，所述以微处理器为核心的数字控制电路通过所产生的脉宽可调的双端PWM信号分段导通所述分段加压电路的功率开关管。
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