李 昂，王今朝，鄧雅心

（1.陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723001；2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海 西寧 810000）

0 引 言

冬天溫度過低容易導(dǎo)致儲油罐中的原油凝固，不便于運輸和油水分離。因此需要給油罐加熱，使原油溫度保持在50 ℃左右，此時的粘稠度最好。傳統(tǒng)的加熱方式有電加熱棒加熱、電加熱膜維溫加熱以及蒸汽加熱等。其中，電加熱棒體積小且易操作，電加熱膜維溫加熱和蒸汽加熱相較于電加熱棒加熱面積大且加熱時間短。但這些方法都是采用工頻電源進行直接或間接加熱，普遍存在加熱效率低、電耗大以及工作狀態(tài)單一等缺點[1,2]。而中頻電源（頻率為0.4～30 kHz）具有效率高和耗能小等特點，能很好解決上述問題。按照逆變電路結(jié)構(gòu)的不同，中頻電源可分為串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振以及復(fù)合諧振3種類型。文獻[3]中使用頻率為2 000 Hz的復(fù)合諧振中頻電源對油罐入口加熱。根據(jù)出油量的不同，每天比工頻電源節(jié)約電能500～1 000 kW·h，加熱時間也大大縮短。此外，該電源可實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，降低損耗，但不適合于頻繁啟動的場合。冬天室外環(huán)境惡劣，針對企業(yè)用戶油罐加熱的具體要求，本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、能耗低以及可頻繁啟動的串聯(lián)諧振式中頻感應(yīng)加熱電源，以滿足冬天室外油罐的加熱需求。

1 中頻加熱原理

中頻電源工作頻率為0.4～30 kHz，加熱原理是感應(yīng)加熱。當電源輸出頻率較高的交流電流過感應(yīng)線圈時，形成交變磁場，感應(yīng)出電壓，在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，進而產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)加熱的目的。設(shè)感應(yīng)線圈匝數(shù)為N，則感應(yīng)電動勢為：

其幅值為Em=Nφmω=2πNφmf，有效值為。交變電路頻率大小決定了感應(yīng)電動勢的大小。當交流電頻率越高時，產(chǎn)生的磁場就越強，集膚效應(yīng)就越明顯。穿透深度公式為：

式中，ρ為導(dǎo)體電阻率；f為交流電頻率；μ為相對磁導(dǎo)率。由公式可知，頻率越高，穿透深度越小[4]。

2 設(shè)計方案

3種類型中頻電源的特性對比如表1所示。

根據(jù)設(shè)計要求，本文采用20 kHz的串聯(lián)諧振式電路，電源功率為20 kW，功率因數(shù)cosφ=0.9，效率達90%以上，圖1為系統(tǒng)總體框圖。工頻交流電經(jīng)三相不控整流電路變?yōu)橹绷麟?，濾波后再經(jīng)串聯(lián)諧振逆變電路使其變?yōu)轭l率20 kHz的交流電。輸出電流和電壓經(jīng)采樣電路進入DSP，通過PI算法得到反饋量，進而控制輸出功率和頻率。

表1 3種類型中頻電源的特性對比

2.1 電路參數(shù)設(shè)計

2.1.1 整流電路參數(shù)設(shè)計

2.1.2 逆變電路參數(shù)設(shè)計

電路諧振頻率為20 kHz，通頻帶可取為4 kHz。品質(zhì)因數(shù)，功率因數(shù)cosφ=0.9，逆變電路輸入電壓為540 V，則輸出電壓UVT=0.816Ud≈440 V，輸出電流為：

考慮到安全裕量，IGBT參數(shù)選取150 A/1 500 V。

發(fā)生諧振時，電路中電感兩端電壓與電容兩端電壓幅值相等，方向相反。當Q=5時，UL=UC=QUVT≈2 200 V，此時電感感抗等于電容容抗，可得：

2.2 電源系統(tǒng)控制方案

電源系統(tǒng)控制方案主要包括輸出功率控制和頻率控制兩部分。電源系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

2.2.1 輸出功率控制

為了能夠?qū)崿F(xiàn)恒定輸出功率，提高工作效率，需要采樣輸出電流和電壓。經(jīng)DSP的AD轉(zhuǎn)換計算出系統(tǒng)的反饋功率，將其與設(shè)定功率進行比較，得到差值后進行PI調(diào)節(jié)，從而得到新的功率控制量，最后將其轉(zhuǎn)換為逆變器的移相角度，輸出恒定功率。

圖2 電源系統(tǒng)控制框圖

2.2.2 頻率控制

輸出頻率波動會導(dǎo)致加熱效果變差。為了使整個系統(tǒng)保持在20 kHz頻率附近，可使用電流過零同步技術(shù)跟蹤頻率[5,6]。負載電流經(jīng)過方波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為同頻率的方波電壓，再經(jīng)過相位補償計算后送入DSP的ECAP端口。此時，DSP開始計算方波上升沿，電壓（電流）過零。當ECAP連續(xù)捕捉到兩次上升沿時，計算兩次上升沿間隔就能得到負載頻率。位關(guān)系可以分為諧振移相控制、容性移相控制以及感性移相控制3種。

感性移相調(diào)功適用于中小功率器件或單極性功率管，會有強制換流過程，可能引起電壓尖峰破壞開關(guān)器件。諧振移相調(diào)功在工作時，所有開關(guān)都處于硬開關(guān)下，器件的開關(guān)損耗很高，所以實際設(shè)計中基本不使用。容性移相調(diào)功適用于大功率器件或雙極性功率管，換流過程平緩，不會引起電流電壓尖峰[9]。因此，本文采用容性移相PWM調(diào)功。

2.3 功率調(diào)節(jié)方案

逆變側(cè)功率調(diào)節(jié)采用移相PWM調(diào)制法[7,8]。通過改變輸入脈沖的相位改變逆變器的輸出基波電壓，可以起到調(diào)節(jié)輸出功率的作用。該方法可以利用自然換相點使器件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低損耗。功率調(diào)節(jié)方案根據(jù)移相調(diào)功中輸出基波電壓和輸出電流的相

3 移相調(diào)功仿真

仿真主電路如圖3所示，用540 V直流電壓源串聯(lián)一個電阻代替整流模塊。其中，R=11 Ω，L=0.42 mH，C=0.15 μF。

圖3 仿真主電路

鎖相及移相控制模塊如圖4所示，逆變脈沖觸發(fā)信號取負載電流過零時刻為基準信號。電源啟動時負載無電流，需用外部它激信號做觸發(fā)脈沖，經(jīng)兩個周期后轉(zhuǎn)換為自激觸發(fā)信號。脈沖發(fā)生器頻率20 kHz。

圖4 鎖相及移相控制模塊

移相角45°、60°以及120°時的波形圖分別如圖5、圖6以及圖7所示。電壓波形為方波，電流波形為正弦波。

圖5 移相角45°波形圖

圖6 移相角60°波形圖

圖7 移相角120°波形圖

從波形可以看出，隨著移相角度的增加，負載電流頻率降低，說明系統(tǒng)工作在容性狀態(tài)。在0.2 s時增加一個感性負載，目的是為了驗證負載受擾動后，電源能否繼續(xù)正常工作。在不同移相角的情況下，負載受擾動后均回到了穩(wěn)定狀態(tài)，電流和電壓波形均能保持平穩(wěn)。不同負載的情況下，逆變器工作頻率當移相角為0°時最大，接近諧振狀態(tài)。隨著移相角增大，逆變器工作頻率不斷降低，輸出電流幅值降低，說明輸出功率隨著移相角增大而減小，符合移相調(diào)功的特性。容性移相調(diào)功方式使電源的頻率保持在諧振頻率附近，電源效率得到提高，同時避免因頻率波動產(chǎn)生的電能損耗[10,11]。

4 結(jié)果比較

現(xiàn)有企業(yè)使用某型號油罐，長為6 m，直徑2.5 m，體積20 m3，裝滿油重16 t。原油比熱容隨溫度變化的曲線如圖8所示。

圖8 原油比熱容隨溫度變化曲線

圖8中將原油比熱容大致分為3段，對應(yīng)的溫度范圍分別為0～30 ℃、30～40 ℃以及40～50 ℃，比熱容分別取2.4×103J/（kg·K）、2.5×103J/（kg·K）、2.1×103J/（kg·K）。將原油從-5 ℃加熱到50 ℃所需能量由公式Q=C油mΔT可得：

又已知1 J=2.778×10-7kW·h，因此總共所需電能為W=588.936 kW·h[12]。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種中頻加熱電源。其相較于傳統(tǒng)加熱具有效率高、耗能低以及加熱快等優(yōu)勢。在實際運用中頻繁啟動的場合，采用串聯(lián)諧振式逆變電路，選擇容性移相PWM調(diào)功，通過計算并進行Matlab仿真來驗證方案的可行性。經(jīng)研究可知，該方案不僅可以應(yīng)用在油罐加熱，而且經(jīng)過調(diào)整和改善，還可應(yīng)用于大型器件的表面淬火和深層加熱等場合，因此研究中頻加熱具有一定的參考意義。