案例四 原油电脱水高频高压脉冲电源研究

1、案例四 原油电脱水高频高压脉冲电源研究一 基本原理传统获得高压的方式是通过升压变压器将低电压升压至所需要的高电压，但是由于本电源频率的要求在1K20KHz，高频变压器的材料以及散热问题都严重阻碍了这种方法的应用。脉冲同步叠加就是将n个相同的低压脉冲电源通过级联的方式串接起来，以获得高压脉冲的方法。其拓扑结构见图1。由于上述方法中只能以单个电源电压幅值为基数，整个系统输出电压的误差很大。因此本文设计的高频高压脉冲电源是由n个开关电源模块(一个电压可调模块和n-1个电压固定模块)同步叠加而成，以此来提高电源输出电压的精度。对于电压固定模块，当功率开关打开时，输出电压为；当功率开关关断时，输出电压为

2、0。而电压可调模块的电压与PWM 信号的占空比D 成正比。故在某一个时刻，整个脉冲电源的输出为：二 高频高压脉冲电源的技术指标及形成电路2.1 电源的技术指标输入电压：38010%VAC；输出电压：030KV(连续调节)；输出电流：最大2A；最大功率：50KVA；输出波形：直流脉冲；频率：1K20K(连续调节)；占空比：10%60%。2.2 高压脉冲形成电路结构高频高压脉冲电源如图2 所示。三相输入电压经两个工频功率变压器(单原边绕组，24 副边绕组)升压隔离后由整流块整流滤波得到直流电压，然后经过功率开关斩波得到高频直流脉冲电压，最后将这些高频低压脉冲叠加得到高频高压脉冲电压。图2中，M0-

3、47为整流模块：C0-47为整流块后的滤波电容；D0-47为模块单元未接入时提供通路；D00-047可以除掉功率开关管关断时产生的负电流冲击。其中工频功率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，彻底的消除三次谐波，尽量减少系统的谐波影响。2.3 IGBT 同步驱动电路由于本电源中所有48个开关电源模块都由一个高频信号控制斩波，而主控制板往往与强电硬件电路隔得比较远，要使脉冲电压同步叠加，所以就涉及到功率开关管驱动信号的同步问题，这样才能提高脉冲形成电路的可靠性和输出高压脉冲的质量。因此，在本文电源设计过程中，采用光纤来传输高频控制信号，即在主控制板上通过光纤发送器HFBR

4、-1521将脉冲电信号转变成与之等价的光脉冲，然后通过光纤传输到单个模块的控制板，这些控制板上都有将光脉冲转换为与之等价的电信号的光纤接收器HFBR-2521。这样就可以尽可能的减小由于导线传输电信号可能产生的时间延迟，避免传输过程中的干扰。三 系统控制方法研究由于脉冲电源负载(油水混合物)是实时变化的，因此控制器要能及时地补偿当负载变化或电网波动时引起的输出电压波动。根据分析，我们需要脉冲的前沿尽量的陡，以保证脉冲对乳状液的冲击作用，加速破乳。考虑到电源控制器是一个多变量输出(1路模拟量，47路开关量)系统，本文采取改进型PI控制器,同时这种控制方法将软启动思想包含在其中。具体设计思想原理框

5、图如图3。由图3 可知，此控制系统为电流单闭环结构，其中开关电源模块为47个700V 电压固定模块；PWM 模块是1 个0700V电压可调模块；反馈回路中的调理电路为峰值保持电路，将峰值保持一个周期；模块质量检测单元是为了将损坏的电源模块（质量完好输出为1，损坏输出为0）移除在正常运行的系统之外，以保证电源的输出电压可以达到与负载特性匹配的值，使电源输出达到一定的精度；开关状态生成模块的主要任务是依据负载所需电压值给需要的每一个质量完好的模块分配地址，即将PI 控制器输出值除固定常数A 后所得的商与模块质量检测单元的输出值综合；主PWM 生成模块是产生高频电压的关键，是用FPGA 生成的高频信

6、号，电源利用其作为斩波的控制信号。四 仿真分析当采用绝缘电极时，将绝缘电极和原油乳状液都等效为电阻和电容并联的形式，但是由于绝缘电极等效电路中容抗远远小于阻抗，因此忽略阻抗，而在乳状液等效电路中阻抗远远小于容抗，可忽略容抗（低频时）。因此破乳器模型等效为绝缘电极的容抗和乳状液的阻抗相串联的结构。在本文的设计中两极板之间的乳状液的特性在一般情况下不会发生很大变化，而且破乳器供电方式采用的是高频脉冲，所以将乳状液等效为小阻抗和大容抗（小电容）并联结构。为了验证用脉冲叠加的方法来得到高压脉冲电源的可行性以及电源的动态特性，在本文中，采用四个基本模块单元(三个电压固定为700V 的模块单元，1个电压在0700V之间连续可调的模块单元) 串联进行仿真，负载为电阻和电容的并联结构，取电容为10pF，电阻在0.05秒时从1200欧姆跳变至900欧姆。控制器中比例常数设定为0.3，积分常数设定为425，负载电流恒定设为2A，频率设定为5KHz，占空比设定为0.3。电源的具体仿真波形如图4 所示。从电源输出电压和负载电流波形可以看出，此电源具有软启动过程，即在电源启动时，模块电源是逐级投入的，并且电源具有很好的动态响应过程。图4 中，两个平稳阶段的局部放大图如图5 所示。从上述两个平稳过程