专利名称：自控温电热杆变频加热装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高凝油高含蜡高粘油地区油井开采用电热杆加热装置。
背景技术：
我国主要油田开发自60年代开始至今已有四十年开发历史，目前各油田均已进入中后期原油开采，开采重点转移到占40％的稠油地区油井。由于稠油地区原油具有高凝油、高含蜡、高粘油(三高)特点，使此类地区油井在开采举升过程中存在降粘和结蜡等问题。目前电热杆主要采用工频电源，因集肤效应不明显，交流阻抗很小，加热效率很低，加热效果较差，能耗相当大，即不经济，又浪费能源。
发明内容
本实用新型目的是提供一种自控温电热杆变频加热装置。
本实用新型提供的自控温电热杆变频加热装置，包括电热杆和变频加热电源，其中电热杆主要包括空心抽油杆，空心抽油杆外为其上部带有出油管的油管，油管外为套管，空心抽油杆内为加热电缆，加热电缆外端与变频加热电源连接，内端与空心抽油杆下端安装的井下联结器连接，油管底部为油泵；其特征是变频加热电源构成是三相交流电连接三相全桥整流电路输入端，其输出端连接滤波电路输入后变为直流电输出，滤波电路输出连接IGBTQ1~Q4，IGBT中Q1~Q4的基极连接驱动控制电路，IGBT在驱动控制电路控制下，将直流电逆变后变为频率可调的单相交流电压后，通过左右桥臂Q1、Q2和Q3、Q4的中间节点输出后，再连接特种变压器T的输入端，经变压器隔离、升压后其输出端连接电加热空心抽油杆；其中IGBT驱动控制电路包括单片机、移相PWM信号电路和IGBT驱动电路，单片机由外部输入模拟信号即电流反馈及外部给定4～20mA电流控制，单片机内部定时器直接产生移相PWM信号并送入IGBT驱动电路，在移相PWM信号电路和IGBT驱动电路之间还联接有频率保护旁路，显示/键盘电路直接由单片机I/O口控制。
本实用新型优点自控温电热杆变频加热装置是通过变频加热系统、改变电流的频率、利用电热杆的涡流效应及集肤效应，加热原油温度，在很短的时间(1～2小时)里，使原油温度达到80℃～90℃，降低原油的黏度，融化原油中所含的蜡，提高原油的流动速率，从而提高原油的采收率，降低采油成本，缓解了我国石油供需紧张的局面；采用先进的单片计技术、“AC-DC-AC”逆变技术和完美的PID闭环控制系统构成，实现电源频率在400～600Hz中频输出，节能效果显著，与工频电源相比，节能30％～40％，并且具有智能化程度高，保护功能齐全，性能稳定可靠，输入电压范围宽；选用IGBT作为主功率开关器件，组成加热电源主电路，与晶闸管电路相比简单、实用、可靠，且控制电路容易实现，调试简单、维护方便；采用移相方波PWM控制方式，实现IGBT的软开关，即零电压导通或零电流截止，大大减少IGBT的开关应力或开关损耗，可靠性提高；驱动电路选用SCALE系列IGBT驱动模块，驱动能力强、速度高、延时时间短、隔离电压高等，且无需隔离电源供电，还具有死区时间设定、过流及短路门槛设定等功能；整体结构简单，原理先进，故安装、调试及维护非常方便。
如图2所示为变频加热电源1的主电路，其中三相交流电连接三相全桥整流电路输入端，其输出端连接滤波电路输入后变为直流电输出，滤波电路输出连接IGBTQ1~Q4，IGBT中Q1~Q4的基极连接驱动控制电路，IGBT在驱动控制电路控制下，将直流电逆变后变为频率可调的单相交流电压后，通过左右桥臂Q1、Q2和Q3、Q4的中间节点输出后，再连接特种变压器T的输入端，经变压器隔离、升压后其输出端连接电加热空心抽油杆。
由于现有全控型开关器件，如MOSFET、GTR、GTO、IGBT等已经得到广泛应用。因这些器件的导通与关断不受负载条件限制，控制较灵活，因此电路简单并且易于调试，而IGBT因其具有开关速度快、损耗小、驱动容易、耐压高、电流密度大及可靠性高等特点，因此，本变频加热电源选用IGBT作为主功率开关器件，构成加热电源主电路。在该方式中，左右桥臂的上下两个IGBTQ1和Q2及Q3和Q4分别为互补方波控制，且左右桥臂的控制相对独立，即Q1和Q2占空比各占50％，Q3和Q4占空比各占50％，通过调节左右桥臂的重叠角即可调控IGBT的导通占空比，进而调整输出电压或电压的有效值，以改变电热杆的温度。
作为中频加热电源，其输出电压有正弦脉宽调制(SPWM)输出及方波脉宽调制(PWM)输出良种工作方式。因负载对输出电压波形无特殊要求，故本装置采用方波PWM输出工作方式。
如图3所示IGBT驱动控制电路方框图，该电路包括单片机单片机由外部输入模拟信号即电流反馈及外部给定4～20mA电流控制，选用一般单片机均可实现变频加热控制目的。本例选用的单片机的内部集成有ROM、RAM、EEPROM、A/D转换器、I/O接口、硬件定时器及“看门狗”电路等(见图4)，所以具有较高的抗干扰性能。
附图
4给出了具体的电加热装置工作原理实例参考框图。图中输入的交流电380V通过三相全桥整流后变为单向直流电，经过直流电抗器滤去杂波后由一组电容蓄电后使电路电压达到IGBT的工作电压，并为控制电源和检测电路供电。
集成电路板由控制电源供电，操作键通过数据线连接面板中的CPU，用于设置输出频率和电流值，并由CPU送入显示器，同时CPU通过数据线与CPU-C中的频率调节器双向连接，频率调节器、函数发生器根据这个值经过功率运算后，由自动电压调节器调整输出电压的值，PWM发生器根据这个值输出方波信号的大小，IGBT门驱动电路收到信号后，才能激发IGBT以设置的频率工作。
这时与IGBT的输出端连接的检测电路，检测电路通过传感器采样输油管路中的油压、油温(如过流、过热、过压及欠压)等数据由转换电路转换为电流模拟信号的形式传送到检测电路。然后检测结果反馈到单片机，单片机再经过处理以数字信号形式输出到显示屏上，如果检测结果超出设定限位，则发出报警，同时单片机将发出不在正常PWM信号，频率保护将切断IGBT驱动电路。
与IGBT输出端相连隔离变压器只是起到调节输出端电压，以达到电热杆电缆(负载)工作电压。
其中A/D转换器用于将输出电流及外部4～20mA信号转换成数字量，以实现远控调节及输出电流的软件PID。移相PWM信号电路移相PWM信号由单片机内部定时器直接产生(这样PWM信号非常稳定、可靠)并送入IGBT驱动电路，由软件PID的输出值直接调节定时器的定时值就可控制两路移相PWM信号的重叠角，因而控制输出电压的占空比或有效值。IGBT驱动电路本装置选用新型的SCALE系列IGBT驱动模块，具有驱动能力强，速度高，延时间短，隔离电压高等特点，并且不需要独立隔离电源供电(内含隔离电源)，另外还有死区时间设定，过流及短路门槛设定等功能，大大提高IGBT工作可靠性。显示/键盘电路直接由单片机I/O口控制，用于显示输出电流测量/给定值、输出电压频率及其故障信息，所有调节，如电流、频率等，都通过键盘实现，操作简单、可靠、实用。所有的系统校准参数、电流频率设定值、控制状态及故障信息都保存在单片机内部EEPROM中，便于用户操作和维护。由于单片机内部含有独立的硬件“看门狗”电路，因此控制电路具有较高的抗干扰能力。即便是CPU受到强干扰，偶尔出现“飞”程序现象，“看门狗”电路也会在数毫秒之内使CPU恢复正常工作。为进一步提高系统的可靠性，我们在移相PWM信号电路和IGBT驱动电路之间还设计了频率保护旁路，当移相PWM信号频率过低或过高时，该电路将自动切断IGBT驱动信号，对IGBT实施保护。
权利要求1.自控温电热杆变频加热装置，包括电热杆和变频加热电源，其中电热杆主要包括空心抽油杆，空心抽油杆外为其上部带有出油管的油管，油管外为套管，空心抽油杆内为加热电缆，加热电缆外端与变频加热电源连接，内端与空心抽油杆下端安装的井下联结器连接，油管底部为油泵；其特征是变频加热电源构成是三相交流电连接三相全桥整流电路输入端，其输出端连接滤波电路输入后变为直流电输出，滤波电路输出连接IGBTQ1~Q4，IGBT中Q1~Q4的基极连接驱动控制电路，IGBT在驱动控制电路控制下，将直流电逆变后变为频率可调的单相交流电压后，通过左右桥臂Q1、Q2和Q3、Q4的中间节点输出后，再连接特种变压器T的输入端，经变压器隔离、升压后其输出端连接电加热空心抽油杆；其中IGBT驱动控制电路包括单片机、移相PWM信号电路和IGBT驱动电路，单片机由外部输入模拟信号即电流反馈及外部给定4～20mA电流控制，单片机内部定时器直接产生移相PWM信号并送入IGBT驱动电路，在移相PWM信号电路和IGBT驱动电路之间还联接有频率保护旁路，显示/键盘电路直接由单片机I/O口控制。
2.根据权利要求1所述的自控温电热杆变频加热装置，其特征是在IGBT驱动控制电路中还设置有可对过流、过热、过压及欠压进行检测的检测电路，该检测电路经反馈电路送入单片机，由单片机驱动报警电路。
专利摘要自控温电热杆变频加热装置，解决稠油、高凝油地区油井开采举升过程中的降粘和结蜡问题。该装置包括电热杆和变频加热电源，电热杆主要包括空心抽油杆、带有出油管的油管、套管、加热电缆、井下联结器和油泵，加热电缆两端分别连接变频加热电源和井下联结器。变频加热电源包括全桥整流、滤波、IGBT及其驱动控制电路，其输出经特种变压器T隔离、升压后接电加热空心抽油杆。该装置实现电源频率在400～600Hz中频输出，利用电热杆的涡流及集肤效应，加热原油温度，在很短的时间里，使原油温度达到80℃～90℃，降低原油的黏度，融化原油中所含的蜡，提高原油的流动速率，从而提高原油的采收率，降低采油成本，缓解了我国石油供需紧张的局面。
文档编号E21B36/04GK2602155SQ0228920
公开日2004年2月4日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年11月22日
发明者信国强, 宋世英, 郑海云, 陆有升, 姜蓬林, 邢大路 申请人:天津大港油田维罗电缆有限责任公司