一种基于pwm的正弦脉冲原油电脱水电源及其产生方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于PffM的脉冲电源，特别是涉及一种基于PffM的正弦脉冲原油 电脱水电源及其产生方法。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中的原油电脱水脱盐设备中存在三种电源形式，分别是高压交流电 源、高压直流电源和高压脉冲电源。高压交流电源结构简单，虽然在不需要调节电压时很少 有谐波产生，但是当需要利用可控硅进行调压时，谐波极其严重；高压直流电源由于需要进 行整流，也同样会产生较大的谐波。
[0003] 研究表明，高压脉冲电源是原油电脱水的最佳选择，高压脉冲电源最关键的技术 就是高压脉冲产生单元，脉冲产生单元以开关变换器为核心进行电能转换，以实现电功率 高压脉冲输出，除促使振荡聚结和偶极聚结外，同时还避免了电场中电流大幅度增加，利于 平稳操作和节约电能。例如，本申请的申请人和发明人在其专利号为ZL200810119165. 5、 ZL200810119161. 7及ZL200610008306. 7的中国发明专利申请中，提出了采用几种高压脉 冲电源给电脱水脱盐设备提供合适的脉冲电场。虽然，上述高压脉冲电源能够产生精确的 高压脉冲，提高了电脱水脱盐效率。但是，由于高频高压脉冲电源主要由低压直流电源装 置、大功率逆变装置、脉冲变压器装置、脉冲开关装置、电脱盐脱水负载、控制装置和检测装 置等主要部分组成，导致电源结构复杂、设计和制造成本过高；工作时产生很大的谐波分 量，在对谐波分量进行补偿又增加了设备的运行成本。总之，交流电源、直流电源和脉冲电 源用于原油电脱水时，虽然各有优缺点，但是共同的缺点是谐波含量大。
[0004] 理论研究和现场实践表明：在交流电场中，乳化液中的水珠发生振荡聚结和偶极 聚结，因而，脱出水含油率较低；在直流电场中，乳化液中的水珠除发生偶极聚结外，电泳聚 结起主导作用，因而，脱出油含水率较低；单极性脉冲电场除具有直流电场的特点外，同时 还避免了电场中电流大幅度增加，利于平稳操作和节约电能。但不具有交流电源电脱水的 优点。双极性脉冲电源具有交流电源电脱水的优点，但成本过高。
[0005] 综上所述，交流电源、直流电源和脉冲电源用于原油电脱水时，各有优缺点。但共 同的缺点是谐波含量大。因此，制作一台集交流、直流和脉冲电脱水电源优点于一身、成本 低、谐波含量低的原油电脱水电源是石油石化行业非常有意义的期待。
【发明内容】
[0006] 为克服上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提供了一种集交流、直流和脉冲电 脱水电源的优点于一身的原油电脱水电源，该原油电脱水电源具有成本低廉，设计巧妙，特 别是谐波含量低等特点。
[0007] 基于PffM的正弦脉冲原油电脱水电源脉冲产生方法：
[0008] 如图7所示，Ul为CPU，U2为比较器，U3为逻辑与门。
[0009] 1、标准脉冲波频率和占空比的产生。根据现场原油特性和环境温度等参数确定 脉冲波的频率4二y和占空比"° - + 导通时间U= t ft。，关断时间Lff= Vt1)，波形如图4中A '所示，并存入计算机芯片Ul中，通过CPU芯片Ul运算和控制后直 接输出送入U3芯片的A端。运算法则1 :当Ul输入端2为高电平时，芯片Ul输出端I (U3 的A输入端）与A '信号相同。运算法则2 :当Ul输入端2出现下降沿时，CPU芯片将检 测到该中断信号，然后立即关断控制脉冲A '，并在当前控制脉冲周期的关断时间到来之 前A '都将持续关断，使电力电子开关组避免过流。
[0010] 2、电源脉冲波的产生。如图7所示，设：11为电流互感器检测电流值，I1= kX 13， 其中k为电流互感器变比，13为电脱水负载电流值（或电力电子开关组中流过的电流值）， 12为电流整定值。Il连接至比较器U2的负输入端2, 12连接至比较器U2的正输入端1。 当12大于Il时，比较器U2输出端3为高电平，并送入芯片Ul输入端2,根据运算法则1， 控制器发出与A '频率和占空比相同的控制脉冲。当Il大于12时，比较器U2输出端3变 为低电平，其下降沿作为芯片Ul输入端2的CPU中断信号，根据运算法则2,控制器发出与 A'频率相同但占空比不同的控制脉冲。当V2处于正半波时，正向电力电子开关组TP收 到芯片U3输出端C发出的脉冲控制后导通，负向电力电子开关组TN关断，负向电力电子开 关组DN自然导通，正向电力电子开关组DP自然关断；当V2处于负半波时，负向电力电子开 关组TN收到芯片U3输出端C发出的脉冲控制后导通，正向电力电子开关组TP关断，负向 电力电子开关组DN自然关断，正向电力电子开关组DP自然导通。产生的电源脉冲波如图 3所示。
[0011] 3、电力电子开关组过流硬件保护电路。如图7所示，当负载电流13发生过载时， Il大于12, U3芯片输入端B低电平。如果在过流时，即使Ul芯片未能及时成功封锁住控 制脉冲A '，U3芯片也可以封锁住控制脉冲A，对电力电子开关组进行过流保护。
[0012] 以图4为例说明产生电源脉冲波时的三种工作情况。
[0013] (1)负载电流未过流时的电源脉冲波。当V2处于正半波t0时刻时，此时Il小于 12,因此输出电压V3有输出。直至tl时刻，电源脉冲波占空比达到设定值D，电力电子开关 组在tl时刻关断，tl时刻至t2时刻电力电子开关组将保持控制脉冲的正常关断状态。
[0014] (2)当负载电流发生过流CPU保护电力电子开关组成功时的电源脉冲波。当V2处 于正半波t2时刻时，此时Il小于12,此时电源脉冲波电压V3有输出。在t3时刻，13幅 值超过电流阈值，说明发生过流。但由于电流互感器采集信号有延迟时间t delayl(tdelayl = Vt3)，直到t4时刻，检测电流Il才大于12,电力电子开关组在t4时刻被关断。这样，从 t4时刻至t6时刻电力电子开关组将保持关断状态实现过流保护，而从t6时刻至t7时刻电 力电子开关组将保持原来控制脉冲的正常关断状态。
[0015] (3)当负载电流发生过流CPU保护电力电子开关组失败时的电源脉冲波。在t7时 亥IJ，电力电子开关组收到控制器发出的高电平脉冲控制后开通，13幅值超过电流阈值，说明 发生过流，经过信号采集延迟时间t delay2 (tdelay2= t s-t7)后，芯片Ul输入端2检测到下降沿， 假设此时CPU芯片Ul未能及时成功封锁住控制脉冲A ^，但由于芯片U3输入端B为低电 平，所以芯片U3输出端C也为低电平，电力电子开关组依然会在t8时刻关断，13降为零， 又经过信号采集延迟时间t delay3(tdelay3= 19-ts)后，芯片U3输入端B翻转为高电平，13幅 值再次超过电流阈值，电力电子开关组会在tlO时刻再次关断，实现硬件过流保护。如此反 复，形成t7至tl2之间所示发生硬件保护时的电源脉冲波。
[0016] 为实现上述目的，本发明的第一个技术方案是提供一种基于PWM的正弦脉冲原油 电脱水电源，包括：
[0017] 升压变压器，其用于将工频电源或高频电源进行升压；
[0018] 正向电力电子开关组，其一方面与交流电源V2连接，另一方面与负向电力电子开 关组连接，并用于向负载输出频率经过调整的高压脉冲电源；
[0019] 负向电力电子开关组，其一方面同时与所述正向电力电子开关组和交流电源V2 连接，另一方面与测量控制装置连接，用于向负载输出频率经过调整的高压脉冲电源；
[0020] 电流互感器，其一端与系统控制器连接，另一端与正向电力电子开关组或负向电 力电子开关组连接，用于对向电力电子开关组或负向电子开关产生的电流进行采样；
[0021] 测量控制装置，分别与正向电力电子开关组、负向电力电子开关组、电流互感器、 负载连接，用于根据电流互感器的采样信息，对当前脉冲宽度状态下的电流瞬时值进行判 断，并根据电流瞬时值与电流阈值（能够保证系统正常工作的最大电流）之间的对比来控 制脉冲的开通关断。
[0022] 优选的是，所述测量控制装置包括系统控制器，所述系统控制器分别与正向电力 电子开关组、负向电力电子开关组串联连接或并联连接，一方面，当V2处于正半波时，用于 向正向电力电子开关组的门极发送固定频率脉冲并控制正向电力电子开关组，以固定频率 导通关断；另一方面，当V2处于负半波时，用于向负向电力电子开关组的门极发送固定频 率脉冲，并控制负向电力电子开关组，以固定频率导通关断。
[0023] 优选的是，所述正向电力电子开关组TP为正向耐高压电力电子开关组，且其由N 个电力电子开关管（如IGBT等）按顺序串联组成。
[0024] 优选的是，所述负向电力电子开关组TN为负向耐高压电力电子开关组，且其由N 个电力电子开关管（如IGBT等）按顺序串联组成。
[0025] 优选的是，所述负载同时通过正电极板、负电极板与负向电力电子开关组连接，或 通过正电极板、负电极板分别与正向电力电子开关组、负向电力电子开关组连接。
[0026] 本发明的第二个目的是提供