IGBT在石油感应加热电源中的应用

IGBT在石油感应加热电源中的应用 

1 引言
  为了开采含胶质沥青、含蜡和凝固点高的“三高”稠油，油田通常采用蒸气吞吐、化学降粘和热水射流伴进等方法进行开采，这些方法存在投资高、不便管理等缺点。目前，江苏油田在开采稠油时，结合自身特点，采用钢质空心抽油杆感应加热技术。该技术具有：所需设备简单，井下作业与维修方便；输入功率可调；便于实现自动控制；沿程加热均匀，不会产生局部过热；热效率高（在油管中心发热）；不怕停电停抽；延长作业周期；提高生产效率；对环境无污染；使用安全，管理方便；一次性投资较少，资金回收快［1］等特点。
  根据目前国内的供电模式，空心抽油杆感应加热系统采用的是工频感应加热方式。为了三相用电平衡，工频加热电源将工频三相交流电中的一相分别经电抗器、电容器列相移相叠加到其它二相，再经变压器直接变成适于各种加热要求的单相工频交流电后连接加热导体。因而工频加热电源成本高、体积大、笨重、效率低。
  石油中频感应加热电源采用IGBT作为逆变开关器件，与常用的工频加热电源相比，体积缩小40％、重量减轻50％。
  2 中频感应加热电源
  中频感应加热电源的电路结构参见图1。三相整流器将工频三相交流电整流成直流电，经滤波后，由全桥逆变器变换成频率和占空比在一定范围内均连续可调的单相中频交流电，再经隔离变压器输出给加热负载。全桥逆变器采用脉宽调制（PWM）零电压开关电路，具有开关损耗低、电磁干扰小等优点［2］。控制电路采用SG3524集成块，调节⑨脚电压以保证输出信号的死区时闻。输出信号的脉宽受石油温度探测器调制．石油的温度控制在45～7O℃。温度过高易改变石油的化学特性．温度过低会降低石油的流动性。
 
  3 IGBT栅极驱动电路
  3．1 IGBT栅极驱动模块的选用
IGBT栅极驱动模块EXB841、M57962L均可用于驱动1200V 系列400A以内的IGBT模块，且具有过流检颡j及保护功能。这两种驱动模块短路保护情况下的输出波形如图2所示。EXB841内部产生一5v负偏压且不可调；M57962L在外部利用稳压二极管产生一9v 负偏压，关栅可靠性比EXB841高。另外M57962L的保护动作时间（从出现过流到栅压降至0V）为6．3μs，（参见图2a）；EXB841的保护动作时间为16μs且关栅电压不能降至一2v 以下，（参见图2b），导致IGBT 炸管的危险性比M57962L大。因此宜选用M57962L。
 
  3．2 驱动模块外围电路的改进
  IGBT在关断时．集电极．发射极之间产生的电压上升率高达30000V／μs。过高的会产生较大的位移电流。并导致产生较大的集电极脉冲浪涌电流，很容易使IGBT发生动态擎住现象。为了避免IGBT发生这种误动作，必须在IGBT栅极加负偏压［3］。然而在实际应用时，以下两种情况会导致驱动电路负偏压的消失：① 稳压二极管击穿短路；② 驱动电路失去+24V电源。
针对以上两种情况，笔者在厂商推荐应用电路的基础上改进了IGBT驱动模块M57962L的外围电路，如图3所示。在正常情况下．VZ4导通，M57962L⑧脚为高电位，VD1截止。VT2导通。VO1输出端呈低阻态。如果稳压二极管VZ1或VZ3击穿短路，则VZ4截止，VT1截止，VO1输出端呈高阻态。如果驱动电路失去+24V 电压，则VO1输入端无电流通过，VO1输出端呈高阻态。
 
  4 IGBT模块与滤波电容的联接
  IGBT的输入特性与MOSFET相类似。输入阻抗高。如果驱动电路失去电压，则IGBT 的栅极失去负偏压。对发射极呈高阻态。此时，一旦有干扰窜至IGBT的栅极，则IGBT模块的上、下两管易同时导通。如果IGBT模块直接与数千微法的滤波电容联接，那么滤波电容储存的能量会通过IGBT模块的上、下管直接释放，易导致IGBT模块损坏。因此，感应加热电源在开机时先接通控制、驱动电路的电源，后将IGBT模块与滤波电容联接。在关机时先将IGBT模块与滤波电容断开，后关断控制、驱动电路的电源。
  5 试验情况及结论
  石油中援感应加热电源自1997年6月在试采二厂现场试验至今，仍正常工作。电源功率为3588kw。石油中援感应加热电源不仅可以应用于空心抽油杆感应加热系统。还可以应用于复杂小断块油田的集输管道中频感应电伴热系统，这对于降低集输管道的基建投资和运行费用有着重要意义。
 
​