IGBT在石油感應加熱電源中的應用

1 引言
　　為了開采含膠質(zhì)瀝青、含蠟和凝固點高的“三高”稠油，油田通常采用蒸氣吞吐、化學降粘和熱水射流伴進等方法進行開采，這些方法存在投資高、不便管理等缺點。目前，江蘇油田在開采稠油時，結(jié)合自身特點，采用鋼質(zhì)空心抽油桿感應加熱技術(shù)。該技術(shù)具有：所需設備簡單，井下作業(yè)與維修方便；輸入功率可調(diào)；便于實現(xiàn)自動控制；沿程加熱均勻，不會產(chǎn)生局部過熱；熱效率高（在油管中心發(fā)熱）；不怕停電停抽；延長作業(yè)周期；提高生產(chǎn)效率；對環(huán)境無污染；使用安全，管理方便；一次性投資較少，資金回收快[1]等特點。
　　根據(jù)目前國內(nèi)的供電模式，空心抽油桿感應加熱系統(tǒng)采用的是工頻感應加熱方式。為了三相用電平衡，工頻加熱電源將工頻三相交流電中的一相分別經(jīng)電抗器、電容器列相移相疊加到其它二相，再經(jīng)變壓器直接變成適于各種加熱要求的單相工頻交流電后連接加熱導體。因而工頻加熱電源成本高、體積大、笨重、效率低。
　　石油中頻感應加熱電源采用IGBT作為逆變開關(guān)器件，與常用的工頻加熱電源相比，體積縮小4O％、重量減輕50％。
2 中頻感應加熱電源
　　中頻感應加熱電源的電路結(jié)構(gòu)參見圖1。三相整流器將工頻三相交流電整流成直流電，經(jīng)濾波后，由全橋逆變器變換成頻率和占空比在一定范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)的單相中頻交流電，再經(jīng)隔離變壓器輸出給加熱負載。全橋逆變器采用脈寬調(diào)制（PWM）零電壓開關(guān)電路，具有開關(guān)損耗低、電磁干擾小等優(yōu)點[2]。控制電路采用SG3524集成塊，調(diào)節(jié)⑨腳電壓以保證輸出信號的死區(qū)時聞。輸出信號的脈寬受石油溫度探測器調(diào)制．石油的溫度控制在45～7O℃。溫度過高易改變石油的化學特性．溫度過低會降低石油的流動性。

3 IGBT柵極驅(qū)動電路
3．1 IGBT柵極驅(qū)動模塊的選用
　　IGBT柵極驅(qū)動模塊EXB841、M57962L均可用于驅(qū)動1200V 系列400A以內(nèi)的IGBT模塊，且具有過流檢顙j及保護功能。這兩種驅(qū)動模塊短路保護情況下的輸出波形如圖2所示。EXB841內(nèi)部產(chǎn)生一5v負偏壓且不可調(diào)；M57962L在外部利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生一9v 負偏壓，關(guān)柵可靠性比EXB841高。另外M57962L的保護動作時間（從出現(xiàn)過流到柵壓降至0V）為6．3μs，（參見圖2a）；EXB841的保護動作時間為16μs且關(guān)柵電壓不能降至一2v 以下，（參見圖2b），導致IGBT 炸管的危險性比M57962L大。因此宜選用M57962L。

3．2 驅(qū)動模塊外圍電路的改進
　　IGBT在關(guān)斷時．集電極．發(fā)射極之間產(chǎn)生的電壓上升率高達30000V／μs。過高的會產(chǎn)生較大的位移電流。并導致產(chǎn)生較大的集電極脈沖浪涌電流，很容易使IGBT發(fā)生動態(tài)擎住現(xiàn)象。為了避免IGBT發(fā)生這種誤動作，必須在IGBT柵極加負偏壓[3]。然而在實際應用時，以下兩種情況會導致驅(qū)動電路負偏壓的消失：① 穩(wěn)壓二極管擊穿短路；② 驅(qū)動電路失去+24V電源。
　　針對以上兩種情況，筆者在廠商推薦應用電路的基礎上改進了IGBT驅(qū)動模塊M57962L的外圍電路，如圖3所示。在正常情況下．VZ4導通，M57962L⑧腳為高電位，VD1截止。VT2導通。VO1輸出端呈低阻態(tài)。如果穩(wěn)壓二極管VZ1或VZ3擊穿短路，則VZ4截止，VT1截止，VO1輸出端呈高阻態(tài)。如果驅(qū)動電路失去+24V 電壓，則VO1輸入端無電流通過，VO1輸出端呈高阻態(tài)。

4 IGBT模塊與濾波電容的聯(lián)接
　　IGBT的輸入特性與MOSFET相類似。輸入阻抗高。如果驅(qū)動電路失去電壓，則IGBT 的柵極失去負偏壓。對發(fā)射極呈高阻態(tài)。此時，一旦有干擾竄至IGBT的柵極，則IGBT模塊的上、下兩管易同時導通。如果IGBT模塊直接與數(shù)千微法的濾波電容聯(lián)接，那么濾波電容儲存的能量會通過IGBT模塊的上、下管直接釋放，易導致IGBT模塊損壞。因此，感應加熱電源在開機時先接通控制、驅(qū)動電路的電源，后將IGBT模塊與濾波電容聯(lián)接。在關(guān)機時先將IGBT模塊與濾波電容斷開，后關(guān)斷控制、驅(qū)動電路的電源。
5 試驗情況及結(jié)論
　　石油中援感應加熱電源自1997年6月在試采二廠現(xiàn)場試驗至今，仍正常工作。電源功率為3588kw。石油中援感應加熱電源不僅可以應用于空心抽油桿感應加熱系統(tǒng)。還可以應用于復雜小斷塊油田的集輸管道中頻感應電伴熱系統(tǒng)，這對于降低集輸管道的基建投資和運行費用有著重要意義。
參考文獻
[l] 劉介人．工頻集膚電熱開采高凝稠油的理論研究與實踐石油鉆采工藝1994，16（4）：74～78
[2]關(guān)宇東，張群PWM 相位調(diào)制集成片MIA818及其應用電力電子技術(shù)1995。29（2）：21～25
[3] 張立，黃兩一．電力電子場控器件及其應用北京：機械工業(yè)出版社。1996