基于电磁感应加热原理的油田生产系统加热新技术

周雪 李禄胜 李玉蓉 杨杰

摘要：油田生产工程系统中，高温洗井工作一直是其重点关注的问题，为了高效达到高温洗井的效果，必须要采用一种便捷、安全、有效的新型升温洗井技术，保证洗井工作质量。电磁微波感应技术进行高温洗井工作，能够起到高质量的清洗效果，且工作模式较为环保，实用效果较高。通过分析高频感应式加热电源的串联并联电路网，微波加热技术可以使用复合式全桥逆变谐振电路当做主控系统电路。研究对象为24kHz/300kW型加热感应电源，通过水媒介存储热能，进行热能供应，提出采用嵌入式与封闭式的热能存储循环设备系统的具体方案。

关键词：电磁感应;谐振电路;加热系统;电感热能技术

电磁微波感应加热技术能够根据系统需要，高效、快速的进行热能输出，当系统不需要热能的时候，快速的停止供应能源，避免能源消耗情况，这种技术具有着升温快、效率高、运行安全的重要技术优势。目前时期，电磁微波感应加热技术，已经逐渐向分布式的网络信息远程控制技术方向上发展。科學技术的进步使得电磁微波感应加热技术得到了更好的优化，扩大了电磁微波感应技术在未来的发展前景。

1电磁感应加热能源的研究现状

感应类加热电能源的制造发展与功率电力器件关联密切，上世纪50年代，晶闸管制造成功，成为了加热感应电源工作中重要的运行动力，现如今，感应类加热电源这一新兴的电力技术在社会上得到了广泛的应用，随即研发出了大功率高压变频器型加热感应电源，将加热电流的频率逐渐提升至中等频率。晶闸管使得加热感应电源的研究有了更好的成果。

我国在电磁加热感应电源方面的研究与国外对比还较为落后，早期主要是在金属处理方面才会应用加热感应电源，在技术水平上与发达国家有着较大差距。近年来，我国在加热感应技术方面的发展十分迅速，各种工业装备生产领域中都会广泛的应用加热感应技术，随着高频加热感应电源的优化设计与创新开发，加热电源的发展会更加可观。

2加热感应电源的基础理论

现代加热感应技术的主要运行依据是圆形效应、集肤效应以及邻近效应这三点技术理论。加热感应技术的各种优点，使得这一技术在金属材质的锻造、钎焊、熔炼、热处理工艺、非金属等加工中得到重要的应用。

（1）圆环效应

加热感应电源终端为圆环形的电绕组线，高频率电流在电阻线时，内侧的磁感应程度要强于外侧，电磁感强度最大的在电阻圆环中心位置，最大电流密度是圆环绕组为内侧，此种电感现象为圆环电感效应。

（2）集肤效应

铁芯线圈在接上交流电时，线圈的周围就会出现交变磁场现象，这时铁芯中心，就会出现感应电势，逐渐生成出感应电流，此现象为集肤电感效应

（3）邻近效应

邻近效应指的是，两个电流导体相互靠近，内部出现的高频交变电流会以内电磁感应，而偏向于一边。而加热感应电力设备，也会受到加热绕组和被加热电力物体的安装限制，使得换能器的磁感应程度受到影响，出现分布涡流。

3分析加热感应电源的电路主线

加热感应逆变电源原理是，在电流功率输出的电回路中，采用电感与电容组成串联并联谐振电路，以此补偿电流功率。谐振电路的无功补偿连接方式与电感连接的方式有所不同，谐振电路又分为并联电路与串联电路，其电路结构具体为下图所示。

传统串联电路会使得电容与电感受到较大的电流应力;而并联电路只适合在高阻抗的电流状态中，但并不能用在大功率的电流状态中。结合油田开发生产的实际特点，应该选用复合式的谐振电路当作运行电路的主板模块，其内部电路结构具体如下图。

复合式谐振逆变器的主要特点：

（1）电源存在平波电感，逆变段是串联电路负载，能够避免电路引线上寄生的电感，出现短路情况可以保护电力系统。

（2）电路运行时电流近似ZCS与ZVS的导通情况，开关电能的损耗较低，更适合一些高频率电路的设计。

（3）逆变器输入端与输出端分别是电流型与电压型，可以做到在互补与驱动间的无死区电力运行时间。

（4）等效的谐振电力回路中，含有许多能源存储元件，负载较强且匹配简单，更适合应对一些电力负载变化比较激烈的电路运行中。

由此可见，复合式逆变谐振电路更适合应用于电磁加热电路系统的加热感应控制。

4频率跟踪电感技术

电磁加热感应电源应用于高频率电力开关的工作状态中，其运行环境、运行条件与周边干扰情况等会对电磁加热系统产生一定的影响。电磁加热系统的感应设备终端相当于一个完整的电磁藕合体系，一次侧为接电输出的加热感应绕组电路，二次侧是电力换能器，由此构成为无磁芯的电力空心变压装置，电磁藕合模型，如下图所示。

电磁感应系统的电感，由螺旋线圈缠绕在电能换能器上，而换能器是产热与传热的重要部件，温度变化时，电感值也会出现改变，进而导致电路谐振频率产生变化。要降低电路开关的损耗，将频率跟踪加入进电磁加热感应高频率逆变电源中十分有必要，能够跟踪电路谐振频率出现的变化，有效的保证加热感应电源保持住稳定状态。

5电磁微波能源加热系统的相关方案

采用24kHz/300kW型号的加热感应电源作为主要技术支持，利用水为媒介将电能转化为热能，提高电能水温以满足油田洗井工作的相关要求。加热系统设计结构为模块化，系统主要分10个功率等效的工作区，每个功率工作区的额定功率为30kW;电能控制系统是以主控板、辅控板相互配合进行控制工作的系统结构，更利于操作工作和管理故障。电路主芯片负责电路信息的处理与回收工作。电磁加热系统与电力控制器的组成结构示意图如下。

硬件系统的电路设计主要采用LPC2214电路芯作为电路主控，芯片的外围电路、控制电路、电源以及故障保护等结构的设计模式，具体如图8所示。

总结：

（1）分析电磁微波系统中的电磁加热感应技术原理，对圆环效应、集肤效应与邻近效应进行研究，是我国电磁加热技术系统得到深入发展的重要基础。

（2）分析高频加热感应电源的常用串联、并联电路可以确认，将复合式谐振逆变电路当作主控电路系统，其实际效果更好。

（3）频率跟踪电力技术的研发，能够高效的实现电磁加热系统的高频率逆变功能，并且，降低开关设备的损耗情况，对于提高电路系统的整体工作效率有着重要的作用意义。

（4）采用24kHz/300kW型号的加热感应电源，作为本次研究的主体对象，以水能源为媒介，储存热力能源，或利用热能进行暖气供应，并且提出了嵌入式与封闭式的热能存储循环系统的使用方式，确定组成电磁微波能源加热系统的主要部分，以及高频率逆变器内部电路结构。

参考文献：

[1]刘畅，黄正兴，陈毅.双闭环控制感应加热电源设计与仿真分析[J].电子器件，2012，35（6）：737-740.

[2]安文斗，卿钦，郑磊，等号补偿研究[J].机电工程，谐振型软开关逆变器控制信2011，28（2）：249-254.