摘 要：本文說明了普傳科技中頻電源的工作原理和性能特點，介紹了該電源在稠油井抽油系統和冶金行業電加熱的實踐應用及達到的節能降耗和提高產量的效果。
Abstract: The artical decribes the working theory and characteristic of Powtran's Intermediate frequency power. It introduces the practice of Intermediate frequency power, the effect of energy saving, lowering energy consume and increasing production in the field of metallurgy heating and oil pumping of oil well.
關鍵詞：中頻電源 感應加熱 節能
Key words: Intermediate frequency power, Induction heating equipment, Energy saving
【引言】
普傳科技股份有限公司根據冶金和石油行業特殊用途，基于公司產品研發戰略，在成功開發冶金行業電磁攪拌器專用電源基礎上，開發生產了新一代數字化控制高性能特殊電源——PI7800MF中頻感應加熱電源。主要應用領域有：金屬熔煉、透熱、釬焊、晶體生長、稀有金屬加工及石油工業的感應電加熱采油（稠油井的空心抽油桿電加熱）、石油集輸管道的感應加熱等設備，還可以應用于集輸管道加熱。和其它類型的中頻電源相比，在結構、性能及可靠性方面，具有非常明顯的優勢，控制電路采用高性能專用DSP及大規模數字專用集成電路，大功率IGBT為逆變器件，整流控制、逆變控制、功率調節、操作接口、保護等部分均集成在一塊控制板上，調試、維護方便，可靠性提高，節能效果好。
本專用電源對電網沒有污染。與同類產品相比，提高了電源的可靠性，減少了因停機造成的生產損失。
一、感應加熱原理及應用
1、集膚效應及感應加熱
1.1集膚效應：當交流電流通過導線時,在導線周圍產生交變的磁場，處在交變磁場中的整塊導體的內部會產生感應電流，由于這種感應電流在整塊導體內部自成閉合回路，形似水的旋渦，稱做渦流。
在直流電路內，均勻導線的橫截面上的電流密度是均勻的，而當交流電通過導線時，由于交變磁場的作用，在導線截面上各處電流分布不均勻，中心處電流密度小，而越靠近表面電流密度越大，這種電流分布不均勻的現象稱為集膚效應(也稱趨膚效應)。交流電的頻率越高，則集膚深度越深，同時其交流阻抗也變大，因此在相同數值的電流作用下，負載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應地也會變小，從而提高了加熱效率，同時還可起到節約電能的目的。變頻加熱電源正是基于這一原理，利用變頻技術，可將運行頻率提高到工頻的數倍，加熱效果會明顯提高。
1.2感應加熱：1831 年法拉第發現電磁感應規律、1868 年福考特提出渦流理論、1840年焦耳-楞茨確定了電阻發熱的關系式Q=I2Rt，構成感應加熱之理論基礎。
交變的電流產生交變的磁場，再利用交變磁場來產生渦流達到加熱的效果。感應加熱的加熱效率高、速度快、可控性好，易于實現高溫和局部加熱。隨著電力電子技術的不斷成熟，感應加熱技術得到了迅速發展。
在金屬加工上，感應加熱熱處理用感應電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用于表面淬火、局部退火或回火，有時也用于整體淬火和回火。
將工件放入感應器(線圈)內，當感應器中通入一定頻率的交變電流時,周圍即產生交變磁場，交變磁場的電磁感應作用使工件內產生封閉的感應電流，感應電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內逐漸減小,工件表層高密度電流的電能轉變為熱能，使表層的溫度升高，即實現表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點溫度后迅速冷卻，即可實現表面淬火。
2、感應加熱的作用及應用
感應加熱早期主要用于有色金屬熔煉和熱處理工藝。由于它本身相對于別的加熱方式，具有以下獨特優點：
1）加熱速度快，可節能。感應加熱是從金屬內部，透入深度層開始加熱，大大節省了熱傳導時間。
2）加熱溫度高，是非接觸式的電磁感應加熱。
3）可進行局部加熱，容易控制加熱部位。被加熱產品質量穩定，加熱工件的質量再現性與重復性好，各種參數容易控制。
4）控制溫度的精度高，可保證溫差在±0.5%～1%范圍內。
5）感應加熱的熱效率高，一般可達50%-70%，而火焰爐的熱效率一般只有30%左右。
6）可控性好及易于實現自動化；
7）作業環境好，環保，幾乎無熱、噪聲、粉塵等污染。
現已廣泛應用于冶金（金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等）、機械制造（黑色和有色金屬的鑄造和精密制造金屬的熔煉；機器零件的淬火，特別是表面淬火以及淬火后的回火、退火、正火等熱處理的加熱等）輕工、石油化工（化學反應釜等容器的加熱；輸油管道縫焊接，現場退火；輸油管路的加熱和保溫；鉆鋌、鉆桿的熱處理）電子、金屬材料等等工業生產過程中，成為冶金、國防、機械加工、石化等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造業等不可缺少的技術手段。
二、電源基本框圖及原理
根據交變電流的頻率高低，將電源分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻。中頻加熱電源（50 Hz或60 Hz以上-10 kHz）主電路為AC-DC-AC變頻結構，由整流電路、濾波、逆變電路和保護電路組成，其電路基本構成如圖所示。其工作原理是將三相50Hz工頻交流電經過三相全控整流橋整流成電壓可調的脈動直流，再通過電容將脈動的直流電濾波變成光滑平穩的直流電送到單相逆變橋，最后通過逆變橋將直流電變成單相頻率可調的中頻交流電供給負載。采用三相全控橋式整流電路，它的輸出電壓調節范圍大，而移相控制角的變化范圍小，有利于系統的自動調節，輸出電壓的脈動頻率較高，可以減輕直流濾波環節的負擔。
逆變電路是電源的核心部分，由全控器件IGBT構成的串聯諧振式逆變器，由鎖相環控制工作頻率，自動跟蹤負載固有頻率及其它參數的變化，保持IGBT工作在零電壓開關狀態，損耗小，安全區大。由SPWM電路控制輸出功率，由功率檢測電路組成閉環控制。
電解電容主要起濾波、穩定電壓和改善功率因數的作用
三、普傳科技中頻感應加熱電源性能特點
普傳科技為國內最早引進國外技術從事電氣傳動發展交流變頻技術的生產廠家之一，致力于節能減排和可持續發展，主導產品為國家火炬計劃重點新產品，承擔國家863“節能與新能源汽車”重大項目課題。節能、高效、環保、經濟、實用的普傳科技產品，廣泛應用于裝備制造業、電子、機械、石化、冶金、礦山、造紙、紡織、建材、交通等工業領域和高科技領域及中央空調、高樓給水、廣場音樂噴泉等民用項目。基于多年變頻核心技術應用及在冶金、石化等行業的實踐，開發了PI7800MF系列中頻加熱電源，具有以下特點：
1、基于PI7000系列高性能變頻器技術平臺；
2、采用美國德州儀器TI公司DSP TMS320LF2407、TMS320F2812等數字微處理芯片為電源控制核心，SPWM控制技術，控制系統性能增強，電路簡化，負載適應性強，實現電源控制的全數字化，智能化。該芯片專門為電機控制與運動控制數字化優化實現而設計，特別適合于三相異步電動機和逆變器的高性能控制。它集C2xx 內核增強型TMS320設計結構及適用于電機控制的低功耗、高性能、優化外圍電路于一體。
3、采用先進的大功率絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為功率開關器件，逆變頻率可調。較傳統的可控硅晶閘管較好的開關斷和開關頻率高，體積小，電流大；
4、具有相序自適應功能，無需鑒別進線相序。
5、輸出電壓、電流連續可調，可以使加熱系統處于最佳工作狀態，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。
6、采用零壓軟啟動，啟動成功率高無沖擊。
7、人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態及原因，使顯示更直觀，更易于操作
8、采用強化的故障診斷和保護技術，使系統工作可靠，有多種參數設定和跟蹤監控功能，保護功能齊全：具有過壓、過流、缺相、控制電源欠壓等故障報警功能。
9、高效節能，全功率范圍內，極高的功率因數和電源效率及較好的諧波抑制。
四、主要技術參數及產品型譜
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型號 |
PI7800MF |
輸出功率范圍 |
60-700KVA |
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輸入電源 |
相數/電壓/頻率 |
三相/380V-1140V/50Hz |
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允許波動 |
電壓 ±15% 頻率± 2% |
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輸出頻率 |
工作頻率 |
在260-1500Hz之間任意設定 |
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精度 |
1Hz |
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輸出電壓 |
300～3000V（根據變壓器選定） |
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控 制 |
面板操作/遠程操作、上位機 |
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輸出功率 |
60-700KVA |
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穩壓精度 |
0.5% |
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輸入功率因數 |
≥ 0.9 |
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轉換效率 |
＞ 95% （電源本體） |
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顯 示 |
運行頻率、輸出占空比、輸出電流、故障代碼等 |
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保護功能 |
短路、過壓、欠壓、缺相、過熱、過流等 |
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運行環境 |
工作環境溫度 |
-200C—+400C |
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相對濕度 |
<90%RH 無凝霜 |
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無導電、易燃、易蝕、易爆及損害絕緣氣體的場合 |
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五、 應用舉例1:在稠油井抽油系統上的應用
5.1.1前言
在我國石油開采中，稠油井的比例占相當大一部分，這類井原油粘度高、凝固點高、密度大、含蠟量高，難以開采。目前國內外開采這類油井的最廣泛、效果最好的采油工藝技術是稠油熱采，即采用空心桿電加熱工藝技術，使稠油變稀，可實現稠油的順利開采。以前的空心桿加熱技術，采用工頻加熱，因負載為單相，需要有一個獨立的變壓器，將三相輸入變為單相輸出，造成三相電網的不平衡，功率因數低，電能消耗大，對電網的污染大，加熱效果不明顯，造成電能的極大浪費。普傳科技采用現已掌握的成熟的變頻技術，為該加熱裝置提供一種新的變頻電源—PI7800MF系列中頻加熱電源解決了上述問題。該設備可提供260——1500Hz的頻率，實現了輸出電壓、電流的連續可調，以達到輸出功率連續可調的目的，提高了加熱效果，同時由于中頻電源渦流感應加強,導致集膚效應更強,漏磁減少,因此電加熱效果大大好于工頻電源，實際應用節能效果達到30%以上，大大地降低了采油生產能源的消耗。已在勝利油田、遼河油田稠油加熱、輸油管道加熱解除油路堵塞及油井井口加熱中廣泛應用，很受油田采油人員的歡迎。目前,加熱元件主要采用感應加熱器和空心加熱稈，前者為感性負載，后者為阻性負載。
5.1.2 電路框圖
PI7800MF系列油井采油中頻感應加熱電源通過DSP控制IPM/IGBT功率器件，實現功率和頻率可調的中頻電源輸出。它充分利用中頻集膚效應、鄰近效應和圓環效應原理，通過感應加熱器和油管柱，使電能有效的轉化為熱能，從而達到油井降粘降稠、穩產高產的目的。
1）、采用了先進的移相控制技術和軟起動技術，使工作更可靠。
2）、人機對話的顯示界面，可通過鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占空比、電流變比等，并可顯示故障狀態及原因，使顯示更直觀，更易于操作。顯示與主控板共用一個線路板，排列更緊湊，避免了信號傳輸過程中的干擾，工作更穩定。
3）輸出部分采用環形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時經電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過勵磁產生的磁飽和，同時可起到串聯諧振的作用。中頻變壓器工作頻率高，自身能量損耗極低，整機效率提高。若頻率再提高，其體積可做得更小，工作效率更高。
4）保護功能齊全。
設置了過流、短路、機內溫升過高及過、欠壓保護，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。
5.1.3應用效果
普傳科技在勝利油田、遼河油田等幾個稠油井分布的區域內成功運用了中頻電源加熱技術。通過現場調整，結合加熱電纜及功率，一般將頻率調至500Hz-800Hz左右，比工頻提高了10倍，根據功率調整電流，一般75kW的電源輸出電流在80A左右，93kW的電源在100A左右，通過中頻變壓器，輸出電壓800V左右（串聯輸出電壓： 500V、600V、700V、800V），其加熱和節能等應用效果十分明顯：
1）、功率因數明顯提高。原工頻加熱，功率因數約在0.7左右，而用變頻電源加熱，經測試都在0.95以上。
2）、減少了對電網的污染。原工頻加熱，需三相變二相，造成變壓器輸入三相電壓嚴重不平衡，對電網污染嚴重。應用變頻電源以后，功率因數提高，諧波含量明顯減少，減輕了對電網的污染。
3）、加熱效果明顯。根據集膚效應，頻率提高后，負載所獲得的能量提高，線路損耗也相應減少從而提高了加熱效果。據測試，變頻加熱可比工頻加熱提前1—2小時達到預定效果，而且溫度也要高。
4）、保護功能齊全。原工頻電源柜保護功能差，往往由于負載的短路、斷路及電壓的不穩定，造成變壓器燒毀、工作不穩定。而變頻電源柜由于DSP的控制，其保護功能齊全，避免了由于電網及負載的故障引起的問題，保證系統的穩定運行。
5）、節能效果明顯。據測試，每臺中頻電源柜比相應的工頻柜節電都在20%左右，有力的節約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統的效果。
變頻加熱是稠油熱采的一次革命，我國的稠油資源相當豐富，推廣該技術，是采油行業節能減排和提高效率的有效途徑。
應用舉例2:普傳科技中頻感應加熱電源在鋼鐵行業應用
實踐中，在鋼廠感應加熱爐、大型鋼板加熱、鋼軌淬火、透熱設備等加工中很好地利用了中頻感應加熱技術。
感應家人鋁殼爐體 出鋼
大型鋼板加熱感應器 鋼軌淬火
透熱設備 淬火
六、參考文獻：
《感應加熱變頻電源綜述》，田志明等 《變頻技術應用》
《感應加熱用中高頻電源技術的新進展》，李宏等 西安石油學
