75kW超声波发生器控制信号研究

　　0 引言　　

　　超声波在诸多领域均得到了广泛的应用，如超声清洗、超声化学、超声焊接、超声水处理、超声防垢、超声治疗、超声原油破乳等[1]。超声波采油技术是近十几年发展起来的一种高科技的物理采油技术。超声波采油主要应用超声波的机械振动、空化、热能及反向流动作用。超声波作用于原油，可以降低原油粘度，改善流体渗流特性，提高原油流速，提高岩心渗透率，有效解除地层堵塞，从而达到提高油井采收率的目的[2]。与国外相比，我国超声波采油技术在超声波设备研发方面存在一定的差距，还需要不断的探索和完善[3]。国内大部分油田已经进入中后期开发，采收率较低，对超声波采油技术需求比较大。超声波采油设备主要包括大功率超声波发生器、传输电缆和换能器。超声波采油施工过程中需要用电缆给位于井下的换能器提供高频电功率。在高频电能传输过程中，电缆损耗比较大，所以对超声电源的要求是功率比较大。通常位于地面的超声电源功率要达到20kW方可满足要求，但由于电缆的影响，实际操作中超声波采油所需要的超声波电源输出的电功率要远大于20kW。

　　20世纪60年代初，我国开始研制各种超声波电源，到目前为止，我国超声功率电源的功率器材经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMOS和IGBT的发展过程。80年代中期，大功率高频开关晶体管开始替代电子管[4]。随后，新型大功率电子器件IGBT的采用又极大地提高了超声波逆变电源的可靠性、产品一致性、负载适应性及工作效率[5]。

　　PWM控制技术是逆变电路中应用最广泛的技术，PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种[6]。本文根据75kW大功率超声电源的实际需要——超声波需要连续地长时间作用，在此期间内电源系统能够稳定工作，输出阻抗能够与电缆匹配，电功率损耗比较小等要求，研究了其控制信号的特点和PWM控制技术，设计了超声波电源系统中的信号控制电路，保证了系统的稳定工作，激励用于大功率超声电源的IGBT驱动电路，实现了75kW大功率超声电源的有效控制。

　　1 75kW超声波控制信号分析

　　与通常的超声波发射电源不同，超声波采油所需要的75kW大功率超声电源系统中要求换能器不是连续工作的，而是用间歇的工作方式，即换能器连续振荡n个周期后停止工作一段时间，然后不断重复这一过程。超声波间隙发射，在地层中产生超声冲击，该冲击力作用于地层，对孔隙地层的喉道进行反复作用，可以提高超声波的作业效果。该超声波装置针对的换能器是多个加预应力以后的圆柱状压电晶体并联而成的。其谐振频率在20~27kHz 范围内，静态电容0.2μF，动态电阻为25?。换能器的频带应该尽量窄。