一、系统简介
    在我国石油开采中，稠油的比例占相当大一部分，这类原油粘度高、凝固点高、密度大、含蜡量高，难以输送为我们所共知。目前在稠油集输中应用较多的工艺技术是管线掺水和油管加热。为了解决油田稠油集输中加热效果差、浪费电能等缺点，我们针对油田应用、利用先进技术开发了输油管线中频智能加热系统。方便管理，提高加热效率。以先进微处理器CPU为控制部件，构成了一个完整的自动控制系统。该加热系统可以实现输出电压、电流、频率的连续调节, 以达到输出功率连续可调的目的, 使油管电磁加热系统处于最佳工作状态，实现温度闭环控制，能源利用高，节能效果明显。
1、系统构成

                                                           图１
系统构成：
    ①变压器：提供３８０Ｖ交流电源。
    ②中频加热电源：是一种采用中频感应加热技术提高加热效率的电源设备。该设备可提供250~2500HZ的频率，实现了输出电压、电流的连续可调，以达到输出功率连续可调的目的，提高加热效果。
    ③中频变压器：采用环形中频变压器，为非晶钛材料，导磁率高，工作频率高，用于隔离输入输出电压，防止由于直流偏磁或过励磁产生的饱和问题，同时可起到串联谐振的作用。
    ④温度传感器及温控仪：检测输出液体的温度，给变频电源提供反馈信号，实现闭环控制。
    ⑤集肤加热电缆：导体截面积30 mm2;额定电压3000V;工作频率50～4000Hz;工作温度１２０℃。在中频电流的作用下，产生交变磁场，将电能转变为热能。
2、工作原理
    ⑴、电磁加热原理：交变磁场中的导体因电磁感应产生的感应电流通过导体本身时产生热量，从而加热导体及介质。交变的电流通过缠绕在管道上电缆时在线圈中表现出圆环效应，在管道中的油水混合物中表现出集肤效应，两者之间同时还存在着邻近效应。该方法是交流电三个效应的综合利用，使电的应用效率和热效率都达到最高。同时由于交变磁场的作用，对管内的液体还有搅拌效果。搅拌力F=0.1*P/D2*H*(ρ2*f)(1/2)。在电源电压和频率一定的条件下，功率与匝数平方近似成反比。P∝1/N2。电源电压、功率与匝数一定的条件下，频率与匝数成反比。
    ⑵、主要技术参数
    １）输出功率范围　0~4５ＫＷ
    ２）输入电压３８０Ｖ，５０ＨＺ，三相
    ３）输出电压１００Ｖ－5００Ｖ单相，连续可调
    ４）频率２５０ＨＺ－２５００ＨＺ，连续可调
    ５）输出波形，正负半周对称的方波，其占空比连续可调
⑶、整机主回路如图１示

                                                      图１
    首先将380V/50HZ的三相交流电经整流、滤波成直流电，经逆变电路变成频率连续可调的单相电，再经中频变压器隔离后，输送到加热电缆给油管加热。用脉宽调制技术，产生PWM（脉冲宽度调制）波形来控制逆变桥四支IGBT的通断，并跟据从主电路检测到的电压、电流信号适时地提供出保护信号，以保护整机及负载．
⑷控制回路

                                                      图2
    采用８位工业通用的微处理芯片AT89C51控制，使该系统具有多项保护功能，短路保护、过压保护、过流保护、缺相保护、温升保护等功能。开停机均为软起动、软停机，减少了冲击电流，从而延长设备的使用寿命。 使用更安全、操作更方便、加热效果更佳。
⑸电源输出
    由于负载为变压器，要求输出波形为正负半周对称的方波、即每个脉冲都是方波，正负对称，且幅度一致．


                                                    图３
图3中的Ｅ为整流后母线电压．
    对方波而言，有效值等于平均值．则有效值V₀=δ_E　(δ为脉冲占空比)
                                         δ＝Ｔ_１／Ｔ_０
    调整δ即可调整输出电压的幅度，则对于相同的负载而言，其输出电流即可得到调整，则负载上所获得的功率就可以调整．
3、中频加热系统的特点：
    １、采用了先进的移相控制技术和软起动技术，使工作更可靠。自动控制，易于管理。
    2、人机对话的显示界面，可通过键盘的选择显示工作频率及电流，输出脉冲的占空比、电流变比等，并可显示故障状态及原因，使显示更直观，更易于操作。显示与主控板共用一个线路板，排列更紧凑，避免了信号传输过程中的干扰，工作更稳定。
    3、加热效率接近100%，安全方便。提高电网功率因数。节能效果明显。
    4、保护功能齐全。
    设置了过流、短路、机内温升过高及过、欠压保护，功能更齐全，工作更可靠，避免了由于各种不正常因素而造成的损坏。
二、应用效果及其检测
    我们按每天液量为15方水，做工频加热与中频加热的对比试验，水温均升高30度，测得工频加热时，电流65A,功率因数为0.7,可得消耗功率为1.732*380*65*0.7=29.9 KW。测得变频2000Hz加热时，电流36A, 功率因数为0.97, 可得消耗功率为1.732*380*36*0.97=22.98 KW。
水的比热为4.2*10⁶焦/（方.℃）,即理论上计算，每方水升高１℃所需4.2*10⁶焦尔的热量，按一天１０方水的流量，升高１０℃，所需能量为4.2*10^８焦尔，则所需加热器的功率为4.2*10^８焦尔/(24小时)＝4.86 KW。则15方水，水温均升高30度所需的加热器的功率为4.86 KW×1.5×3=21.87 KW。
    因此用工频加热时的热效率为21.87 KW/29.9 KW=73.1%;用中频加热时的热效率为21.87 KW/22.98 KW＝95.2%，另外中频加热时将系统的功率因数由0.7提高到0.97，减少了线路损耗;因此用中频加热时，综合节电率达23%以上。油的比热约是水的一半，如果液体为原油时，则温度可升高５０℃左右。采用中频加热，可通过调节占空比，实现恒温自动加热，大大减少了劳动强度，提高了管理水平。