CN102176062B - 多功能发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能发射机，由物理上相互分离的多个功能模块构成，包括：电源叠加模块，变频调压模块，至少两个整流模块，发射输出模块，控制模块；其中电源叠加模块与多个外部电源连接，用于将多个外部电源的交流电同相并将电源输入功率叠加，获得具有第一电压和第一频率的交流电；变频调压模块用于调整第一电压和第一频率，获得具有第二电压和第二频率的交流电；至少两个整流模块，用于将变频调压后的交流转换为直流；发射输出模块，其输出端与发射天线连接用于将至少两个整流模块的串并联，并调整输出的波形和频率；控制模块用于控制发射信号波形、时钟和频率。本发明中的多功能发射机具有测量功能多、运输方便、可扩展性强、成本低的优势。

Description

多功能发射机

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种多功能发射机。

背景技术

电法勘探是地球物理勘探技术中的主要分支之一，电法勘探是利用地壳中的多种岩石、地层间电学性质之差异来勘探地质构造。在电法勘探中，目前利用岩石和地层的电学性质或物理参数主要有四种，电阻率、磁导率、极化特性以及介电常数。

作为电法勘测的一种，可控源音频大地电磁探测法(CSAMT)由于具有信号强度大、抗干扰能力强、分辨率高等独特的优点而受到业内的关注。这种方法利用可控的人工场源通过埋入地表的电偶极，向地下垂直发射平面电磁波，改变发射频率即可改变探测深度和分辨率，电磁波在传播过程中有能量衰减，遇到电导率不同的地层界面时发生反射，在地面接收反射波并测量电磁场分量，即可获得地层结构的剖面和深度信息。

通常，可控源音频大地电磁探测系统包括三部分：发射装置、接受装置和数据处理装置，其中，主要有发射机、发电机、发射控制器、发射电极及附属设备。

其中，发射机用于产生特定频率的电磁波，根据不同的发射功率规格(10kw、20kw和50kw)，需要匹配相应功率的发电机，例如，10kw的发射机匹配10kw的发电机，20kw的发射机需要匹配20kw的发电机。功率越大发电机体积和重量就越大，而现有的便携式交流发电机不能实现串并联。地球物理勘探多是野外作业，工作环境复杂，笨重的发电机运输非常不方便，而且根据不同的测量要求往往还必须携带多种功率规格的发射机和发电机，更增加了勘测工作的难度。

此外，随着可控源音频大地电磁探测法的应用范围逐渐扩大，测量的需求也更加多样化，从功能和成本角度考虑，传统的发射机功率规格固定不变，用户可实现的功能单一，实用灵活性较差，为适应不同的需求必须要购置多台发射机，成本较高。

类似的，用于激发极化法测量的发射机也存在上述问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种多功能发射机，运输较方便，能够适应野外作业的复杂环境。

为解决上述问题，本发明提供一种多功能发射机，其特征在于，有物理上相互分离的多个功能模块构成，所述多个功能模块包括：电源叠加模块，变频调压模块，至少两个整流模块，发射输出模块，控制模块；其中，

所述电源叠加模块，与多个外部电源连接，用于将多个外部电源的交流电同相并将电源输入功率叠加，获得具有第一电压和第一频率的交流电；

变频调压模块，用于调整第一电压和第一频率，获得具有第二电压和第二频率的交流电；

至少两个整流模块，用于将变频调压后的交流转换为直流；

发射输出模块，其输出端与发射天线连接，用于将所述至少两个整流模块的串并联，并调整输出的波形和频率；

控制模块，用于控制发射信号波形、时钟和频率。

所述电源叠加模块、变频调压模块、控制模块、发射输出模块和各个整流模块均分别设置于独立的便携式机箱中，各个机箱面板上设有连接线接口，通过连接线将上述各个功能模块连接。

所述变频调压模块包括整流电路、滤波电路和高频逆变电路，所述整流电路的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接高频逆变电路的输入端。

所述整流模块包括高频变压电路和高频整流滤波电路，所述高频变压电路的输出端连接高频整流滤波电路的输入端。

所述发射输出模块包括：串并联网络、移相驱动电路、H桥极性转换电路和H桥驱动电路；

其中，所述串并联网络用于根据不同负载对不同电压等级的要求，将至少两个整流模块的直流进行串并联后输出；

H桥极性转换电路用于进行单、双极性控制和波形及频率控制；

所述H桥驱动电路用于驱动H桥极性转换电路；

所述移相驱动电路用于驱动高频逆变电路。

所述串并联网络通过面板上的三个万能转换开关的不同组合方式实现。

所述的多功能发射机还包括保护模块，与所述控制模块连接，用于对各个功能模块进行过流、过热或负载短路保护。

所述的多功能发射机还包括GPS天线和GPS接收模块，用于获取测量的时间和位置信息。

所述的多功能发射机还包括数据存储模块，与控制模块连接，用于接收并实时存储来自GPS的时间信息及来自控制模块的设备工作状态数据。

所述控制模块还设置有CAN通信接口，用于实现控制模块与数据存储模块的连接。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

多功能发射机在运输过程中，装有各个模块的机箱分别独立运输，到达测量地点时再按照发射功率的要求进行组合，例如发射功率为10kw时，将一台10kw的发电机或两台5kw的发电机与电源叠加模块连接，经过电源叠加模块同步相位后，获得具有第一电压和第一频率的交流电，然后经过变频调压模块的调整，获得具有第二电压和第二频率的交流电，而至少两组整流模块将变频调压后的交流转换为直流，并由发射输出模块串并联后调整输出的波形和频率，最后输出到电偶极，整个工作过程由控制模块控制发射信号波形、时钟和频率。

整流模块的数量和串并联关系可以根据需要灵活选择，例如，需要更大的发射功率(例如20kw～50kw)时，可以相应增加整流模块的数量并调整串并联关系，不需要更换现有的其他模块，大大节省了成本，相对于传统的发射机，不需要再匹配大功率的发电机，而只要携带较轻巧的小功率发电机，发射机本身也分成多个功能模块，体积和重量均明显减小，便于地球物理勘探的野外作业。由此可见，本实施例中的多功能发射机具有测量功能多、运输方便、可扩展性强、成本低的优势。对于CSAMT法来说，大功率的测量由多个小功率模块组合而成，根据需求既可以测量大面积大深度，也兼顾小面积小深度；设备扩展性很强，例如20kw的发射机，未来可以通过整流模块叠加的方式增加到50kw，有利于降低设备一次投入的成本。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为实施例一中多功能发射机的结构示意图；

图2为实施例一中多功能发射机电气结构框图；

图3为图2的电气原理图；

图4为实施例一中H桥驱动电路的电气原理图；

图5为实施例二多功能发射机的电气结构框图；

图6为本发明另一实施例在多功能发射机的电气结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分。

可控源音频大地电磁探测法(Controlled Source Audio-frequencyMagnetotellurics，CSAMT)最早是加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein于1971年提出的。针对大地电磁法场源的随机性和信号微弱，以致观测十分困难这一状况，他们提出了一种改变方案——采用可以控制的人工场源，故称可控源；又因使用的是音频段频率，所以把它称作可控源音频大地电磁法。他们于1975年从理论和实验两方面奠定了可控源音频大地电磁法的基础。自70年代中期起，CSAMT法得到实际应用，一些公司相继生产用于CSAMT测量的仪器和应用软件。特别是自80年代以来，方法理论和仪器都得到了很大发展，应用领域也扩展到普查、勘探石油、天然气、地热、金属矿产、水文、环境等各个方面，从而成为受人重视的一种地球物理方法。

CSAMT法用发射机通过接地电偶极向地下供交变电流，在地下造成交变电磁场。电流的频率可在一定范围内按需要改变，例如从2-3Hz-2-12Hz按2进制递变。在接地十分困难的地方可以用不接地的回线作垂直磁偶极子来发送电磁场。

当前，用于CSAMT法地球物理测量的发射机发射功率相对固定，根据不同的发射功率规格需要匹配相应功率的发电机，不仅功能单一，而且地球物理勘探多是野外作业，工作环境复杂，携带多种规格的发射机运输非常不方便。

基于此，本发明从成本组合、功能组合以及机械组合的角度出发，提出了一种多功能发射机，将传统的发射机从物理上分为多个功能模块，所述多个功能模块能够根据实际测量的需要进行组合，以实现不同规格的发射功率，对用户来说，一台发射机可以满足多种规格测量并可以进行功能扩展，大大节省了成本，而且，多个功能模块在物理上分开，可以分别由小型运输工具或人力运输，到测量地点再进行组合，能够适应山区等复杂的地质环境，具有很好的便携性。

以下结合附图详细说明本发明所述多功能发射机的具体实施例。

实施例一

图1为本实施例多功能发射机的结构示意图，所述多功能发射机包括物理上相互分离的多个功能模块构成，如图所示，所述多个功能模块包括：电源叠加模块11，变频调压模块12，至少两个整流模块13，发射输出模块14，控制模块15；其中，

所述电源叠加模块11，与多个外部电源(图中未示出)连接，用于将多个外部电源的交流电同相并将电源输入功率叠加，获得具有第一电压和第一频率的交流电；

变频调压模块12，用于调整第一电压和第一频率，获得具有第二电压和第二频率的交流电；

至少两个整流模块13，用于将变频调压后的交流转换为直流；

发射输出模块14，其输出端与发射天线连接，用于将所述至少两个整流模块13的串并联，并调整输出的波形和频率；

控制模块15，用于控制发射信号波形、时钟和频率。

如图所示，上述电源叠加模块11、变频调压模块12、控制模块15、发射输出模块14和各个整流模块13均分别设置于独立的便携式机箱中，各个机箱面板上设有连接线接口16，通过连接线17将上述各个功能模块连接。为方便现场搬运，本实施例中每一机箱重量小于60kg。

图2为本实施例中多功能发射机电气结构框图，图3为图2的电气原理图。需要特别说明的是，为清楚的说明多功能发射机的原理，图2、3中将各个功能模块作为一个整体示出，实际上，各种电路结构分别处于不同的便携式机箱内。

如图2所示，变频调压模块12包括整流电路121、滤波电路122和高频逆变电路123，所述整流电路121的输出端连接滤波电路122的输入端，所述滤波电路122的输出端连接高频逆变电路123的输入端。

所述整流模块13包括高频变压电路131和高频整流滤波电路132，所述高频变压电路131的输出端连接高频整流滤波电路132的输入端。

所述发射输出模块14包括：串并联网络141、移相驱动电路142、H桥极性转换电路143和H桥驱动电路144；其中，所述串并联网络141用于根据不同负载对不同电压等级的要求，将至少两个整流模块13的直流进行串并联后输出；H桥极性转换电路143与外部电偶极连接，用于进行单、双极性控制和波形及频率控制；所述H桥驱动电路144用于驱动H桥极性转换电路143；所述移相驱动电路142用于驱动高频逆变电路123。

所述串并联网络141通过便携式机箱面板上的三个万能转换开关(图中未示出)的不同组合方式实现。

上述多功能发射机在运输过程中，装有各个模块的机箱分别独立运输，到达测量地点时再按照发射功率的要求进行组合，例如发射功率为10kw时，将一台10kw的发电机或两台5kw的发电机与电源叠加模块11连接，经过电源叠加模块11同步相位后，获得具有第一电压和第一频率的交流电，然后经过变频调压模块12的调整，获得具有第二电压和第二频率的交流电，而4组整流模块13将变频调压后的交流转换为直流，并由发射输出模块14串并联后调整输出的波形和频率，最后输出到电偶极，整个工作过程由控制模块15控制发射信号波形、时钟和频率。

整流模块13的数量和串并联关系可以根据需要灵活选择，例如，需要20kw～50kw的发射功率时，可以相应增加整流模块13的数量并调整串并联关系，不需要更换现有的其他模块，大大节省了成本，相对于传统的发射机，不需要再匹配大功率的发电机，而只要携带较轻巧的小功率发电机，发射机本身也分成多个功能模块，体积和重量均明显减小，便于地球物理勘探的野外作业。由此可见，本实施例中的多功能发射机具有测量功能多、运输方便、可扩展性强、成本低的优势。

下面以三相AC380V供电为例具体说明各个电路的结构和功能。

对于高频逆变电路123的主电路，母线电压的脉动值为最低输入交流电压峰值的20％～25％。线电压有效值：342V～418V；线电压峰值：483.6V～591.1V；整流滤波后直流电压的最大脉动值：Vpp＝96.7V～120.9V；整流滤波后的直流电压：Vin＝386.9V～483.6V。

滤波电路122中滤波电容的容量按母线电压允许最大脉动值选取。输入功率：Pin＝Pout/η＝10/0.9＝11.1kW；每个周期中电容所提供的能量约为：Win＝Pin/f＝222J；则滤波电容Cin＝Win/(591.12-483.62)＝1922uF。由于最高母线电压为591.1V，则选择400V耐压等级的电容2个串联，即选取2个4700uF/400V的电容串联，总容量为2350uF。

高频逆变电路123的主电路中包括高频隔离变压器，为了减小高频隔离变压器体积、重量，应当提高高频逆变电路的开关频率，但过高的开关频率会导致功率开关损耗增加，影响电路工作可靠性。为有效解决这一矛盾，本发明实施例中的高频逆变电路的主电路拓扑采用移相全桥软开关变换器。综合各种因素，选取IGBT开关频率为20kHz。移相全桥变换器可实现零电压开关、零电压零电流开关和零电流开关三种软开关方式。

高频逆变电路123还包括：功率开关器件、电压尖峰吸收电路、充放电电路和谐振电感、谐振电容。其中，功率开关器件采用IGBT，由于最高母线电压418V，则选取600V电压等级的IGBT；电压尖峰吸收电路靠近IGBT布置；充放电电路用于减小加电时电容充电对电路造成的电流冲击，在整流桥输出端加充电电阻，当充电完成后用可控硅将充电电阻“短接”，为迅速泻放关机时输入滤波电容上储存的能量，利用主接触器上的常闭辅助触头和放电电阻进行放电。谐振电感和谐振电容用于帮助实现滞后桥臂的零电压开关，为开关管的零电压开关提供足够的能量。

为避免由于加在高频隔离变压器上的方波中出现直流分量导致变压器出现偏磁饱和，在高频隔离变压器原边还设置有隔直电容。

H桥极性转换电路143母线最高电压为2000V，采用应3300V的IGBT。

高频逆变电路123采用移相控制方式。移相全桥软开关电源既可以工作在恒电流模式运行，也可按恒电压模式运行，但考虑频率较高时按电流模式运行将无法保证电流的跟踪性。为有效解决这一矛盾，采用在100Hz以下按恒电流模式运行、100Hz以上按恒电压模式运行的方式。移相驱动电路142共产生4路频率为20kHz的方波信号，这些信号通过移相驱动电路142加在4只脉冲变压器的原边，通过脉冲变压器驱动4只IGBT。

H桥极性转换电路143由H桥驱动电路144控制，采用双极性控制模式，当频率较高，IGBT开关速度受影响时，可改用单极倍频控制模式。

H桥驱动电路144的电气原理图如图4所示，包括IGBT驱动模块及其外围电路构成，图4中仅示意一个单元，该驱动电路共有四个IGBT驱动电路单元，分别驱动H桥臂上的四个IGBT模块(图中未示出)。

本实施例中的多功能发射机还包括辅助电源，控制、检测、驱动电路需要多路隔离的辅助电源，根据需要，采用辅助电源板，辅助电源板采用反激式多路开关电源，每块电源板共有6路输出。

本实施例中的多功能发射机共有4组整流模块13，输出均为500V/10A，这四组整流模块13串并联后可以实现不同的发射功率。

根据负载(电偶极)需要，多功能发射机共设以下工作区：

0～500V工作区，最大输出电流30A；由4路500V/10A的整流模块全并联实现；

500～1000V工作区，最大输出电流20A；由4路500V/10A的整流模块2串2并实现；

1000～2000V工作区，最大输出电流10A；由4路500V/10A的整流模块全串联实现。

整流模块13中包括高频变压电路131和高频整流滤波电路132，其中高频变压电路131的变压器原副边变比K为0.664。高频整流滤波电路132包括快恢复二极管构成的整流桥、滤波电感、滤波电容等，其中的输出滤波电感的电流保证连续，则电感Lf为2mH；输出滤波电容的容量与对输出电压峰峰值的要求有关，采用35μF/400V电容2个串联，电容值Cf为10μF。

串并联网络141通过机箱面板上的三个万能转换开关的不同组合方式实现，下表是不同输出电压要求时三个万能转换开关的位置。万能转换开关S1、S2、S3均有“A”、“B”2个位置。

表1  万能转换开关输出电压位置对应表

输出电压	输出电流	S1	S2	S3
					0～500V	25A	B	A	B
500～1000V	20A	B	B	A
					1000～2000V	10A	B	B	B

所述多功能发射机的特点是频带宽(0～10kHz)、电压输出范围宽(25～2000V)。在如此宽的频率范围、电压输出范围内均能可靠工作是该多功能发射机的关键技术之一。

由于电压输出的最高值达到2000V，如此高的电压导致器件选择的困难。为有效解决这一矛盾，本实施例中采用了多个整流模块串联的方式，可降低高频整流桥的电压等级；同时为满足各工作区段电流控制的精度，整流模块13通过串并联网络141分别构成不同电压等级的直流输出，串并联网络141通过机箱面板上的转换开关进行切换。H桥采用3300V的IGBT，可以满足单、双极性控制，波形及频率控制的要求。

另一关键技术在于，高频逆变电路123采用移相控制方式，移相全桥软开关电源既可以工作在恒电流模式运行，也可按恒电压模式运行，但考虑频率较高时按电流模式运行将无法保证电流的跟踪性。为有效解决这一矛盾，采用在100Hz以下按恒电流模式运行、100Hz以上按恒电压模式运行的方式。在100Hz或者更高时能实现恒流功能，考虑控制器的跟踪性能，可能有一定困难，如无法完成100Hz时的恒流功能，可考虑适当降低频段恒流功能的最高频率值。反之，如跟踪可以满足要求，也可适当提高低频段恒流功能的最高频率值。

可根据控制模块的机箱面板上的手动设置或通讯接口自动设置的频率、波形来输出电流。在低频、双极性波形工作方式下可记录电流幅值和相位。

该多功能发射机用作地球物理勘探的可控源，可以向地下的电偶极或回路发射一定波形的电流。发射机具有时域和频域两种工作模式，在时域工作模式下发射机输出占空比50％的电流方波，在频域工作模式下输出占空比100％双极性的电流方波。

本实施例中，电源叠加模块11、变频调压模块12位于同一机箱内。

实施例二

图5为本实施例多功能发射机的电气结构框图，与实施例一的区别在于，所述的多功能发射机还包括保护模块16，如图所示，保护模块16与所述控制模块15连接，用于对各个功能模块进行过流、过热或负载短路保护，出现故障时迅速关断IGBT并切断输入主电源。保护模块16包括过流保护电路、过热保护电路和负载短路保护电路。其中，过流保护电路通过电流LEM检测母线电流并与设定的母线电流门槛进行比较，当母线电流大于门槛值时保护。过热保护电路通过温度继电器检测散热器IGBT处的温度，当IGBT温度过高导致温度继电器动作时保护。负载短路保护电路通过电流LEM检测输出电流并与设定的短路电流门槛进行比较，当输出电流大于门槛值时保护。

所述保护模块16可与控制模块15集成在同一机箱中。

如图6所示，在本发明的另一优选实施例中，所述多功能发射机还包括GPS天线17和GPS接收模块18，用于获取测量的时间和位置信息，其他部分的结构与实施例一相同，在此不再赘述。

此外，本发明的多功能发射机还包括数据存储模块，与控制模块连接，用于接收并实时存储来自GPS的时间信息及来自控制模块的设备工作状态数据。相应的，所述控制模块还设置有CAN通信接口，用于实现控制模块与数据存储模块的连接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种多功能发射机，其特征在于，由物理上相互分离的多个功能模块构成，所述多个功能模块包括：电源叠加模块，变频调压模块，至少两个整流模块，发射输出模块，控制模块；其中，

所述电源叠加模块，与多个外部电源连接，用于将多个外部电源的交流电同相并将电源输入功率叠加，获得具有第一电压和第一频率的交流电；

变频调压模块，用于调整第一电压和第一频率，获得具有第二电压和第二频率的交流电；

至少两个整流模块，用于将变频调压后的交流转换为直流；

发射输出模块，其输出端与发射天线连接，用于将所述至少两个整流模块的串并联，并调整输出的波形和频率；

控制模块，用于控制发射信号波形、时钟和频率；

所述变频调压模块包括整流电路、滤波电路和高频逆变电路，所述整流电路的输出端连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接高频逆变电路的输入端；

所述整流模块包括高频变压电路和高频整流滤波电路，所述高频变压电路的输出端连接高频整流滤波电路的输入端；

所述发射输出模块包括：串并联网络、移相驱动电路、H桥极性转换电路和H桥驱动电路；其中，所述串并联网络用于根据不同负载对不同电压等级的要求，将至少两个整流模块的直流进行串并联后输出；H桥极性转换电路用于进行单、双极性控制和波形及频率控制；所述H桥驱动电路用于驱动H桥极性转换电路；所述移相驱动电路用于驱动高频逆变电路。

2.根据权利要求1所述的多功能发射机，其特征在于，所述电源叠加模块、变频调压模块、控制模块、发射输出模块和各个整流模块均分别设置于独立的便携式机箱中，各个机箱面板上设有连接线接口，通过连接线将上述各个功能模块连接。

3.根据权利要求2所述的多功能发射机，其特征在于，所述串并联网络通过面板上的三个万能转换开关的不同组合方式实现。

4.根据权利要求1所述的多功能发射机，其特征在于，还包括保护模块，与所述控制模块连接，用于对各个功能模块进行过流、过热或负载短路保护。

5.根据权利要求1所述的多功能发射机，其特征在于，还包括GPS天线和GPS接收模块，用于获取测量的时间和位置信息。

6.根据权利要求5所述的多功能发射机，其特征在于，还包括数据存储模块，与控制模块连接，用于接收并实时存储来自GPS的时间信息及来自控制模块的设备工作状态数据。

7.根据权利要求6所述的多功能发射机，其特征在于，所述控制模块还设置有CAN通信接口，用于实现控制模块与数据存储模块的连接。

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