CN102291011A - 一种电磁发射机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁发射机及其控制方法属电力电子整流逆变器。该电磁发射机的特征是由发电机组输出三相交流电输入到Y型整流桥中，Y型整流桥输出经电容滤波后输出直流母线电压，该直流电压再输入到H型逆变桥中，H型逆变桥的输出作为电磁发射机的电流发射；该控制方法的特征是发射极输出端的电流依次经过电流外环控制、电流内环控制、脉宽调制控制，由DSP处理器输出控制Y型整流桥中开关管的PWM调制波，实现恒流发射。该发明可提高稳流精度，发射系统的功率密度，使得电磁发射机的稳定性对发射负载和发电机组的依赖性显著下降。

Description

一种电磁发射机及其控制方法

技术领域

本发明涉及的一种电磁发射机属电力电子整流逆变器。

背景技术

电磁发射机是通过利用地面电法来详查矿体的设备。地面电法即由电磁发射机向大地注射频率变化的大电流，然后再接收地球电磁场响应来获取地下地质体或矿体电导率分布信息，来构建地下介质电导率的结构特征。金属矿通常具有良好的导电性，因此电磁法是寻找金属矿最为有效的地球物理勘探手段。

随着现代电力电子技术和器件的快速发展，电磁发射机主电路的拓扑结构也在发生变化。最常用的是二极管不控整流桥和H型逆变桥。二极管不控整流桥完成从交流到直流的变换；H型逆变桥执行发射，功率开关器件H1和H4导通时实施正发射，功率开关器件H2和H3导通时实施负发射；并且稳定发射电流的措施是通过调节发电机的励磁电流完成的。但励磁稳流不仅会导致发电机转速不稳造成电压波动过大，响应时间慢，稳流效果有限，而且发射电流的关断时间也将延长。Zonge公司的GGT系列发射机采用半控型的晶闸管替代了不控型的大功率二极管，通过控制和调节晶闸管的开通时刻，达到稳定发射电流的目的。但也存在谐波及无功功率高的问题。

电磁发射机作为电法勘探仪器场源的产生装置，其发射波形的质量对探测结果的影响显而易见。另外，基于交流电源供电的电磁发射机，在输出功率越来越大的同时，也要求发射系统重量轻、体积小。因此，电磁发射机性能的提高主要受制于以下两个方面：发射电流性能的提升以及功率密度的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，从提高电磁发射机发射电流性能以及功率密度的角度出发，研制一种电磁发射机及其控制方法。该电磁发射机可提高稳流精度，发射系统的功率密度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电磁发射机，其特征在于：包括发电机组、Y型整流桥、滤波电容、H型逆变桥、DSP处理器、过零同步检测电路、电流检测电路、信号调理电路；所述发电机组、Y型整流桥、滤波电容、H型逆变桥依次连接；DSP处理器的输出端与Y型整流桥的输入端相连接；过零同步检测电路的一端接发电机组的一相输出，另一端接DSP处理器；

有三路电流检测电路的一端与分别与三路信号调理电路的一端相连接，其中两路电流检测电路的另一端分别接发电机组的任意两相输出、另外一路电流检测电路的另一端连接H型逆变桥的输出，信号调理电路的另一端均与DSP处理器相连接；该发射机是由发电机组供电，将发电机组输出电压输入到Y型整流桥中；整流桥输出经电容滤波后的直流母线电压再输入到H型逆变桥中；然后H型逆变桥发射输出恒定电流；过零同步检测电路采集发电机组输出的频率信号后输入到DSP处理器；电流检测电路采集发电机组的a相、b相相电流，经信号调理电路输入到DSP处理器；最后由另一电流检测电路采集发射输出端的电流，经另一信号调理电路作为反馈信号，由DSP处理器接收、处理、计算输出分别控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比。

所述的电磁发射机的控制方法，其特征在于：包括电流外环控制、电流内环控制、脉宽调制控制；所述电流外环控制包括第一PI调节器；所述电流内环控制包括第二PI调节器、矢量旋转变换、乘法器、第三PI调节器；所述脉宽调制控制包括坐标变换、脉宽调制；

该控制方法用于发射机工作于正发射或负发射时(H1、H4导通为正发射，H2、H3导通为负发射)，将经过电流检测电路以及信号调理电路输出的发射电流信号与指定电流信号经第一PI调节器调节后，与经过矢量旋转变换的一路输入电流信号输入到第二PI调节器进行调节，第一PI调节器的输出还经乘法器后与经过矢量旋转变换的另一路输入电流信号输入到第三PI调节器进行调节，然后将第二、第三PI调节器的输出进行坐标变换，最后经过脉宽调制后输出控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，稳定发射电流；上述过程均在DSP处理器中完成。

所述的电磁发射机，其特征是：还包括电压检测电路、信号调理电路；

电压检测电路的一端与信号调理电路相连接，电压检测电路的另一端接滤波电容的输出，信号调理电路的另一端接DSP处理器；电压检测电路、信号调理电路用于采集直流母线电压作为反馈信号，由DSP处理器接收、处理、计算输出分别控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比。

所述的控制方法还包括电压外环控制、电流内环控制、脉宽调制控制；所述电压外环控制包括第四PI调节器；所述电流内环控制包括第五PI调节器、矢量旋转变换、乘法器、第六PI调节器；所述脉宽调制控制包括坐标变换、脉宽调制；

该控制方法用于发射机工作于正发射和负发射的间隙时，将经过电压检测电路、信号调理电路输出的直流母线电压信号与指定电压信号经第四PI调节器调节后，与经过矢量旋转变换的一路输入电流信号输入到第五PI调节器进行调节，第四PI调节器的输出还经乘法器后与经过矢量旋转变换的另一路输入电流信号输入到第六PI调节器进行调节，然后将第五、第六PI调节器的输出进行坐标变换，最后经过脉宽调制后输出控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，泵升直流母线电压；上述过程均在DSP处理器中完成。

进一步，在DSP处理器与Y型整流桥之间串入光电隔离器实现信号输入端和输出端的电气隔离。

进一步，所述的Y型整流桥为3个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

进一步，所述的H型逆变桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

所述的Y型整流桥、H型逆变桥采用电力场效应管(Metal OxideSemiconductor Filed Effect Transistor)、绝缘门极双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)、智能功率模块(IntelligentPower Module)、MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Turn-offThyristor)，优选IGBT、IPM。因为IGBT的输入阻抗高，电压控制，驱动功率小、开关速度快，工作频率可达10-40KHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽；IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到DSP处理器，使设计更简化，开发和制造成本降低。

本发明的特点是：采用脉宽调制控制策略控制Y型整流桥直流侧的电压、稳定H型逆变桥的发射电流。使得电磁发射机的稳定性对发射负载和发电机组发出电压的依赖性显著下降。而且，发电侧Y型整流器的直流母线电压值至少等于发电侧线电压的峰值，实际的电压值能够达到更高，较高的直流母线电压使探测深部成为可能。

附图说明

图1是现有技术中二极管整流桥发射机的电路图。

图2是现有技术中晶闸管整流桥发射机的电路图。

图3是Y型整流桥电磁发射机的电路图。

图4是Y型整流桥电磁发射机脉宽调制稳流策略原理图。

图5是现有技术中电压电流双闭环原理图。

图6是Y型整流桥电磁发射机和脉宽调制稳流策略的第一种实施例电路图。需特殊说明：虚线框内是由DSP处理器来实现的。

图7是Y型整流桥电磁发射机和脉宽调制稳流策略的第二种实施例电路图。需特殊说明：虚线框内是由DSP处理器来实现的。

图8是第一种实施例实验时，发射极输出端的电流波形。

图9是第一种实施例实验时，发电机组输出端a相交流电的相电压和相电流波形。

图10是第二种实施例实验时，滤波电容输出端的电压波形。

图11是第二种实施例实验时，发电机组输出端a相交流电的相电压和相电流波形。

图中：

1.发电机组

2.二极管整流桥

3.H型逆变桥

4.晶闸管整流桥

5.Y型整流桥

6.DSP处理器

7.过零同步检测电路

8、10、12.电流检测电路

9、11、13、18.信号调理电路

14.电流外环控制

15、20.电流内环控制

16、21.脉宽调制控制

17.电压检测电路

19.电压外环控制

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例一：

如图6所示，本发明的硬件电路具体实施方式如下：

发电机组输出三相交流电输入到Y型整流桥中，整流桥输出经电容C_DC滤波后输出直流母线电压，该直流电压再输入到H型逆变桥中，然后H型逆变桥的输出作为电磁发射机的发射电流；过零同步检测电路采集发电机组输出a相交流电电的频率后输入到DSP处理器；电流检测电路采集发电机组的a相、b相交流电的相电流，经信号调理电路输入到DSP处理器；最后由另一电流检测电路采集发射输出端的电流，经另一信号调理电路作为反馈信号输入到DSP处理器，由DSP处理器处理、计算输出3对PWM调制波的占空比，从而控制Y型整流桥中开关管的到同于关断，实现电磁发射机的恒流发射。

在具体实施电磁发射机中，发电机组提供380三相电压，Y型整流桥、H型逆变桥选型均为三菱公司的CM200DY-34A，DSP处理器选型为德州仪器公司的TMS320F2812。

以上即为该电磁发射机的硬件电路实施方式；

如图4所示，本发明的控制方法具体实施方式如下：

该电磁发射机可发射出频率变化的恒流。在不同频率下，由于集肤效应、电容、电感的作用，发射极间的等效阻抗是随频率的变化而变化的。因此预发射恒定电流必须使得发射电压随着阻抗的增加而增加。为达到恒流发射，就需要控制Y型整流桥输出电压，使得输出电压满足发射要求。

控制方法实施方式是由DSP处理器处理采集发射极输出端的电流信号，发射出控制Y型整流桥的信号，达到恒稳发射目的。如图4中控制方法可实现恒流发射。具体控制方式，即将所采集的外环发射电流I_R和指定参考电流I_R ^*比较，通过第一PI调节器给出内环输入电流的参考值i_d ^*；电流内环通过将给定的电流信号i_d ^*与经过矢量旋转变换获得的d轴电流i_d相比较，经过第二PI调节器，获得整流器交流侧d轴电压的参考值V_d ^*；将q轴的电流参考值i_q ^*按下式给定：

$i_q^{*}=i_d^{*}\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\θ}}/\cos \mathrm{\θ}$

并和经过矢量旋转后得到的电流i_q经过第三PI调节器调节，得q轴电压给定值V_q ^*。将两个电压给定值经过Park逆变换后，通过脉宽调制，得到控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，然后DSP处理器的事件管理器模块输出控制信号，实现控制目的。

这里需要说明的是，当i_q ^*＝0时，Y型整流桥网侧功率因数为1，发电侧电流的有效值最小。

如图8所示，该波形是实验时测量发射极输出端的电流值；如图9所示，该波形是实验时测量发电机组输出端a相交流电的电压值和电流值；在实验时，滤波电容值为1200uF，发射极极间电阻为20Ω，给定恒稳电流发射值为30A，发射机只进行正发射。可以清晰看出发射电流波形稳定性很好，a相交流电的相电压和相电流达到了同相位，实现了单位功率因素。

以上即为该电磁发射机的控制方法实施方式。

实施例二：

如图7所示，本发明的硬件电路具体实施方式如下：

在实施例一硬件电路中滤波电容的输出端与DSP处理器之间依次串入电压检测电路、信号调理电路，将采集的直流母线电压作为反馈信号由DSP处理器接收、处理、计算输出分别控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，实现直流母线电压的泵升。

在具体实施电磁发射机中，发电机组提供380三相电压，Y型整流桥、H型逆变桥、DSP处理器选型和实施例一相同。

以上即为该电磁发射机的硬件电路实施方式；

如图5所示，本发明的控制方法具体实施方式如下：

发射机工作于正发射或负发射时，控制方法实施方式与实施例一相同；发射机工作于正发射和负发射的间隙时，控制方法实施方式是由DSP处理器处理采集滤波电容输出端的直流母线电压信号，发射出控制Y型整流桥的信号，达到泵升直流母线电压目的。如图5中控制方法可实现直流母线电压的泵升。具体控制方式，即将所采集的外环直流母线电压V_DC和指定参考电压V_DC ^*比较，通过第四PI调节器给出内环输入电流的参考值i_d ^*；电流内环通过将给定的电流信号i_d ^*与经过矢量旋转变换获得的d轴电流i_d相比较，经过第五PI调节器，获得整流器交流侧d轴电压的参考值V_d ^*；将q轴的电流参考值i_q ^*按下式给定：

$i_q^{*}=i_d^{*}\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\θ}}/\cos \mathrm{\θ}$

并和经过矢量旋转后得到的电流i_q经过第六PI调节器调节，得q轴电压给定值V_q ^*。将两个电压给定值经过Park逆变换后，通过脉宽调制，得到控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，然后DSP处理器的事件管理器模块输出控制信号，实现控制目的。

这里需要说明的是，当i_q ^*＝0时，Y型整流桥网侧功率因数为1，发电侧电流的有效值最小。

如图10所示，该波形是实验时测量滤波电容输出端的电压值；如图11所示，该波形是实验时测量发电机组输出端a相交流电的电压值和电流值；在实验时，滤波电容值为0.4F，发射极极间电阻为12Ω，给定恒稳直流母线电压值为720V，发射周期为16s(正反向各发射4秒，正反向发射电流的间隙都要空闲4秒)。可以清晰看出直流母线电压波形稳定性很好，a相交流电的相电压和相电流达到了同相位，实现了单位功率因素。

以上即为该电磁发射机的控制方法实施方式。

Claims (7)

1.一种电磁发射机，其特征在于：包括发电机组、Y型整流桥、滤波电容、H型逆变桥、DSP处理器、过零同步检测电路、电流检测电路、信号调理电路；所述发电机组、Y型整流桥、滤波电容、H型逆变桥依次连接；DSP处理器的输出端与Y型整流桥的输入端相连接；过零同步检测电路的一端接发电机组的一相输出，另一端接DSP处理器；

有三路电流检测电路的一端与分别与三路信号调理电路的一端相连接，其中两路电流检测电路的另一端分别接发电机组的任意两相输出、另外一路电流检测电路的另一端连接H型逆变桥的输出，信号调理电路的另一端均与DSP处理器相连接；该发射机是由发电机组供电，将发电机组输出电压输入到Y型整流桥中；整流桥输出经电容滤波后的直流母线电压再输入到H型逆变桥中；然后H型逆变桥发射输出恒定电流；过零同步检测电路采集发电机组输出的频率信号后输入到DSP处理器；电流检测电路采集发电机组的a相、b相相电流，经信号调理电路输入到DSP处理器；最后由另一电流检测电路采集发射输出端的电流，经另一信号调理电路作为反馈信号，由DSP处理器接收、处理、计算输出分别控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比。

2.应用权利要求1所述的电磁发射机的控制方法，其特征在于：

该控制方法用于发射机工作于正发射或负发射时，将经过电流检测电路以及信号调理电路输出的发射电流信号与指定电流信号经第一PI调节器调节后，与经过矢量旋转变换的一路输入电流信号输入到第二PI调节器进行调节，第一PI调节器的输出还经乘法器后与经过矢量旋转变换的另一路输入电流信号输入到第三PI调节器进行调节，然后将第二、第三PI调节器的输出进行坐标变换，最后经过脉宽调制后输出控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，稳定发射电流；上述过程均在DSP处理器中完成。

3.根据权利要求1所述的电磁发射机，其特征是：还包括电压检测电路、信号调理电路；

电压检测电路的一端与信号调理电路相连接，电压检测电路的另一端接滤波电容的输出，信号调理电路的另一端接DSP处理器；电压检测电路、信号调理电路用于采集直流母线电压作为反馈信号，由DSP处理器接收、处理、计算输出分别控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比。

4.应用权利要求3所述的电磁发射机的控制方法，其特征在于：该控制方法用于发射机工作于正发射和负发射的间隙时，将经过电压检测电路、信号调理电路输出的直流母线电压信号与指定电压信号经第四PI调节器调节后，与经过矢量旋转变换的一路输入电流信号输入到第五PI调节器进行调节，第四PI调节器的输出还经乘法器后与经过矢量旋转变换的另一路输入电流信号输入到第六PI调节器进行调节，然后将第五、第六PI调节器的输出进行坐标变换，最后经过脉宽调制后输出控制Y型整流桥中开关管开通和关断PWM波的占空比，泵升直流母线电压；上述过程均在DSP处理器中完成。

5.根据权利要求1所述的电磁发射机，其特征是：在DSP处理器与Y型整流桥之间串入光电隔离器实现信号输入端和输出端的电气隔离。

6.根据权利要求1所述的电磁发射机，其特征是：所述的Y型整流桥为3个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

7.根据权利要求1所述的电磁发射机，其特征是：所述的H型逆变桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

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