CN102299638A - 大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置 - Google Patents

Abstract

大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置。该装置的特征是由多台发电机组分别输入到三相整流器、高频逆变器、高频变压器等，高频变压器输出端实现功率合成然后输出电压整流，通过控制逆变电路实现输出电压可大范围调节的恒流输出装置。该发明可以有效减小单个发电机容量，输出电压可宽范围调节、控制策略简单、可实现负载上大电流高精度恒稳。

Description

大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置

技术领域

本发明涉及用于恒压或者恒流发射的一套电力电子装置，例如地质勘探、海洋资源探测等领域。 

背景技术

恒稳发射机在国内外的研制机构为数不多，其主要的特点是可以发射出频率变化的恒定电压或者电流。 

恒稳发射机在发射恒稳电压或者电流时，由于发射频率可以不断的变化，使得发射极间的阻抗也随频率的不同而发生变化。而在发射频率变化较大时，例如DC-1KHz，发射极间的阻抗变化多达100Ω。两极间阻抗发生变化是由于集肤效应、电容、电感共同作用的结果。在发射极间的频率变化很大时，两极间的阻抗很可能由容性变化为感性，并且整个过程伴随由集肤效应越来越明显，电阻变得越来越大。在这种情况下，就要使得发射极间的电压变化可跟随由于发射频率的变化而引起阻抗变化。例如在地质勘探中，由于金属矿通常具有良好的导电性，因此地面电法是矿体详查的人工电磁法主要手段。地面电法即由发射机向大地注射频率变化的大电流，然后再接受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。 

发明内容

本发明的目的是克服大功率发射机的电压调节范围有限、不可连续性调节，单体发电机组的容量、质量过大等缺点。 

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案(以N＝2时为例进行说明)： 

两台发电机组输出三相交流电分别对应输入到两个三相整流器中，三相整流器输出经电容滤波后输出为直流电压，然后该直流电压对应输入到两个高频逆变器中，这两个高频逆变器输出为两路高频电压，两路高频电压输入到两个结构对称的高频变压器中，其中一个高频变压器的异名输出端与另一 个高频逆变器的同名输出端连接，剩余的两个输出端作为两个高频变压器的输出端，组成高频变压器的串联输出，实现功率的合成，然后将高频变压器的输出接入到单相整流桥，单相整流桥输出电压经电容滤波后输入到全控H桥，全控H桥的输出作为整个装置的电压发射或者电流发射，最后将输出的电压或者电流数据作反馈采集输入到DSP处理器，由DSP处理器处理、计算输出两个PWM调制波的占空比和相位差，从而控制两个高频逆变器中开关管子得导通与关断，实现装置输出的恒压发射或者恒流发射。 

本电路中，由于高频变压器对应输出端串联，可使得输出端电压最大增加2倍，通过控制高频逆变器的占空比或者相位差调节输出电压的大小，从而实现了大范围的电压连续可调恒压或恒流发射装置。 

本发明的优点在于：电压可大范围连续调节、单体发电机组的质量和容量显著降低。 

附图说明

图1是大功率电压宽范围连续可调恒稳发射的拓扑电路示意图； 

图2是N为2时的大功率电压宽范围连续可调恒稳发射机的拓扑电路图。图中： 

1、2为三相整流器；3、4为高频逆变器；5为高频变压器输出串联；6为单相整流桥；7为全控H桥电路；8为DSP处理器。 

图3是N为3时的大功率电压宽范围连续可调恒稳发射机的拓扑电路图。图中：1′、2′、3′为三相整流器；4′、5′、6′为高频逆变器；7′为高频变压器输出串联；8′为单相整流桥；9′为全控H桥电路、10′为DSP处理器。 

图4是由6个不控二极管组成的三相整流器； 

图5是由四个IGBT模块组成的高频逆变器，也即图2中的3、4高频逆变器或者图3中的4′、5′、6′高频逆变器； 

图6是由完全相同的两个高频变压器，其输入端接入电路中的方式完全相同，其输出端串联组成，其串联方式为I号变压器的异名输出端与II号变压器的同名输出端直接相连，剩余的两个端子作为输出端；需特殊说明：带 有“*”号的为高频变压器的同名端。推广到N个完全相同的高频变压器，其输入端接入电路方式完全相同，其串联方式为第一个高频变压器的异名输出端与第二个高频变压器的同名输出端连接，第二个高频变压器的异名端与第三个高频变压器的同名端连接，依次类推直到第N-1个高频变压器的异名端与第N个高频变压器的同名端接连，最后把第一个高频变压器的同名输出端与最后一个高频变压器的异名输出端作为两个输出端接入单相整流桥。 

图7是由4个桥式结构二极管组成的单相整流桥，最后一个为快速恢复外延二极管； 

图8是由四个IGBT模块组成的全控H桥。 

图9是由DSP处理器发射出的控制信号；在恒稳发射装置不同情况输出时，该控制方式分为两种：①与②控制方式为相位一致时，调节占空比控制稳压或稳流，该方式控制时为输出高于300V电压；③与④为占空比一定时，调节相位差控制稳流，该控制方式时输出为低于300V电压。该图中①、③和②、④分别控制图2中的3和4高频逆变H桥(图3中的4′、5′、6′高频逆变器)。并且图9中①、②、③、④均为控制图5中的a和d两个IGBT模块，b、c两个模块控制信号则是由图9中①、②、③、④四个控制信号作T/2周期延迟实现。 

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。为具体说明实施方式： 

以N＝2为例进行说明。 

如图2所示，本发明硬件电路具体实施方式如下： 

两台三相发电机组提供三相交流电压输入到1、2两个三相整流器中，三相整流器把三相交流电压整流之后输入到滤波电容，滤波电容输出直流电压，滤波电容输出的直流电压输入到3、4两个高频逆变器中，高频逆变器输出高频的交流电压，高频逆变器输出后输入到5高频变压器中，高频变压器输出的升压高频电压再输入到单相整流桥中，单相整流桥输出经过滤波器后输入 到全控H桥中，全控H桥输出最后的发射电压或者发射电流。 

在具体实施N＝2的大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置中，三相整流器的型号为德国IXYS公司的VUO 160-16 NO7、高频逆变器的选型为三菱公司的CM200DU-24NFH、单相整流桥为德国IXYS公司的VBE 100-12NO7、全控H桥选型为三菱公司的CM200DY-34A。 

三相发电机组提供380V三相电压，三相电压输入到三相整流器中，三相整流器经滤波电容后输出510V直流电压，滤波电容输出的直流电压输入到高频逆变器中，由DSP处理器处理反馈的输出电压或电流数据，发射控制高频逆变器导通与关断的控制信号，使得高频逆变器输出满足恒稳发射的高频电压，然后高频逆变器输出的高频电压输入到高频变压器升压，其中高频变压器的升压比为1∶2.26，高频变压器输出组成如图5的串联方式输出，高频变压器输出的高频电压输入到单相整流桥中，单相整流桥输出经滤波器后为直流电压，输出的直流电压输入到全控H桥中，全控H桥通过发射极A、发射极B输出欲发射的电压或者电流。以上即为该恒稳发射装置的硬件拓扑电路实施方式； 

如图9所示，本发明的控制平台具体实施方式如下： 

该大功率恒稳发射机可发射出频率变化的恒压或恒流。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。例如，在地质勘探中，不同频段时发射电极间大地的阻抗变化范围多达100Ω。因此欲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，就需要控制两个高频逆变器上的输出电压占空比或者相位差，使得高频变压器输出电压满足发射要求。 

由上述的说明，在不同的频率下恒流发射其电压是随阻抗的变化而变化的，因此要求发射极间的发射电压需大范围连续可调节。控制平台实施方式是由DSP处理器处理采集发射极输出端的电压或者电流数据，发射出控制高频逆变器的信号，达到恒稳发射目的。如图9中控制策略可实现输出电压大范围连续可调节。具体控制方式，即当输出为低电压小电流(发射极间输出电压低于300V)时，DSP输出③、④的波形，其占空比一定，控制相位差达 到恒稳发射的目的；当输出为高电压大电流(发射极间输出电压高于300V)时，DSP输出①、②的波形，其相位一致，控制占空比达到恒稳发射的目的。其DSP输出波形的实现方式为采集发射极输出端的电压或者电流信号，作为反馈输入到DSP处理器中，DSP处理器内部通过PI计算，得出相应的控制方式以及相应的占空比或者相位差，然后DSP处理器的事件管理模块输出计算后的控制信号，实现控制目的。 

这里需要说明的是，图9中的①、②波形作为控制方式中的一种，仅能控制两个高频逆变器的半个桥路，即图9中的控制信号①控制图1中的3高频逆变H桥的a、d号IGBT模块；控制信号②控制图1中的4高频逆变器的a、d号IGBT模块；每个高频逆变H桥上还有两个IGBT模块(b、c号IGBT模块)，其控制信号分别对应为图9中控制信号①、②波形作时间的延迟。当图9中③、④作为控制信号时，作对应于上述的相似处理即可得到②、③号IGBT模块控制信号。 

通过实验时测量发射极输出端的电流值，在实验时，发射极间电阻100Ω，给定恒稳电流发射值为7A，可以清晰看出电流波形稳定性很好，本装置输出电压在0-2000V均可实现电压的连续可调节控制恒稳发射。由于实验条件以及装置器件的限制，只做到2000V的输出端最高电压。如果实验条件允许以及装置中的器件可满足要求，本装置可发射输出更高、更大的电压。 

以上即为该恒流发射装置的控制平台实施方式。 

以N＝3时为例结合图3进行具体实施方式说明。 

如图3所示，三台三相发电机组提供三相交流电压输入到1′、2′、3′三个三相整流器中，三相整流器把三相交流电压整流之后输入到滤波电容，滤波电容输出直流电压，滤波电容输出的直流电压输入到4′、5′、6′三个高频逆变器中，高频逆变器输出高频的交流电压，高频逆变器输出后输入到7′高频变压器中，高频变压器输出的升压高频电压再输入到单相整流桥中，单相整流桥输出经过滤波器后输入到8′全控H桥中，全控H桥输出最后的发射电压或者发射电流。 

在具体实施N＝3的大功率电压宽范围连续可调恒稳发射机时，三相整流器、高频逆变器、单相整流桥、全控H桥的选型和N＝2时相同。 

三相发电机组提供380V三相电压，三相电压输入到三相整流器中，三相整流器经滤波电容后输出510V直流电压，滤波电容输出的直流电压输入到高频逆变器中，由DSP处理器处理反馈的输出电压或电流数据，发射控制高频逆变器导通与关断的控制信号，使得高频逆变器输出满足恒稳发射的高频电压，然后高频逆变器输出的高频电压输入到高频变压器升压，其中高频变压器的升压比为1∶2.26，高频变压器输出组成串联方式输出，其串联方式为第一个高频变压器的异名输出端与第二个高频变压器的同名输出端连接，第二个高频变压器的异名输出端与第三个高频变压器的同名输出端连接，最后第一个高频变压器的同名输出端和第三个高频变压器的异名输出端作为高频变压器串联的输出，高频变压器输出的高频电压输入到单相整流桥中，单相整流桥输出经滤波器后为直流电压，输出的直流电压输入到全控H桥中，全控H桥通过发射极A、发射极B输出欲发射的电压或者电流。 

以上即为大功率电压宽范围连续可调恒稳发射机硬件电路实施方式。 

本发明的控制平台具体实施方式： 

该大功率恒稳发射机可发射出频率变化的恒压或恒流。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。例如，在地质勘探中，不同频段时发射电极间大地的阻抗变化范围多达100Ω。因此欲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，就需要控制两个高频逆变器上的输出电压占空比或者相位差，使得高频变压器输出电压满足发射要求。 

由上述的说明，在不同的频率下恒流发射其电压是随阻抗的变化而变化的，因此要求发射极间的发射电压需大范围连续可调节。控制平台实施方式是由DSP处理器处理采集发射极输出端的电压或者电流数据，发射出控制高频逆变器的信号，达到恒稳发射目的。如图9中控制策略可实现输出电压大范围连续可调节。具体控制方式，即当输出为低电压小电流(发射极间输出电压低于300V)时，DSP输出③、④的波形，其占空比一定，控制相位差达 到恒稳发射的目的，这里需要说明当N＞2时，控制相位差时还是要把N个高频逆变器分为两组，N为偶数时分为数量相同的两组，N为奇数时两组数量分为(N+1)/2个和(N-1)/2个；当输出为高电压大电流(发射极间输出电压高于300V)时，DSP输出①、②的波形，其相位一致，控制占空比达到恒稳发射的目的，这里需要说明的是所有高频逆变器受控策略一样。其DSP输出波形的实现方式为采集发射极输出端的电压或者电流信号，作为反馈输入到DSP处理器中，DSP处理器内部通过PI计算，得出相应的控制方式以及相应的占空比或者相位差，然后DSP处理器的事件管理模块输出计算后的控制信号，实现控制目的。 

以上即为该恒流发射装置的控制平台实施方式。 

Claims (2)

1.大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置，其特征在于依次包括发电机组、三相整流器、10MHz以内的高频逆变器、10MHz以内的高频变压器、单相整流桥、全控H桥以及DSP处理器，以下高频均指的是10MHz以内的高频，

该装置是由N台发电机组同时供电，N大于或等于2，将发电机组输出电压分别输入到相应N组三相整流器中；整流器输出经电容滤波后的直流母线电压再对应输入到N组高频逆变器中；高频逆变器输出的高频电压输入到相对应的N组高频变压器中；然后高频变压器的N个输出端对应相连接组成串联，实现功率合成；然后把第一个高频变压器的同名输出端和最后一个高频变压器的异名输出端输入到单相整流桥中，经滤波器滤波、稳压和全控H桥之后发射输出恒定电压或者电流，最后采集发射输出端的电压或者电流数据作为反馈信号，由DSP处理器接受、处理、计算输出分别控制N个高频逆变器导通与关断PWM波得相位差以及占空比。

2.依据权利要求1所述的大功率电压宽范围连续可调恒稳发射装置，其特征在于：在每个高频逆变器输出与高频变压器输入之间串入滤波器。

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