CN102938616A

CN102938616A - 一种大功率电磁勘探发射机系统

Info

Publication number: CN102938616A
Application number: CN2012104788518A
Authority: CN
Inventors: 张一鸣; 仝江涛; 冯金兰; 王旭红; 高俊霞
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-02-20

Abstract

本发明公开了一种大功率电磁勘探发射机系统，包括发电机组、三相整流桥、滤波电容、H型逆变桥、升压变压器、单相整流桥、发射桥、电极、温度检测电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、第一电流检测电路、第二电流检测电路、第一中央处理单元、第二中央处理单元、发射控制平台。通过通信传输发射电压、发射电流参数，并通过参数回传实时显示实际发射电压和发射电流；接收发射控制平台的发射参数，控制发射桥的发射，并采集发射电压、发射电流信号，实时回传至发射控制平台；实现对H型逆变桥的PWM调制，以获得稳定、可靠的发射信号；电极是系统信号发射口。提高了发射波形精度和响应速度。

Description

一种大功率电磁勘探发射机系统

技术领域

本发明涉及电磁勘探发射机系统，特别涉及一种电磁勘探发射机，属电力电子整流逆变器。

背景技术

电磁勘探发射机是通过获取大地介质对入射电磁场的响应，来构建地下介质电导率的分布信息。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，电磁勘探发射机主电路的拓扑结构也在发生变化。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AC/DC变换；H型逆变桥执行从直流到正负发射；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。但发电机机电时间常数大，励磁稳流方法会导致发电磁转速不稳定造成电压波动太大，响应时间长，稳流效果有限，而且发射电流的关断时间也将延长。这将大大降低发射机的稳流精度，甚至对整个系统造成勘探缺陷。Zonge公司的GGT系列发射机采用半控型的晶闸管代替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。但也存在产品质量和体积较大，大功率应用场合发射机中的能量不能完全利用，资源不能更加有效利用，存在谐波及无功功率高的问题。

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。因此发射机的关键技术在于：发射电流性能指标的提升。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，从提高电磁勘探发射机发射电流稳定性能的角度出发，研制一种大功率电磁勘探发射机系统。该电磁勘探发射机控制任务分工明确合理，可提高稳流精度和响应速度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大功率电磁勘探发射机系统，发电机组输出端口与三相整流桥输入端口相连，三相整流桥的输出端口连接H型逆变桥输入端口，H型逆变桥的输出端口与升压变压器的输入端口相连，升压变压器的输出端口连接单相整流桥输入端口，单相整流桥的输出端口连接发射桥的输入端口，发射桥的输出端口连接电极端口；还设有第一电压检测电路（OV1）、第一电流检测电路(OC1)、第二电压检测电路(OV2)、第二电流检测电路(OC2)、温度检测电路(OT)、第一中央处理单元、第二中央处理单元、发射控制平台和保护电路；第一电压检测电路的输入端口与所述的三相整流桥的输出端口连接，第一电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口；第一电流检测电路的输入端口与单相整流桥的输出端口连接，第一电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口；第二电压检测电路的输入端口与单相逆变桥的输出端口连接，第二电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口；第二电流检测电路的输入端口与发射桥的输入端口连接，第二电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口；温度检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口；第一中央处理单元输出端口与H型逆变桥输入端口连接；第二中央处理单元输出端口与发射桥输入端口连接；所述的发射控制平台与第二中央处理单元连接；第一中央处理单元包括DSP1控制单元、第一PWM驱动模块、保护电路；第二中央处理单元包括DSP2控制单元和第二PWM驱动模块；

系统中发电机组为系统提供频率为50HZ、电压为380V的三相不稳定电源，进入三相整流桥整流滤波，获得第一级直流母线电压；第一级的直流母线电压通过H型逆变桥逆变成20KHZ的单相交流电，20KHZ的单相交流电通过变比为1:2.3的升压变压器升压，然后进入单相整流桥整流滤波获得第二级直流母线电压；第二级直流母线电压进入发射桥输出恒定电压或者恒定电流；发射控制平台通过人机交互来实现对直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间、时长的控制，DSP2控制单元接受来自发射控制平台的电压电流频率等参数，将电压电流传送到DSP1控制单元，同时也传递开始发射指令；DSP1控制单元收到电压电流参数，并且接收到开始发射指令后，采集三相整流桥整流滤波电压、单相整流桥整流滤波电压和电流、发射桥发射电压和发射电流，监测电压电流异常，出现过压或者过流，立即封锁第一PWM驱动模块，同时发射电压电流信号还作为反馈信号，与接收到的电压电流参数做PI运算，计算控制逆变桥中开关管开通和关断PWM波的占空比；DSP2控制单元采集发射电压和发射电流，回传发射控制平台，进行实现和监控；温度检测电路、第一电压检测电路、第一电流检测电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路的输出信号分别进入保护电路，同时第一PWM驱动模块的短路检测输出信号也进入保护电路，一旦发生过温、过压、过流、短路等故障，保护电路和第一中央处理单元立即封锁第一PWM驱动模块的输出，短路情况下实施PWM的软关断，实现对逆变桥、发射桥和系统的冗余保护。

前述的三相整流桥为一个三相不控整流桥模块或者一个晶闸管三相整流全桥。

前述的H型逆变桥为二个绝缘栅双极性晶体管模块，或者一个智能功率模块。

前述的单相整流桥为一个单相不控整流桥模块。

前述的发射桥为两个绝缘栅双极性晶体管模块，或者一个智能功率模块。

系统所述的H型逆变桥和发射桥采用绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor）,因为IGBT集成了功率MOSFET和GTR的优点，既具有功率MOSFET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10~60KHZ，饱和压降低，又具有GTR的电压电流容量大，安全工作区宽的优点。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明在电磁勘探中电磁勘探发射机借鉴开关电源技术的最新成果，发电机组为系统提供不稳定的三相交流电源，采用三相整流桥AC-DC变换技术进行整流滤波，以获得稳定的直流电压，之后采用DC-AC逆变技术，通过逆变桥将滤波后的电压逆变为占空比可调的20KHZ单相交流电、经过升压变压器升压之后进入单相整流桥整流滤波，建立稳定的直流母线电压，发射桥执行恒电压或者恒电流发射。发射控制平台传递发射电压电流频率参数，并实时显示实际发射电压电流频率等参数；DSP2控制单元接收发射电压电流频率参数，控制发射桥开关管的开关频率和PWM占空比；DSP1控制单元接收发射电压电流信号，并利用发射电压、发射电流反馈信号进行PI调节，通过PWM调制实现对H型逆变桥中开关器件的开关控制，以获得高稳定、高线性度以及高频率的发射信号。电压电流检测电路、温度检测电路的信号分别进入DSP1控制单元和保护电路，DSP1控制单元在监测到电压电流或温度异常时能进入优先级别最高的功率保护中断，封锁第一PWM驱动模块的PWM输出；保护电路监测电压电流或温度异常时，封锁第一PWM驱动模块的PWM输出。这种方案实施的优点在于：发射控制平台、DSP1控制单元、DSP2控制单元控制任务分工明确，单个DSP单元数据处理量较少，保证DSP较低的工作温度，提高DSP的工作可靠性和工作寿命；H型逆变桥和发射桥的电气连接均采用叠层母排技术，显著减少强电线路的杂散电感，有效地减小了开关管关断时的突波电压，有助于减小突波吸收电容，节约成本；DSP1控制单元和保护电路分别监测电压电流温度等参数，出现过温（OT）、过压（OV）、过流（OC），DSP1控制单元和保护电路均会立即封锁第一PWM驱动模块的PWM输出，实现冗余保护，而且过流（OC）发生时，第一PWM驱动模块具有软关断功能；此外，系统采用脉宽调制控制策略控制整流桥直流侧的电压、稳定逆变桥的发射电流，使得整个发射系统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，提高了发射波形精度和响应速度。

附图说明

图1是大功率电磁勘探发射机系统电路拓扑结构图；

图2是大功率电磁勘探发射机系统控制原理框图；

图3是大功率电磁勘探发射机系统软硬件保护原理框图；

图4是大功率电磁勘探发射机系统硬件保护结构框图。

图中具体标号如下：

1为发电机组，2为三相整流桥，3为H型逆变桥，4为升压变压器，5为单相整流桥，6为发射桥，7为电极。

逆变桥开关管型号为2个CM300DU-24NFH的IGBT半桥功率模块，发射桥开关管型号为2个CM300DY-34A的IGBT半桥功率模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明：

请参阅图1所示，是大功率电磁勘探发射机系统电路拓扑结构图。

其中，发电机组1输出端口与三相整流桥2输入端口相连，三相整流桥2的输出端口连接H型逆变桥3的输入端口，逆变桥3的输出端口与升压变压器4的原边相连，升压变压器4的输出端口连接单相整流桥5的输入端口，单相整流桥5的输出端口连接发射桥6的输入端口，发射桥6的输出端口连接电极7的端口。

请参阅图2和图4所示，图2为大功率电磁勘探发射机系统控制原理框图。图4为大功率电磁勘探发射机系统硬件保护结构框图。

从图中可以看出，包括发电机组、三相整流桥、滤波电容、H型逆变桥、升压变压器、单相整流桥、发射桥、电极。还有温度检测电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、第一电流检测电路、第二电流检测电路、第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路、发射控制平台。

第一电压检测电路的输入端口与三相整流桥的输出端口连接，第一电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口（OV1）；第一电流检测电路的输入端口与单相整流桥的输出端口连接。

第一电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口（OC1）；第二电压检测电路的输入端口与单相逆变桥的输出端口连接。

第二电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口（OV2）；第二电流检测电路的输入端口与发射桥的输出端口连接。

第二电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口（OC2）。

第一中央处理单元输出端口与H型逆变桥输入端口连接。

第二中央处理单元输出端口分别与发射桥输入端口和发射控制平台连接。

所述的第一中央处理单元包括DSP1控制单元、第一PWM驱动模块、保护电路；第二中央处理单元包括DSP2控制单元和第二PWM驱动模块。

发电机组为系统提供30KVA，频率为50HZ、电压为220V的三相不稳定电源。经过三相整流桥整流滤波后获得频率为50HZ、电压为310V的第一级直流母线电压。上述单相直流电压通过H型逆变桥逆变获得频率为20KHZ、幅值电压为310V、占空比可变的单相交流电压，之后经过变比为1:2.3的升压变压器升压获得频率为20KHZ、幅值为700V的单相交流电压。

上述单相交流电压经过单相整流桥整流滤波后获得100~500V的第二级直流母线电压。将上述的第二级直流母线电压通过发射桥逆变，获得最高功率为50KW、最大电流为50A的发射信号。上述发射信号是在中央处理单元控制下实现并发射的。

系统对单相整流桥输出的直流母线电压和发射桥的发射电流进行实时检测，并将上述直流母线电压、发射电流输入第一中央处理单元；第一中央处理单元中的DSP1控制单元将实际采样的发射电压和发射桥的发射电流，经过PWM调制信号，利用第一PWM驱动模块实现H型逆变桥的逆变，在通过升压变压器、单相整流桥、发射桥逆变后得到发射信号；其中发射信号的发射时间、发射电压、发射电流、发射频率都受到发射控制平台的控制。DSP2控制单元接受发射控制平台的GPS同步信号、开始发射信号、发射电压、电流、频率等参数，利用第二PWM驱动模块驱动发射桥发射信号；DSP2控制单元在接收到开始发射信号、发射电压、发射电流参数后将上述参数传递给DSP1控制单元，作为PWM调制的标定。发射控制平台实时监控发射电压、发射电流、发射频率、发射时长相关信息，同时通过人机界面实现对发射电压、发射电流、发射频率及发射时间、时长的控制。

在本发明具体实施中，三相整流桥的选型为德国IXYS公司的VUO-190-16-NO7、H型逆变桥选型为三菱公司的CM300DU-24NFH，单相整流桥选型为德国IXYS公司的VBE-100-12-NO7，发射桥选型为三菱公司的CM300DY-34A，2个DSP处理器选型为德州仪器的TMS320F2812。

发射控制平台将开始发射信号、发射电压、发射电流、发射频率等参数传递至DSP2控制单元，DSP2控制单元将开始发射信号、发射电压、发射电流参数传递至DSP1控制单元。开始发射后，由DSP1控制单元采集发射电压和发射电流数据，改变控制H型逆变桥的信号，达到恒稳发射目的。DSP1输出PWM波形的具体实现方式为采集发射电压和发射电流，作为反馈输入至DSP1控制单元中，DSP1控制单元通过PI计算，获得PWM信号相应的占空比，然后由DSP1控制单元的时间管理器模块输出计算后的PWM控制信号，通过第一PWM驱动模块改变H型逆变桥两对开关器件IGBT的开通时间和关断时间，控制系统的输出精度。

请参阅图3和图4所示，本发明的保护电路具体实施方式如下：

由第一中央处理单元中DSP1控制单元采集温度、三相整流桥整流滤波输出的直流母线电压、单相整流桥整流滤波的输出电流、发射电压和发射电流，与标定值做比较；上述5路信号同时输入保护电路，与标定值做比较；采集信号异常时，DSP1控制单元和保护电路都通过第二PWM驱动模块封锁PWM信号，锁存故障信号，逆变桥停止工作；短路故障时，第一PWM驱动模块实施软关断，避免硬关断产生过大的di/dt，破坏H型逆变桥的IGBT。图4为硬件保护结构框图；当H型逆变桥、发射桥发生上下桥臂直通或者负载发生短路故障时，PWM驱动模块1将对H型逆变桥实施软关断；所谓软关断就是在短路发生时驱动电路缓慢的将IGBT的驱动电压降低到阈值以下，试验过程中第一PWM驱动模块可在5μs内软关断H型逆变桥；待故障排除，清除故障信号后可实施发射。

Claims

1.一种大功率电磁勘探发射机系统，发电机组输出端口与三相整流桥输入端口相连，三相整流桥的输出端口连接H型逆变桥输入端口，H型逆变桥的输出端口与升压变压器的输入端口相连，升压变压器的输出端口连接单相整流桥输入端口，单相整流桥的输出端口连接发射桥的输入端口，发射桥的输出端口连接电极端口；其特征在于：还设有第一电压检测电路、第一电流检测电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路、温度检测电路、第一中央处理单元、第二中央处理单元、发射控制平台和保护电路；

所述的第一电压检测电路的输入端口与所述的三相整流桥的输出端口连接，第一电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口；

所述的第一电流检测电路的输入端口与单相整流桥的输出端口连接，第一电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、保护电路的一个输入端口；

所述的第二电压检测电路的输入端口与单相逆变桥的输出端口连接，第二电压检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口；

所述的第二电流检测电路的输入端口与发射桥的输入端口连接，第二电流检测电路的输出端口分别连接第一中央处理单元、第二中央处理单元、保护电路的一个输入端口；

所述的第一中央处理单元输出端口与逆变器输入端口连接；第二中央处理单元输出端口与发射桥输入端口连接；

所述的发射控制平台与第二中央处理单元连接；

所述的第一中央处理单元包括DSP1控制单元、第一PWM驱动模块、保护电路；第二中央处理单元包括DSP2控制单元和第二PWM驱动模块；

电压进入三相整流桥整流滤波，获得第一级直流母线电压；第一级的直流母线电压通过逆变器逆变成20KHZ的单相交流电，20KHZ的单相交流电通过升压变压器升压，然后进入单相整流桥整流滤波获得第二级直流母线电压；第二级直流母线电压进入发射桥输出恒定电压或者恒定电流；发射控制平台通过人机交互来实现对直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间、时长的控制，DSP2控制单元接受来自发射控制平台的电压电流频率等参数，将电压电流传送到DSP1控制单元，同时也传递开始发射指令；DSP1控制单元收到电压电流参数，并且接收到开始发射指令后，采集三相整流桥整流滤波电压、单相整流桥整流滤波电压和电流、发射桥发射电压和发射电流，监测电压电流异常，出现过压或者过流，立即封锁第一PWM驱动模块，同时发射电压电流信号还作为反馈信号，与接收到的电压电流参数做PI运算，计算控制逆变桥中开关管开通和关断PWM波的占空比；DSP2控制单元采集发射电压和发射电流，回传发射控制平台，进行实现和监控；温度检测电路、第一电压检测电路、第一电流检测电路、第二电压检测电路、第二电流检测电路的输出信号分别进入保护电路，同时第一PWM驱动模块的短路检测输出信号也进入保护电路，一旦发生过温、过压、过流、短路等故障，保护电路和第一中央处理单元立即封锁第一PWM驱动模块的输出，短路情况下实施PWM的软关断，实现对逆变桥、发射桥和系统的冗余保护。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电磁勘探发射机系统，其特征在于：所述的升压变压器升压变比为1:2.3。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电磁勘探发射机系统，其特征在于：所述的三相整流桥为一个三相不控整流桥模块或者一个晶闸管三相整流全桥。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电磁勘探发射机系统，其特征在于：所述的逆变器为二个绝缘栅双极性晶体管模块，或者一个智能功率模块。

5.根据权利要求1所述的一种大功率电磁勘探发射机系统，其特征在于：所述的单相整流桥为一个单相不控整流桥模块。

6.根据权利要求1所述的一种大功率电磁勘探发射机系统，其特征在于：所述的发射桥为两个绝缘栅双极性晶体管模块，或者一个智能功率模块。