CN103207411A

CN103207411A - 一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统

Info

Publication number: CN103207411A
Application number: CN2013100844689A
Authority: CN
Inventors: 张一鸣; 曾志辉; 陶海军; 王旭红; 冯金兰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: CN103207411B

Abstract

本发明涉及一种基于超级电容器储能的电磁勘探系统发射方法，该发明包括1个发电机组、1个整流滤波电路、1个超级电容器组能量转换电路、1个逆变桥发射电路、1个电压检测电路、1个电流检测电路、1个控制电路及发射电极组件；其中发电机组为系统提供3相电源；整流滤波电路实现电源AC-DC转换，给系统提供稳定直流母线电压，便于电容器组在工作中进行充放电；超级电容器组能量转换电路实现能量存储和释放；逆变桥发射电路实现DC-AC转换，将信号发射出去；电流、电压检测电路实现输出电流、电压的实时检测，为控制电路提供实时信号；控制电路是一个中央处理单元，实现PWM控制，以获取稳定、可靠的发射信号；电极是系统信号发射口。

Description

一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统

技术领域

本发明涉及一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统，属于电磁勘探技术领域。

背景技术

极化率法是传统的地球物理勘探方法，是仅有的可以直接找矿的有效手段。极化率法应用广泛，是多金属矿床勘探中必须使用的手段。极化率仪由两部分构成，即发射系统和接收系统。基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统作为极化率仪的一个重要分支，在地球物理电磁勘探的过程中起着非常重要的作用。发射系统的发射功率越大，电场信号越强，接收系统就越容易得到信噪比高、精确可靠的极化率数据，就能加大探测深度。

目前极化率仪中发射系统技术比较成熟的主要由加拿大SCINTREX公司生产的第一代极化率仪和重庆地质仪器厂生产的第二代极化率仪,两代极化率仪的发射系统共同的特点是可以直接找矿和地下水资源，不足是能量利用率较低，整个系统重量大，体积大，不便山野作业。

发明内容

本发明针对目前极化率仪电磁勘探发射系统现有技术的不足，从提高系统能量利用率、降低系统重量，减少系统体积以及降低经济成本的角度出发，研制一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统。

为实现上述目的，本发明的一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统，其特征在于：该发明包括1个发电机组、1个整流滤波电路、1个超级电容器组能量转换电路、1个逆变桥发射电路、1个电压检测电路、1个电流检测电路、1个控制电路及发射电极组件；其中，发电机组输出端口IO1与整流滤波电路输入端口IO2相连；整流滤波电路输出端口IO3连接超级电容器组能量转换电路输入端IO4，超级电容器组能量转换电路输出端IO5连接逆变桥发射电路的输入端IO6，逆变桥发射电路的输出端IO7连接发射电极端口IO8，发射电极从发射端口IO9将信号发出；电流检测电路、电压检测电路和过温过压检测电路均从发射电极发射端口IO5接入，其中电流信号和电压信号一起送至控制电路中央处理单元；提供的信号均用于实时控制。

系统中发电机组的作用是为系统发射提供3相电源；整流电路、逆变主电路是整个发射系统的重要组成部分，在信号传输、发射过程中完成电源的AC-DC以及DC-AC的转换；超级电容器组能量转换电路作为系统的核心部分，主要实现系统不发射的时候能量存储，发射时候能量释放的功能；电流、电压检测电路的作用是对超级电容器组进行实时检测，为控制电路提供实时信号；控制电路主要包括一个中央处理单元和PWM驱动电路，其作用是产生PWM控制波形，实现对超级电容器组能量转换电路中的IGBT开关的时序控制，使超级电容器组能在系统零发射时进行充电储存能量，在系统向外发射时电容器组作为电压源和电源电压串联向系统供电，释放能量；同时中央处理单元还将通过实时检测的电流电压信号实现对超级电容器组的过压过流监控。

系统所述的整流桥、逆变桥采用电力场效应管（Metal Oxide SemiconductorFiled Effect Transistor）、绝缘门极双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor）、智能功率模块（Intelligent Power Module）、MOS控制晶闸管（MOSControlled Thyristor）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate CommutatedTurn-off Thyristor），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。超级电容器组（Super capacitor series）采用石家庄华坤电子有限公司型号为CF100C0.52N13的超级电容组成的电容器组，电容容量大，充放电迅速，功率密度大，可靠性高。

本发明的特点是：在电法勘探中系统借鉴开关电源技术的最新成果以及最新的超级电容储能技术，将系统发电机组提供的不稳定三相电源采用AC-DC变换技术进行整流，以获得可靠、稳定的直流母线电压信号；再通过对超级电容器组能量转换电路中IGBT开关的时序控制，实现对超级电容器组的充放电，完成能量的存储与释放，之后采用DC-AC逆变技术，以获得高稳定、高线性度以及高功率密度的发射信号。这种方案实施的优点在于：利用超级电容器组将系统零发射时候的能量存储起来，再在系统发射的时候将储存的能量释放出去，有效地利用了发电机组的发出功率，提高了系统能量利用效率；在系统发射功率额定的情况下，降低了对发电机组的发出功率的要求，从而达到了减少系统重量和体积的目的；此外，整个发射系统拓扑结构简单，便于控制实施；超级电容器组能量转换电路采用拓扑电路结构新颖，简单实用，经济可靠。

附图说明

图1是基于超级电容器组储能电磁勘探发射系统电路拓扑结构图。

图2是基于超级电容器组储能电磁勘探发射系统控制原理框图。

图3是发射系统中IGBT时序转换的PWM控制波形：其中1是S1、S3的PWM控制波形，2是S2的PWM控制波形，3是H1、H4的PWM控制波形，4是H2、H3的PWM控制波形。

图4是系统整流滤波电路。

图5是超级电容器组能量转换电路：其中当S1和S3闭合，S2断开并且逆变桥零发射时，系统给超级电容器组充电，当S1和S3断开，S2闭合并且逆变桥发射时，超级电容器组放电，作为电压源和电源电压串联给系统供电。

图6是逆变桥发射电路。

图7是实验时系统的发射波形，其中1线是超级电容器组两端电压，2线是发射电极两端的电压；系统发射周期是16s，其中4s正发射，4s负发射，8s是零发射。

图中具体标号如下：

1．发电机组

2．整流滤波电路

3．超级电容器组能量转换电路

4．逆变桥发射电路

5．发射电极

Csc：超级电容器组

S1，S2，S3，H1，H2，H3，H4：七个IGBT器件

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式。

实例一:

如图1所示，本发明的硬件电路具体实施方式如下：

本发明的一种基于超级电容器储能的电磁勘探发射系统，较佳实施方案包括1个发电机组、1个整流滤波电路、1个超级电容器组能量转换电路、1个逆变桥发射电路、1个电压检测电路、1个电流检测电路、1个控制电路及发射电极组件；其中，发电机组输出端口IO1与整流滤波电路输入端口IO2相连；整流滤波电路输出端口IO3连接超级电容器组能量转换电路输入端IO4，超级电容器组能量转换电路输出端IO5连接逆变桥发射电路的输入端IO6，逆变桥发射电路的输出端IO7连接发射电极端口IO8，发射电极从发射端口IO9将信号发出；

实例二:

如图2所示,本发明的控制电路具体实施方式如下:

本发明的较佳实施方式中，系统中发电机组的作用是为系统发射提供3相电源；整流电路、逆变主电路是整个发射系统的重要组成部分，在信号传输、发射过程中完成电源的AC-DC以及DC-AC的转换；超级电容器组能量转换电路作为系统的核心部分，主要实现系统零发射的时候能量存储，发射时候能量释放的功能；电流、电压检测电路的作用是对超级电容器组进行实时检测，为控制电路提供实时信号；控制电路主要包括一个中央处理单元和PWM驱动电路，其作用是产生PWM波形，实现对超级电容器组能量转换电路中的IGBT开关的时序控制，使超级电容器组能在系统零发射时进行充电储存能量，在系统向外发射时电容器组作为电压源和电源电压串联向系统供电，释放能量；

结合图1、图2、图3和图7对具体实施方式进行说明：

如图1所示，发电机组1提供三相交流电输入到整流滤波桥2中，整流滤波后产生单相直流电压，直流母线电压输入到超级电容器组能量转换电路3中，超级电容器组能量转换电路3中IGBT开关在中央处理单元产生的PWM波形的控制下实现电容Csc的充电、放电；其中S1、S2、S3以及逆变桥发射的开关时序图如图3所示，当S1和S3闭合导通时，S2断开，同时逆变桥发射电路4处于零发射状态，电容Csc的充电，当S1和S3断开时，S2闭合，同时逆变桥发射电路4处于发射状态，电容Csc作为电压源与直流母线电压串联输入到逆变桥发射电路4中，逆变桥发射电路4将倍升的电压送入发射电极5中，将信号发射出去，发射波形如图7所示。同时中央处理单元还将通过实时检测的电流电压信号实现对超级电容器组的过压过流监控。

Claims

1.一种基于超级电容器储能的电磁勘探系统发射方法，其特征在于：该发明包括1个发电机组、1个整流滤波电路、1个超级电容器组能量转换电路、1个逆变桥发射电路、1个电压检测电路、1个电流检测电路、1个控制电路及发射电极组件；其中，发电机组输出端口与整流滤波电路输入端口相连；整流滤波电路输出端口连接超级电容器组能量转换电路输入端，超级电容器组能量转换电路输出端连接逆变桥发射电路输入端，发射电路的输出端口连接发射电极端口，发射电极从发射端口将信号发出；电流检测电路、电压检测电路均从超级电容器组能量转换电路接入，反馈送至控制电路中央处理单元，提供的信号均用于实时控制；

系统中发电机组为系统提供功率为30～75KVA，电压为380V的3相不稳定电源，电源经过整流桥整流滤波获得功率30～75KVA，电压为500V的单相稳定直流电源；系统通过控制单元对超级电容器组能量转换电路中的IGBT进行时序控制，实现对超级电容器组的充放电，充电使超级电容器组两端电压到达500v，之后实现电源和超级电容器组的并联使用，通过逆变桥发射电路，获得功率为60～150KVA，电压为1000v的发射信号，通过电极组件向外发射信号；系统对超级电容器组能量转换电路中电流、电压进行实时监测，并反馈至中央处理单元。