CN103346675A

CN103346675A - 大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统

Info

Publication number: CN103346675A
Application number: CN2013102898698A
Authority: CN
Inventors: 张一鸣; 刘燕楠; 高俊侠
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: CN103346675B

Abstract

大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统,涉及一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，属于电磁控制技术领域，其包括N个发电机组、N个三相不控制整流桥逆变器、N个高频逆变桥、N个高频升压变压器、N个单相整流桥、1个发射H桥、1个弱电控制系统；该系统的特点是由N个发电机组发出的三相电分别输入到N个发射机模块，在N个发射机模块输出端口进行串联或者并联的功率合成，并且通过弱电控制系统控制逆变电路实现大功率、电压连续可调的恒压或恒流发射。该发明可提高稳流精度，增大发射系统的功率，使得电磁发射机的电压在宽范围内连续可调。

Description

大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统

技术领域

本发明涉及用于地面电法勘探的多模块级联大功率电压宽范围连续可调的电磁发射机系统，属于电力电子整流逆变器技术领域。

背景技术

地面电法是利用电磁进行矿体详查的主要人工手段之一。地面电法由发射机向大地注射频率变化的大电流，然后再通过地球电磁场响应来获取地下地质体或矿体电导率的分布信息，来构建地下介质电导率的结构特征。金属矿具有良好的导电性，因此电磁法是寻找金属矿最为有效的地球物理勘探手段。

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。随着发射时间的增加，电磁发射机内部发射电压电流的时间与接收机内部接收电压电流波形的时间误差越来越大，从而导致接收设置频率与发射设置频率不一致，不利于后期的图像分析，因此选择一款高精度的对时系统很有必要。考虑设备的应用环境条件恶劣，要求发射系统体积小、重量轻。因此研制一款多模块大功率的基于交流电源供电的电磁发射机至关重要。

随着功率的不断增大，电磁发射系统的功率损耗越来越大，在不增加系统复杂度的情况下，极大地降低开关损耗是目前的发展趋势。

发明内容

本发明针对地质勘探中大功率发射机的电压调节范围受限，野外仪器搬运困难等缺点，从实现发射机发射和接收的高度同步、负载上大电压或电流的高精度恒稳和提高系统可靠性的角度出发，发明一种大功率电压、宽范围连续可调的级联电磁发射系统。

为实现上述目的，本发明公开了一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射系统，其采用如下技术方案：

.一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征在于：本电磁发射机系统由N个发电机组、N个发射机模块、1个发射H桥、PC发射控制中心和弱电控制系统；其中，N组发射机模块具有相同的结构和参数，每组发射机模块包括三相不控整流桥、高频逆变桥、高频变压器、单相不控整流桥和控制高频逆变桥的弱电控制系统、驱动模块组成；其中，N个发电机组输出端口分别与N个发射机模块输入端口相连；N个发射机模块的输出端串联或者N个发射机模块的输出端并联后的输出端口连接发射H桥的输入端；单个发射机模块中，单个发电机组的输出端与三相不控整流桥输入端相连，三相不控整流桥的输出端与高频逆变器桥的输入端相连，高频逆变桥的输出端与升压变压器的原边绕组相连，升压变压器副边绕组的输出端与单向不控整流桥的输入端相连，三相不控整流桥的输出端串联或者并联与发射H桥的输入端相连；发射H桥的输出端口连接电极组件端口；弱电控制系统与PC发射控制中心连接；其中弱电控制系统包括DSP控制单元、FPGA单元、DDS单元、PWM驱动模块以及大功率激励模块；N>=2。

系统中单组发电机组为系统提供功率为30KVA，频率为50HZ、电压为380V的3相不稳定电源，经过三相不控整流桥整流滤波后变为直流电流，直流电源经过20KHZ的高频逆变桥逆变后获得频率为20KHZ、电压为50V～380V的交流电压，通过变比为1:3的升压变压器升压后，将上述交流电压通过单相不控整流桥整流滤波可以得到电压为150V～1140V的直流电压；若将N个发射机模块输出的直流电压串联并通过发射H桥逆变，获得功率为27NKW、电压为150NV～1140NV、电流为23A～180A的发射信号；若将N个发射机模块输出的直流电压并联并通过发射H桥逆变，获得功率为27NKW、电压为150V～1140V、电流为23NA～180NA的发射信号；上述发射信号是在弱电控制系统下实现并发射的：系统对单相整流桥输出的直流母线电压和电极组件上的发射电流进行实时监测，并将上述直流母线电压、发射电流输入主DSP处理器进行处理并发送到FPGA单元，FPGA单元同时接收PC发射控制台发送的信息，根据信息FPGA控制N个发射机模块输出端子的串联或者并联；FPGA与系统中的N个DSP控制单元利用CAN总线相连，并将PC发射控制台发送的信号输送给N个DSP控制单元，N个DSP控制单元分别经过PWM调制，利用PWM驱动模块来控制N个发射机模块中的高频逆变器桥；发射信号的发射时间受FPGA单元控制，FPGA单元接收多模块级联大功率电压、宽范围连续可调的电磁发射机系统接收部分发出的GPS实时同步信号，将上述实时同步信号通过数字频率合成单元（DDS）合成，再由大功率激励驱动模块实现发射H桥实时同步发射，使发射信号发出；PC发射控制台实时监控海底直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间时长相关信息，同时对直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间、时长的控制。

所述的三相整流桥为3个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

所述的高频逆变器为2个二极管、2个电容、2个绝缘门极双极型晶体管模块组合而成。

所述的单相整流桥为1个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

所述的发射桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

基于本主电路的设计，本发明中采用的主电路拓扑与系统中提供的基于模块化设计的电磁发射机系统的移相全桥控制方法相结合，实现了电源的零电压零电流开关状态，解决了开关损耗大的技术问题。

本发明的优点在于：系统模块化、控制简单、操作易行、可大范围电压调节、单体发电机组重量减轻易于野外搬运、整个系统的发射与接收高度同步、大大降低了开关损耗。

附图说明

图1用于地面电法勘探的多模块级联大功率电压、宽范围连续可调的电磁发射机系统拓扑图。

图2是系统整体弱电控制系统

图3是第N发射机模块的组成拓扑图

图4是三相整流器桥

图5高频逆变桥。

图6单相整流桥

图7是N个发射机模块输出串并联接线示意图。

图8是发射H桥。

图9是N个发射机模块中高频逆变器H桥上的控制方式。

图10是系统发射电压或电流的波形。

图11是第N发射机模块控制框图。

图中：

1、串联接线

2、并连接线

3、发射H桥

4、弱电控制系统

5、三相不控整流桥

6、高频逆变桥

7、高频升压变压器

8、单相整流桥

9、第N发射机模块弱电控制

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式。

本发明的主要硬件平台的实施方式如下：

由图1、2可知，本发明的大功率电压大范围连续可调的电磁发射机系统主电路主要工作流程如下：每组发射机模块由发电机组输出的三相交流电通过三相不控整流桥整流为直流电后，经过电容滤波，再经过高频逆变桥变为交流，然后加入隔直电容和变压器漏感来实现开关电源的软开关，之后进入高频变压器升压，然后经过单相不控整流桥和滤波后成为高压直流电，最后每组发射机模块进行串并联送到高频逆变桥来发射电压电流。发射电流经过脉宽调制控制策略产生脉宽调制信号，控制高频逆变桥中四个功率开关期间的开通时间和开通时长，从而稳定发射电压电流。

本发明的控制平台具体实施方式如下：

在地质勘探仪器中，要求恒压或恒流发射，发射电压或电流的大小则是由高频H逆变桥决定的。

由上述的说明，恒压或横流发射电压或电流的大小和稳定性由高频逆变桥决定，因此需要控制高频逆变桥的四个功率开关管的的导通和关断时刻来控制输出电压或电流。图9是模块N中高频逆变器H桥上的控制方式，与传统的控制方式不同的是，斜对角的两只开关管的导通和关断没有同时发生，以Q_N1和Q_N4这组对角开关管为例，首先使超前桥臂Q_N1的开通时间向前增加到T2，一段时间后开通滞后桥臂Q_N4，相同的也使滞后桥臂Q_N4开通时间向后增加到T2。此期间Q_N1和Q_N4开通重合的时间即系统通过Q_N1，Q_N4传递电压电流的时间，到这组开关管共有的导通时间的关断时间也在同理Q_N2和Q_N3的开通也一样。在恒压或恒流装置不同情况输出时，由图8所示的控制方式来调节Q_N1、Q_N3和Q_N2、Q_N4导通重合时间来达到占空比的调节，最终改变输出电压、电流。

本发明的控制电路具体实施方式如下:

由弱电控制系统中的DSP处理器处理采集发射H桥的输入的母线直流电压和发射极输出的电流数据,由FPGA发送信号给发射H桥，使得发射桥的达到恒稳发射。

由FPGA与各个发射机模块中的DSP进行通信，同时各个发射机模块中的DSP处理器将采集各模块中的单向整流器滤波后的直流母线电压、电流，并且发出PWM信号控制逆变器,达到单个发射机模块的电压电流的稳定。其主DSP输出波形的实现方式为采集发射H桥输入端直流母线电压和发射极的输出电流，作为反馈输入到主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，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。其各模块的DSP输出波形的实现方式为采集各模块的单相整流器滤波后的直流母线电压、电流，作为反馈输入到各模块的处理器中，DSP内部通过PI计算，得出相应的控制方式及对应的占空比。其FPGA控制发射H桥波形实现方式为采集PC发射控制台传递给

FPGA的发射时间、频率、时长等信息加之FPGA接收多模块级联大功率电压宽范围连续可调的电磁发射机系统的接收部分发送的实时GPS信号，将上述实时同步信号通过数字频率合成单元（DDS）合成，再由大功率激励驱动模块实现发射桥实时同步发射，使发射信号发出。图10是发射波形。

本发明的线路连接的具体实施方式如下:

由完全相同的N个发射机模块输出端串联或并联的连接和控制方式如下，输出端串联时的连线方式：第1模块的输出端负电压U_1-与第2模块的输出正电压U₂₊相连接，第2模块输出的负电压U_2-与第3模块的输出正电压U₃₊相连接，以此类推，直到第N‐1个模块的负电压U_(N-1)-与第N个模块的输出正电压U_N+相连接，最后U₁₊为输出正电压，U_N-为输出负电压。每个连接线中间串联一个开关，统称这些开关为并联开关，FPGA与每个并联开关使用CAN总线连接；当输出并联时连线方式：将各个模块的输出正电压相连，即功率合成后的输出正电压，将各个模块的输出负电压相连，即功率合成后的输出负电压，同样每个连接线中间串联一个开关，统称这些开关为串联开关FPGA与每个串联开关使用CAN总线连接；当选择N个发射机模块进行并联时，FPGA控制串联的CAN总线使得串联开关打开，控制并联的CAN总线使得并联开关闭合；当选择N个发射机模块进行并联时，FPGA控制串联的CAN总线使得串联开关打开，控制并联的CAN总线使得并联开关闭合。

Claims

1.一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征在于：本电磁发射机系统由N个发电机组、N个发射机模块、1个发射H桥、PC发射控制中心和弱电控制系统；其中，N组发射机模块具有相同的结构和参数，每组发射机模块包括三相不控整流桥、高频逆变桥、高频变压器、单相不控整流桥和控制高频逆变桥的弱电控制系统、驱动模块组成；其中，N个发电机组输出端口分别与N个发射机模块输入端口相连；N个发射机模块的输出端串联或者N个发射机模块的输出端并联后的输出端口连接发射H桥的输入端；单个发射机模块中，单个发电机组的输出端与三相不控整流桥输入端相连，三相不控整流桥的输出端与高频逆变器桥的输入端相连，高频逆变桥的输出端与升压变压器的原边绕组相连，升压变压器副边绕组的输出端与单向不控整流桥的输入端相连，三相不控整流桥的输出端串联或者并联与发射H桥的输入端相连；发射H桥的输出端口连接电极组件端口；弱电控制系统与PC发射控制中心连接；其中弱电控制系统包括DSP控制单元、FPGA单元、DDS单元、PWM驱动模块以及大功率激励模块；

2.根据权利要求1所述的一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征是：所述的三相整流桥为3个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

3.应用权利要求1所述的一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征是：所述的高频逆变器为2个二极管、2个电容、2个绝缘门极双极型晶体管模块组合而成。

4.应用权利要求1所述的一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征是：所述的单相整流桥为1个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。

5.应用权利要求1所述的一种大功率电压宽范围连续可调的级联电磁发射机系统，其特征是：所述的发射桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智能功率模块。