CN103543650B - 便携式电火花震源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式电火花震源及其控制方法，解决了现有电火花震源体积大、笨重、不便携带，充电效率低等问题。本发明便携式电火花震源包括依次连接的整流器、固频变压控制器、400Hz±25%三相变压器、三相整流器、MPU控制器、充电模块、放电模块和风扇。其中，MPU控制器分别与固频变压控制器、充电模块和放电模块连接。本发明控制方法简单可靠；本发明便携式电火花震源体积小、重量轻，便于携带，不受使用环境的限制、充电效率高、传输功率大、交流电、直流电均可使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电火花震源及其控制方法，具体的说是一种便携式电火花震源及其控制方法。
背景技术
电火花震源是一种将电能转化为声波的震源，主要由电源、高压电容器、点火开关、放电电缆及电极等部分组成。主要原理：将交流电源经升压、整流后，储存在高压电容器中，大量存储的高压电能通过专用的放电头瞬间放电，在介质中通过脉冲大电流，使周围介质汽化形成高温高压区，瞬间爆炸产生地震波的震源。其作为地震波法中的主动震源，具有无环境污染，高频成分丰富，能量可调，同时具有可在水下、小口径孔内等条件下使用的优点。
传统的电火花震源体积大，重量重，不便于携带，故未能得到大范围推广。车载陆地电火花震源虽然能量很大，但体积大，不便于搬运，且使用时也会受到地理环境的影响。
此外现有的单脉冲电火花震源充电时间长且无法达到恒流、变频的充电效果，扩展性不强。电火花震源充、放电的工作流程会产生很大的高频干扰信号，使其无法对充、放电过程进行自动控制，且不能实现交流、直流并用的工作方式。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种体积小、重量轻，便于携带，不受使用环境的限制、充电效率高、传输功率大、交流电、直流电均可使用的便携式电火花震源。
本发明还提供一种上述便携式电火花震源的控制方法。
所述便携式电火花震源包括
固频变压控制器：所述固频变压控制器与400Hz±25%三相变压器，用于将直流电逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%交流电；
400Hz±25%三相变压器和三相整流器：所述400Hz±25%三相变压器分别与固频变压控制器和三相整流器连接，用于将经固频变压控制器逆变的电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%交流电升压并通过三相整流器整流变为0-5KV的直流电；
充电模块：所述充电模块分别与三相整流器、放电模块和控制器连接，将整流后的0-5KV的直流电给电容充电；
放电模块：所述放电模块与充电模块连接，使放电头在水溶液中瞬间放电，形成地震波；
MPU控制器：所述控制器与放电模块连接，用于控制充电模块和放电模块进行自动充、放电。
220V电源经整流器与所述固频变压控制器连接，所述整流器可将220V单相的交流电整流成300V的直流电。
所述MPU控制器还与固频变压控制器连接，用于调节固频变压控制器的升压曲线和时间。
所述充电模块为脉冲电容，所述放电模块包括放电开关及带有放电头的放电电缆。
本发明便携式电火花震源的控制方法，所述便携式电火花震源包括固频变压控制器、400Hz±25%三相变压器、三相整流器、充电模块、放电模块和MPU控制器，
其中，所述MPU控制器的控制方法：
a.通过固频变压控制器将300V直流电逆变成电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%交流电;
b.通过400Hz±25%三相变压器和三相整流器，将400Hz±25%三相交流电经过三相变压器的升压和三相整流器变为0-5KV的直流电；
c.通过充电模块将整流后的直流电给脉冲电容充电，通过MPU控制器控制充电过程，当充电完成后控制充电模块停止充电，同时控制放电模块放电；
d.所述放电模块接收来自MPU控制器的放电信号，使放电头在水溶液中瞬间放电，形成地震波；
所述固频变压控制器由芯片及三相逆变电路组成，所述芯片的控制方法为：
采用SPWM正弦脉宽调制方法，根据输出电压要求建立SPWM数学模型，以此数学模型生成一组有序的SPWM脉冲信号，将这组有序的SPWM脉冲信号作用于三相逆变电路，则输出三个分量的电流，并使之相位相差120度，便可得到三相400Hz±25%正弦交流电；通过设定输出电压从0V向220V渐变，则相应调节SPWM信号数学模型的参数，使其输出相应有序的SPWM脉冲信号，从而输出线性升压的具有正弦波形的三相400Hz±25%交流电。
先通过整流器将220V单相的交流电整流成300V的直流电，然后再通过固频变压控制器进行三相逆变。
所述三相变压器的频率优选为400Hz。
本发明中固频变压控制器是一种固频变压电流转换器，主要功能是将300V直流电逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%交流电，且升压曲线可调和时间可控。
它以SPWM调制技术为理论依据，根据输出电压要求，建立相应的数学模型，以此数学模型生成SPWM脉冲信号，来控制逆变电路的工作状态，从而输出三相400Hz±25%线性升压的正弦交流电。
Uc为载波三角波，US1和US2为频率相同，振幅不同的正弦调制波，由SPWM调制技术可得到两组不同的SPWM脉冲信号，其区别在于两组占空比不同，以US1正弦调制波为例，当US1大于Uc时，得到正负电平E/2或-E/2；当US1小于Uc时，得到零电平，例如弧线AB段得到高电平t0-t1。这一系列不同的占空比组成了US1对应的SPWM脉冲信号。将US1和US2对应的SPWM脉冲信号分别作用于逆变电路，即可输出m1和m2的400Hz±25%正弦波形，且当Uc的频率越高，得到的正弦波形就越平滑。因此通过固频变压控制器的控制，可以激发有序的SPWM脉冲信号。此脉冲信号作用于逆变电路，输出三个分量的电流，并使之相位相差120度，便可得到线性升压的具有正弦波的三相400Hz±25%交流电。
通过固频变压控制器产生线性升压三相400Hz±25%正弦交流电，大幅度减少了谐波，提高了整个装置的安全系数。且固频变压控制器与400Hz±25%三相变压器组合，仅需要几秒钟就可以完成0-5KV的充电过程，不仅达到了充电迅捷这一技术指标，还大幅度减小了变压器体积以及整个逆变电源的重量，使其满足便携的要求。
进一步的，本发明还接入散热系统，所述散热系统也可与MPU连接，通过MPU控制散热系统的运行和停止。
有益效果：
本发明体积小（0.04m3左右）、重量轻（10kg左右），便于携带，不受使用环境的限制；充电效率高（仅需要几秒钟就可以完成0-5KV的充电过程）、传输功率大，减小工作量，具有变频恒流的充电效果；电路模块化，工作稳定，放电的工作流程不会产生很大的高频干扰信号，实现对充、放电过程进行自动控制；扩展性很强，可达到周期性激发。电源选择灵活，交流电、直流电均可使用。
附图说明
图1为便携式电火花震源结构框架图；
图2为固频变压控制器的三相逆变电路图；
图3为固频变压控制器控制流程图；
图4为SPWM脉宽调制法原理图；
图5为400Hz正弦交流电压变化示意图；
图6为三相400Hz正弦交流电示意图；
图7为MPU控制器的连线方式图；
图8为便携式电火花震源的充、放电过程示意图；
图9为MPU控制整个电路流程图。
具体实施方式
参见图1，本发明便携式电火花震源包括：
整流器：所述整流器与固频变压控制器连接，用于将220V单相的交流电整流成300V的直流电。
固频变压控制器：所述固频变压控制器分别与整流器及400Hz（本实施例以400Hz为例）三相变压器连接，用于将300V直流电逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz交流电；
400Hz三相变压器和三相整流器：所述400Hz三相变压器分别与固频变压控制器和三相整流器连接，三相变压器用于将经固频变压控制器逆变的电压从0V向220V线性变换的三相400Hz交流电升压并通过三相整流器整流变为0-5KV的直流电；
充电模块：所述充电模块与三相整流器连接，将整流后的0-5KV的直流电给脉冲电容充电；
放电模块：所述放电模块与充电模块连接，使放电头在水溶液中瞬间放电，形成地震波；
MPU控制器：所述MPU控制器分别与放电模块、充电模块连接，用于控制充电模块和放电模块进行自动充、放电；与固频变压控制器连接，用于调节固频变压控制器的升压曲线和时间；与散热系统连接，用于系统散热控制
外部电源可以使用220V交流电源，或者采用直流蓄电池与逆变器相连，外接于电源接口（将直流逆变为220V交流）。
各部件之间的连接原理如图1所示：整流器与外部电源接口连接，将外部电流I1（220V）转化为直流电流I2，固频变压控制器与整流器串接，将输入的直流电I2转化三相交流电I3输出。400Hz三相变压器串接在固频变压控制器后面，升压后的交流电为I4；在三相400Hz变压器后面接上三相整流器，使交流电I4变为直流电I5；三相整流器后面与充电模块（为脉冲电容器充电）连接，放电模块（包括放电开关及带有放电头的放电电缆）串接在充电模块的后面。
所述固频变压控制器的工作电路图由芯片和三相逆变电路组成，工作方式为由芯片激发SPWM脉冲信号作用于三相逆变电路，从而控制逆变电路的工作状态，使得产生电压从0向220V线性变化的三相400Hz正弦交流电，具体参见图2。
所述固频变压控制器自带芯片的控制方法见图3，接通电源后，芯片首先会先进行初始化，检查运行环境并对基本参数进行设定。而后建立基本SPWM数学模型，并输出SPWM脉冲信号作用于逆变电路。在工作过程中，自动判断是否需要调节电压，如若需要，则调节SPWM信号激发模型参数，重新输出SPWM脉冲信号，整个调节过程使得输出电压为0V向220V线性变化，并使三个分量的电流相位相差120°，从而输出线性升压的具有正弦波形的三相400Hz交流电
如图5示：其中Uc为载波三角波，US1和US2为频率相同，振幅不同的正弦调制波。由SPWM调制技术可得到两组不同的SPWM脉冲信号，其区别在于两组占空比不同，如图中带斜线的方块与空白的方块。以US1正弦调制波为例，当US1大于Uc时，得到正负电平E/2或-E/2；当US1小于Uc时，得到零电平，例如弧线AB段得到高电平t0-t1。这一系列不同的占空比组成了US1对应的SPWM脉冲信号。将US1和US2对应的SPWM脉冲信号分别作用于逆变电路（如图2），即可输出如图4示m1和m2的400Hz正弦波形。且当Uc的频率越高，得到的正弦波形就越平滑。因此在固频变压控制器芯片中设定程序，激发有序的SPWM脉冲信号。此脉冲信号作用于逆变电路，输出三个分量的电流，并使之相位相差120°，便可得到线性升压的三相400Hz正弦波交流电（如图6）。
MPU模块连接方式如图7所示：I0，I1为输入端口。其中I0为散热系统（如风扇）的控制输入端，当按下面板上控制开关，散热系统开始工作；I1为充电开关的输入控制端，当按下面板上的开关，充电开关闭合，开始对脉冲电容器进行充电。P0，P1，P2，C0，C1，C2为输出端口，C0，C1，C2分别为P0，P1，P2端的公共端口；S/S，+24V，24G为MPU的内部电源接口，L，N为其外部供电电源接口。将端口+24V、P0、P1和S/S相连，端口24G和C0与散热系统相连，端口24G和C1与放电开关相连，端口P2和C2与固频变压控制器相连。
充、放电模块如图8所示：将升压后的三相交流经整流后与脉冲电容相连，放电模块与充电模块串接，即都连接在脉冲电容器的两端，放电头的两级分别连接脉冲电容的两端，在放电头与脉冲电容器之间接一个放电开关（由MPU控制器控制），控制充放电过程。
便携式电火花震源的工作过程（MPU控制流程如图9）：
1、将本发明的放电头置于水中，220V外部交流电源与电源接口连接。如果采用12V或24V蓄电池作为电源，可以采取市场上成熟的正弦逆变模块与蓄电池组合，直接接入电源端口，即可达到交流直流并用。
2、电源接通后，按下充电按钮开关，即输入一个I1信号给MPU控制器，随后MPU控制器开始工作，由MPU控制器控制的输出端口P2给定输出信号，电火花震源充电模块的充电开关在MPU控制器的作用下闭合，电火花震源充电过程开始。同时MPU控制器控制的输出端口P0给定输出信号，使风扇开始工作，也可以手动输入I0信号，控制风扇。
充电过程中，220V的交流电I1经过整流器转化为300V的直流电I2；I2通过固频变压控制器逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz交流电I3；I3流过三相400Hz变压器，电压升高至3KV-6KV的高压交流电I4，I4经过三相整流器后转化为直流电I5；I5通过外部接口与脉冲电容器相连，给电容快速充电。
其中，I2通过固频变压控制器逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz交流电I3的方法为：
固频变压控制器包括芯片及其控制的三相逆变电路，所述芯片采用SPWM正弦脉宽调制方法，对来自整流器的300V的直流电I2进行处理，即根据输出电压要求建立SPWM数学模型，以此数学模型生成一组有序的SPWM脉冲信号，将这组有序的SPWM脉冲信号作用于三相逆变电路，则输出三个分量的电流，并使之相位相差120°，便可得到具有正弦波形的三相400Hz交流电；通过设定输出电压从0V向220V渐变，则相应调节SPWM信号数学模型的参数，使其输出相应有序的SPWM脉冲信号，从而输出线性升压的具有正弦波形的三相400Hz交流电。
3、当充电完成时（即MPU控制器内设定充电到时），MPU控制的输出端口P1给定输出信号，使充电电路断开且放电开关闭合，放电回路接通，电容器内部储存的电能通过放电头在水溶液中瞬间放电，在介质中通过脉冲大电流，使周围介质汽化，形成高温高压区，瞬间爆炸产生地震波。放电完成后，关闭系统结束。
Claims (8)
1.一种便携式电火花震源，其特征在于，包括
固频变压控制器：所述固频变压控制器与400Hz±25%三相变压器连接，用于将直流电逆变为电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%正弦交流电；
400Hz±25%三相变压器和三相整流器：所述400Hz±25%三相变压器分别与固频变压控制器和三相整流器连接，三相变压器用于将经固频变压控制器逆变的电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%正弦交流电升压并通过三相整流器变为0-5KV的直流电；
充电模块：所述充电模块与三相整流器连接，将整流后的0-5KV的直流电给电容充电；
放电模块：所述放电模块与充电模块连接，使放电头在水溶液中瞬间放电，形成地震波；
MPU控制器：所述MPU控制器分别与放电模块和充电模块连接，用于控制充电模块和放电模块进行自动充、放电。
2.如权利要求1所述的便携式电火花震源，其特征在于，单相交流220V电源经整流器与所述固频变压控制器连接，所述整流器将220V单相的交流电整流成300V的直流电。
3.如权利要求1所述的便携式电火花震源，其特征在于，所述MPU控制器还与固频变压控制器连接，用于调节固频变压控制器的升压曲线和时间。
4.如权利要求1所述的便携式电火花震源，其特征在于，固频变压控制器为固频变压电流转换器，由芯片及三相逆变电路组成；所述电容为脉冲电容，所述放电模块包括放电开关及带有放电头的放电电缆。
5.如权利要求1-4任一项所述的便携式电火花震源，其特征在于，所述三相变压器的频率为400Hz。
6.一种便携式电火花震源的控制方法，其特征在于，所述便携式电火花震源包括固频变压控制器、400Hz±25%三相变压器、三相整流器、充电模块、放电模块和MPU控制器，
其中，所述MPU控制器的控制方法是：
a.通过固频变压控制器将300V直流电逆变成电压从0V向220V线性变换的三相400Hz±25%交流电;
b.通过400Hz±25%三相变压器和三相整流器将400Hz±25%三相交流电经过三相变压器的升压和三相整流器的整流变为0-5KV的直流电；
c．通过充电模块将整流后的0-5KV的直流电给电容充电，通过MPU控制器控制充电过程，当充电完成后控制充电模块停止充电，同时控制放电模块放电；
d．所述放电模块接收来自MPU控制器的放电信号，使放电头在水溶液中瞬间放电，形成地震波，
所述固频变压控制器由芯片及三相逆变电路组成，所述芯片的控制方法为：
采用SPWM正弦脉宽调制方法，根据输出电压要求建立SPWM数学模型，以此数学模型生成一组有序的SPWM脉冲信号，将这组有序的SPWM脉冲信号作用于三相逆变电路，则输出三个分量的电流，并使之相位相差120度，便可得到三相400Hz±25%正弦交流电；通过设定输出电压从0V向220V渐变，则相应调节SPWM数学模型的参数，使其输出相应有序的SPWM脉冲信号，从而输出线性升压的具有正弦波形的三相400Hz±25%交流电。
7.如权利要求6所述的便携式电火花震源的控制方法，其特征在于，先通过整流器将220V单相的交流电整流成300V的直流电，然后再通过固频变压控制器进行三相逆变。
8.如权利要求6或7所述的便携式电火花震源的控制方法，其特征在于，所述三相变压器的频率为400Hz。
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