CN103762884B - 三环并联控制的电性源发射机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三环并联控制的电性源发射机及控制方法，是由三相交流发电机经三相整流滤波电路、全桥逆变电路、高频隔离变压器、全桥整流电路、滤波电感、滤波电容器、脉冲电流发生器与大地负载连接，主控制器分别与全桥逆变电路、电流环检测电路、电压环检测电路、脉冲电流环检测电路和脉冲电流发生器连接构成。弥补了单一电流环无法适应宽频范围内大地负载特性变化的缺点，实现了输出电流实时控制，提高了高频时的控制精度。大幅度缩小了发射机体积，减轻了发射机重量，减少了元器件数量，使发射机更加便携。隔离电压大于发射机最大工作电压的2倍，保证了设备和操作人员的安全，同时防止信号之间干扰，使仪器工作更加稳定可靠。

Description

三环并联控制的电性源发射机及控制方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探中的电法仪器，尤其是适用于发射脉冲电流频率为n×10^-1Hz～n×10¹kHz，发射脉冲电流幅值在几十安培，接地电极阻抗为10～80Ω，相隔距离在0.5km—3km之间的电磁发射机。

背景技术：

在地球物理勘探方法中，可控源音频大地电磁法（Controlled SourceAudio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）因工作效率、探测精度及横向和纵向分辨率较高而被广泛应用于金属矿探测、地热资源勘查、煤田和油气构造勘查等领域。CSAMT采用电磁发射机形成人工场源，向目标区域发送电磁波场，通过接收机检测电场和磁场信号来探测地下结构。对于CSAMT电磁探测方法，当发射机负载为电感线圈时，称为磁性源CSAMT，当发射机负载为接地电极时，称之为电性源CSAMT，对应的发射机称之为电性源发射机。电性源发射机负载为大地负载，包括接地电极和连接两个接地电极之间的导线，通常两个接地电极相距1～3km，阻抗为10～80Ω，因工作地区和接地条件的改变而不同，两个电极通过金属导线与发射机连接，导线等效电感为1～8mH，等效电阻为1～10Ω，因导线的材质和铺设形状不同而改变。采用电性源CSAMT方法时，发射机向1～3km的接地导线中发射幅值恒定的双极性脉冲电流形成人工谐变场源，通常发射功率可以达到几十千瓦，收发距达到十几km，发射频率为n×10^-1Hz到n×10³Hz。电性源CSAMT通过改变大地负载中脉冲电流的频率，可以实现不同深度的探测。在野外工程应用中，电性源发射机用于向大地负载发射频率、波形可变的脉冲电流。

当向大地负载发射不同频率的脉冲电流波形时，接地电极呈现以下特性：a)电流正负脉冲对应的接地电极阻抗不相等；b）正负电流脉冲进行切换之后，接地电极阻抗有一定的变化，先为低阻，后为高阻；c）接地电极阻抗随着工作时间的增长会因产生的热能而变大。

同时，当探测地下浅层区域时，发射机向大地负载发射高频电流脉冲波形，导线电感感抗随着脉冲电流频率的增大而迅速增大，大地负载上流过较大的无功功率，导线电感阻抗呈现以下特性：a）在低频时导线电感感抗远小于接地电极阻抗；b）在高频时与接地电极感抗接近或者大于接地电极阻抗。

另外，考虑施工效率问题，电性源发射机通常放置在道路附近，连接接地电极的导线通常沿道路铺设，可能跨越人文环境复杂地区，导线可能因为人为因素造成突然开路现象。

在实际测量过程中，为了保证测量结果的准确性，要求发射机能够根据大地负载的变化对发射电流进行实时调节和控制，在特定频率下脉冲电流的正极和负极幅值恒定且相等，发射电流的稳定性和准确性对获得数据的可信度、地质解释的精准度起着关键作用，同时为了保证仪器和周围人员的安全，要求电性源发射机和输出导线不能形成较高的过冲电压。

常规电性源发射机，采用的控制方法主要包括单一电压闭环控制方法、单一电流闭环控制方法和电流内环电压外环的双闭闭环控制方法。单一电压闭环控制方法通过保持脉冲电流发生器母线电压恒定的方法来实现大地负载电流幅值恒定，该方法无法适应大地负载阻抗值的改变。单一电流环的控制原理包括两类：一类是通过控制滤波电感上的输出电流平均值值恒定来间接保证大地负载电流幅值恒定，该方法可以适应低频时大地负载接地电极阻抗值的变化，但是无法适应频率改变引起的导线电感阻抗值的变化，其原因在于:在高频时，导线电感阻抗值增大，大地负载中无功功率增加，导致滤波电感上电流平均值与大地负载上的脉冲电流有效值相差较大，从而使电流环失去对大地负载上脉冲电流的控制作用，使发射机处于开环状态，输出端始终处于最高电压，无法适应负载变化，无稳流效果；另一类是直接控制流过大地负载上的脉冲电流，该方法可以对大地负载上的脉冲电流进行实时监测，但是需要对脉冲电流进行整流滤波变换后才能形成反馈控制信号，存在着响应速度慢的固有特性，该特性可能导致发射机中半导体开关器件瞬时过载现象，进而烧毁器件，使发射机产生致命性损伤。电流内环电压外环的双闭环控制方法可以适应低频时大地负载接地电极阻抗值的变化，也可以避免高频时直流电源输出端产生过高的电压，但是无法适应高频时导线电感感抗值的增加，无法对大地负载上的电流进行控制，另外该控制方法中，电流环串联于电压环之中，在进行电压外环设计时，参数需要根据电流内环进行确定，受限制因素较多，导致电路参数设计复杂，电路调试困难。

CN201146485Y提出了一种产生宽恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，该装置采用嵌位电压源调节高频交流方波电流的换向过程，采用恒流电感、“能量补充电路”，通过滞环控制的方法实现负电流幅值恒定，属于单一电流闭环控制方法。该装置要求负载为感性负载，要求线圈电阻和电感值较小，无法适用于向大地负载提供大功率的脉冲电流。

CN102510233A公布了一种多功能电流脉冲发射机及控制方法，该发明通过两档直流电源对输出电压进行粗调，通过降压斩波稳流电路控制流过负载的电流幅值，通过嵌位电路来控制电流脉冲的换向过程。该发明通过不同的拓扑结构分别进行独立的稳压控制和稳流控制，属于单一稳压闭环控制和单一稳流控制相串联的控制方法。该方法可以适应低频时大地负载接地电极阻抗值的变化，但是无法适应高频时导线电感感抗值的变化，在高频时，随着大地负载无功功率的增加，降压斩波稳流电路无法对大地负载上电流值的大小进行调节和控制。另外，装置采用两档直流电源、降压斩波稳流电路和嵌位电路对大地负载上的输出电流进行控制，采用器件较多，成本较高，设计和研发周期较长。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种电性源发射机三环并联控制装置；

本发明的另一目的是提供一种电性源发射机三环并联控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

三环并联控制的电性源发射机，是由三相交流发电机1经三相整流滤波电路2、全桥逆变电路3、高频隔离变压器4与全桥整流电路5连接，全桥整流电路5的正输出端经滤波电感6、滤波电容器7、脉冲电流发生器8与大地负载9的正极连接，全桥整流电路5的负输出端经滤波电容7、脉冲电流发生器8与大地负载9的负极连接，滤波电感6的输出端经电流环检测电路11与主控制器10连接，滤波电容7的输出端经电压环检测电路12与主控制器10连接，脉冲电流发生器8的正极经脉冲电流环检测电路13与主控制器10连接，主控制器10分别与全桥逆变电路3和脉冲电流发生器8连接构成。

电流环检测电路11是由直流电流传感器11-1与电流环放大调理电路11-2连接构成；电压环检测电路12是由直流电压传感器12-1与电压环放大调理电路12-2连接构成；脉冲电流环检测电路13是由交流电流传感器13-1经过脉冲电流环放大调理电路13-2与脉冲电流环有效值转换电路13-3连接构成，电流环检测电路11、电压环检测电路12、脉冲电流环检测电路13构成三环并联检测电路，三环并联检测电路与滤波电感6、滤波电容7、脉冲电流发生器8进行电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大工作电压U_max的2倍。

所述的主控制器是10由微处理器单元10-1分别与三环PWM驱动波形产生单元10-2、三环PWM驱动波形选择单元10-3、逆变全桥隔离驱动单元10-4、脉冲发生器隔离驱动单元10-5、工作参数设置单元10-6和工作状态显示单元10-7连接，三环PWM驱动波形产生单元10-2经过三环PWM驱动波形选择单元10-3与逆变全桥隔离驱动单元10-4连接构成，

所述的三环PWM驱动波形产生单元10-2包括电流环PWM驱动波形产生单元10-2A、电压环PWM驱动波形产生单元10-2B和脉冲电流环PWM驱动波形产生单元10-2C，其中电流环PWM驱动波形产生单元10-2A是由电流环零极点补偿电路A-1与电流环PWM波形产生电路A-2连接构成，电压环PWM驱动波形产生单元10-2B是由2电压环零极点补偿电路B-1与电压环PWM波形产生电路B-2连接构成，脉冲电流环PWM驱动波形产生单元10-2C是由脉冲电流环零极点补偿电路C-1与脉冲电流环PWM产生电路C-2连接构成。

主控制器10与全桥逆变电路3、脉冲电流发生器8进行电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大工作电压U_max的2倍。

一种三环并联控制的电性源发射机的控制方法，包括以下步骤：

A、参数设置：包括发射脉冲电流频率范围、脉冲电流波形、接地电极导线长度l、接地电极阻抗值R、电性源发射机正常工作电压U和最大工作电压U_max；

B、主控制器软启动，主控制器10根据设置的参数发射脉冲电流频率范围和脉冲电流波形，产生脉冲驱动波形，控制脉冲电流发生器8向大地负载9发射脉冲电流；

C、主控制器10根据设置的参数，确定电性源发射机的转折频率f₀、限定电压U_set、目标发射电流I_set，同时给定电流环参考信号I_Aref、、电压环参考信号U_ref和脉冲电流环参考信号I_Bref，并将其传送至内部的脉冲宽度调制（PWM）单元；

D、主控制器10通过三环检测电路实时检测流过滤波电感6中电流i_o的平均值I_AV、滤波电容7两端输出电压u_o的平均值U_AV和脉冲电流发生器8输出脉冲电流i_L的有效值I_RMS，I_Aref、U_ref和I_Bref分别与I_AV、U_AV、I_RMS的反馈信号I_AF、U_F、I_BF做差后，经脉冲宽度调制（PWM）单元产生PWM驱动波形，其中i_o、u_o、i_L为瞬时值，I_AV、U_AV为平均值，I_RMS为有效值，I_AF、U_F和I_BF为三环检测电路输出的反馈信号；

E、主控制器10根据发射机的输出状态参数，按照特定的控制规则，选择输出不同控制环路产生的PWM驱动波形，来控制全桥逆变电路3中开关管的导通时间，通过调节开关管的占空比来调节并稳定不同发射频率下流过大地负载9上的脉冲电流i_L的幅值。

步骤C所述的过程包括以下子步骤：

a、主控制器10根据设定的接地电极导线长度l、接地电极阻值R确定转折频率f₀，确定原则为：在转折频率f₀处，大地负载中接地电极阻抗近似为连接导线电感感抗值的10倍，取式中

R为设置的接地电极阻抗值，

l为接地电极导线长度，

k为每千米导线电感量，取k=3mΗ/km，

此时大地负载中导线电感的感抗值为接地电极阻抗值R的十分之一；

b、主控制器10根据设定的发射机直流电源正常工作电压U和最大工作电压U_max确定限定电压U_set，确定的原则为：U_set为介于发射机直流电源正常工作电压U和最大电压U_max之间的某一特定值，取

c、主控制器10根据设定的接地电极导线长度l、接地电极阻值R、发射机正常工作电压U确定目标发射电流I_set，确定原则为：I_set与发射脉冲电流频率f相关，按照 $I_{\mathrm{set}}=\frac{U}{\sqrt{R^2+{\left(2\mathrm{\πfkl}\right)}^2}}$ 确定；

d、主控制器10根据发射机的转折频率f₀、限定电压U_set、目标发射电流I_set，给定电流环参考信号I_Aref、脉冲电流环参考信号I_Bref和电压环参考信号U_ref，并将其传送至内部的脉冲宽度调制（PWM）单元，

I_Aref与低频时的目标发射电流I_set相对应，在发射频率f低于转折频率f₀时，用于控制流过滤波电感6中的电流平均值I_AV，

I_Bref与高频时的目标发射电流I_set相对应，在发射频率f高于转折频率f₀时，用于控制流过大地负载9中的电流有效值I_RMS，

U_ref与限定电压U_set相对应，用于控制电性源发射机滤波电容7输出电压平均值U_AV。

步骤E中所述的特定的控制规则包括：

——当U_AV大于限定电压U_set时，主控制器10选通电压环，控制电性源发射机滤波电容7输出电压，将其限制在U_set；

——当发射脉冲电流频率f小于转折频率f₀的时，主控制器10选通电流环，控制电性源发射机滤波电感6输出电流i_o的平均值I_AV为目标输出电流I_set，进而保持流过大地负载脉冲电流幅值稳定；

——当发射频率大于转折频率f₀时，主控制器10选通脉冲电流环，控制流过大地负载脉冲电流的有效值为I_RMS，进而控制流过大地负载脉冲电流幅值稳定；

——三环控制电路的优先级为：电压环控制电路＞电流环控制电路＞脉冲电流环控制电路；当U_AV＞U_set时，电性源发射机运行在异常工作模式，此模式下电流环或脉冲电流环停止控制，电压环进行控制，将滤波电容7两端电压u_o平均值U_AV限定在U_set；当U_AV＜U_set时电性源发射机运行在正常工作模式，此模式下电流环或者脉冲电流环进行控制，电压环不进行控制：当发射频率f大于转折频率f₀时，脉冲电流环将不同发射频率时流过大地负载上脉冲电流i_L的有效值I_RMS稳定在目标输出电流I_set；当发射频率f小于转折频率f₀时，电流环将不同发射频率下流过滤波电感6中电流i_o的平均值I_AV稳定在目标输出电流I_set。

有益效果：与现有技术相比，（1）本发明采用电流环对低频段发射电流进行控制，采用脉冲电流环对高频段发射电流进行控制，通过分段控制的方法弥补了单一电流环无法适应宽频范围内大地负载特性变化的缺点，实现了在不同频率下对输出电流进行实时控制，保证了后期数据解释的准确性。电流环提高了低频时的响应速度，有效抑制了低频时大地负载的变化造成的电流畸变现象，保证电流幅值恒定，脉冲电流环直接控制大地负载上电流，提高了高频时的控制精度。（2）在异常情况下，本发明采用电压环对电性源发射机的输出电压进行控制，并且对异常模式进行识别判断，使仪器更加智能：在开路故障时，可以防止电性源发射机的输出电压迅速升高，形成过冲高压，保证了仪器设备的安全性；在假异常故障的情况下，可以自动切换至正常模式，防止了仪器误保护操作所造成的测量过程中断的状况，提高了仪器的可靠性和工作效率；在真异常故障时，该方法提供了一种恒压发射的方式，使电性源发射机的输出电压稳定在U_set，保证在异常时仍能测量到有用信号。（3）三种控制环路共用同一主电路拓扑结构，采用同一硬件电路，并且功率电路采用高频隔离变压器技术，大幅度缩小了发射机的体积，减轻了发射机的重量，减少了元器件的数量，降低了发射机的研发成本，使发射机装置更加便携，适用于山区、丘陵等野外复杂环境。（4）稳压环路、稳流环路和脉冲电流环路并联控制，在进行设计时，各个反馈环路单独设计，互不影响，降低了仪器设计的难度。（5）采用隔离技术，使主控制器、三环检测电路与功率电路进行隔离，变压器初次级电路进行隔离，隔离电压大于发射机最大工作电压的2倍，保证了一个设备和操作人员的安全性，同时防止信号之间的干扰，使仪器工作更加稳定可靠。（6）本发明还可以适用于广域电磁法、复电阻率法、时间域电磁法和直流电法。

附图说明：

图1：三环并联控制的电性源发射机结构框图

图2：三环并联控制的电性源发射机主电路工作原理图

图3：三环并联控制的电性源发射机三环并联检测电路结构框图

图4：为附图1中主控制器10结构框图

图5：为附图4中三环PWM驱动波形产生单元10-2结构框图

图6：为三环并联控制的电性源发射机及控制方法流程图

1三相交流发电机，2三相整流滤波电路，3全桥逆变电路，4高频隔离变压器，5全桥整流电路，6滤波电感，7滤波电容，8脉冲电流发生器，9大地负载，10主控制器，11电流环检测电路，12电压环检测电路，13脉冲电流环检测电路

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1所示的三环并联控制的电性源发射机，是由三相交流发电机1经三相整流滤波电路2、全桥逆变电路3、高频隔离变压器4与全桥整流电路5连接，全桥整流电路5的正输出端经滤波电感6、滤波电容器7、脉冲电流发生器8与大地负载9的正极连接，全桥整流电路5的负输出端经滤波电容7、脉冲电流发生器8与大地负载9的负极连接，滤波电感6的输出端经电流环检测电路11与主控制器10连接，滤波电容7的输出端经电压环检测电路12与主控制器10连接，脉冲电流发生器8的正极经脉冲电流环检测电路13与主控制器10连接，主控制器10与全桥逆变电路3和脉冲电流发生器8连接构成。其中高频隔离变压器4工作频率大于10kHz，初级绕组和次级绕组之间的隔离电压等级不低于最大工作电压U_max的2倍。电流环检测电路11、电压环检测电路12和脉冲电流环检测电路13组成三环检测电路。

图2所示的三环并联控制的电性源发射机主电路工作原理图，包括三相交流发电机1、三相整流滤波电路2、全桥逆变电路3、高频隔离变压器4、全桥整流电路5、滤波电感6、滤波电容7、脉冲电流发生器8和大地负载9。三相交流发电机1用于提供电能，产生三相交流电u_a、u_b和u_c，经端口A、B、C输出。三相整流滤波电路2用于将交流电转变为直流电u_i，包括整流二极管D1～D6、电感L1和电容C1，其中C1为高压大容量电解电容，L1为低频滤波电感；二极管D1的阳极和D4的阴极与端口A连接，二极管D2的阳极和D5的阴极与端口B连接，二极管D3的阳极和D6的阴极与端口C连接，二极管D1～D3的阴极与电感L1的输入端相连，电感L1的输出端与电容C1的正极相连，电容C1的负极与二极管D4～D6的阳极相连。全桥逆变电路3包括开关管IGBT及续流二极管VT1～VT4，由主控制器10产生的驱动信号G_a控制，用于将直流电u_i逆变为交流电u_T；开关管IGBT级续流二极管VT1的发射极与开关管IGBT及续流二极管VT3的集电极相连，开关管IGBT级续流二极管VT2的发射极与开关管IGBT及续流二极管VT4的集电极相连，开关管IGBT及续流二极管VT1和VT2的集电极与电容C1的正极相连，开关管IGBT及续流二极管VT3和VT4的发射极与电容C1的负极相连。高频隔离变压器4用于对初级侧电路和次级电路进行隔离并传输交流电能，包括初级侧绕组W1和次级侧绕组W2；初级绕组W1的一端与开关管IGBT级续流二极管VT1的发射极和开关管IGBT及续流二极管VT3的集电极相连，初级绕组W1的另一端与开关管IGBT级续流二极管VT2的发射极和开关管IGBT及续流二极管VT3的集电极相连，初级绕组W1的匝数为N1；次级绕组W2的一端与二极管D7阳极和二极管D9阴极相连，次级绕组W2的另一端与二极管D8的阳极和二极管D10的阴极相连，次级绕组W1的匝数为N2；高频隔离变压器4工作频率大于10kHz，初级绕组和次级绕组之间的隔离电压等级不低于最大工作电压U_max的2倍。全桥整流电路5、滤波电感6和滤波电容7构成次级侧全桥整流滤波电路，用于将高频隔离变压器4输出的交流电转换为直流电，包括二极管D1～D4、电感L2和电容C2，其中电感L2为高频滤波电感，流过电感L2的电流为i_o，电容C2为高压大容量的电解电容，其两端电压为u_o；二极管D7的阳极与二极管D9的阴极相连，二极管D8的阳极与二极管D10的阴极相连，二极管D7、D8的阴极与电感L2的输入端连接，电感L2的输出端与电容C2的正极相连，电容C2的负极与二极管D9、D10的阳极相连。脉冲电流发生器9用于向大地负载9发射脉冲电流，由主控制器10产生的驱动信号G_b控制，包括电容C3，开关管IGBT及续流二极管VT5～VT6，其中电容C3为高压小容量无感电容，用于抑制电压尖峰；开关管IGBT及续流二极管VT5、VT6的集电极、电容C3的一端与电容C2的正极连接，开关管IGBT及续流二极管VT7、VT8的发射极、电容C3的另一端与电容C2的负极连接，开关管IGBT及续流二极管VT5的发射极与开关管IGBT及续流二极管VT7的集电极相连，为脉冲电流发生器8输出端正极，开关管IGBT及续流二极管VT6的发射极与开关管IGBT及续流二极管VT8的集电极相连，为脉冲电流发生器8输出端的负极。大地负载可等效为电感L_N和电阻R_N，等效电感L_N的一端与脉冲电流发生器8的正极相连，另一端与等效电阻R_N的一端相连，等效电阻R_N的另一端与脉冲电流发生器8的负极相连；等效电感L_N在1mH～9mH之间，等效电阻R_N在10～80Ω之间，流过大地负载9的脉冲电流为i_L，大地负载9两端的电压为u_L。

图3所示为三环并联检测电路结构框图，包括电流环检测电路11、电压环检测电路12、脉冲电流环检测电路13和与之相连的主控制器10；三环并联检测电路与滤波电感6、滤波电容7、脉冲电流发生器8进行电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大工作电压U_max的2倍。电流环检测电路11是由直流电流传感器11-1与电流环放大调理电路11-2连接构成，用于检测流过滤波电感6中电流i_L的平均值I_AV，并将其转换反馈信号I_AF，传送至主控制器10，具体过程为：滤波电感6中电流i_L经直流电流传感器11-1转变为可测量的电压信号，该电压信号经电流环放大调理电路11-2进行放大调理后形成反馈信号I_AF，传送至主控制器10；电压环检测电路12是由直流电压传感器12-1与电压环放大调理电路12-2连接构成，用于将直流电源滤波电容7的输出电压u_o的平均值U_AV转变为对应的反馈信号U_F，传送至主控制器10，具体过程为：电性源发射机滤波电容7的输出电压U_o经直流电压传感器12-1转变为可测量的电压信号，该电压信号经过电压环放大调理电路12-2进行放大调理后转变为对应的反馈信号U_F，传送至主控制器10。脉冲电流环检测电路13是由交流电流传感器13-1经过脉冲电流环放大调理电路13-2与脉冲电流环有效值转换电路13-3连接构成，用于测量流过大地负载9的脉冲电流i_L的有效值I_RMS，并将有效值I_RMS转换为对应的反馈信号I_BF，传送至主控制器10，具体过程为：流过大地负载9的脉冲电流i_L经交流电流传感器13-1转变为可测量的交流电压信号，该电压信号经脉冲电流环放大调理电路13-2放大调理后，由脉冲电流环有效值转换电路13-3转换为直流有效值反馈信号I_BF，传送至主控制器10。

图4所示为主控制器10的结构框图，是由微处理器单元10-1与三环PWM驱动波形产生单元10-2、三环PWM驱动波形选择单元10-3、逆变全桥隔离驱动单元10-4、脉冲发生器隔离驱动单元10-5、工作参数设置单元10-6和工作状态显示单元10-7连接，三环PWM驱动波形产生单元10-2经过三环PWM驱动波形选择单元10-3与逆变全桥隔离驱动单元10-4连接构成。

图5所示为主控制器10中三环PWM驱动波形产生单元10-2的结构框图，包括电流环PWM驱动波形产生单元10-2A、电压环PWM驱动波形产生单元10-2B、脉冲电流环PWM驱动波形产生单元10-2C、微处理器单元10-1和三环PWM波形选择单元10-3。电流环PWM驱动波形产生单元10-2A是由电流环零极点补偿电路A-1与电流环PWM波形产生电路A-4连接构成。电压环PWM驱动波形产生单元10-2B是由电压环零极点补偿电路B-1与电压环PWM波形产生电路B-2连接构成。脉冲电流环PWM驱动波形产生单元10-2C是由脉冲电流环零极点补偿电路C-1与脉冲电流环PWM产生电路C-2连接构成。

主控制器10通过逆变全桥隔离驱动单元10-4、脉冲发生器隔离驱动单元10-5与全桥逆变电路3和脉冲电流发生器8实现电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大电压U_max的2倍。主控制器10根据三环检测电路输出的反馈信号I_AF、U_F和I_BF和设定参数，经过运算处理产生控制信号G_a、G_b，从而实现对电性源发射机功率电路进行控制，其中G_a用于控制全桥逆变电路3中开关管IGBT及续流二极管VT1～VT4的导通时间，进而调节电性源发射机输出参数；G_b用于控制脉冲发生器8中开关管IGBT及续流二极管VT5～VT8的导通时间，进而控制流过大地负载9中脉冲电流i_L的频率和波形。主控制器10中的微处理器单元10-1可以采用MPS430和FPGA进行构建。

主控制器10的具体工作过程包括以下步骤：

（1）微处理器单元10-1通过工作参数设置单元10-6获取外界参数，包括发射脉冲电流频率范围、脉冲电流波形、接地电极导线长度l、接地电极阻抗值R、电性源发射机正常工作电压U和最大工作电压U_max；

（2）微处理器单元10-1根据发射脉冲电流频率范围和脉冲电流波形产生逻辑信号，该逻辑信号由脉冲发生器隔离驱动单元10-5提升驱动能力后形成控制信号G_b，用于控制脉冲电流发生器8向大地负载9发射脉冲电流；

（3）微处理器单元10-1根据输入参数度l、R、I_L和U_max确定转折频率f₀、限定电压U_set和目标发射电流I_set，产生相应的给定信号I_Aref、U_ref、I_Bref输送至三环PWM驱动波形产生单元10-2，并从该单元获取包含发射机输出参数信息的反馈信号I_AF、U_F和I_BF；

（4）三环PWM驱动波形产生单元10-2根据三环检测电路输出的反馈信号I_AF、U_F、I_BF和微处理器单元10-1传输的给定信号I_Aref、U_ref、I_Bref产生电流环PWM驱动波形P1、电压环PWM驱动波形P2和脉冲电流环PWM驱动波形P3，具体过程为：反馈信号I_AF传送至电流环零极点补偿电路A-1，电流环零极点补偿电路A-1用于对电流环路的零极点进行补偿，以确保电流控制环路的稳定性，该电路通过给定信号I_Aref和反馈信号I_AF产生误差信号，误差信号经过电流环PWM波形产生电路A-2输出电流环PWM波形P1，传送至三环PWM波形选择单元10-3；同理，电压环PWM驱动波形产生单元根据反馈信号U_F和给定信号U_ref产生电压环PWM驱动波形P2；脉冲电流环PWM驱动波形产生单元根据反馈信号I_BF和给定信号U_ref产生脉冲电流环PWM驱动波形P2。

（5）微处理器单元10-1根据反馈信号I_AF、U_F、I_BF和发射电流频率波形信息控制三环PWM波形选择单元10-3选择输出P1、P2或者P3，三环PWM波形选择单元10-3输出的PWM驱动信号经过逆变全桥隔离驱动单元10-4提升驱动能力后变为驱动信号G_a，该信号用于控制全桥逆变电路3中开关管IGBT及续流二极管VT1～VT4的导通时间，进而调节并稳定电性源发射机的输出参数；

（6）在上述步骤中，微处理器单元10-1控制工作状态显示单元10-7实时显示电性源发射机的运行状态和工作参数。

图6所示三环并联控制的电性源发射机控制方法流程图。电性源发射机顺序执行参数设置、主控制器软起动、检测发射机状态参数过程，并根据是否到达结束时间选择关闭发射机或者继续工作。当未到达结束时间时，根据滤波电容7输出电压是否大于U_set进入不同的工作模式，当输出电压大于U_set时，进入异常工作模式；当输出电压小于U_set时，进入异常工作模式。

参数设置的过程为：根据探测目标深度、装置布置方式和野外实际工作环境向主控制器10设置发射脉冲电流频率范围、脉冲电流波形、接地电极导线长度l、接地电极阻抗值R、电性源发射机正常工作电压U和最大工作电压U_max；l为0.5km到3km之间的某一固定值，由实际工作环境决定，每公里导线的电感量在3mH左右；R为接近于实际接地电阻阻抗值的固定数值，当向接地电极发射脉冲电流时，实际接地电极阻抗呈现的特性为：a)电流正负脉冲对应的接地电极阻抗不相等；b）正负电流脉冲进行切换之后，接地电极阻抗有一定的变化，先为低阻，后为高阻；c）接地电极阻抗随着工作时间的增长会因产生的热能而变大；U为仪器在野外环境下工作时，电性源发射机正常工作电压，由电性源发射机指标参数和实际探测环境确定；U_max为某一特定值，由电性源发射机指标参数确定，当电性源发射机输出电压大于U_max时，发射机启动保护程序，停止向大地负载发射脉冲电流，当电性源发射机输出电压小于U_max时，发射机正常工作；

主控制器10软起动过程包括：

1）主控制器10根据设定的发射脉冲电流频率、脉冲电流波形产生脉冲驱动信号G_b，该驱动信号控制电流脉冲发生器8向大地负载发射不同频率和形状的脉冲电流；

2）主控制器10根据设定的接地电极导线长度l、接地电极阻抗值R、电性源发射机正常工作电压U和最大工作电压U_max来确定转折频率f₀、限定电压U_set和目标发射电流I_set；

f₀由大地负载9中接地电极阻抗值与连接导线电感感抗值之间的关系确定，在转折频率f₀处，大地负载中接地电极阻抗约为连接导线电感感抗值的10倍，取 $f_0=\frac{R}{20\mathrm{\πkl}},$ 式中

R为设置的接地电极阻抗值，

l为接地电极导线长度，

k为每千米导线电感量，取k=3mΗ/km，

此时大地负载中导线电感的感抗值为接地电极阻抗值R的十分之一；

U_set为介于发射机正常工作电压U和最大电压U_max之间的某一特定值，取 $U_{\mathrm{set}}=\frac{U+U_{\max }}{2};$

I_set与发射脉冲电流频率f相关，按照确定；

3）主控制器10根据电性源发射机的转折频率f₀、限定电压U_set、目标发射电流I_set，预置电流环参考信号I_Aref、脉冲电流环参考信号I_Bref和电压环参考信号U_ref，并将参考信号传送至主控制器10中三环PWM驱动波形产生单元10-2；

I_Aref为电流环参考信号，与发射频率f低于转折频率f₀时的目标发射电流I_set相对应，用于控制流过滤波电感6中的电流平均值I_AV，具体方式为：在电流环进行控制时，I_AV随着I_Aref的改变而改变，通过给定不同的I_Aref可以控制电性源发射机输出不同的I_AV，实现对流过大地负载9的脉冲电流的控制，

I_Bref为脉冲电流环参考信号，与发射频率f高于转折频率f₀时的目标发射电流I_set相对应，用于控制流过大地负载9中的电流有效值I_RMS，具体方式为：在脉冲电流环进行控制时，I_RMS随着I_Bref的改变而改变，通过给定不同的I_Bref可以控制电性源发射机输出不同的I_RMS，实现对流过大地负载9的脉冲电流的控制，

U_ref为电压环参考信号，与限定电压U_set相对应，用于控制发射机直流电源输出电压平均值U_AV，具体方式为：电压环进行控制时，U_AV随着U_ref的改变而改变，通过给定不同的U_ref可以控制电性源发射机滤波电容7输出不同的U_AV。

检测电性源发射机状态参数的过程包括：主控制器10实时检测时间信息和发射脉冲电流频率信息，同时通过三环并联检测电路实时检测直流电源中滤波电感6输出电流i_o的平均值I_AV、滤波电容输出电压平均值U_AV和脉冲电流发生器8输出脉冲电流i_L的有效值I_RMS，并根据检测值产生各个控制环路的PWM驱动信号。低频时I_AV略小于I_RMS，随着发射脉冲电流频率的增加，导线电感感抗值逐渐增大，大地负载中无功率增加，I_AV与I_RMS相差较大。

当滤波电容7输出电压U_AV小于限定电压U_set时，电性源发射机在正常工作模式下运行，包括电流环控制工作和脉冲电流环控制工作两种工作状态。当发射脉冲电流频率小于转折频率f₀时，主控制器10选通电流环控制工作，主控制器10根据电流环检测电路11实时检测的滤波电感6输出电流i_o的平均值I_AV，由反馈信号I_AF和预置电流环控制参考电流I_Aref产生电流环PWM驱动波形P1，用于调节全桥逆变电路开关管的导通时间，控制I_AV为目标发射电流I_set，进而控制流过大地负载9中脉冲电流i_L；当发射脉冲电流频率大于转折频率f₀时，主控制器10选通脉冲电流环控制工作，主控制器10根据脉冲电流环检测电路13实时检测流过大地负载中脉冲电流i_L的有效值I_RMS，通过反馈信号I_BF和脉冲电流环参考信号I_Bref产生脉冲电流环PWM驱动波形P3，用于调节全桥逆变电路开关管的导通时间，进而控制流过大地负载中脉冲电流i_L的有效值I_RMS为目标发射电流I_set。当滤波电容7输出电压U_AV大于限定电压U_set时，电性源发射机运行于异常工作模式，此模式下主控制器10选通电压环进行控制，通过电压环检测电路12实时检测滤波电容7输出端电压平均值U_AV，根据反馈电压信号U_F和电压环参考信号U_ref产生电压环PWM驱动波形P2，用于调节全桥逆变电路开关管的导通时间，将电性源发射机输出电压U_o限定在U_set。

异常工作模式下，主控制器10实时监测滤波电感6中电流i_o的平均值I_AV和流过大地负载脉冲电流i_L的有效值I_RMS，根据电性源发射机输出电流值的参数，可将引起异常工作模式的原因分为：假异常故障、真异常故障和开路故障。若I_AV或者I_RMS大于当前发射频率下的I_set，为假异常故障，主控制器根据发射频率f选择电流环进行控制或者脉冲电流环进行控制，电压环停止控制处于预备状态，电性源发射机由异常工作模式自动切入正常工作模式；若I_AV或者I_RMS小于当前发射频率下的I_set，并且不趋近于0值，为真异常故障，说明大地负载接地电极阻抗变化较大，需要重新对接地电极进行处理或者重新设置参数；若I_AV或者I_RMS趋近于0，为开路故障，说明电性源发射机停止输出电流，负载处于开路状态，可能是接地导线因人为因素断开或者脉冲电流发生器8停止输出，需要对发射机进行故障检查和排除；真异常故障或者开路故障时，电性源发射机始终选择电压环进行控制，电性源发射机运行于异常工作模式，当故障排除后，主控制器选择电流环或者脉冲电流环进行控制，电性源发射机切入正常工作模式。

电性源发射机对异常识别排除的过程为：当电性源发射机运行在异常工作模式时，主控制器10实时监测直流电源滤波电感6输出电流i_o的平均值I_AV和流过大地负载脉冲电流i_L的有效值I_RMS，当发射频率小于f₀时：若I_AV＞I_set，为假异常故障，主控制器选择电流环进行控制，电压环和脉冲电流环处于预备状态，电性源发射机由异常工作模式切换为正常工作模式；若I_AV＜I_L且I_AV不接近于0，为真异常故障，说明大地负载接地电极阻抗变化较大，需要重新对接地电极进行处理或者重新设置参数；若I_AV接近于或等于0，为开路故障，说明发射机停止输出电流，直流电源负载处于开路状态，可能接地导线因人为因素断开或者脉冲电流发生器8停止输出，需要对发射机进行故障检查和排除；当发射频率大于f₀时：若I_RMS大于该工作频率下的目标发射电流I_set，为假异常故障，主控制器选择脉冲电流环进行控制，电压环和电流环处于预备状态，电性源发射机由极端工作状态切换至正常工作状态，若I_RMS小于当前工作频率下的目标发射电流值I_set，但不接近于零，为真异常故障，说明大地负载接地电极阻抗变化较大需要对接地电极进行处理或者重新设置参数，若I_RMS接近于或等于0，为开路故障，说明发射机停止输出电流，直流电源负载处于开路状态，可能接地导线因人为因素断开或者脉冲电流发生器8停止输出，需要对发射机进行故障检查和排除；真异常故障或者开路故障时，主控制器10始终选择电压环进行控制，电性源发射机运行于异常工作模式，当故障排除后，切换至正常工作模式。异常工作模式可以防止在开路故障时，直流电源的输出电压迅速升高，形成过冲高压，保证了仪器设备的安全性；在假异常故障的情况下，可以自动切换至正常模式，防止了过冲高压引起的误保护所造成的测量工程中断的状况，提高了仪器的可靠性和工作效率；在真异常故障时，该模式提供了一种恒压发射的方式，保证在异常时仍能测量到有用信号。

Claims (8)

1.一种三环并联控制的电性源发射机，其特征在于，是由三相交流发电机(1)经三相整流滤波电路(2)、全桥逆变电路(3)、高频隔离变压器(4)与全桥整流电路(5)连接，全桥整流电路(5)的正输出端经滤波电感(6)、滤波电容(7)、脉冲电流发生器(8)与大地负载(9)的正极连接，全桥整流电路(5)的负输出端经滤波电容(7)、脉冲电流发生器(8)与大地负载(9)的负极连接，滤波电感(6)的输出端经电流环检测电路(11)与主控制器(10)连接，滤波电容(7)的输出端经电压环检测电路(12)与主控制器(10)连接，脉冲电流发生器(8)的正极经脉冲电流环检测电路(13)与主控制器(10)连接，主控制器(10)分别与全桥逆变电路(3)和脉冲电流发生器(8)连接构成；

所述三环并联控制电路的优先级为：电压环控制电路＞电流环控制电路＞脉冲电流环控制电路；当U_AV＞U_set时，电性源发射机运行在异常工作模式，此模式下电流环或脉冲电流环停止控制，电压环进行控制，将滤波电容(7)两端电压u_o平均值U_AV限定在U_set；当U_AV＜U_set时电性源发射机运行在正常工作模式，此模式下电流环或者脉冲电流环进行控制，电压环不进行控制：当发射频率大于转折频率f₀时，脉冲电流环将不同发射频率时流过大地负载上脉冲电流i_L的有效值I_RMS稳定在目标输出电流I_set；当发射频率小于转折频率f₀时，电流环将不同发射频率下流过滤波电感(6)中电流i_o的平均值I_AV稳定在目标输出电流I_set。

2.按照权利要求1所述的三环并联控制的电性源发射机，其特征在于：电流环检测电路(11)是由直流电流传感器(11-1)与电流环放大调理电路(11-2)连接构成；电压环检测电路(12)是由直流电压传感器(12-1)与电压环放大调理电路(12-2)连接构成；脉冲电流环检测电路(13)是由交流电流传感器(13-1)经过脉冲电流环放大调理电路(13-2)与脉冲电流环有效值转换电路(13-3)连接构成，电流环检测电路(11)、电压环检测电路(12)、脉冲电流环检测电路(13)构成三环并联检测电路，三环并联检测电路与滤波电感(6)、滤波电容(7)、脉冲电流发生器(8)进行电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大工作电压U_max的2倍。

3.按照权利要求1所述的三环并联控制的电性源发射机，其特征在于，所述的主控制器(10)是由微处理器单元(10-1)分别与三环PWM驱动波形产生单元(10-2)、三环PWM驱动波形选择单元(10-3)、逆变全桥隔离驱动单元(10-4)、脉冲发生器隔离驱动单元(10-5)、工作参数设置单元(10-6)和工作状态显示单元(10-7)连接，三环PWM驱动波形产生单元(10-2)经过三环PWM驱动波形选择单元(10-3)与逆变全桥隔离驱动单元(10-4)连接构成。

4.按照权利要求3所述的三环并联控制的电性源发射机，其特征在于，所 述的三环PWM驱动波形产生单元(10-2)包括电流环PWM驱动波形产生单元(10-2)A、电压环PWM驱动波形产生单元(10-2)B和脉冲电流环PWM驱动波形产生单元(10-2)C，其中电流环PWM驱动波形产生单元(10-2)A是由电流环零极点补偿电路A-1与电流环PWM波形产生电路A-2连接构成，电压环PWM驱动波形产生单元(10-2)B是由电压环零极点补偿电路B-1与电压环PWM波形产生电路B-2连接构成，脉冲电流环PWM驱动波形产生单元(10-2)C是由脉冲电流环零极点补偿电路C-1与脉冲电流环PWM产生电路C-2连接构成。

5.按照权利要求1所述的三环并联控制的电性源发射机，其特征在于，主控制器(10)与全桥逆变电路(3)、脉冲电流发生器(8)进行电压隔离，隔离电压等级不低于电性源发射机最大工作电压U_max的2倍。

6.一种三环并联控制的电性源发射机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据探测目标深度、装置布置方式和野外实际工作环境向主控制器(10)设置发射脉冲电流频率范围、脉冲电流波形、接地电极导线长度l、接地电极阻抗值R、电性源发射机正常工作电压U和最大工作电压U_max；

B、主控制器(10)根据设置的发射脉冲电流频率范围和脉冲电流波形，产生脉冲驱动波形，控制脉冲电流发生器(8)向大地负载(9)发射脉冲电流；

C、主控制器(10)根据设置的参数，确定电性源发射机的转折频率f₀、限定电压U_set、目标发射电流I_set，同时给定电流环参考信号I_Aref、电压环参考信号U_ref和脉冲电流环参考信号I_Bref，并将其传送至内部的脉冲宽度调制(PWM)单元；

D、主控制器(10)通过三环检测电路实时检测流过滤波电感(6)中电流i_o的平均值I_AV、滤波电容(7)两端输出电压u_o的平均值U_AV和脉冲电流发生器(8)输出脉冲电流i_L的有效值I_RMS，I_Aref、U_ref和I_Bref分别与I_AV、U_AV、I_RMS的反馈信号I_AF、U_F、I_BF做差后，经脉冲宽度调制(PWM)单元产生PWM驱动波形，其中i_o、u_o、i_L为瞬时值，I_AV、U_AV为平均值，I_RMS为有效值，I_AF、U_F和I_BF为三环检测电路输出的反馈信号；

E、主控制器(10)根据发射机的输出状态参数，按照三环控制电路的控制规则，选择输出不同控制环路产生的PWM驱动波形，来控制全桥逆变电路(3)中开关管的导通时间，通过调节开关管的占空比来调节并稳定不同发射频率下流过大地负载(9)上的脉冲电流i_L的幅值。

7.按照权利要求6所述的三环并联控制的电性源发射机的控制方法，其特征在于，步骤C所述的过程包括以下子步骤：

a、主控制器(10)根据设定的接地电极导线长度l、接地电极阻值R确定转 折频率f₀，确定原则为：在转折频率f₀处，大地负载中接地电极阻抗为连接导线电感感抗值的10倍，取式中

R为设置的接地电极阻抗值，

l为接地电极导线长度，

k为每千米导线电感量，取k＝3mΗ/km，

此时大地负载中导线电感的感抗值为接地电极阻抗值R的十分之一；

b、主控制器(10)根据设定的发射机直流电源正常工作电压U和最大工作电压U_max确定限定电压U_set，确定的原则为：U_set为介于发射机直流电源正常工作电压U和最大电压U_max之间的某一特定值，取

c、主控制器(10)根据设定的接地电极导线长度l、接地电极阻值R、发射机正常工作电压U确定目标发射电流I_set，确定原则为：I_set与发射脉冲电流频率f相关，按照确定；

d、主控制器(10)根据发射机的转折频率f₀、限定电压U_set、目标发射电流I_set，给定电流环参考信号I_Aref、脉冲电流环参考信号I_Bref和电压环参考信号U_ref，并将其传送至内部的脉冲宽度调制(PWM)单元，

I_Aref与低频时的目标发射电流I_set相对应，在发射频率低于转折频率f₀时，用于控制流过滤波电感(6)中的电流平均值I_AV，

I_Bref与高频时的目标发射电流I_set相对应，在发射频率高于转折频率f₀时，用于控制流过大地负载(9)中的电流有效值I_RMS，

U_ref与限定电压U_set相对应，用于控制电性源发射机滤波电容(7)输出电压平均值U_AV。

8.按照权利要求6所述的三环并联控制的电性源发射机的控制方法，其特征在于，步骤E中所述的特定的控制规则包括：

——当U_AV大于限定电压U_set时，主控制器(10)选通电压环，控制电性源发射机滤波电容(7)输出电压，将其限制在U_set；

——当发射脉冲电流频率f小于转折频率f₀的时，主控制器(10)选通电流环，控制电性源发射机滤波电感(6)输出电流i_o的平均值I_AV为目标输出电流I_set，进而保持流过大地负载脉冲电流幅值稳定；

——当发射频率大于转折频率f₀时，主控制器(10)选通脉冲电流环，控制流过大地负载脉冲电流的有效值为I_RMS，进而控制流过大地负载脉冲电流幅值稳定；

——三环控制电路的优先级为：电压环控制电路＞电流环控制电路＞脉冲电流环控制电路；当U_AV＞U_set时，电性源发射机运行在异常工作模式，此模式下电流环或脉冲电流环停止控制，电压环进行控制，将滤波电容(7)两端电压u_o平均值U_AV限定在U_set；当U_AV＜U_set时电性源发射机运行在正常工作模式，此模式下电流环或者脉冲电流环进行控制，电压环不进行控制：当发射频率大于转折频率f₀时，脉冲电流环将不同发射频率时流过大地负载上脉冲电流i_L的有效值I_RMS稳定在目标输出电流I_set；当发射频率小于转折频率f₀时，电流环将不同发射频率下流过滤波电感(6)中电流i_o的平均值I_AV稳定在目标输出电流I_set。