CN103984031B - 一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法 - Google Patents

一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法，属于海洋电磁探测技术领域。所述装置包括全桥DC/DC变换器、发射桥、电极、控制器和载波调制器。所述控制方法通过各部分装置协同工作，实现了海水中大功率可控源变频电磁波的发射。本发明所述装置采用直流电源供电，具有体积小，性能可靠，效率和自动化程度高的特点，满足水下拖体的安装尺寸和散热要求。所述控制方法采用零开关损耗技术、电流过零检测技术、上位机与水下通信采用直流载波通信，无通信电缆或光纤。

Description

一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法，属于海洋电磁探测技术领域。
背景技术
在海洋资源勘探开发过程中，由于钻井成本高、投资风险大，世界上各大石油公司在进行海上钻井前，都要开展地震、重力、磁力等多种海洋地球物理方法的综合勘探工作，以提高钻井成功率。海洋可控源电磁探测具有能够区分圈闭内油水性质、揭露火山岩覆盖下的“高阻体”的特点，已成为降低深水油气资源钻探风险的最重要手段之一。可控源海洋电磁勘探系统通过由拖船拖曳的发射机向海底供电激发，将多分量电磁接收机布设在海底测量电磁场值。通过计算视电阻率和相位，或者直接利用所观测的电场和磁场达到探测地下电性分布特征的目的，揭示底层结构和油气等矿产资源的分布规律。
上世纪70年代开始海洋电磁勘探技术和仪器研制开发，主要有美国Scripps海洋研究所(SIO)、德国Leibniz海洋科学研究所(IFM-GEOMAR)，英国海底设备协会(OCIB)、日本TIERRA公司等。同时，世界几大海洋电磁探测服务公司(如挪威EMGS公司，英国OHM公司，美国的AGO，英国的MTEM等)相继成立，并开展了多项海洋电磁勘探项目。目前发射机存在体积和重量大、发热严重，不适合在水下密封，另外输出电磁波的瞬时性不好，不能满足石油工业实际勘探需求。
发明内容
本发明的目的就在于针对海洋可控源电磁探测发射机存在的问题，提供一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法，所述装置体积小，重量轻，装置损耗小，瞬时性好，发热量小等特点，满足海洋资源勘探需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置，包括：全桥DC/DC变换器、发射桥、发射电极和控制器；
所述全桥DC/DC变换器包括逆变桥、高频变压器、高频整流滤波、电压检测模块和电流检测模块；
所述逆变桥包括四个IGBT模块；
所述发射桥包括四个IGBT模块和电流检测模块；
所述发射电极包括发射电缆、发射电极A和发射电极B；
船上的直流电源通过电力线与所述全桥DC/DC变换器连接，所述全桥DC/DC变换器连接所述发射桥，所述发射桥连接所述发射电极。
所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、电压调理电路、电流调理电路、电流过零检测电路、驱动电路和SCI串行通信端口；
所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分别通过所述驱动电路与所述全桥DC/DC变换器和所述发射桥连接；
所述装置还包括载波调制器；
所述载波调制器包括隔离/放大模块、载波调制/解调模块和SCI串行通信端口；
所述载波调制器通过所述SCI串行通信端口连接所述控制器，通过隔离/放大模块连接到所述船上的直流电源与所述全桥DC/DC变换器之间的电力线上。
所述的一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：从船上输送直流电源为整个所述发射机水下装置提供电源；
步骤2：从船上传输下来的直流电源经所述逆变桥转变为高频交流电，然后经过所述高频变压器隔离降压，通过所述高频整流滤波，得到可控的平稳低压直流电；
对所述高频整流滤波输出的直流电进行检测以适应负载波动和提高输出直流电压的精度，经过所述电压电流调理电路，反馈到所述控制器；
所述控制器生成四路PWM驱动信号，驱动所述逆变桥的四个IGBT模块工作；
滞后桥臂与超前桥臂错开一定相位，在IGBT模块开通过程中，使得流过IGBT模块的电流先降为零，或者在IGBT模块关断过程中，让IGBT模块两端的电压先降为零；
步骤3：通过所述发射桥把从全桥DC/DC变换器输出的直流电转换成频率可调的方波交流电，输出电磁波；
在发射桥的IGBT模块上，当一对桥臂关断时，不立即开通另外一对桥臂，当检测到输出交流电电流的幅值降为零时，控制器控制开启另外一对桥臂；
步骤4：通过发射电极传送发射桥产生的电磁波；
步骤5：船上上位机和船下所述发射机下水装置进行双向通信，对所述发射机水下装置进行监测和控制，所述上位机向所述发射机下水装置传输指令信号，所述发射机下水装置向所述上位机传输监测信号。
优选，当控制器向所述上位机传输信号时，控制器通过SCI串行通信端口把数字信号传输到载波调制器，通过载波调制器内的载波调制/解调模块，转换成模拟信号，再通过隔离/放大模块进行隔离/放大，把模拟信号叠加到电力线上，传输到所述上位机；
反之，上位机发出的数字信号，通过上位机的载波调制器，转换为模拟信号，叠加到电力线上，然后通过电力线传输的所述发射机水下装置，再由所述发射机水下装置的载波调制器，把电力线上的模拟信号分离出来，经过隔离/放大，调制/解调，转换成数字信号，通过SCI串行通信端口发送给控制器，实现上位机对下位机通信，无需通信电缆或光纤。
本发明的有益效果为：
本发明采用直流电源供电，所述装置体积小，重量轻，装置损耗小，瞬时性好，发热量小，满足海洋资源勘探需求。
本发明所述控制器，控制全桥DC/DC变换器和发射桥，同时与上位机载波通信，协同各部分工作。
本发明所述控制方法通过全桥DC/DC变换器采用移相零开关损耗技术，降低了IGBT高频工作时的开关损耗，这样即提高了效率，又降低了设备的发热损耗。
本发明所述控制方法通过发射桥对输出电流进行过零检测，进而控制桥臂的切换，大大降低冲击电压的幅值。
本发明所述控制方法通过载波控制器发送到电力线上进行信号传输，实现上位机对下位机通信，无需通信电缆或光纤。
附图说明
图1海洋可控源电磁探测发射机水下装置结构图；
图2全桥DC/DC变换器内部结构图；
图3发射桥内部结构图；
图4发射电极结构图；
图5控制器内部结构图；
图6载波调制器连接结构图；
图7全桥DC/DC变换器中逆变桥的移相驱动波形；
图8全桥DC/DC变换器中逆变桥的桥臂电压和电流波形；
图9发射桥输出电流过零检测波形；
具体实施方式
根据附图叙述发明的具体实施方式。
根据本发明所述的一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置及其控制方法，利用拖缆拖动拖体移动发射电磁波，激发海底的被探测目标体，接收机测取其电磁感应信号，从而获得海底以下深层介质的电性结构信息，揭示海底底层结构和油气等矿产资源的分布规律。
一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置，包括：全桥DC/DC变换器、发射桥、电极、控制器及载波控制器，如图1所示。
所述全桥DC/DC变换器包括逆变桥、高频变压器、高频整流滤波、电压检测模块和电流检测模块；
所述逆变桥包括四个IGBT模块，如图2所示。
所述发射桥包括四个IGBT模块和电流检测模块，如图3所示。
所述发射电极包括发射电缆、发射电极A和发射电极B，后两者相距100～300米，如图4所示，用于传送发射桥产生的大功率电磁波。
所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、电压调理电路、电流调理电路、电流过零检测电路、驱动电路和SCI串行通信端口。
DSP和FPGA之间采用SPI串行通信端口通信，控制器与上位机之间采用SCI串行通信端口通信，如图5所示。
控制器用来控制全桥DC/DC变换器、发射桥以及和上位机通信。
所述载波调制器包括隔离/放大模块、载波调制/解调模块和SCI串行通信端口，如图6所示。
船上的直流电源通过电力线与所述全桥DC/DC变换器连接，所述全桥DC/DC变换器连接所述发射桥，所述发射桥连接所述发射电极；
所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分别通过所述驱动电路与所述全桥DC/DC变换器和所述发射桥连接；
所述载波调制器通过所述SCI串行通信端口连接所述控制器，通过隔离/放大模块连接到所述船上的直流电源与所述全桥DC/DC变换器之间的电力线上。
所述的一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：从船上输送直流电源为整个所述水下装置提供电源；
步骤2：从船上传输下来的直流电源经所述逆变桥转变为高频交流电，然后经过所述高频变压器隔离降压，通过所述高频整流滤波，得到可控的平稳低压直流电，为所述发射桥提供高精度可控源；
对所述高频整流滤波输出的直流电进行检测以适应负载波动和提高输出直流电压的精度，经过所述电压电流调理电路，反馈到所述控制器；
所述控制器生成四路PWM驱动信号，驱动所述逆变桥的四个IGBT模块工作；
当IGBT模块工作于高频开关状态时，开关损耗增加，导致电能变换效率下降。为了降低开关损耗，在IGBT模块开通过程中，通过移相技术，即图7所示脉冲波形，同一相上下桥臂驱动信号互补，左右桥臂进行移相，所得相位差控制逆变桥的占空比，进而控制输出直流电压的大小。每路脉冲宽度180度，滞后桥臂与超前桥臂错开一定相位，如S3桥臂和S1桥臂错开或者S4桥臂和S2桥臂错开一定相位，IGBT模块开通过程中，让流过IGBT模块的电流先降为零，或者在关断过程中，让IGBT模块两端的电压先降为零。每个桥臂上电压和电流波形如图8所示。实现IGBT模块在开关过程中，电压和电流不出现重叠，即开关损耗为零，这样即提高了变换器的效率，又降低了设备的发热损耗。
步骤3：通过所述发射桥把从全桥DC/DC变换器输出的直流电转换成频率可调的方波交流电，输出电磁波；
发射桥通过对四个桥臂的开关控制，输出0.05Hz～100Hz频率的电磁波。由于输出电极两端呈阻感特性，桥臂切换时会产生冲击电压，毁坏IGBT器件。为了降低冲击电压的幅值，当一对桥臂(S1桥臂和S4桥臂)关断时，并不立即开通另外一对桥臂(S2桥臂和S3桥臂)，而是检测到输出交流电流的幅值降为零时，开启另外一对桥臂(S1桥臂和S4桥臂)，或是当一对桥臂(S2桥臂和S3桥臂)关断时，并不立即开通另外一对桥臂(S1桥臂和S4桥臂)，而是检测到输出交流电流的幅值降为零时，控制器控制开启另外一对桥臂(S2桥臂和S3桥臂)，这样大大降低了由阻感负载引起的冲击电压的幅值。
图9给出了发射的电流波形和过零信号波形，当发射电流降到零，通过电流过零检测装置，生成过零方波信号，启动另外一对桥臂导通。
步骤4：通过发射电极传送发射桥产生的电磁波；
步骤5：船上上位机和船下所述发射机下水装置进行双向通信，对所述发射机水下装置进行监测和控制，所述上位机向所述发射机下水装置传输指令信号，所述发射机下水装置向所述上位机传输监测信号。
优选，当控制器向上位机传输信号时，控制器通过SCI串行通信端口把数字信号传输到载波调制器，通过载波调制器内的载波调制/解调模块，转换成模拟信号，再通过隔离/放大模块进行隔离/放大，把模拟信号叠加到电力线上，传输到上位机。
反之，上位机发出的数字信号，通过上位机的载波调制器，转换为模拟信号，叠加到电力线上，然后通过电力线传输的所述发射机水下装置，再由所述发射机水下装置的载波调制器，把电力线上的模拟信号分离出来，经过隔离/放大，调制/解调，转换成数字信号，通过SCI串行通信端口发送给控制器，实现上位机对下位机通信，无需通信电缆或光纤。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置的控制方法，其特征在于，该海洋可控源电磁探测发射机水下装置包括：全桥DC/DC变换器、发射桥、发射电极和控制器；
所述全桥DC/DC变换器包括逆变桥、高频变压器、高频整流滤波、电压检测模块和电流检测模块；
所述逆变桥包括四个IGBT模块；
所述发射桥包括四个IGBT模块和电流检测模块；
所述发射电极包括发射电缆、发射电极A和发射电极B；
船上的直流电源通过电力线与所述全桥DC/DC变换器连接，所述全桥DC/DC变换器连接所述发射桥，所述发射桥连接所述发射电极；
所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片、电压调理电路、电流调理电路、电流过零检测电路、驱动电路和SCI串行通信端口；
所述控制器的DSP芯片和FPGA芯片分别通过所述驱动电路与所述全桥DC/DC变换器和所述发射桥连接；
所述装置还包括载波调制器；
所述载波调制器包括隔离/放大模块、载波调制/解调模块和SCI串行通信端口；
所述载波调制器通过所述SCI串行通信端口连接所述控制器，通过隔离/放大模块连接到所述船上的直流电源与所述全桥DC/DC变换器之间的电力线上；
该海洋可控源电磁探测发射机水下装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：从船上输送直流电源为整个所述发射机水下装置提供电能；
步骤2：从船上传输下来的直流电源经所述逆变桥转变为高频交流电，然后经过所述高频变压器隔离降压，通过所述高频整流滤波，得到可控的平稳低压直流电；
对通过所述高频整流滤波输出的直流电进行检测以适应负载波动和提高输出直流电压的精度，经过所述电压电流调理电路，反馈到所述控制器；
所述控制器生成四路PWM驱动信号，驱动所述逆变桥的四个IGBT模块工作；
滞后桥臂与超前桥臂错开一定相位，在IGBT模块开通过程中，使得流过IGBT模块的电流先降为零，或者在IGBT模块关断过程中，让IGBT模块两端的电压先降为零；
步骤3：通过所述发射桥把从全桥DC/DC变换器输出的直流电转换成频率可调的方波交流电，输出电磁波；
在发射桥的IGBT模块上，当一对桥臂关断时，当检测到输出交流电电流的幅值降为零时，控制器控制开启另外一对桥臂；
步骤4：通过发射电极传送发射桥产生的电磁波；
步骤5：船上上位机和船下所述发射机下水装置进行双向通信，对所述发射机水下装置进行监测和控制，所述上位机向所述发射机下水装置传输指令信号，所述发射机下水装置向所述上位机传输监测信号。
2.根据权利要求1所述的一种海洋可控源电磁探测发射机水下装置的控制方法，其特征在于，当所述控制器向所述上位机传输信号时，所述控制器通过所述SCI串行通信端口把数字信号传输到所述载波调制器，通过所述载波调制器内的所述载波调制/解调模块，转换成模拟信号，再通过所述隔离/放大模块进行隔离/放大，把模拟信号叠加到所述电力线上，传输到上位机；
反之，所述上位机发出的数字信号，通过所述上位机的载波调制器，转换为模拟信号，叠加到所述电力线上，然后通过所述电力线传输的所述发射机水下装置，再由所述发射机水下装置的所述载波调制器，把所述电力线上的模拟信号分离出来，经过隔离/放大，调制/解调，转换成数字信号，通过所述SCI串行通信端口发送给所述控制器。
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