CN104865606A - 高效能大电流电磁发射系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效能大电流电磁发射系统，该系统包括中频高压电源、大电流电磁发射模块、主控制单元和输出波形发生器。大电流电磁发射模块由相连的中频高压变压器、电力变换单元和电流滤波器组成；中频高压变压器采用为大变流比双次级线圈变压器，其电力变换单元位于变流器次级线圈端，包括两条支路，可实现双极性输出，保证变压器工作的正负半周期对称工作。本发明较传统发射机效率大为提高，改变了传统电磁发射系统的拓扑结构，电力变换单元采用模块化设计，提高了系统的可控性和可扩展性。

Description

高效能大电流电磁发射系统与方法

技术领域

本发明属于电磁勘探技术领域，涉及高效能大电流电磁发射系统，及利用该系统实现高效能大功率电磁发射的控制方法。

背景技术

电磁法勘探理论与技术目前广泛应用于包括石油勘探、地下水勘探、地热能勘探、工程勘探和选址、矿产资源勘探、活动断层勘探、地震安全评价、地质填图、环境勘探、堤坝病害诊断、地下埋藏物和管线探测、海水倒灌和地下污染范围界定、地下电阻率变化监视以及地壳和上地幔构造研究等，特别是在能源勘察方面，具有重要的意义。它的理论方法及仪器也在不断地改进和创新，其地质解释精度及效果也不断提高。在深海油气资源的开发利用需求驱动下，研制出能够驱动几十毫欧重负载、千安级电流输出的高效能电磁发射机技术显得越来越重要，其尽可能低的内阻设计是高效能的关键技术。

传统方法的拓扑结构如图7所示，主要采用单相不可控整流桥与单相H逆变桥的串联组合方式实现发射电流幅值调整与脉冲编码变换，通过天线产生所需的电偶极矩电磁发射。该方法的主要特点是结构简单，控制算法易实现。但传统方案整体采用串联的连接方式，电流回路串联单元多、内阻大。，功耗集中在功率半导体器件上，造成热量集中，散热难度大。尤其在深海探测条件下电磁发射机舱空间和散热条件均受限的情况下，设计难度更大，造价和安装难度大幅增加。特别是在负载电阻极小、输出电流与功率很大的场合，如本发明的大功率电磁发射机，负载电阻几十mΩ近乎短路，输出电流要求达1000A级，传统方案高的内阻远大于负载电阻，因此输出功率大部分消耗在内阻上。传统方案的电路原理存在固有拓扑结构设计缺陷，因而很难实现高的电力变换和传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用于深海可控源电磁勘探，高效能、大电流电磁发射系统。

本发明的技术方案是：高效能大电流电磁发射系统，包括中频高压电源、大电流电磁发射模块、主控制单元和输出波形发生器。大电流电磁发射模块由相连的中频高压变压器、电力变换单元和电流滤波器组成；中频高压变压器端为大电流电磁发射模块的输入端，与中频高压电源相连，电流滤波器端为大电流电磁发射模块的输出端，与天线负载相连；

中频高压变压器为双次级线圈变压器，包括初级线圈，次级线圈I和次级线圈II；电力变换单元分为两路，每路电力变换单元包括多个MOS开关，每路上的MOS开关可分为第一MOS开关、第二MOS开关和续流MOS开关，两路上的第一MOS开关构成第一开关组，第二MOS开关构成第二开关组，续流MOS开关构成续流开关组；次级线圈I的两个输出端分别与第一开关组两个MOS开关的漏极相连，次级线圈II的两个输出端分别与第二开关组两个MOS开关的漏极相连；第一开关组MOS开关的源极、第二开关组MOS开关的源极均连接到续流开关组的源极，同时分别经电流滤波器连接到天线负载；续流开关组两个MOS开关的漏极互连；

输出输出波形发生器由波形编辑模块和波形发生模块两部分组成。波形编辑模块接收用户下达的期望波形指令，包括波形的幅值、频率、占空比。波形发生模块根据波形编辑模块提供的参数，产生周期性的电流波形信号。

主控单元包括数据采集模块、驱动逻辑电路、控制算法模块；

数据采集模块分别采集中频高压电源端的电流值、电压值和天线负载端的电流值和电压值；控制算法模块将波形发生模块的输出作为电流的设定值与采集模块获得的电流反馈信号进行偏差计算，控制算法模块的控制器Gic(s)对偏差进行运算，得到PWM的占空比。

驱动逻辑电路包括PWM发生器、驱动逻辑真值表。PWM发生器根据控制算法模块输出的占空比，产生PWM脉冲，并通过驱动逻辑真值表最终产生驱动MOS开关的脉冲。

优选的是：大电流电磁发射模块有多组，各组的输入端并联，均与中频高压电源相连；各组的输出端并联，均与天线负载相连。各模块单元按总电流输出波形和幅值要求进行电流自动分配和同步控制调制变换，输出为各模块单元发射电流之和。并联模块的个数取决于输出总电流大小和功耗要求，可以灵活组合，发射电流越大和(或)功耗要求越小并联组合的模块数越多。

本发明的有益效果是：

(1)本系统采用中频高压电源，实现低损耗远距离高压输电，提高传输效率，满足电能长距离传输的要求。双路MOS开关可实现双极性输出，MOS开关的这种连接结构，使其等效电阻大大减小，提高发射机的效率。传统发射机的效率一般在75％-80％左右，而本发射机的效率可达到99％以上。

(2)采用大变流比双次级线圈高压变压器，变压器与电力变换单元上的MOS开关组以互为反向的方式连接，保证变压器磁路正负半周全波形对称平衡运行，提高变压器的利用率。

(3)电力变换单元采用并联模块化设计，便于模块化控制，提高系统的可控性、可裁剪性和可扩充性，使该系统结构可满足大范围电磁输出的要求。同时，这种结构也减少了电流输出侧串联功率开关的个数，降低内阻，从而降低功耗，极大的提升系统电力变换的效率，解决传统大功率电磁发射极散热的问题。

(4)采用了可靠性保护机制，各电磁发射模块单元均设有独立的输出过流、短路、过压、输入输出断路异常，以及输入欠压、过压、过流、短路、模块过热等互锁联动保护措施。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为电力变换单元结构示意图

图3为本发明系统控制算法框图

图4为本发明脉冲输出控制原理结构示意图

图5为实施例1系统单电力变换单元运行输出波形图

图6为实施例2系统多电力变换单元运行输出波形图

图7为现有技术电磁发射机拓扑结构示意图

其中，I_OS：系统输出总电流设定值，I_L：系统输出总电流检测值，V_L：系统输出电压Ii：系统输入总电流，In：发射模块单元输出分电流，Vi：系统输入电压，Tn：模块n温度，(其中1≤n≤N，N为所需模块数量)，ΔI₀：系统目标电流偏差，Gic(s)：系统电流环控制算法，Gif(s)：系统电流反馈处理算法，D：控制输出PWM占空比，Dir：输出波形极性，EN:各模块驱动使能信号，Zf：中频电源正负半周识别信号，R：天线负载电阻

具体实施方式

实施例1

高效能大电流电磁发射系统，包括中频高压电源、大电流电磁发射模块、主控制单元和输出波形发生器，大电流电磁发射模块由相连的高压变压器、电力变换单元和电流滤波器组成；高压变压器端为大电流电磁发射模块的输入端，与中频高压电源相连，电流滤波器端为大电流电磁发射模块的输出端，与天线负载相连。

高压变压器为大变流比双次级线圈变压器，包括初级线圈，次级线圈I和次级线圈II。中频高压电源采用2000V/400Hz的电源，经高压变压器输出60V/300A的低压大电流双线圈隔离对称的双低压电源。

如图2所示，电力变换单元分为两路，上支路和下支路；每路电力变换单元包括多个MOS开关，每路上的MOS开关可分为第一MOS开关、第二MOS开关和续流MOS开关，上支路和下支路上的第一MOS开关构成第一开关组，第二MOS开关构成第二开关组，续流MOS开关构成续流开关组；次级线圈I的正极与上支路上的第一MOS开关的漏极相连，次级线圈I的负极与下支路上的第一MOS开关的漏极相连，次级线圈II的正极与下支路上的第二MOS开关的漏极相连，次级线圈II的负极与上支路的第二MOS开关的漏极相连；上支路上第一MOS开关的源极、第二MOS开关的源极均连接到上支路上续流MOS开关的源极，同时分别经电流滤波器连接到天线负载电阻R_L；下支路上第一MOS开关的源极、第二MOS开关的源极均连接到下支路上续流MOS开关的源极，同时分别经电流滤波器连接到天线负载电阻R_L；续流开关组两个MOS开关的漏极互连。

从图2可以看出，n21、T1D2和T2D1构成第一开关组，n22、T3D4、和T4D3构成第二开关组，T5D6和T6D5构成双向续流开关组，T1D2和T3D4为正极性输出调制开关，T2D1和T4D3为负极性输出调制开关。这两组调制开关的同极性输出开关输入端分别连接高压变压器的两个次级线圈异名端，输出并接后连接功率电流滤波器。根据输出编码波形极性与幅度变化，在控制器调制控制算法的控制下这两组开关中相应输出极性的功率开关随着次级线圈中频电源正负半周极性交替的进行PWM调制工作，实现输出电流大小与极性要求的编码波形，同时也保证了变压器磁路正负半周的对称性。

这种结构使次级线圈I和次级线圈II形成的双低压电源正负半周期内交替互补工作，保证变压器磁路正负半周平衡运行，提高变压器的利用率。正负半周工作时输出端均经过电流滤波器平滑滤波，保证电流源输出的特性。各大电流电磁发射模块的输出电流并联后，形成的电流送到天线负载电阻R_L上，得到频率从0～100Hz、幅值0～1200A范围内连续可调的脉冲编码电磁波。

输出输出波形发生器由波形编辑模块和波形发生模块两部分组成。数据采集模块分别采集中频高压电源端的电流值、电压值和天线负载端的电流值和电压值；控制算法模块包括将波形发生模块的输出作为电流的设定值与采集模块获得的电流反馈信号进行偏差计算，控制算法模块的控制器Gic(s)对偏差进行运算，得到PWM的占空比。

驱动逻辑电路包括PWM发生器、通道选择模块。PWM发生器根据控制算法模块输出的占空比，产生PWM脉冲，形成驱动逻辑真值表，并通过驱动逻辑真值表最终产生驱动MOS开关的脉冲。

系统的主控单元包括控制算法模块、驱动逻辑电路和数据采集模块。

系统初始化工作时，波形编辑模块接收用户设定的电流幅值、频率和占空比；波形发生模块根据波形编辑模块提供的参数，产生电流的设定值；控制器Gic(s)根据设定电流和反馈电流的偏差，计算占空比。PWM产生满足占空比的脉冲，并通过驱动逻辑真值表形成PWM驱动信号，传递到MOS开关的栅极，控制各组电力变换单元中MOS开关的工作，从而在天线负载电阻R_L端持续产生脉冲编码电磁波。

当系统运行过程中，主控单元进行正负半周期识别，判断大电流电磁发射模块为正导通或负导通。天线负载端的电流和电压反馈到主控单元的数据采集模块中，主控单元根据电流反馈算法将负载端电流反馈到电流反馈比较端，与系统输出总电流的设定值相比较，得出差值，结合PID控制算法，计算出控制信号。控制信号经PWM产生模块解析成PWM驱动信号；通道选择模块选择PWM驱动信号与MOS开关栅极之间的通路，PWM调制信号经输出控制模块分别发送到MOS开关的栅极；其中每路上的第一MOS开关和第二MOS开关共用一个PWM调制信号，每路上的续流MOS开关分别接受不同PWM调制信号。

本实施例中，系统接入一个电力变换单元。进行系统运行时，给定输入电压150V，给定输出电流100A，系统输出波形如图5所示。由图5可以看出，系统可以快速调节占空比，使输出电流达到设定值，并且超调量很小，稳定后，电流波动小。由此可见，该系统可控，且可稳定运行。

数据采集模块同时还采集中频高压电源端的电流值、电压值、各电力变换单元的温度值等信号。主控单元还有一个功能模块实现电流中状态监测，即异常处理中心。系统的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流及各组电力变换单元的温度值均反馈到数据采集模块，通过将其接收的信号与各标准阈值信号进行比较，异常处理中心进行过热、过流、短路、过压、欠压等异常状态的分析，并执行异常处理动作。如图3所示，异常处理中心可产生产生异常处理综合使能信号EN及异常状态指示信号，EN用于对各MOS开关进行使能控制，从而调节电路的工作状态，状态信号用于识别异常类型和维护指示。

实施例2

如图1所示，与实施例1不同的是，大电流电磁发射模块有多组，各组的输入端并联，均与中频高压电源相连；各组的输出端并联，均与天线负载相连。

当多个大电流电磁发射模块并联时，输出控制模块控制每路大电流电磁发射模块均衡输出。如图6所示，为输入电流为120A时，系统输出电流波形图。多个模块并联的情况下，也可以快速达到设定的电流值，各模块电流值基本一致，输出电流为各个模块电流值之和，多模块并联时可以很好的增大输出电流。

Claims (3)

1.高效能大电流电磁发射系统，其特征在于：包括中频高压电源、大电流电磁发射模块、主控制单元和输出波形发生器，所述大电流电磁发射模块由相连的中频高压变压器、电力变换单元和电流滤波器组成；中频高压变压器端为大电流电磁发射模块的输入端，与中频高压电源相连，电流滤波器端为大电流电磁发射模块的输出端，与天线负载相连；

所述中频高压变压器为双次级线圈变压器，包括初级线圈，次级线圈I和次级线圈II；所述电力变换单元分为两路，每路电力变换单元包括多个MOS开关，每路上的MOS开关可分为第一MOS开关、第二MOS开关和续流MOS开关，两路上的第一MOS开关构成第一开关组，第二MOS开关构成第二开关组，续流MOS开关构成续流开关组；次级线圈I的两个输出端分别与第一开关组两个MOS开关的漏极相连，次级线圈II的两个输出端分别与第二开关组两个MOS开关的漏极相连；第一开关组MOS开关的源极、第二开关组MOS开关的源极均连接到续流开关组的源极，同时分别经电流滤波器连接到天线负载；续流开关组两个MOS开关的漏极互连；

所述输出波形发生器包括形编辑模块和波形发生模块；波形编辑模块接收波形指令，波形发生模块根据波形指令产生周期性电流波形信号；

所述主控单元包括波形编辑模块、驱动逻辑电路、计算单元和数据采集模块；

所述驱动逻辑电路包括PWM发生器、通道选择模块。

2.如权利要求1所述的高效能大电流电磁发射系统，其特征在于：所述大电流电磁发射模块有多组，各组的输入端并联，均与中频高压电源相连；各组的输出端并联，均与天线负载相连。

3.高效能大电流电磁发射系统的控制方法，其特征在于：

通过波形编辑模块设定给波形信号，包含给定电流信号的幅值、频率、占空比；

波形发生模块根据波形给定信号输出波形，作为实际输出电流的给定信号；

数据采集模块分别采集中频高压电源端的电流值、电压值和天线负载端的电流值和电压值；

控制单元根据天线负载端的电流值解析负载端的输出波形，并结合波形发生模块的给定信号输出的调制波形，计算得到PWM调制信号，经PWM发生器产生PWM驱动信号，产生驱动逻辑真值表；

通道选择模块选择PWM驱动信号与MOS开关栅极之间的通路，PWM调制信号经输出控制模块分别发送到MOS开关的栅极；其中每路上的第一MOS开关和第二MOS开关共用一个PWM调制信号，每路上的续流MOS开关分别接受不同PWM调制信号。