CN105186888B - 一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法，该装置包括：依次连接整流器、逆变桥路以及发射电极。整流器，与发电机连接，用于将发电机输出的电能由交流变为直流；逆变桥路，用于将整流器输出的直流逆变成矩形脉冲；发射电极，用于发射矩形脉冲；所述整流器和逆变桥路之间还串联有滤波电感，用于稳定所述整流器输出的电流。其中整流器为脉宽调制PWM整流器。本发明相比于现有的电磁发射机拓扑结构简单，易于实现，实用性强。且使用脉宽调制PWM整流器保证装置发射恒定电流，发电机的功率因数为单位功率因数。

Description

一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法

技术领域

本发明涉及资源勘探技术领域，具体涉及一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法。

背景技术

随着现代文明的不断向前推进，科学技术日新月异，资源的消耗与日俱增。因此，资源安全已经成为国家安全的核心内容之一，资源的勘探技术的高低将直接影响我国经济社会的发展和稳定。

电磁法勘探是一种新兴的勘探技术。电法勘探发射装置是通过利用地面电法来详查矿体的设备。地面电法即由发射装置向大地注射频率变化的大电流，然后再接收地球电磁场响应来获取地下地质体或矿体电导率分布信息，来构建地下介质电导率的结构特征。金属矿通常具有良好的导电性，因此电磁法是寻找金属矿最为有效的地球物理勘探手段。目前电磁法勘探采用的主要设备为电磁发射机。

现有的电磁发射机电路拓扑结构主要由以下部分组成：发电机组、不控整流桥以及输出逆变桥。由于整流桥的电压无法控制，通常还在不控整流桥后加入一级升压式DC/DC变换器(包括：逆变桥，高频变压器，高频整流桥)。DC/DC变换器的升压功能，使母线电压可以达到后级逆变器的发射要求。

现有的电磁发射机虽然控制简单，成本低廉实现容易。然而由于不控整流桥的存在，使得发电机的输出端功率因数较低。且当发射机输出端发射频率较高且发射线较长时，发射线上无功损耗增大，电流畸变严重。同时，逆变桥中开关管的开关频率很高，增大了开关器件的发热量及损耗。此外，现有的电测发射机拓扑结构较为复杂，导致整个装置体积较大，不利于装置在室外作业及移动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决现有技术中的电磁发射装置发电机的输出端功率因数低，电流易发生畸变，且装置体积较大的问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法。

一方面，本发明提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置，包括依次连接的整流器、逆变桥路以及发射电极；

所述整流器，与发电机相连，用于将所述发电机产生的电能由交流变为直流；

所述逆变桥路，用于将所述整流器输出的直流逆变成矩形脉冲；

所述发射电极，用于发射所述矩形脉冲；

所述整流器和逆变桥路之间还串联有滤波电感，用于稳定所述整流器输出的电流；

所述恒流发射装置还包括控制器，用于控制所述整流器；

所述控制器包括：外环直流单元、内环交流单元以及处理单元；

其中，

所述外环直流单元一端与所述整流器的输出端相连，另一端与所述处理单元相连；所述内环交流单元一端与所述发电机的输出端相连，另一端与所述处理单元相连；所述处理单元与所述整流器相连；

所述外环直流单元，用于采集所述整流器输出的直流电流；

所述内环交流单元，用于采集所述发电机输出的交流电流；

所述处理单元，用于控制所述整流器；

所述整流器输出的直流电流输入到所述外环直流单元中，经由所述外环直流单元进入所述处理单元中，最后经由所述处理单元的输出端输出至所述整流器中；

所述发电机输出的交流电流输入到所述内环交流单元中，经由所述内环交流单元进入所述处理单元中，最后经由所述处理单元的输出端输出至所述整流器中。

优选地，在所述发电机与整流器之间，还连接有滤波器，用于滤除所述发电机输出电流中的谐波。

优选地，所述外环直流单元，包括依次串联的直流检测电路和第一信号调理电路；其中，

所述直流检测电路，用于采集所述整流器输出的直流模拟信号；

所述第一信号调理电路，用于将所述直流检测电路采集的直流模拟信号转换为数字信号。

优选地，所述内环交流单元，包括并联的交流检测电路和过零检测电路，在所述交流电流检测电路后面还串联有第二信号调理电路；其中，

所述交流检测电路，两个输出端分别与所述发电机的任意两相相连，用于采集所述任意两相的交流模拟信号；

所述第二信号调理电路，用于将所述交流检测电路采集的模拟信号转换为数字信号；

过零检测电路，与所述发电机任意一相的输出端相连，用于采集所述发电机的频率信号。

优选地，所述处理单元，包括串联的处理器以及第一驱动保护电路。

优选地，还包括码型控制电路，与所述逆变桥路相连，用于控制所述逆变桥路。

优选地，所述码型控制电路包括串联码型生成电路及第二驱动保护电路。

优选地，

所述整流器为三相桥式脉宽调制PWM整流器，每个桥上串联有两组开关器件。

另一方面，本发明提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置的调制方法，包括：

利用所述整流器将所述发电机产生的电能由交流变为直流；

利用所述逆变桥路将所述直流逆变成矩形脉冲；

利用所述发射电极发射所述矩形脉冲；

利用所述控制器控制所述整流器；

其中，

利用所述控制器采集所述整流器输出的直流电流；

利用所述控制器采集所述发电机输出的交流电流；

利用所述控制器根据所述整流器输出的直流电流以及所述发电机输出的交流电流，采用空间矢量调制算法生成脉宽调制PWM波形，所述脉宽调制PWM波形用于控制所述整流器中开关器件的开启关断，对所述整流器输出的直流以及所述发电机的功率因数的实时校正。

本发明中，采用三相桥式脉宽调制PWM整流器，通过对整流器输出电流的实时检测控制，使整流器输出端可以提供稳定的直流电流，不会因为负载的变化以及输出线的变长产生电流畸变。且脉宽调制PWM整流器还控制发电机端的电流始终跟踪指令电流，使发电机输出端的功率因数为单位功率因数。同时，本发明的脉宽调制PWM整流器控制模块采用空间矢量调制方法，降低了整流器中开关管组的开关频率，减小了开关器件的损耗和发热。此外，本发明为发电机、整流器、逆变桥路以及发射电极依序连接的拓扑结构，相比于传统发射机，本发明的拓扑结构更加简单，减小发射机体积，易于实现。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是现有的电磁发射机拓扑结构示意图；

图2是现有的电磁发射机发生电流畸变时的电流波形示意图；

图3是第一实施例提供的恒流发射装置的拓扑结构示意图；

图4是第一实施例提供的恒流发射装置的硬件原理示意图；

图5是第二实施例提供的装置调制方法的控制结构示意图；

图6是第二实施例提供的装置调制方法的空间矢量分布示意图；

图7是第二实施例提供的DSP执行的主程序流程图；

图8(a)是图6所示DSP执行程序中定时器中断子程序流程图；

图8(b)是图6所示DSP执行程序中捕获中断子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有的电磁发射机的拓扑结构如图1所示，包括：发电机组、不控整流桥以及输出逆变桥。由于整流桥的电压无法控制，通常还在不控整流桥后加入一级升压式DC/DC变换器(包括：逆变桥，高频变压器，高频整流桥)。

虽然现有的电磁发射机控制简单，然而由于不控整流桥的存在，使得发电机的输出端功率因数较低。此外，如图2所示，当发射机输出端发射频率较高且发射线较长时，发射线上无功损耗增大，电流畸变严重。

为解决上述问题，本发明提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置及其调制方法。如图3所示，该恒流发射装置包括依次连接的发电机1、整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。下面对本发明提供的恒流发射装置及调制方法进行详细说明。

实施例一

如图3所示，本实施例提供的大功率电磁勘探恒流发射装置包括依次连接的发电机1、整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。其中：

发电机1，优选为三相发电机组，每一相电路用一个恒压源和一个电阻串联表示；

其中较优地，在发电机1后还连接有滤除器5，优选为三相LC滤波器，其三相的输入端对应与发电机1的三相输出端相连；

整流器2，优选为三相桥式脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)整流器，三个桥分别与滤波器5的三相输出相连；每个桥上串联有两组开关器件；每组开关器件由一个二极管和一个自带反并联二极管的开关管串联而成；

其中较优地，在整流器2的输出端之后还串联有滤波电感6；

逆变桥路3，优选为两桥并联H型逆变桥，每个桥上串联有两个自带反并联二极管的开关管；逆变桥路3的两个输入端分别与整流器2的输出端以及滤波电感6相连；

发射电极4，优选包括并联的两个子发射电极，两个子发射电极分别与逆变桥路3中的两个桥相连；两个子发射电极与负载(优选为大地)构成回路。

在装置工作时，发电机1转动为恒流发射装置提供电能；滤除器5将发电机输出电流中的谐波滤除，使最终的电流波形趋于正弦波；整流器2将发电机输出的电能由交流变为直流；滤波电感6对整流器2输出的直流进行稳流处理；逆变桥路3将整流器输出的直流逆变成矩形脉冲；最后发射电极4发射矩形脉冲。

优选地，如图4所示，本实施例提供的恒流发射装置还包括控制器7。控制器7包括：外环直流单元8、内环交流单元9以及处理单元10。

外环直流单元8，优选包括串联的直流检测电路以及第一信号调理电路。其中，直流检测电路输入端与整流器2的输出端相连；第一信号调理电路的输出端与处理单元10相连；

内环交流单元9，优选包括并联的交流检测电路和过零检测电路。其中，交流检测电路两个输出端分别与发电机的任意两相相连；过零检测电路，与发电机1任意一相的输出端相连；在交流检测电路后面还串联有第二信号调理电路；第二信号调理电路的输出端和过零检测电路的输出端均与处理单元10相连；

处理单元10，优选包括串联的处理器以及第一驱动保护电路。其中，处理器优选为DSP处理器；处理器通过第一驱动保护电路与整流器2中各个开关管的驱动板相连。

当控制器7工作时，直流检测电路采集整流器的直流模拟信号并传送给第一信号调理电路；第一信号调理电路将模拟信号转换为数字信号，传送给处理单元10的处理器；

交流检测电路采集发电机1中任意两相的交流模拟信号并传送给第二信号调理电路；第二信号调理电路将模拟信息转换为数字信号，传送给处理单元10的处理器；

同时，过零检测电路采集发电机1任意一相的频率信号，也将信号传送给处理单元10的处理器；

处理器对接收到的信号进行处理，采用空间矢量调制的方法生成脉宽调制PWM波形，并将该波形传送给整流器2中开关管的驱动板；脉宽调制PWM波形通过开关管的驱动板转换成电平信号；转换之后电平信号可以控制整流器2中开关管的开通与关断，从而对整流器2输出的直流以及发电机1的功率因数进行实时调整，使整流器2的输出电流恒定，发电机1输出的功率因数为单位功率因数。

其中较优地，如图4所示，本实施例提供的恒流发射装置还包括码型控制器11。码型控制器11包括：串联的码型生成电路以及第二驱动保护电路。

码型生成电路，优选为FPGA码型生成电路，通过第二驱动保护电路与逆变桥路3中开关管的驱动板相连；通过控制对称两个开关管的导通与关断，生成需要的码型。

当然理解的是，本实施例中，根据实际功率需求，整流器2及逆变桥路3中的开关管可以采用电力场效应管MOSFET、绝缘栅门极双极型晶体管IGBT、智能功率模块IPM、MOS控制管以及集成门极换流晶闸管。优选使用绝缘栅门极双极型晶体管IGBT、IPM。因为绝缘栅门极双极型晶体管IGBT的输入阻抗高，电压控制，驱动功率小、开关速度快，工作频率可达10-40KHZ，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽；智能功率模块IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到DSP处理，使设计更简化，开发和制造成本降低。

本实施例提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置。其结构为：依次连接的发电机1、整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。其中发电机1与整流器2中还连接有滤波电路5，在整流器2后还串联有滤波电感6。相比于现有的电磁发射机，本实施例提供的装置拓扑结构更加简单，易于实现，可以有效的缩小装置体积，提高装置在室外作业的实用性及可移动性。

实施例2

本实施例提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置的调制方法，包括：

利用发电机为恒流发射装置提供电能；

利用整流器将电能由交流变为直流；

利用逆变桥路将直流逆变成矩形脉冲；

利用发射电极发射矩形脉冲。

其中较优地，在发电机生成电能之后，还利用滤波电路对发电机生成的电流进行谐波滤除。

其中较优地，在整流器输出直流电流之后，还利用滤波电感对输出的直流电流进行稳流。

其中较优地，当所述整流器为脉宽调制PWM整流器时，还对整流器输出的直流电流以及发电机输出的功率因数进行检测并校正。

如图5所示，整流器2输出的直流电流为i_dc，预设的参考电流为直流电流i_dc与参考电流输入到第一PI比较器中进行比较，另直流电流i_dc始终跟随参考电流从而保持直流电流i_dc稳定；

同时进行坐标转换，得到dq坐标系下的指令电流dq坐标系下另一指令电流为当整流器工作在单位功率因数时，指令电流为0。发电机1输出的三相电流分别为i_a、i_b以及i_c，将i_a、i_b以及i_c进行同步旋转坐标变换，变换为dq0坐标系下的电流i_d和i_q；令i_d和i_q与指令电流分别进入第二PI比较器以及第三PI比较器进行比较得到无功分量以及有功分量；令i_d和i_q始终跟随指令电流和实现发电机输出单位功率因数以及低谐波电流的控制。

在整流器输出的直流以及发电机输出的交流进行比较之后，优选地，将dq坐标系下的有功分量i_rq和无功分量i_rd转化为αβ系下的矢量I_α、I_β，再通过空间矢量调制(SpaceVector Modulation)算法又称SVPWM调制，生成不同占空比的脉宽调制PWM波形，用于控制所述整流器中开关器件的开启关断。

其中，空间矢量调制主要经过以下步骤：判断扇区及编号，计算电流矢量作用时间，确定开关时刻和开关时间。通过合理加入零矢量的七段式方法的到的脉宽调制PWM波形。

根据对整流器中开关器件开关状态的定义和开关策略的设置，可以得到如图6所示的空间矢量分布图：

通过以下步骤可以得到六个开关的开关时刻和开关时长：

(1)判断扇区号及编号N

当I_α>0且时，位于扇区I；

当I_α>0且时，位于扇区II；

当I_α>0且时，位于扇区III；

当I_α>0且时，位于扇区IV；

当I_α>0且时，位于扇区V；

当I_α>0且时，位于扇区VI。

其中，I_α、I_β为αβ系下的电流矢量，为参考电流矢量。

通过上述计算，可参考电流矢量所在扇区号，根据所在扇区号得到参考电流矢量所在的编号N。扇区号与编号N的对应关系如表1所示：

表1 扇区号与编号N值对应关系表

扇区号	I	II	III	IV	V	VI
							编号N	1	2	3	4	5	6

(2)计算电压矢量作用时间

定义xyz三个变量，xyz三个变量由式(1)计算可得：

其中，x、y、z为三个变量值；I_α、I_β为αβ系下的电流矢量；T_s为采样周期；i_dc为整流器2输出的直流电流。

根据上述计算，可得对应编号N扇区开关时长T₁、T₂与xyz变量关系如表3所示。

表3 对应编号N扇区开关时长T₁、T₂与xyz变量关系

编号N

1(I)

2(I)I

3(II)

4(IV)

5(V)

6(VI)

T1

z

y

x

-x

-y

-z

T2

y

-x

-z

z

x

-y

(3)确定开关时刻和开关时间

根据式(2)-(4)的计算以及合理的零状态的选取就可以得到六个开关的开关时刻，

T_a＝(T_s-T₁-T₂)/4 (2)

T_b＝T_s+T₁/2＝(T_s+T₁-T₂)/4 (3)

T_c＝T_b+T₂/2＝(T_s+T₁+T₂)/4 (4)

其中，T_a、T_b、T_c为分别为开关时刻，T₁、T₂为开关时长，T_s为采样周期。

根据不同的开关时刻和开关时长即可得到不同占空比的脉宽调制PWM波形，该脉宽调制PWM波形输入到整流器2中，控制整流器2的开关器件的开启和关断，从而对输出的电流进行调整，实现了整流器2输出电流以及发电机1输出功率因数的实时校正。

需要说明的是，本实施例中，对信号的处理、比较以及执行相应的算法均在DSP处理器进行。DSP处理器中的主程序的流程图如图7所示。其中，主程序中的定时器中断子程序以及捕获中断子程序如图8(a)以及8(b)所示。由于主程序的执行步骤在本实施例的调制方法中已经概述，且定时器中断子程序以及捕获中断子程序为所属技术领域中常用的子程序设置方法，在此不再赘述。

本实施例提供了一种大功率电磁勘探恒流发射装置的调制方法。该方法利用发电机1提供电能，再利用整流器2将发电机输出的交流转换为直流，之后利用逆变桥路3将直流逆变为矩形脉冲，最后由发射电极4发射矩形脉冲。其中，本实施例采用PWM整流技术，通过对整流器输出电流的实时检测校正，使整流器输出端可以提供稳定的直流电流，不会因为负载的变化以及输出线的变长产生电流畸变。同时还控制发电机端的电流始终跟踪指令电流，使发电机输出端的功率因数为单位功率因数。此外，本实施例采用了PWM整流技术中的空间矢量调制方法控制整流器中开关器件的开启和关断，有效的降低了整流器中开关器件的开关频率，减小了开关器件的损耗和发热，有效减少电流谐波。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种大功率电磁勘探恒流发射装置，其特征在于，包括：依次连接的整流器、逆变桥路以及发射电极；

所述整流器，与发电机相连，用于将所述发电机产生的电能由交流变为直流；所述整流器包括三个并联的整流单元，每个整流单元包括两个串联的子单元，每个子单元包含一个开关管以及与所述开关管反并联的第一二极管，还包括与所述开关管串联的第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述开关管的发射极相连；

所述逆变桥路，用于将所述整流器输出的直流逆变成矩形脉冲；

所述发射电极，用于发射所述矩形脉冲；

所述整流器和逆变桥路之间还串联有滤波电感，用于稳定所述整流器输出的电流；

所述恒流发射装置还包括控制器，用于控制所述整流器；

所述控制器包括：外环直流单元、内环交流单元以及处理单元；

其中，

所述外环直流单元一端与所述整流器的输出端相连，另一端与所述处理单元相连；所述内环交流单元一端与所述发电机的输出端相连，另一端与所述处理单元相连；所述处理单元与所述整流器相连；

所述外环直流单元，用于采集所述整流器输出的直流电流；

所述内环交流单元，用于采集所述发电机输出的交流电流；

所述处理单元，用于控制所述整流器；所述处理单元，包括串联的处理器以及第一驱动保护电路；所述处理器对接收到的信号进行处理，采用空间矢量调制的方法生成脉宽调制PWM波形，并将该波形传送给第一驱动保护电路；脉宽调制PWM波形通过第一驱动保护电路转换成电平信号；

所述整流器输出的直流电流输入到所述外环直流单元中，经由所述外环直流单元进入所述处理单元中，最后经由所述处理单元的输出端输出至所述整流器中；

所述发电机输出的交流电流输入到所述内环交流单元中，经由所述内环交流单元进入所述处理单元中，最后经由所述处理单元的输出端输出至所述整流器中。

2.如权利要求1所述的恒流发射装置，其特征在于，在所述发电机与整流器之间，还连接有滤波器，用于滤除所述发电机输出电流中的谐波。

3.如权利要求1所述的恒流发射装置，其特征在于，所述外环直流单元，包括依次串联的直流检测电路和第一信号调理电路；其中，

所述直流检测电路，用于采集所述整流器输出的直流模拟信号；

所述第一信号调理电路，用于将所述直流检测电路采集的直流模拟信号转换为数字信号。

4.如权利要求1所述的恒流发射装置，其特征在于，所述内环交流单元，包括并联的交流检测电路和过零检测电路，在所述交流电流检测电路后面还串联有第二信号调理电路；其中，

所述交流检测电路，两个输出端分别与所述发电机的任意两相相连，用于采集所述任意两相的交流模拟信号；

所述第二信号调理电路，用于将所述交流检测电路采集的模拟信号转换为数字信号；

过零检测电路，与所述发电机任意一相的输出端相连，用于采集所述发电机的频率信号。

5.如权利要求1所述的恒流发射装置，其特征在于，还包括码型控制电路，与所述逆变桥路相连，用于控制所述逆变桥路。

6.如权利要求5所述的恒流发射装置，其特征在于，所述码型控制电路包括串联码型生成电路及第二驱动保护电路。

7.如权利要求1所述的恒流发射装置，其特征在于，

所述整流器为三相桥式脉宽调制PWM整流器，每个桥上串联有两组开关器件。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述恒流发射装置的调制方法，其特征在于，包括：

利用所述整流器将所述发电机产生的电能由交流变为直流；

利用所述逆变桥路将所述直流逆变成矩形脉冲；

利用所述发射电极发射所述矩形脉冲；

利用所述控制器控制所述整流器；

其中，

利用所述控制器采集所述整流器输出的直流电流；

利用所述控制器采集所述发电机输出的交流电流；

利用所述控制器根据所述整流器输出的直流电流以及所述发电机输出的交流电流，采用空间矢量调制算法生成脉宽调制PWM波形，所述脉宽调制PWM波形用于控制所述整流器中开关器件的开启关断，对所述整流器输出的直流以及所述发电机的功率因数的实时校正。