CN105226991A

CN105226991A - 一种大功率恒压发射装置及其工作方法

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Publication number: CN105226991A
Application number: CN201510599589.6A
Authority: CN
Inventors: 张一鸣; 张加林; 任喜国; 高俊侠
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: CN105226991B

Abstract

本发明提供了一种大功率恒压发射装置及其工作方法，该装置包括：整流器、逆变桥路、发射电极以及控制器；控制器包括：外环直流侧电压单元、内环交流单元以及处理单元；外环直流侧电压单元用于采集整流器输出端的直流电压；内环交流单元用于采集发电机的相电流，其中内环交流单元利用转子检测电路检测发电机转子的位置；处理单元用于对整流器输出端的直流电压以及发电机的功率因数进行实时校正。本发明提供的装置拓扑结构简单、易于实现，且体积较小，提高了装置的移动性和实用性。同时本发明提供的装置还可以对整流器输出端的直流电压以及发电机的功率因数进行实时校正，实现了发射电极的恒压输出。

Description

一种大功率恒压发射装置及其工作方法

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恒压发射装置及其工作方法。

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，且整流器输出端的电压不稳定。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，输出电压不稳定，且装置体积较大的问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种功率电磁勘探恒压发射装置及其工作方法。

一方面，本发明提供了一种大功率恒压发射装置，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并联有滤波电容，用于稳定所述整流器输出的电压；

其中，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；

所述恒压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：外环直流侧电压单元、内环交流单元以及处理单元；其中，

所述外环直流侧电压单元一端与所述滤波电容并联，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；

所述外环直流侧电压单元，用于采集所述整流器输出端的直流电压；

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；

所述整流器输出端的直流电压信号到所述外环直流侧电压单元中，经由所述外环直流侧电压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；

其中，所述内环交流单元，包括并联的交流检测电路和转子位置检测电路，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；

转子位置检测电路，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转子的位置。

优选地，所述外环直流侧电压单元，包括依次串联的直流电压检测电路和第一信号调理电路；

所述直流电压检测电路，用于采集所述整流器输出端的直流电压；

所述第一信号调理电路，用于将所述直流电压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。

另一方面，本发明提供了一种大功率恒压发射装置的工作方法，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；

利用所述滤波电容对整流器输出端的电压进行稳压；

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端直流电压；

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端的直流电压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，对所述整流器输出端的电压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，利用控制器对整流器输出端的电压进行实时检测控制，使整流器输出端可以提供稳定的直流电压。且控制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，本发明中PWM整流器采用的用于升压和滤波的电容并没有采用外部串联的电容，而采用的是发电机内部定子的电容，相比于传统发射机，这种拓扑结构大大降低整个发射机的体积和重量，提高了发射机的灵活性和实用性。

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PWM整流器拓扑示意图；

图3是第一实施例提供的恒压发射装置的拓扑结构示意图；

图4是第一实施例提供的恒压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工作方法的控制结构示意图；

图6是第二实施例提供的差分信号处理与隔离电路示意图；

图7是第二实施例提供的正交编码脉冲波形示意图；

图8是第二实施例提供的装置工作方法的空间矢量分布示意图；

图9是第二实施例提供的DSP执行的主程序流程图；

图10是图9所示的SVPWM算法子程序流程图。

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，现有的PWM整流器外部还需串联电容，电容占据了装置很大一部分体积，使整个装置非常庞大，不易于移动以及室外操作。

为解决上述问题，本发明提供了一种大功率恒压发射装置及其工作方法。如图3所示，该恒压发射装置包括依次连接的整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。下面对本发明提供的恒压发射装置及其工作方法进行详细说明。

实施例一

如图3所示，本实施例提供的大功率恒压发射装置包括依次连接的整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。其中：

整流器2，与发电机1相连，优选为三相桥式脉宽调制PWM(PulseWidthModulation)整流器，三个桥分别与发电机1的三相输出相连；每个桥上串联有两组开关器件；每组开关器件为一个自带反并联二极管的开关管；

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；

其中较优地，在整流器2与逆变桥路2中间还并联有滤波电容5；

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转动为恒压发射装置提供电能；整流器2将发电机输出的电能由交流变为直流；滤波电容5对整流器2输出的电压进行稳压处理；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，本实施例提供的恒压发射装置还包括控制器6。控制器6包括：外环直流侧电压单元7、内环交流单元8以及处理单元9。

外环直流侧电压单元7，优选包括串联的直流电压检测电路以及第一信号调理电路。其中，直流电压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9相连；

内环交流单元8，优选包括并联的交流检测电路和转子位置检测电路。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；转子位置检测电路，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转子位置检测电路的输出端均与处理单元9相连；

处理单元9，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6工作时，直流电压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9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9的处理器；

同时，转子位置检测电路采集发电机1转子的位置，也将信号传送给处理单元9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的输出电压恒定，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，本实施例提供的恒压发射装置还包括码型控制器10。码型控制器10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恒压发射装置。其结构为：依次连接的整流器2、逆变桥路3以及发射电极4。在整流器2的输出端还并联有滤波电容5。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。此外，本发明中PWM整流器采用的用于升压和滤波的电容并没有采用外部串联的电容，而采用的是发电机内部定子的电容，这种拓扑结构大大降低整个发射机的体积和重量，提高了发射机的灵活性和实用性。

实施例2

本实施例提供了一种大功率恒压发射装置的工作方法，包括：

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，在整流器输出直流电压之后，还利用并联的滤波电容对输出的直流电压进行稳压。

其中较优地，当所述整流器为脉宽调制PWM整流器时，还对整流器输出端的直流电压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输出的直流电压为U_dc，预设的参考电压为U_rq；直流电压U_dc与参考电压U_rq输入到第一PI比较器中进行比较，令直流电压U_dc始终跟随参考电压U_rq从而保持直流电压U_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输出的三相中的两相电流分别为i_a、i_b，将i_a、i_b进行Clark变换以及Park变换，变换为dq0坐标系下的电流i_d和i_q；分别将i_d与无功分量指令相比较、i_q与有功分量指令相比较，经过PI调节器，根据电机的数学模型和前馈解耦控制的到整流器交流侧的输入电压v_d和v_q；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。

需要说明的是，在本实施例中，对发电机的相电流进行了坐标变换，而在静止坐标系向旋转坐标系变换的过程中，需要得到整流器输入端电压的相位。传统的方法采用了过零同步检测电路检测整流器的输入电压的过零点来确定电压的相位。而在整个系统中，整流器的输入电压是依据PWM波调制而成的，因此使用过零同步检测电路直接检测电压的相位是难以实现的，且实现电路复杂。在本发明中，从发电机的转子位置的角度出发，设计了一套发电机转子位置检测电路。通过电机转速和发电机输出电压的关系得到相电压的相位。

本实施例采用了一种转子位置检测电路得到发电机的位置角度θ，通过相应的运算得到坐标变换需要的角度。

在本实施例中，设计了以位置传感器和速度传感器为核心的转子位置检测电路。其中，位置传感器优选地采用霍尔传感器，速度传感器优选地采用光电编码器，处理器优选为DSP处理器。霍尔传感器是同步电机中最常见的位置传感器，它利用转子磁场经过导体所产生的霍尔效应来检测转子在圆周中的位置。一般的，转子的每个电角度周期有三个霍尔传感器，每一个霍尔传感器都有“0”和“1”两种状态，这样三个传感器合起来就会有六个转子位置信号(“000”和“111”不会出现)来表示转子在一个电角度周期内的六个位置。采集三相霍尔的信号输入到DSP处理器中就可以知道当时的电机运行时的转子位置了。

此外，电机本身是一个强的电磁场，是一个很大的干扰源。因此电机产生的霍尔位置信号是差分信号，因为差分信号具有比较好的抗干扰作用。因此电机的霍尔信号需要经过差分接收处理电路才能被DSP处理器的控制核心识别。

本发明的差分信号与隔离电路图如图6所示：电机采用的速度传感器是增量式光电编码器，它由码盘和光电转换器组成，码盘被安装在电机的轴上，其外围一圈为一定数目的光栅孔，电机轴转动时带动码盘，经过光电转换器的采集，将产生与轴的角速度相对应的脉冲波形。在一定的周期内检测有多少脉冲生成可以计算电机速度的大小。

增量式光电编码器输出同样采用差分信号，其电路图与霍尔信号的差分电路相仿只是少了一路而已。编码器的脉冲信号经过差分处理后可以输出两路正交的码盘脉冲电路输出到DSP处理器的QEP(正交编码单元)中。之所以要输出两路相位相差90度(即正交)的脉冲是因为的DSP处理器的QEP单元可以记录每一个脉冲边沿，生成一路脉冲，相当于将码盘脉冲四倍频，可以大大减小计数的误差，并且两路正交脉冲相位的先后还与电机的旋转方向相对应。正交编码脉冲波形示意图如图7所示。其中，上两路脉冲为光电编码器信号采集输出的两路正交的脉冲波形，而下边一路为DSP核心的QEP单元将上两路脉冲四倍频后的波形。

还需要说明的是，本实施例通过空间电压矢量调制(SpaceVectorModulation)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。

现有技术中广泛采用的PWM调制技术主要有：基于三角载波调制的正弦脉宽调制(SPWM)；基于三角载波调制的梯形波调制技术(TPWM)；特定消谐波调制技术(SHE)；滞环调制技术等。对于三相电流型PWM整流器部分来说，本发明采用先进的空间电压矢量(和电流矢量是不同的)的SVPWM信号发生技术。和上述的几种方法相比，空间电流矢量SVPWM调制技术更具有优越性。它不仅具有开关频率低、谐波分量小、动态响应快的优点，而且其直流电流利用率要比SPWM提高近15.5％，并且数字化实现也比较简单。

现把本实施例涉及的空间电压矢量调制方法介绍如下：

根据对开关状态的定义和开关策略的设置，可以得到如图8所示的空间矢量分布图。

在设计开关状态时，本实施例以减少开关次数为目标，将基本矢量作用顺序的分配原则选定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。

方法具体如下：

(1)判断电压矢量V*所在的扇区。通过分析在两相垂直静止坐标系下v_α和v_β的关系，得到如下的控制规律：

令v_β＞0时，A＝1；v_β≤0时，A＝0；

令＞0时，B＝1；时，B＝0；

令时，C＝1；

- \frac{\sqrt{3}}{2} v_{α} - \frac{1}{2} v_{β} \leq 0

时，C＝0；

那么，电压矢量V*所在的扇区N可由N＝A+2B+4C确定。N值与扇区号之间的对应关系如表1所示。

表1N值与扇区号的对应关系表

(2)计算电压矢量作用时间。计算电压矢量作用时间T₁、T₂之前，首先要定义以下三个变量x、y、z，如式(1)所示：

\{\begin{matrix} x = V_{β} \frac{\sqrt{3} T_{s}}{v_{d c}} \\ y = (\frac{1}{2} V_{β} + \frac{\sqrt{3}}{2} V_{α}) \frac{\sqrt{3} T_{s}}{v_{d c}} \\ z = (\frac{1}{2} V_{β} - \frac{\sqrt{3}}{2} V_{α}) \frac{\sqrt{3} T_{s}}{v_{d c}} \end{matrix} - - - (1)

其中，x、y、z为三个变量值；V_α、V_β为αβ系下的电压矢量；T_s为采样周期；v_dc为整流器输出端的直流电压。

那么电压矢量的作用时间就可以按如表2所示的对应关系来确定。

表2T1、T2与x、y、z对应关系表

当考虑到饱和时，还要进行以下判断：若T₁+T₂>T_s，则如式(2)所示取：

\{\begin{matrix} T_{1} = \frac{T_{1}}{T_{1} + T_{2}} T_{s} \\ T_{2} = \frac{T_{2}}{T_{1} + T_{2}} T_{s} \end{matrix} - - - (2)

其中，T₁、T₂为电压矢量的作用时长，T_s为采样周期。

(3)计算电压矢量切换点。定义变量T_a、T_b、T_c如式(3)所示：

\{\begin{matrix} T_{a} = \frac{T_{s} - T_{1} - T_{2}}{4} \\ T_{b} = T_{a} + \frac{T_{1}}{2} \\ T_{c} = T_{b} + \frac{T_{2}}{2} \end{matrix} - - - (3)

其中，T_a、T_b、T_c分别为开关时刻，T₁、T₂为电压矢量的作用时长，T_s为采样周期。

则在不同扇区内电压矢量切换点D、E、F与变量T_a、T_b、T_c有如下的对应关系，如表3所示。

表3不同扇区内电压矢量切换点D、E、F与变量T_a、T_b、T_c对应关系

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波形输入到整流器中，控制整流器的开关器件的开启和关断，从而对输出的电流进行调整，实现了整流器输出端的电压以及发电机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优选地在DSP处理器进行。DSP处理器中的主程序的流程图如图9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10所示。由于主程序的执行步骤在本实施例的工作方法中已经概述，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恒压发射装置的工作方法。该方法利用发电机提供电能，再利用整流器将发电机输出的交流转换为直流，之后利用逆变桥路将直流逆变为矩形脉冲，最后由发射电极发射矩形脉冲。其中，本实施例采用PWM整流技术，通过对整流器输出端的电压进行实时检测校正，使整流器输出端可以提供稳定的直流电压。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。同时，本实施例采用了转子检测电路得到发电机的位置角度，相比于现有的过零检测电路，本实施例的转子检测电路结构简单控制方便，容易实现。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

1.一种大功率恒压发射装置，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；

所述发射电极，用于发射所述矩形脉冲；

所述恒压发射装置还包括控制器，用于控制所述整流器；

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；

其中，所述内环交流单元，包括并联的交流检测电路和转子位置检测电路，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；

2.如权利要求1所述的恒压发射装置，其特征在于，所述外环直流侧电压单元，包括依次串联的直流电压检测电路和第一信号调理电路；其中，

3.如权利要求1所述的恒压发射装置，其特征在于，所述处理单元，包括串联的处理器以及第一驱动保护电路。

4.如权利要求1所述的恒压发射装置，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。

5.如权利要求4所述的恒压发射装置，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。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述恒压发射装置的工作方法，其特征在于，包括：