CN106230278A - 四电极双电磁发射机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四电极双电磁发射机系统。该系统包括第一发射机、第二发射机、第一供电线、第二供电线、第三供电线、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，第一发射机与第二发射机通过第一供电线和第二供电线连接，第一电极与第一发射机电连接，第二电极与第二发射机电连接，第一发射机通过第三供电线与第四电极电连接，第二发射机通过第三供电线与第三电极电连接，第一发射机和第二发射机互相配合将电流波形通过第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极发射出去。本发明由于第三供电线两根线相互绞合的供电线流过的电流大小相等，方向相反，形成的电磁场相互抵消，减少了供电线上寄生电感对发射电流的影响，可以发射高频电流。

Description

四电极双电磁发射机系统
技术领域
本发明涉及探测技术领域，尤其涉及一种四电极双电磁发射机系统。
背景技术
可控源电磁探测在固体矿产探测、海洋油气勘探和海底工程评价中都发挥着非常重要的作用。作为可控源电磁探测中可控源电磁场的人工激励场源，可控源电磁发射机是可控源电磁探测方法的硬件基础之一，也是整个可控源电磁探测系统中的重要环节。参照图1所示，为传统电磁发射机系统结构示意图。传统电磁发射机系统通常包括柴油发电机01、AC/DC整流模块02、发射模块03以及供电线和供电电极(电极A和电极B)，柴油发电机用于提供电能，AC/DC整流模块用于提供发射电压，发射模块用于提供发射电流波形，以及供电线和供电电极用于将发射模块发射的电流注入大地。
传统电磁发射机系统存在如下几点的缺点：
(1)传统电磁发射机系统的两个供电电极的极距达到数公里，供电线的寄生电感导致发射电流在交变的过程中，变化速度变慢，在发射高频信号时，发射的有效电流减小，发射功率降低，接收机获得的信号较弱，从而收发距离不能够增大，到了低频区，较小的收发距离，很容易使得接收机进入近场区，使得后续的数据处理需要做近场校正，不仅增加了一个校正工序，同时也由于校正而带来了数据误差；
(2)传统电磁发射机系统利用提高发射电压来提高发射电流的方法效果非常有限，A电极和B电极距离较大的情况下，甚至没有提高发射高频电流的能力，同时，太高的发射电压，给仪器的研制上带来了很多问题，比如，器件的电压应力，电流应力都会变得异常的大，增加了仪器的复杂度；
(3)由于无法发射高频电流，收发距离无法加大，较小的收发距离，限制了野外施工的效率，增加了野外施工的工作量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种四电极双电磁发射机系统，旨在解决传统电磁发射机系统无法发射较大高频电流的技术问题，并且达到用较小的发射功率获得较大的电偶极子源的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种四电极双电磁发射机系统。
所述四电极双电磁发射机系统包括第一发射机、第二发射机、第一供电线、第二供电线、第三供电线、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，所述第一发射机与所述第二发射机通过第一供电线和第二供电线连接，所述第一电极与所述第一发射机电连接，所述第二电极与所述第二发射机电连接，所述第一发射机通过所述第三供电线与所述第四电极电连接，所述第二发射机通过所述第三供电线与所述第三电极电连接，所述第一发射机和第二发射机互相配合将电流波形通过第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极发射出去。
优选地，所述第三供电线为两根线相互绞合的供电线。
优选地，所述第一发射机包括第一柴油发电机、第一AC/DC整流模块、第一发射模块；所述第二发射机包括第二柴油发电机、第二AC/DC整流模块、第二发射模块。
优选地，所述第一电极与所述第一发射模块的左桥臂电连接；所述第二电极与所述第二发射模块的右桥臂电连接；
或者，所述第一电极与所述第一发射模块的右桥臂电连接；所述第二电极与所述第二发射模块的左桥臂电连接。
优选地，所述第一发射模块的左桥臂通过所述第三供电线的其中一根线与所述第四电极连接，给所述第四电极供电；所述第二发射模块的右桥臂通过所述第三供电线的另一根线与所述第三电极连接，给所述第三电极供电；
或者，所述第一发射模块的右桥臂通过所述第三供电线的其中一根线与所述第四电极连接，给所述第四电极供电；所述第二发射模块的左桥臂通过所述第三供电线的另一根线与所述第三电极连接，给所述第三电极供电。
优选地，所述第一供电线和第二供电线均通过二极管来实现单向导通。
优选地，所述二极管为大功率快速恢复二极管或肖特基二极管。
优选地，所述第一供电线的第一端和所述第二供电线的第一端均与所述第一发射机的直流母线负极性电连接，所述第一供电线的第二端和所述第二供电线的第二端均与所述第二发射机的直流母线负极性电连接。
优选地，其特征在于，所述第一发射机和第二发射机的发射波形同步，且所述第一发射机的左桥臂和右桥臂以及第二发射机的左桥臂和右桥臂的驱动波形相同。
相较于现有技术，本发明提供的四电极双电磁发射机系统包括第一发射机、第二发射机、第一供电线、第二供电线、第三供电线、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，所述第一发射机与所述第二发射机通过第一供电线和第二供电线连接，所述第一电极与所述第一发射机电连接，所述第二电极与所述第二发射机电连接，所述第一发射机通过所述第三供电线与所述第四电极电连接，所述第二发射机通过所述第三供电线与所述第三电极电连接，所述第一发射机和第二发射机互相配合将电流波形通过第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极发射出去。由于第三供电线两根线相互绞合的供电线流过的电流大小相等，方向相反，他们之间形成的电磁场相互抵消，寄生电感大大减小，从而减少了供电线上寄生电感对发射电流的影响，使得本系统可以发射较大的高频电流，在某种条件下，发射高频电流的能力甚至大于低频发射电流的能力；由于第一电极和第二电极分别直接与第一发射机和第二发射机连接，可以增加了收发距离，避免由于接收机在近区而增加了近场校正的工序及其带来的数据误差，提高了野外施工效率；大大提高了接收机接收到的信号强度；降低了发射机的研制难度；由于高频信号的增强，可以大大地增加有效高频频点的数据，为数据反演解释带来更多的数据约束，从而提高了数据处理的分辨率；实现了以较小的发射功率获得更大的电偶极子源的目的，使得发射机的发射潜力得到了极大程度的发挥。
附图说明
图1为传统电磁发射机系统结构示意图；
图2为本发明四电极双电磁发射机系统较佳实施例结构示意图；
图3为传统电磁发射机系统中发射模块的等效电路示意图；
图4为本发明四电极双电磁发射机系统中发射低频电流时发射模块电流回路示意图；
图5为本发明四电极双电磁发射机系统中发射高频电流时发射模块等效电路结构示意图；
图6为本发明四电极双电磁发射机系统、三根线双电磁发射机系统以及传统电磁发射机系统发射的电流波形对比示意图；
图7为本发明四电极双电磁发射机系统与三根线双电磁发射机系统实际发射电流波形对比示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2所示，图2为本发明四电极双电磁发射机系统较佳实施例结构示意图。在本实施例中，四电极双电磁发射机系统包括第一发射机10、第二发射机20、第一供电线301、第二供电线302、第三供电线303、第一电极401、第二电极402、第三电极403以及第四电极404，所述第一发射机10与所述第二发射机20之间通过第一供电线301和第二供电线302连接，所述第一电极401与所述第一发射机10电连接，所述第二电极402与所述第二发射机20电连接，所述第一发射机10通过所述第三供电线303与所述第四电极404电连接，所述第二发射机20通过所述第三供电线303与所述第三电极403电连接，所述第一发射机10和第二发射机20互相配合将电流波形通过第一电极401、第二电极402、第三电极403以及第四电极404发射出去。所述第一发射机10和第二发射机20的发射波形保持同步，且所述第一发射机10的左桥臂和右桥臂以及第二发射机20的左桥臂和右桥臂的驱动波形相同。
所述第一发射机10与所述第二发射机20的模块构成与传统电磁发射机的结构相同。即所述第一发射机10包括第一柴油发电机101、第一AC/DC整流模块102、第一发射模块103；所述第二发射机20包括第二柴油发电机201、第二AC/DC整流模块202、第二发射模块203。
所述第一供电线301和第二供电线302均通过二极管来实现单向导通。第一供电线301与第二供电线302的二极管数量均设置为一个或两个，以保证供电线的单向导通性。所述二极管为大功率快速恢复二极管或肖特基二极管。如图2所示，在本实施例中，为了系统的对称性，所述第一供电线301设置两个二极管，分别为D1和D3，所述第二供电线302设置两个二极管，分别为D2和D4。所述第一供电线301的第一端和所述第二供电线302的第一端均与所述第一发射机10的直流母线负极性(VH-)电连接，所述第一供电线301的第二端和所述第二供电线302的第二端均与所述第二发射机20的直流母线负极性(VH-)电连接。
在本实施例中，所述第三供电线303是个两根线相互绞合的供电线，其中一根线与第一发射模块103电连接，另一根线与第二发射模块203电连接。
参照图2所示，在本实施例中，所述第一电极401与所述第一发射模块103的右桥臂电连接；所述第二电极402与所述第二发射模块203的左桥臂电连接；所述第一发射模块103的左桥臂通过所述第三供电线303的其中一根线与第四电极404连接，给第四电极404供电。具体地，第一发射模块103的左桥臂通过第三供电线303的其中一根线拉向(拉向不指电气连接关系)第二发射模块203，再与第四电极404连接，这根线与第二发射机203没有电气连接，另外一根线才与第二发射机有电气连接。第二发射模块203的右桥臂通过所述第三供电线303的另一根线与第三电极403连接，给第三电极403供电；具体地，第二发射模块203的右桥臂通过第三供电线303的另一根线拉向所述第一发射模块103。在其他实施例中，所述第一电极401还可以与所述第一发射模块103的右桥臂电连接；所述第二电极402还可以与所述第二发射模块203的左桥臂电连接。对应地，所述第一发射模块103的右桥臂通过所述第三供电线303的其中一根线与所述第四电极404连接，给所述第四电极404供电，具体地，第一发射模块103的右桥臂通过第三供电线303的其中一根线拉向第二发射模块203，再与第四电极404连接；所述第二发射模块203的左桥臂通过所述第三供电线303的另一根线与所述第三电极403连接，给所述第三电极403供电，具体地，第二发射模块203的左桥臂通过第三供电线303的另一根线拉向所述第一发射模块103，再与所述第三电极403连接。
下面结合图3至图6介绍本发明提供的四电极双电磁发射机系统的工作原理。
参照图3所示，图3为传统电磁发射机系统中发射模块的等效电路示意图。传统电磁发射机的发射模块输入等效为一个直流电源(即发射电压VC)，内部由4个IGBT(即S1、S2、S3和S4)构成发射桥，通过长的供电线连接到电极为大地供电，发射桥的负载等效为一个电感L(供电线的寄生电感)和电阻R(接地电阻)的串联。
本发明提供的四电极双电磁发射机系统，由于第一电极401和第二电极402分别直接与第一发射机10和第二发射机20连接，因此第一电极401到第一发射机10之间的供电线电感可以忽略不计，第二电极402到第二发射机20之间的供电线电感也可以忽略不计；第三电极403和第四电极404在第一发射机10和第二发射机20之间，由于采用了第三供电线303，即两根线相互绞合的供电线，两根线相互绞合的供电线流过的电流大小相等，方向相反，他们之间形成的电磁场相互抵消，其寄生电感很小，可以忽略不计；但第一供电线301和第二供电线302的电感量不能忽略，其大小为电极距离之间供电线的寄生电感。
参照图4和图3，图4为本发明四电极双电磁发射机系统中发射低频电流时发射模块电流回路示意图。
具体请参照图4中的图4(a)和图4(b)，本发明四电极双电磁发射机系统有两个电流回路。第一条电流回路是：第一发射子模块103→第一电极401→大地→第二电极402→第二发射子模块203→第一供电线301或第二供电线302→第一发射子模块103；
第二条电流回路是：第一发射子模块103→第三供电线303的其中一根线→从第二发射子模块203到第四电极404之间的单股供电线→第四电极404→大地→第三电极403→从第三电极403到第一发射子模块103之间的单股供电线→第三供电线303的另外一根线→第二发射子模块203→第二供电线302或第一供电线301→第一发射子模块103。
对于第二条电流回路，第三供电线303两根线相互绞合的供电线流过的电流大小相等，方向相反，他们之间形成的电磁场相互抵消，于是能量只能从两根线相互绞合的微小空间中传输，寄生电感几乎为零。
参照图5所示，图5为本发明四电极双电磁发射机系统中发射高频电流时发射模块等效电路结构示意图。
图5中的R1为第一电极401和第二电极402的接地电阻之和，R2为第三电极403和第四电极404的接地电阻之和，L1为第二发射子模块203到第四电极404之间供电线的等效电感，L2为第一发射子模块103到第三电极403之间供电线的等效电感，L3、L4分别为第一供电线301和第二供电线302的等效电感，假设四个电极是等间距的，那么就有L1＝L2＝L3＝L4。这样，L3，L4两个电感作为储能电感，为L1，L2在电流换向的时候提供较高的初始能量，从而使得L1、L2可以在更高的压差下进行换流，根据电感电流的变化率等于电感两端压差与电感感值的比值关系可以看出，在换流过程中，四电极双电磁发射机系统具有更高的电流换向速率，从而大大提高了高频发射电流。
为了说明四电极双发射机系统不仅提高高频发射电流的能力，还能够利用较小的发射功率提供更强的电偶极子源，与传统电磁发射机做一个对比试验。参照图6所示，图6为本发明四电极双电磁发射机系统、三根线双电磁发射机系统以及传统电磁发射机系统发射的电流波形对比示意图。图6为本发明四电极双电磁发射机系统、三根线双电磁发射机系统以及传统电磁发射机系统分别对应图6中标示的“四电极双发射机等效电流”、“三根线双发射机”以及“单发射机”。
假设直流母线的电压为500V，接地电阻为R1＝R2＝50Ω，单根AB极距长供电线的等效电感为L1＝L2＝L3＝L4＝2mH，发射频率为10KHz，四个电极为等间距排列。
当直流母线的电压为500V，接地电阻为50Ω，单根供电线的等效电感总为2mH，发射频率为10KHz，由图3传统电磁发射机系统中发射模块的等效电路和图5的本发明四电极双电磁发射机系统中发射高频电流时发射模块等效电路，可以得到本发明四电极双电磁发射机系统与传统电磁发射机发射的电流波形对比示意图。从图6可以看出，本发明四电极双电磁发射机系统在高频的发射等效电流达到了23A，是三根线双电磁发射机系统发射电流12.7A的2倍左右，是传统电磁发射机发射电流5.5A的4倍以上，具有非常强的电流发射能力。
参照图7所示，图7为本发明四电极双电磁发射机系统与三根线双电磁发射机系统实际发射电流波形对比示意图。本发明四电极双电磁发射机系统与三根线双电磁发射机系统分别对应图7中的“四电极双发射机系统”和“三根供电线双发射机系统”。与三根线双电磁发射机系统相比，本发明四电极双电磁发射机系统的实际发射电流提高得并不明显，从12.7A提高到14.7A，只增加了2A的电流水平。但是，由于第三电极403和第四电极404电极对的电极距离是第一电极401和第二电极402电极对的电极距离的3倍，根据电偶极子源的强度等于发射电流的大小乘以电极距的关系，其对应的等效电偶极子强度就大很多，按照等效第一电极401和第二电极402电极对的电偶极子源强度为第一电极401和第二电极402电极对的电流加上3倍的第三电极403和第四电极404电极对的电流计算，获得了图6所示的三种发射机系统的等效发射电流的比较。
与传统电磁发射机系统相比，本发明提供的四电极双电磁发射机系统由于第三供电线两根线相互绞合的供电线流过的电流大小相等，方向相反，它们之间形成的电磁场相互抵消，寄生电感大大减小，从而减少了供电线上寄生电感对发射电流的影响，使得本系统可以发射较大的高频电流，在某种条件下，发射高频电流的能力甚至大于低频发射电流的能力；由于第一电极和第二电极分别直接与第一发射机和第二发射机连接，可以增加了收发距离，避免由于接收机在近区而增加了近场校正的工序及其带来的数据误差，提高了野外施工效率；大大提高了接收机接收到的信号强度；降低了发射机的研制难度；由于高频信号的增强，可以大大地增加有效高频频点的数据，为数据反演解释带来更多的数据约束，从而提高了数据处理的分辨率；实现了以较小的发射功率获得更大的电偶极子源的目的，使得发射机的发射潜力得到了极大程度的发挥。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述四电极双电磁发射机系统包括第一发射机、第二发射机、第一供电线、第二供电线、第三供电线、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，所述第一发射机与所述第二发射机通过所述第一供电线和所述第二供电线连接，所述第一电极与所述第一发射机电连接，所述第二电极与所述第二发射机电连接，所述第一发射机通过所述第三供电线与所述第四电极电连接，所述第二发射机通过所述第三供电线与所述第三电极电连接，所述第一发射机和第二发射机互相配合将电流波形通过第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极发射出去。
2.如权利要求1所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第三供电线为两根线相互绞合的供电线。
3.如权利要求2所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一发射机包括第一柴油发电机、第一AC/DC整流模块、第一发射模块；所述第二发射机包括第二柴油发电机、第二AC/DC整流模块、第二发射模块。
4.如权利要求3所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一电极与所述第一发射模块的左桥臂电连接；所述第二电极与所述第二发射模块的右桥臂电连接；
或者，所述第一电极与所述第一发射模块的右桥臂电连接；所述第二电极与所述第二发射模块的左桥臂电连接。
5.如权利要求3所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一发射模块的左桥臂通过所述第三供电线的其中一根线与所述第四电极连接，给所述第四电极供电；所述第二发射模块的右桥臂通过所述第三供电线的另一根线与所述第三电极连接，给所述第三电极供电；
或者，所述第一发射模块的右桥臂通过所述第三供电线的其中一根线与所述第四电极连接，给所述第四电极供电；所述第二发射模块的左桥臂通过所述第三供电线的另一根线与所述第三电极连接，给所述第三电极供电。
6.如权利要求1所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一供电线和第二供电线均通过二极管来实现单向导通。
7.如权利要求6所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述二极管为大功率快速恢复二极管或肖特基二极管。
8.如权利要求1所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一供电线的第一端和所述第二供电线的第一端均与所述第一发射机的直流母线负极性电连接，所述第一供电线的第二端和所述第二供电线的第二端均与所述第二发射机的直流母线负极性电连接。
9.如权利要求1至8任一项所述的四电极双电磁发射机系统，其特征在于，所述第一发射机和第二发射机的发射波形同步，且所述第一发射机的左桥臂和右桥臂以及第二发射机的左桥臂和右桥臂的驱动波形相同。
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