CN107508470A - 一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，包括：三相电源、输入滤波器和矩阵变换器；所述输入滤波器为三组LC滤波器分别与三相电源的输出端连接，所述矩阵变换器为三相‑单相矩阵变换器，由6个双向开关形成的三组桥臂构成，每两个双向开关为一组桥臂通过中间端分别与一组LC滤波器的输出连接，矩阵变换器所连接的负载是电感与电阻，分别代表瞬变电磁发射系统负载长导线与接地阻抗，采用三相‑单相矩阵变换器直接交交变换的方式用于瞬变电磁发射，采用基于输入电流的空间矢量调制方法，选择对应的开关矢量。采用三相‑单相矩阵变换器直接交‑交变换结构代替传统瞬变电磁发射系统的交‑直‑交结构，增加系统稳定性。
Description
技术领域
本发明属于瞬变电磁探测仪器发射技术领域，具体涉及基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统。
背景技术
瞬变电磁探测的基本工作原理如图1所示，发射机发出双极性脉冲电流(图1(a)所示)，占空比为50％，在脉冲电流开通和关断瞬间，接收机接收到衰减的二次感应场信号(图1(b)所示)，为了减少一次场对二次场信号的干扰，需要在脉冲电流切断期间接收信号(图1(c)所示)，此时为有效信号，通过采集、分析和计算二次场信号得到地下介质的电磁特性，从而实现瞬变电磁探测的目的。
瞬变电磁法探测系统主要组成包括发射系统，接收系统和数据解释系统。地球物理探测仪器主要用于野外探测，发射系统通常是由电池(低功率应用)或者发电机(大功率应用)供电。传统常见的大功率瞬变电磁发射系统主电路原理如图2所示，包括发电机、AC/DC整流电源和H桥逆变器组成，还包括两个控制器用于控制整流电源和H桥路。发射系统采用交-直-交的拓扑形式，结构复杂；直流环节含有大电容，增加了发射系统的体积和质量，功率密度低，不利于野外环境的运输与使用，同时电解电容存在电解液挥发等问题，影响系统的使用寿命和稳定性；采用二极管整流电路，输入侧的功率因数低且不可控，需要配备更大容量的发电机。
目前，三相-单相矩阵变换器，主要用于小型同步发电机、开关电源、电气铁道辅机系统和其他需要单相交流电源的场合，输出仅为单一的正弦交流电，且在地球物理电磁探测方面暂无应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，解决现有瞬变电磁发射系统调制系统结构复杂的问题。
本发明是这样实现的，一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射系统调制系统，该系统包括：三相电源、输入滤波器和矩阵变换器；所述输入滤波器为三组LC滤波器分别与三相电源的输出端连接，所述矩阵变换器为三相-单相矩阵变换器，由6个双向开关形成的三组桥臂构成，每两个双向开关为一组桥臂通过中间端分别与一组LC滤波器的输出连接，矩阵变换器所连接的负载是电感与电阻，分别代表瞬变电磁发射系统负载长导线与接地阻抗，采用三相-单相矩阵变换器直接交交变换的方式用于瞬变电磁发射，采用基于输入电流的空间矢量调制方法，选择对应的开关矢量。
进一步地，每个双向开关包括两个IGBT和两个二极管，两个IGBT共发射极形式或共基级形式，两个二极管反向分别并联在两个IGBT上。
进一步地，双向开关的导通状态用开关矢量表示，包括有10种开关矢量，其中6种非零矢量和4种零矢量。
进一步地，所述10个开关矢量对应8种输出状态，包括开路、短路和6种输出线电压。
进一步地，所述开路对应所有开关管都关断的状态，对应1种零矢量，用于输出电流为零的阶段。
进一步地，所述短路对应三个桥臂分别导通的情况，对应3种零矢量，用于输出电压为零，负载电感续流的状态。
进一步地，所述6种输出线电压为电压uab、电压uac、电压ubc、电压uba、电压uca、电压ucb，其中三相电源中的三相分别用a、b、c表示，uab、uac、ubc、uba、uca、ucb分别对应6种非零矢量，用于发射电流产生一次场阶段。
进一步地，根据三相-单相矩阵变换器的拓扑结构，将负载电感和电阻作为电流源，根据三相-单相矩阵变换器的数学模型，得到三相输入电流表示为，
Sa,Sb,以及Sc分别表示三相的开关函数，
参考电流空间矢量表示为，
由式(1)和(2)可得，
Iref是参考电流空间矢量，θ是其对应扇区的相对角度，参考电流矢量Iref由两个非零矢量和零矢量合成得到，并得到每个矢量的作用时间，m为调制比，取值为：0<m≤0.866，Ts为采样周期，
得到t1与t2表示非零矢量的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，θ是其对应扇区的相对角度，m为调制比，取值为：0<m≤0.866，Ts为采样周期。
进一步地，矩阵变换器的输出电流波形为50％占空比的双极性方波。
进一步地，所述矩阵变换器的输出电流具体为：
式中I为发射电流的目标值；一个周期内有8个阶段：输出电流反向降低(0,t0)，0(t0,T/4)，正向上升(T/4,t1)，正向稳流(t1,T/2)，正向降低(T/2,t2)，0(t2,3T/4)，反向上升(3T/4,t3)和反向稳流(t3,T)。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
(1)采用三相-单相矩阵变换器直接交-交变换结构代替传统瞬变电磁发射系统的交-直-交结构，简化系统结构，提高集成度，增加系统稳定性。
(2)去除传统瞬变电磁发射系统中直流环节的大电容,减小系统的体积和质量，提高了系统的功率密度、使用寿命和稳定性。
(3)采用三相-单相矩阵变换器功率因数可调节方案，最大可达到单位功率因数，提高了发射系统的功率因数。
与传统三相-单相矩阵变换器正弦输出不同，基于该三相-单相矩阵变换器的发射机发出50％占空比的双极性脉冲电流，拓展了三相-单相矩阵变换器的输出形式与应用领域，也是电力电子变换与地球物理探测结合的新探索。
附图说明
图1是瞬变电磁探测的基本工作原理，图1(a)为发射机发出双极性脉冲电流，图1(b)为接收机接收到衰减的二次感应场信号，图1(c)脉冲电流切断期间接收信号；
图2是常见瞬变电磁发射系统主电路；
图3是本发明基于矩阵变换器的瞬变电磁发射系统拓扑结构；
图4是本发明基于三相-单相矩阵变换器的瞬变电磁发射系统等效电路；
图5是瞬变电磁发射系统实际输出电流波形；
图6是本发明三相-单相矩阵变换器电流空间矢量；
图7是本发明输出频率为25Hz时仿真波形；
图8是本发明输出频率为12.5Hz时仿真波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本发明提出基于三相-单相矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，参照图3，本发明基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统拓扑结构，是由三相电源、输入滤波器、矩阵变换器组成的主电路和负载所组成。三相电源的三相电压分别用ua、ub和uc表示，输出端正负极分别用up和un表示。所述输入滤波器为三组LC滤波器分别与三相电源的输出端连接，瞬变电磁发射系统输出电流的频率一般不超过25Hz，而矩阵变换器的开关频率在几千赫兹，LC滤波器用于滤除输入电流的高次谐波。矩阵变换器为三相-单相矩阵变换器，由6个双向开关S1、双向开关S2、双向开关S3、双向开关S4、双向开关S5和双向开关S6构成，每个双向开关包括2个反向串联的IGBT和2个二极管。6个双向开关形成的三组桥臂构成，每两个双向开关为一组桥臂通过中间端分别与一组LC滤波器的输出连接，本发明不限于图3中采用的共发射极形式，除此之外还可采用共基级形式。矩阵变换器所连接的负载是电感L与电阻R，分别代表瞬变电磁发射系统负载长导线与接地阻抗。本发明上述的结构采用三相-单相矩阵变换器直接交交变换的方式用于瞬变电磁发射，采用基于输入电流的空间矢量调制方法，选择对应的开关矢量。
忽略输入滤波器的影响，三相-单相矩阵变换器的数学模型方程式如下，
结合式(a)和式(b)可以得到输出电流的表达式
由式(c)可以求出输出电流iout.
根据三相-单相矩阵变换器的拓扑结构，其输入为三相电压源，而输出是阻感负载，等效为电流源，因此输入三相之间不能发生短路，而输出侧不能出现断路，输出电压只能选择6种输入线电压的一种，由此可以得到10种开关矢量状态根据三相-单相矩阵变换器的数学模型，得到三相输入电流表示为，
Sa,Sb,以及Sc分别表示三相的开关函数，iout指的就是输出电流。输出电流见下面的解释：
当a相导通时，Sa就为1，反之则为0，此时输出电流ia＝iout；
当b相导通时，Sb就为1，反之则为0，此时输出电流ib＝iout；
当c相导通时，Sc就为1，反之则为0，此时输出电流ic＝iout。
参考电流空间矢量表示为，
由式(1)和(2)可得，
Iref是参考电流空间矢量，参考电流空间矢量Iref由两个非零矢量和零矢量合成得到，并得到每个矢量的作用时间，
得到t1与t2表示非零矢量的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，θ是参考电流空间矢量对应扇区的相对角度(见图6)，m为调制比，取值为：0<m≤0.866，Ts为采样周期。
矩阵变换器的输出电流具体为：
式中I为发射电流的目标值；一个周期内有8个阶段：输出电流反向降低(0,t0)，0(t0,T/4)，正向上升(T/4,t1)，正向稳流(t1,T/2)，正向降低(T/2,t2)，0(t2,3T/4)，反向上升(3T/4,t3)和反向稳流(t3,T)。
本发明的表1如图下所示，
表1.三相-单相矩阵变换器10开关矢量
由表1可以看出，三相-单相矩阵变换器的10种开关矢量中，有4种零矢量，分别是矢量0、7、8、9，矢量1-6为非零矢量。非零矢量是向负载电感电阻进行充电或者放电，实现电流控制。零矢量分为两种，矢量7、8、9为负载电感提供续流通道，而矢量0则是矩阵变换器初始状态，在交流驱动的应用中一般不使用。但是在本发明的瞬变电磁发射系统中，由图1可知，其输出电流存在0的阶段，需要使用矢量0。
结合表1可以看出，基于三相-单相矩阵变换器的瞬变电磁发射系统可以简化为如图4所示的等效电路，其输出包括8种状态，分别是开路、短路、6种输入线电压。所述输出开路对应矢量0，所述输出短路对应矢量7、8、9，所述6种输入线电压对应矢量1、2、3、4、5、6。
结合瞬变电磁探测的需要，本发明采用基于输入电流的空间矢量调制算法，三相-单相矩阵变换器的电流空间矢量由两个非零矢量和一个零矢量构成，包含6个扇区，其中θi为输入电流空间矢量的相位，如图6所示。
为了验证本发明调制方法的有效性，表2给出了本发明仿真的参数设置，但本发明不限于此。以图1的占空比为50％的双极性方波电流信号为参考信号，输出频率为25Hz与12.5Hz时的仿真波形如图7和图8所示。
表2.基于三相-单相矩阵变换器的瞬变电磁发射系统仿真参数
| 参数 | 值 |
| 输入线电压有效值 | 380V |
| 输入电压频率 | 50Hz |
| 负载电阻R | 15Ω |
| 负载电感L | 5mH |
| 输入滤波器电感Lf | 1mH |
| 输入滤波器电容Cf | 20μF |
| 控制频率 | 10kHz |
由图7和图8的仿真波形可以看出，基于矩阵变换器的新型瞬变电磁发射系统可以实现探测仪器所需要的发射波形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，该系统包括：三相电源、输入滤波器和矩阵变换器；所述输入滤波器为三组LC滤波器分别与三相电源的输出端连接，所述矩阵变换器为三相-单相矩阵变换器，由6个双向开关形成的三组桥臂构成，每两个双向开关为一组桥臂通过中间端分别与一组LC滤波器的输出连接，矩阵变换器所连接的负载是电感与电阻，分别代表瞬变电磁发射系统负载长导线与接地阻抗，采用三相-单相矩阵变换器直接交交变换的方式用于瞬变电磁发射，采用基于输入电流的空间矢量调制方法，选择对应的开关矢量。
2.按照权利要求1所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，每个双向开关包括两个IGBT和两个二极管，两个IGBT共发射极形式或共基级形式，两个二极管反向分别并联在两个IGBT上。
3.按照权利要求1或2所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，双向开关的导通状态用开关矢量表示，包括有10种开关矢量，其中6种非零矢量和4种零矢量。
4.按照权利要求3所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，所述10个开关矢量对应8种输出状态，包括开路、短路和6种输出线电压。
5.按照权利要求4所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，所述开路对应所有开关管都关断的状态，对应1种零矢量，用于输出电流为零的阶段。
6.按照权利要求4所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，所述短路对应三个桥臂分别导通的情况，对应3种零矢量，用于输出电压为零，负载电感续流的状态。
7.按照权利要求4所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，所述6种输出线电压为电压uab、电压uac、电压ubc、电压uba、电压uca、电压ucb，其中三相电源中的三相分别用a、b、c表示，uab、uac、ubc、uba、uca、ucb分别对应6种非零矢量，用于发射电流产生一次场阶段。
8.按照权利要求4所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，根据三相-单相矩阵变换器的拓扑结构，将负载电感和电阻作为电流源，根据三相-单相矩阵变换器的数学模型，得到三相输入电流表示为，
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<mn>4</mn>
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</mrow>
得到t1与t2表示非零矢量的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，θ是参考电流空间矢量对应扇区的相对角度；m为调制比，取值为：0<m≤0.866，Ts为采样周期。
9.按照权利要求1所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，矩阵变换器的输出电流波形为50％占空比的双极性方波。
10.根据权利要求9所述的基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，其特征在于，所述矩阵变换器的输出电流具体为：
<mrow>
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</mrow>
式中I为发射电流的目标值；一个周期内有8个阶段：输出电流反向降低(0,t0)，0(t0,T/4)，正向上升(T/4,t1)，正向稳流(t1,T/2)，正向降低(T/2,t2)，0(t2,3T/4)，反向上升(3T/4,t3)和反向稳流(t3,T)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710719322.5A CN107508470A (zh) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | 一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统 |
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|---|---|---|---|
| CN201710719322.5A CN107508470A (zh) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | 一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统 |
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| CN107508470A true CN107508470A (zh) | 2017-12-22 |
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111293893A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-16 | 湖南人文科技学院 | 三相模块化隔离矩阵变换器拓扑结构 |
-
2017
- 2017-08-21 CN CN201710719322.5A patent/CN107508470A/zh active Pending
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| LI GANG 等: "A Novel Algorithm for Space Vector Modulated Two-stage Matrix Converter", 《2008 INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRICAL MACHINES AND SYSTEMS》 * |
| LI GANG 等: "Control of three phases-single phase matrix converter for transient electromagnetic sounding", 《2014 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRICAL MACHINES AND SYSTEMS(ICEMS)》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111293893A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-16 | 湖南人文科技学院 | 三相模块化隔离矩阵变换器拓扑结构 |
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