CN108717500A - 考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，包括：步骤A：根据发射系统的结构，确定发射系统的等效模型；步骤B：对等效模型中的杂散电感的杂散参数进行提取；步骤C：利用提取的杂散电感创建互连线的等效电路；以及步骤D：对等效电路进行变频扫描分析，计算出等效电路的等效特性曲线。本公开提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法将杂散参数引入发射系统模型中，这是传统发射系统模型所不具备的，本公开提供的建模分析方法可以准确模拟出发射系统关断波形以及关断早期振荡现象。
Description
技术领域
本公开涉及多匝小线圈电磁发射系统的系统杂散分析技术领域，尤其涉及一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法。
背景技术
瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM(Transient Electromagnetic)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。该方法可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。瞬变电磁勘探技术在发射线圈尺寸上可以分为两类，一类为周径达百米以上的单匝大线圈，多应用于较为平坦开阔的地面环境中，一类为周径在几米到几十米之间的多匝小线圈，多用于航空瞬变电磁勘探中，在一些空间狭小、交通不便的地面勘探和隧道勘探中也有广泛应用。
在使用多匝小线圈的瞬变电磁勘探系统中，随着发射线圈匝数的增加，线圈负载的等效电感也会变大，电感量的变大会延长发射电流的关断时间，而关断所占用的时间正是二次场回波有效观测时间，所以关断时间的长度与关断波形的成分与系统的探测有效区范围和探测深度息息相关，这也是影响多匝小线圈瞬变电磁勘探系统能否走向实用的关键因素，然而在长期实践和实验中发现，多匝小线圈的电流关断早期存在严重的电流过冲和高频振荡，而且这一现象广泛存在于各种多匝小线圈瞬变电磁勘探系统中。因此，需要建立一种发射系统模型，对发射系统分布杂散进行模拟并且拟合出关断电流早期振荡，从而为多匝小线圈瞬变电磁发射系统的系统杂散分析和相关仿真研究提供有力支持。
然而在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，目前现有技术中的发射系统模型都把系统中的电力开关管和集总线结构当做理想器件来处理，但是实际中的硬件和软件系统都是非理想的，如功率开关器件开通和关断过程是需要经历时间的，且存在电磁损耗；连接件和接头上存在分布杂散参数，信号处理过程中存在时延和畸变等。这些非理想因素在系统实际运行中都会表现出来，体现在硬软件的各个具体器件和算法的特性参数上，这也导致通过目前存在的发射系统模型无法仿真出实质存在的发射电流关断早期振荡现象。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，以缓解现有技术中的发射系统模型把系统中的电力开关管和集总线结构当做理想器件来处理，导致无法仿真出实质存在的发射电流关断早期振荡现象的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，包括：
步骤A：根据发射系统的结构，确定发射系统的等效模型；
步骤B：对等效模型中的杂散电感的杂散参数进行提取；
步骤C：利用提取的杂散电感创建互连线的等效电路；以及
步骤D：对等效电路进行变频扫描分析，计算出等效电路的等效特性曲线。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括：步骤B1：提取独立无源器件的杂散参数；以及步骤B2：提取分布式线上的杂散参数。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B2包括：步骤B21：在等效模型的外围设置屏蔽罩；步骤B22：对屏蔽罩内的空间进行单元划分；步骤B23：根据单元划分结果以及线路的形状、尺寸和材料属性在三维坐标系内建立几何模型；步骤B24：针对等效模型的电流分布情况，依据趋肤效应和邻近效应的原理，对几何模型进行网络剖分；以及步骤B25：根据麦克斯韦方程对各个单元分布电阻、分布电感和分布电容的关系列出方程，并联立计算，提取模型的杂散参数。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B22包括：步骤B22a：选择不低于关断瞬时频率的最高工作频率，其中关断瞬时频率满足下式：
其中，foff为关断瞬时频率，Toff[％]是指关断电流下降到关断前的5％的时刻，Toff[100％]是指关断时刻；
步骤B22b：确定最长单元尺寸d，使d满足下式：
d<0.01λ
其中，fmax为最高工作频率，c为真空中电磁波的传播速度；
步骤B22c：根据最长单元尺寸对屏蔽罩内所有空间进行单元划分，将不同电路拓补位置作为划分节点；
步骤B22d：将划分的单元进行单元分类；
其中，包含等效模型的单元记为计算单元，包含屏蔽罩的单元记为接地单元。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B22c中：以包括所有拓补节点在内的空间等间距点为中心，与空间各个方向上相临近的中心点相连，通过这些连线组成的平面把空间进行单元划分。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B24包括：依据下式计算趋肤深度δ：
其中，μ为材料磁导率、σ为材料电导率。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B25中，计算的结果表示为基于各个单元格的RLC矩阵。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中，利用所述步骤B25计算得到的RLC矩阵，创建互联线的等效电路；其中，每个所述计算单元的等效电路为一个T型平衡电路。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中：将瞬变电磁发射系统中的各部分元件等效为对应的RLC器件；其中所述瞬变电磁发射系统中的各部分元件包括：IGBT杂散电感、母排杂散电感、总线杂散电感、线圈等效电感。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B21中，所述屏蔽罩依据等效模型三维尺寸、形状和材料设置；其中，所述屏蔽罩为长方体铜箔屏蔽罩；和/或所述屏蔽罩的厚度不小于0.01mm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开将杂散参数引入发射系统模型中，这是传统发射系统模型所不具备的，本公开提供的建模分析方法可以准确模拟出发射系统关断波形以及关断早期振荡现象；
(2)本公开提供的建模分析方法一定程度上改进了瞬变电磁发射系统的短时间尺度分析理论，为深入探究瞬变电磁发射早期振荡以及解决关断振荡问题提供了理论依据；
(3)本公开提出了一套针对瞬变电磁发射系统线路杂散参数的提取方法，比传统提取方法成本低、效率高、结果相对精确，是一种更为实用的提取方法。
附图说明
图1为本公开实施例提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法的流程示意图。
图2为本公开实施例提供的建模分析方法中杂散参数提取过程中对待测线路进行单元划分的效果图。
图3为本公开实施例提供的建模分析方法中杂散参数提取过程中计算出的单元等效电路。
图4为本公开实施例提供的一瞬变电磁发射系统主电路拓扑结构图。
图5为图4中所示的瞬变电磁发射系统的等效模型电路图。
图6为利用本公开实施例提供的建模分析方法模拟关断电流效果对比图。
图7为图6中所示的模拟关断电流效果对比图在另一时间尺度下的效果图。
具体实施方式
本公开实施例提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法中，首先依据发射电路结构建立模型的基础框架，再根据关断振荡现象以及杂散电感相关理论分析并估算各部分杂散参数，再把杂散参数引入模型适当位置，最后根据仿真与实际的拟合精确调整杂散参数，从而可以准确模拟出发射系统关断波形以及关断早期振荡现象。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法的流程示意图。
本公开实施例提供一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，如图1所示，包括：
步骤A：根据发射系统的结构，确定发射系统的等效模型；
步骤B：对等效模型中的杂散电感的杂散参数进行提取；
步骤C：利用提取的杂散电感创建互连线的等效电路；以及
步骤D：对等效电路进行变频扫描分析，计算出等效电路的等效特性曲线。
在本公开的一些实施例中，步骤A中：将瞬变电磁发射系统中的各部分元件等效为对应的RLC器件，建立发射系统的等效电路模型；其中瞬变电磁发射系统中的各部分元件包括：IGBT杂散电感、母排杂散电感、总线杂散电感、线圈等效电感。
在本公开的一些实施例中，步骤B包括：步骤B1：提取独立无源器件的杂散参数，该步骤B1包括：参照该独立无源器件的元器件手册中的时频特性曲线，选取对应本等效模型工作频率的器件杂散特性并计算其参数。
图2为本公开实施例提供的建模分析方法中杂散参数提取过程中对待测线路进行单元划分的效果图。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B还包括：步骤B2：提取分布式线上的杂散参数，其中，步骤B2包括：
步骤B21：在等效模型的外围设置屏蔽罩；步骤B22：对屏蔽罩内的空间进行单元划分；步骤B23：根据单元划分结果以及线路(等效模型中的电路线路)的形状、尺寸和材料属性在三维坐标系内建立几何模型；步骤B24：针对等效模型的电流分布情况，依据趋肤效应和邻近效应的原理，对几何模型进行网络剖分；以及步骤B25：根据麦克斯韦方程对各个单元分布电阻、分布电感和分布电容的关系列出方程，并联立计算，提取模型的杂散参数。
此处需要补充说明的是，在等效模型的外围设置屏蔽罩的目的是为了消除等效模型周围空间中的电磁波对于等效模型的干扰，此处设置屏蔽罩的操作可在仿真软件中实现。
在本公开的一些实施例中，步骤B21中，屏蔽罩依据等效模型三维尺寸、形状和材料设置；其中，屏蔽罩为长方体铜箔屏蔽罩；和/或屏蔽罩的厚度不小于0.01mm。
铜箔屏蔽层的主要作用是屏蔽外围电磁场干扰，同时也能够限制等效模型能量辐射到远场空间。整个铜箔屏蔽层与线路铜排结构不能直接接触，因此固定时应当通过绝缘体将待测线路的四角着力点与铜箔屏蔽罩相连，铜箔屏蔽层在等效模型中充当“地线”，与测量仪器的地线相连。
在本公开的一些实施例中，步骤B22包括：
步骤B22a：选择不低于关断瞬时频率的最高工作频率，对于小功率瞬变电磁发射系统，其杂散影响主要体现在其关断早期，因此最高工作频率fmax的选取应参考本系统的关断瞬时频率，其中关断瞬时频率满足下式：
其中，foff为关断瞬时频率，Toff[％]是指关断电流下降到关断前的5％的时刻，此时可以认为关断已经结束，Toff[100％]是指关断时刻。
步骤B22b：确定最长单元尺寸d，使d满足下式：
d<0.01λ
其中，fmax为最高工作频率，c为真空中电磁波的传播速度。
步骤B22c：根据最长单元尺寸对屏蔽罩内所有空间进行单元划分，将不同电路拓补位置作为划分节点，单元划分应尽量使各部分单元形状规整，成分单一，便于分布电感和分布电容的计算。并且假设单元格内，物理量是定值。在等效模型中，单元划分的目的是实现电流的不均匀分布，因此单元划分的重要原则是把电路的不同拓补位置分开，对于铜排母线来说，就是把线路的各个棱角、朝向、内外侧分隔开。
在本公开的一些实施例中，步骤B22c中，一种有效地分割方法是：以包括所有拓补节点在内的空间等间距点为中心，与空间各个方向上相临近的中心点相连，通过这些连线组成的平面把空间进行单元划分。
步骤B22d：将划分的单元进行单元分类；其中，包含等效模型的单元记为计算单元，包含屏蔽罩的单元记为接地单元，单元分类的目的是确定电磁场计算时激励源的来源，在本模型中，应依据电流流向给所有的计算单元设置合理的施加电流源。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B23中：几何模型包含等效模型和屏蔽罩及屏蔽罩内的所有空间；几何模型的建立可借助合适的有限元分析软件，本等效模型建议采用美国ANSYS公司研制的Ansys 17.0。
在本公开的一些实施例中，步骤B24包括：依据下式计算趋肤深度δ：
其中，μ为材料磁导率、σ为材料电导率。
在本公开的一些实施例中，步骤B25中，计算的结果表示为基于各个单元格的RLC矩阵。
图3为本公开实施例提供的建模分析方法中杂散参数提取过程中计算出的单元等效电路。
在本公开的一些实施例中，步骤C中，利用步骤B25计算得到的RLC矩阵，创建互联线的等效电路；其中，每个计算单元的等效电路为一个T型平衡电路。
T型电路是一个对称结构，其两端各为计算分布电感和分布电阻的一半，而分布电容在电路中点引出。而两个计算单元之间的分布电容则跨接于两个T型电路的中点之间。
在本公开实施例提供的建模分析方法中，T型电路阵列应在合适的电路仿真软件中建立，本实施例采用PSpice软件。
在本公开的一些实施例中，步骤D中，变频扫描分析范围应包含全部低频段(1至500Hz)，仿真与实测存在可接受的幅值和相位的相对误差。
以下进一步说明本公开的应用实例：
图4为本公开实施例提供的一瞬变电磁发射系统主电路拓扑结构图。
如图4所示，该瞬变电磁发射系统的主体构成，主要包括：电源电路、IGBT逆变发射桥路、IGBT驱动模块电路、无源恒压钳位电路、控制电路、固定负载、电流过冲抑制电路、负载发射线圈。
其中，电源电路为恒压源，由蓄电池串联而成。
其中，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)逆变发射桥路为4个绝缘栅双极型晶体管组成的H桥电路。通过控制IGBT的导通和关断实现发射电流脉冲的产生。
其中，IGBT驱动模块电路用于增强IGBT驱动控制信号的驱动能力。
其中，无源恒压钳位电路由多个稳压二极管串联组成，产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断。
其中，控制电路为发射机的控制核心，为发射电流的产生和过冲抑制提供时序逻辑，其功能是控制发射电流的脉冲重复频率，以及控制发射电流上升沿的作用时间和控制过冲抑制电路的作用时间。
其中，固定负载由一组阻尼电阻组成。
其中，过冲抑制电路由1个IGBT和一个RCD缓冲电路组成。当发射电流过零时，为电感提供能量泄放通路，将电感上的电流过冲通过缓冲电阻存储在缓冲电容中，再由缓冲电容释放到负载，实现消除电流振荡而不损失过多能量的目的。
图5为图4中所示的瞬变电磁发射系统的等效模型电路图。
该等效模型将发射系统中电源电路及钳位电路简化并等效替代，考虑瞬变电磁发射系统各部分杂散参数并等效为对应RLC器件，包括IGBT杂散电感、母排杂散电感、总线杂散电感、线圈等效电感等。
其中，VDC为电源电路等效直流源，R_INTER为其等效内阻。
其中，Q1～Q4为组成逆变桥路的IGBT。
其中，L_IGBT为IGBT杂散电感，包括IGBT自身寄生电感和续流二极管杂散电感。
其中，L_LINE为发射电路与负载线圈之间连接线的杂散电感。
其中，L_BUS为分布在逆变桥路及其与各部分连接处的母排和总线杂散电感。
其中，R_COIL为负载等效电阻、L_COIL为负载等效电感、C_DIS为负载线圈等效分布电容，以上三者构成多匝小线圈的等效模型。
其中，R_BUF为负载线圈的等效电阻。
其中，VZD为无源恒压钳位电路的等效直流源，RZ为其等效内阻，C_ZD为其等效电感。
图6为利用本公开实施例提供的建模分析方法模拟关断电流效果对比图。图7为图6中所示的模拟关断电流效果对比图在另一时间尺度下的效果图。
采用本公开实施例提供的建模分析方法对图5中所示的瞬变电磁发射系统的等效模型进行分析后，输出如图5至图6所示的关断电流效果对比图，准确模拟出发射系统关断波形以及关断早期振荡现象，为深入探究瞬变电磁发射早期振荡以及解决关断振荡问题提供了理论依据。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)H桥逆变电路中的IGBT可以由金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)或者可控硅(siliconcontrolled rectifier，SCR)开关替换，只需相应的改变触发信号的形式；
(2)杂散参数提取过程中使用的有限元分析软件不限，可以是任何同类型软件。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法依据发射电路结构建立模型的基础框架，分析并估算各部分杂散参数，再把杂散参数引入模型适当位置，从而可以准确模拟出发射系统关断波形以及关断早期振荡现象，为深入探究瞬变电磁发射早期振荡以及解决关断振荡问题提供了理论依据。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，包括：
步骤A：根据发射系统的结构，确定发射系统的等效模型；
步骤B：对等效模型中的杂散电感的杂散参数进行提取；
步骤C：利用提取的杂散电感创建互连线的等效电路；以及
步骤D：对等效电路进行变频扫描分析，计算出等效电路的等效特性曲线。
2.根据权利要求1所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B包括：
步骤B1：提取独立无源器件的杂散参数；以及
步骤B2：提取分布式线上的杂散参数。
3.根据权利要求2所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B2包括：
步骤B21：在等效模型的外围设置屏蔽罩；
步骤B22：对屏蔽罩内的空间进行单元划分；
步骤B23：根据单元划分结果以及线路的形状、尺寸和材料属性在三维坐标系内建立几何模型；
步骤B24：针对等效模型的电流分布情况，依据趋肤效应和邻近效应的原理，对几何模型进行网络剖分；以及
步骤B25：根据麦克斯韦方程对各个单元分布电阻、分布电感和分布电容的关系列出方程，并联立计算，提取模型的杂散参数。
4.根据权利要求3所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B22包括：
步骤B22a：选择不低于关断瞬时频率的最高工作频率，其中关断瞬时频率满足下式：
其中，foff为关断瞬时频率，Toff[5％]是指关断电流下降到关断前的5％的时刻，Toff[100％]是指关断时刻；
步骤B22b：确定最长单元尺寸d，使d满足下式：
d<0.01λ
其中，fmax为最高工作频率，c为真空中电磁波的传播速度；
步骤B22c：根据最长单元尺寸对屏蔽罩内所有空间进行单元划分，将不同电路拓补位置作为划分节点；
步骤B22d：将划分的单元进行单元分类；
其中，包含等效模型的单元记为计算单元，包含屏蔽罩的单元记为接地单元。
5.根据权利要求4所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B22c中：
以包括所有拓补节点在内的空间等间距点为中心，与空间各个方向上相临近的中心点相连，通过这些连线组成的平面把空间进行单元划分。
6.根据权利要求3所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B24包括：依据下式计算趋肤深度δ：
其中，μ为材料磁导率、σ为材料电导率。
7.根据权利要求4所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B25中，计算的结果表示为基于各个单元格的RLC矩阵。
8.根据权利要求7所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤C中，利用所述步骤B25计算得到的RLC矩阵，创建互联线的等效电路；
其中，每个所述计算单元的等效电路为一个T型平衡电路。
9.根据权利要求1所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤A中：将瞬变电磁发射系统中的各部分元件等效为对应的RLC器件；
其中所述瞬变电磁发射系统中的各部分元件包括：IGBT杂散电感、母排杂散电感、总线杂散电感、线圈等效电感。
10.根据权利要求3所述的考虑杂散参数的瞬变电磁发射系统建模分析方法，所述步骤B21中，所述屏蔽罩依据等效模型三维尺寸、形状和材料设置；
其中，所述屏蔽罩为长方体铜箔屏蔽罩；和/或
所述屏蔽罩的厚度不小于0.01mm。
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