CN114859426A - 一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法，系统中工频整流模块将发电机发出的交流电整流为直流电。串联协调控制模块控制串联高频DCDC模块，将整流得到的直流电转换并跟随给定参考值电压，并与电容储能模块、假负载模块一同抑制电压波动。协同发射模块从授时模块获得GPS/北斗授时，控制假负载模块与三电平发射模块在指令时刻切换工作。三电平发射模块消除传统多电平发射电路的台阶时间，提高动态响应速度，串联协调控制模块、电容储能模块、假负载模块及协同发射模块共同工作，减少了发射电压暂态波动，提高了发射波形的频率。

Description

一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电磁探测发射机系统领域，具体涉及一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法。
背景技术
当前全球资源开发已经由地球浅表层向更深处进行，需要对更深地层进行地质探测。常用的探测方法主要有物理探测法、化学探测法和遥感技术。在所有探测方法中，最常用的是物理探测法，电磁勘探法是物理探测法的常用方法。电磁法勘探法可以根据其响应的类型，可分为时域电磁法与频域电磁法。
目前工程上应用的电磁发射机主要分为两大类，第一类是采用低压蓄电池，通过升压电路将电压升高，使得发射机输出电压达到上百伏，这类发射机属于中小功率类型的发射机。这种发射机功率小，不适合深地探测。用于深地探测的发射机需要上千伏电压，并有较大功率输出能力，一般采用多电平发射电路。由于大功率发射机需要快速而巨大的能量切换以产生较强的大地电磁感应，传统大功率发射机，多电平切换需要台阶时间，切换速度慢。快速而巨大的能量切换使得发射机电压波动大，稳定时间长，造成发射波形变形，输出高频信号能力差，一次干扰大，电磁探测精度不高，很难实现对深地弱信号探测。
因此需要一种适应深地探测的具有高动态响应能力、能快速抑制发射电压暂态波动、能提高发射波形频率的大功率发射机系统。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法，起具有高动态响应能力、能快速抑制发射电压暂态波动、能提高发射波形频率的大功率发射机系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统及其控制方法，包括依次电性连接的发电机、工频整流模块、串联高频DCDC模块、电容储能模块、假负载模块以及三电平发射模；
所述发电机输出三相交流电用于给整个系统供电；
所述工频整流模块电性连接发电机，用于将发电机的三相交流电进行整流并输出直流电；
所述串联高频DCDC模块在其连接的串联协调控制模块的控制下，将工频整流模块输出的直流电进行升压或者降压处理，得到给定参考值电压；
所述电容储能模块用于存储串联高频DCDC模块输出的电能；
所述假负载模块用于配合三电平发射模块电平切换；
所述三电平发射模块用于发射三电平波形；
假负载模块和三电平发射模块电性连接有协同发射模块，协同发射模块向假负载模块和三电平发射模块中的二极管分别输出指令；
所述协同发射模块连接有向其提供GPS/北斗授时的授时模块。
优选地，所述工频整流模块包括与发电机三相输出端电性连接的电感，电感连接三相整流桥，三相整流桥输出端并联电容C5，将发电机输出交流电转换为直流电。
优选地，所述串联高频DCDC模块包括若干个高频DCDC模块，所述高频DCDC模块输入端分别电性连接电容C5两端，所述高频DCDC模块的输出端分别与对应的电容储能模块中电容的两端电性连接；
所述串联协调控制模块分别与各个高频DCDC模块电性连接，用于向各个高频DCDC模块中的二极管分别输出指令。
优选地，所述高频DCDC模块包括由四个二极管组成的H桥逆变电路以及与H桥逆变电路依次电性相连的高频变压器T、单相整流桥、LC滤波器以及电容C。
优选地，所述电容存能模块包括四个串联在一起的电容C1、C2、C3以及C4。
优选地，所述假负载模块包括二极管钳位型三电平桥臂，所述三电平桥臂设有VT5、 VT6、VT7、VT8四个串联在一起的二极管；所述三电平桥臂两端分别与电容存能模块的两端电性连接；
VT5、VT6两个二极管的连接中点以及VT7、VT8两个二极管的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3连接中点相连，VT6、VT7两个二极管的连接中点与三电平桥臂下端之间连接有电阻负载。
优选地，所述三电平发射模块包括由两个二极管钳位型三电平桥臂组成的H桥结构，
两个三电平桥臂的上下两端分别与假负载模块的上下两端电性连接；
左侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT9、VT10、VT11、VT12；
右侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT13、VT14、VT15、VT16；
二极管VT9与VT10的连接中点、二极管VT11与VT12的连接中点、二极管VT13与VT14的连接中点、二极管VT15与VT16的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3 的连接中点相连，二极管VT10、VT11的连接中点连接电极板A，二极管VT14、VT15的连接中点连接电极板B，电极板A、电极板B分别接地连接。
本发明还提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的控制方法，该系统设置四个高频DCDC模块，包括如下步骤：
步骤A1：分别采集4个高频DCDC模块输出端的电压Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4与电流值Idc1、Idc2、Idc3、Idc4；
步骤A2：将Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4相加为Vdc，即Vdc＝Vdc1+Vdc2+Vdc3+Vdc4；
步骤A3：将给定参考值电压
Figure BDA0003605276950000031
的值减去Vdc，即误差
Figure BDA0003605276950000032
再将误差值e1输入PI调节器，得出电流给定值
Figure BDA0003605276950000033
步骤A4：将4个高频DCDC模块输出端的电压和值Vdc除以电阻负载的阻值，并与三电平发射电流Iout做差，即：e2＝Iout-Vdc/R；
步骤A5：将步骤A4得出来的差值与经PI调节后得出来的电流给定值
Figure BDA0003605276950000034
做和计算，即
Figure BDA0003605276950000035
步骤A6：计算4个高频DCDC模块输出端的电压的平均电压，然后分别与每一个模块电压做差，即
Figure BDA0003605276950000036
(i＝1，2，3，4)，并于每一个高频DCDC模块做P调节，分别得出4个高频DCDC模块的偏差值ΔD1、ΔD2、ΔD3和ΔD4；
步骤A7：将步骤A5得出来的和值e3与步骤A6得出来的误差值ΔDi(i＝1，2，3，4) 分别做和，即e5i＝e3+ΔDi(i＝1，2，3，4)；
步骤A8：将步骤A7得出来的和值e5i与高频DCDC模块i输出的电流值Iouti分别做差，即e6i＝e5i-Iouti(i＝1，2，3，4)，经PI调节器得到控制信号Di(i＝1，2，3，4)；
步骤A9：控制信号Di(i＝1，2，3，4)分别与三角波Bi比较，三角波Bi分别相差T/4 三角波周期，实现载波移相调制并生成4个高频DCDC模块的开关信号Si，故此控制高频 DCDC模块i产生的电压Vdci与电流Iouti。
本发明还提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的协同发射方法，包括如下步骤：
步骤B1：接收授时模块信息；
步骤B2：判断授时模块信息是否到发射时间，否则返回步骤B1，是则进入步骤B3；
步骤B3：开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；
步骤B4：开通开关管VT5与VT6，接入假负载；
步骤B5：在时间Ts1后开通开关管VT9、VT10、VT15与VT16，使三电平发射模块输出正电压；
步骤B6：开通开关管VT6与VT7，此时假负载处于零电压状态；
步骤B7：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，切出假负载；
步骤B8：在时间Ts2后开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；
步骤B9：开通开关管VT6与VT7，此时假负载为零电压；
步骤B10：在时间Ts3后开通开关管VT5与VT6，假负载接入；
步骤B11：在时间Ts1后开通开关管VT11、VT12、VT13与VT14，使三电平发射模块输出负电压；
步骤B12：开通开关管VT6与VT7，假负载零电压；
步骤B13：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，假负载切出；
步骤B14：选择是否进入下一个周期；是则返回步骤B3，否则结束程序。
本发明的有益效果在于，相比于传统的大功率发射机系统，本方案采用三电平发射模块，消除了传统多电平发射电路的台阶时间，提高了动态响应速度，采用串联协调控制模块、电容储能模块、假负载模块及协同发射模块共同工作，减少了发射电压暂态波动，提高了发射波形的频率。该发射机系统采用模块化结构，还可以大大减少了体积、重量，有利于野外运输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的电路连接图；
图2为本发明实施例提供的发射机系统的串联协调控制方法图；
图3为本发明实施例提供的发射机系统的协同发射方法图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种适应深地探测的大功率瞬变电磁探测发射机系统及其控制方法，包括依次电性连接的发电机、工频整流模块、串联高频DCDC模块、电容储能模块、假负载模块以及三电平发射模；
所述发电机输出三相交流电用于给整个系统供电；
所述工频整流模块电性连接发电机，用于将发电机的三相交流电进行整流并输出直流电；
所述串联高频DCDC模块在其连接的串联协调控制模块的控制下，将工频整流模块输出的直流电进行升压或者降压处理，得到给定参考值电压；
所述电容储能模块用于存储串联高频DCDC模块输出的电能；
所述假负载模块用于配合三电平发射模块电平切换；
所述三电平发射模块用于发射三电平波形；
假负载模块和三电平发射模块电性连接有协同发射模块，协同发射模块向假负载模块和三电平发射模块中的二极管分别输出指令；
所述协同发射模块连接有向其提供GPS/北斗授时的授时模块。
所述工频整流模块包括与发电机三相输出端电性连接的电感，电感连接三相整流桥，三相整流桥输出端并联电容C5，将发电机输出交流电转换为直流电。
所述串联高频DCDC模块包括若干个高频DCDC模块，所述高频DCDC模块输入端分别电性连接电容C5两端，所述高频DCDC模块的输出端分别与对应的电容储能模块中电容的两端电性连接；
所述串联协调控制模块分别与各个高频DCDC模块电性连接，用于向各个高频DCDC模块中的二极管分别输出指令。
所述高频DCDC模块包括由四个二极管组成的H桥逆变电路以及与H桥逆变电路依次电性相连的高频变压器T、单相整流桥、LC滤波器以及电容C。
所述电容存能模块包括四个串联在一起的电容C1、C2、C3以及C4。
所述假负载模块包括二极管钳位型三电平桥臂，所述三电平桥臂设有VT5、VT6、VT7、 VT8四个串联在一起的二极管；所述三电平桥臂两端分别与电容存能模块的两端电性连接；
VT5、VT6两个二极管的连接中点以及VT7、VT8两个二极管的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3连接中点相连，VT6、VT7两个二极管的连接中点与三电平桥臂下端之间连接有电阻负载。
所述三电平发射模块包括由两个二极管钳位型三电平桥臂组成的H桥结构，
两个三电平桥臂的上下两端分别与假负载模块的上下两端电性连接；
左侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT9、VT10、VT11、VT12；
右侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT13、VT14、VT15、VT16；二极管VT9与VT10的连接中点、二极管VT11与VT12的连接中点、二极管VT13与VT14 的连接中点、二极管VT15与VT16的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3的连接中点相连，二极管VT10、VT11的连接中点连接电极板A，二极管VT14、VT15的连接中点连接电极板B，电极板A、电极板B分别接地连接。
参见图2，本发明还提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的控制方法，该系统设置四个高频DCDC模块，包括如下步骤：
步骤A1：分别采集4个高频DCDC模块输出端的电压Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4与电流值Idc1、Idc2、Idc3、Idc4；进入步骤A2；
步骤A2：将4个高频DCDC模块输出端的电压Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4相加，其和为Vdc，即Vdc＝Vdc1+Vdc2+Vdc3+Vdc4；进入步骤A3；
步骤A3：将给定参考值电压
Figure BDA0003605276950000061
的值减去4个高频DCDC模块输出端的和值电压Vdc，即误差
Figure BDA0003605276950000062
再将误差值e1输入PI调节器，得出电流给定值
Figure BDA0003605276950000063
进入步骤A4；
步骤A4：将4个高频DCDC模块输出端的电压和值Vdc除以电阻负载的阻值，并与三电平发射电流Iout做差，即：e2＝Iout-Vdc/R；进入步骤A5；
步骤A5：将经步骤A4后得出来的差值与经PI调节后得出来的电流给定值
Figure BDA0003605276950000064
做和计算，即
Figure BDA0003605276950000065
进入步骤A7；
步骤A6：计算4个高频DCDC模块输出端的电压的平均电压，然后分别与每一个模块电压做差，即
Figure BDA0003605276950000066
(i＝1，2，3，4)，并于每一个高频DCDC模块做P调节，得出分别4个高频DCDC模块的偏差值ΔD1、ΔD2、ΔD3和ΔD4；进入步骤A7；
步骤A7：将经步骤A5后得出来的和值e3与经步骤A6后得出来的误差值ΔDi(i＝1，2， 3，4)分别做和，即e5i＝e3+ΔDi(i＝1，2，3，4)；进入步骤A8；
步骤A8：将经步骤A7后得出来的和值e5i与高频DCDC模块i输出的电流值Iouti分别做差，即e6i＝e5i-Iouti(i＝1，2，3，4)，经PI调节器得到控制信号Di(i＝1，2，3，4)；进入步骤A9
步骤A9：控制信号Di(i＝1，2，3，4)分别与三角波Bi比较，三角波Bi分别相差T/4 三角波周期，实现载波移相调制并生成4个高频DCDC模块的开关信号Si，故此控制高频 DCDC模块i产生的电压Vdci与电流Iouti。
参见图3，本发明还提供一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的协同发射方法，包括如下步骤：
步骤B1：接收授时模块信息；进入步骤B2；
步骤B2：判断授时模块信息是否到发射时间，否则返回步骤B1，是则进入步骤B3；
步骤B3：开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；进入步骤B4；
步骤B4：开通开关管VT5与VT6，接入假负载；进入步骤B5；
步骤B5：在时间Ts1后开通开关管VT9、VT10、VT15与VT16，使三电平发射模块输出正电压；进入步骤B6；
步骤B6：开通开关管VT6与VT7，此时假负载处于零电压状态；进入步骤B7；
步骤B7：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，切出假负载；进入步骤B8；
步骤B8：在时间Ts2后开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；进入步骤B9；
步骤B9：开通开关管VT6与VT7，此时假负载为零电压；进入步骤B10；
步骤B10：在时间Ts3后开通开关管VT5与VT6，假负载接入；进入步骤B11；
步骤B11：在时间Ts1后开通开关管VT11、VT12、VT13与VT14，使三电平发射模块输出负电压；进入步骤B12；
步骤B12：开通开关管VT6与VT7，假负载零电压；进入步骤B13；
步骤B13：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，假负载切出；进入步骤B14；
步骤B14：选择是否进入下一个周期；是则返回步骤B3，否则结束程序。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，包括依次电性连接的发电机、工频整流模块、串联高频DCDC模块、电容储能模块、假负载模块以及三电平发射模块；
所述发电机输出三相交流电用于给整个系统供电；
所述工频整流模块电性连接发电机，用于将发电机的三相交流电进行整流并输出直流电；
所述串联高频DCDC模块在其连接的串联协调控制模块的控制下，将工频整流模块输出的直流电进行升压或者降压处理，得到给定参考值电压；
所述电容储能模块用于存储串联高频DCDC模块输出的电能；
所述假负载模块用于配合三电平发射模块电平切换；
所述三电平发射模块用于发射三电平波形；
假负载模块和三电平发射模块电性连接有协同发射模块，协同发射模块向假负载模块和三电平发射模块中的二极管分别输出指令；
所述协同发射模块连接有向其提供GPS/北斗授时的授时模块。
2.如权利要求1所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述工频整流模块包括与发电机三相输出端电性连接的电感，电感连接三相整流桥，三相整流桥输出端并联电容C5，将发电机输出交流电转换为直流电。
3.如权利要求2所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述串联高频DCDC模块包括若干个高频DCDC模块，所述高频DCDC模块输入端分别电性连接电容C5两端，所述高频DCDC模块的输出端分别与对应的电容储能模块中电容的两端电性连接；
所述串联协调控制模块分别与各个高频DCDC模块电性连接，用于向各个高频DCDC模块中的二极管分别输出指令。
4.如权利要求3所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述高频DCDC模块包括由四个二极管组成的H桥逆变电路以及与H桥逆变电路依次电性相连的高频变压器T、单相整流桥、LC滤波器以及电容C。
5.如权利要求4所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述电容存能模块包括四个串联在一起的电容C1、C2、C3以及C4。
6.如权利要求5所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述假负载模块包括二极管钳位型三电平桥臂，所述三电平桥臂设有VT5、VT6、VT7、VT8四个串联在一起的二极管；所述三电平桥臂两端分别与电容存能模块的两端电性连接；
VT5、VT6两个二极管的连接中点以及VT7、VT8两个二极管的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3连接中点相连，VT6、VT7两个二极管的连接中点与三电平桥臂下端之间连接有电阻负载。
7.如权利要求6所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统，其特征在于，所述三电平发射模块包括由两个二极管钳位型三电平桥臂组成的H桥结构，
两个三电平桥臂的上下两端分别与假负载模块的上下两端电性连接；
左侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT9、VT10、VT11、VT12；
右侧的三电平桥臂设四个串联在一起的二极管VT13、VT14、VT15、VT16；
二极管VT9与VT10的连接中点、二极管VT11与VT12的连接中点、二极管VT13与VT14的连接中点、二极管VT15与VT16的连接中点分别与电容存能模块中电容C2、C3的连接中点相连，二极管VT10、VT11的连接中点连接电极板A，二极管VT14、VT15的连接中点连接电极板B，电极板A、电极板B分别接地连接。
8.如权利要求7所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的控制方法，该系统设置四个高频DCDC模块，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A1：分别采集4个高频DCDC模块输出端的电压Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4与电流值Idc1、Idc2、Idc3、Idc4；
步骤A2：将Vdc1、Vdc2、Vdc3、Vdc4相加为Vdc，即Vdc＝Vdc1+Vdc2+Vdc3+Vdc4；
步骤A3：将给定参考值电压
Figure FDA0003605276940000022
的值减去Vdc，即误差
Figure FDA0003605276940000023
再将误差值e1输入PI调节器，得出电流给定值
Figure FDA0003605276940000024
步骤A4：将4个高频DCDC模块输出端的电压和值Vdc除以假负载(电阻负载)的阻值，并与三电平发射电流Iout做差，即：e2＝Iout-Vdc/R；
步骤A5：将步骤A4得出来的差值与经PI调节后得出来的电流给定值
Figure FDA0003605276940000025
做和计算，即
Figure FDA0003605276940000026
步骤A6：计算4个高频DCDC模块输出端的电压的平均电压，然后分别与每一个模块电压做差，即
Figure FDA0003605276940000021
(i＝1，2，3，4)，并于每一个高频DCDC模块做P调节，分别得出4个高频DCDC模块的偏差值ΔD1、ΔD2、ΔD3和ΔD4；
步骤A7：将步骤A5得出来的和值e3与步骤A6得出来的误差值ΔDi(i＝1，2，3，4)分别做和，即e5i＝e3+ΔDi(i＝1，2，3，4)；
步骤A8：将步骤A7得出来的和值e5i与高频DCDC模块i输出的电流值Iouti分别做差，即e6i＝e5i-Iouti(i＝1，2，3，4)，经PI调节器得到控制信号Di(i＝1，2，3，4)；
步骤A9：控制信号Di(i＝1，2，3，4)分别与三角波Bi比较，三角波Bi分别相差T/4三角波周期，实现载波移相调制并生成4个高频DCDC模块的开关信号Si，故此控制高频DCDC模块i产生的电压Vdci与电流Iouti。
9.如权利要求7所述的一种适应深地探测的电磁探测发射机系统的协同发射方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤B1：接收授时模块信息；
步骤B2：判断授时模块信息是否到发射时间，否则返回步骤B1，是则进入步骤B3；
步骤B3：开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；
步骤B4：开通开关管VT5与VT6，接入假负载；
步骤B5：在时间Ts1后开通开关管VT9、VT10、VT15与VT16，使三电平发射模块输出正电压；
步骤B6：开通开关管VT6与VT7，此时假负载处于零电压状态；
步骤B7：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，切出假负载；
步骤B8：在时间Ts2后开通开关管VT10、VT11、VT14与VT15，使三电平发射模块输出零电压；
步骤B9：开通开关管VT6与VT7，此时假负载为零电压；
步骤B10：在时间Ts3后开通开关管VT5与VT6，假负载接入；
步骤B11：在时间Ts1后开通开关管VT11、VT12、VT13与VT14，使三电平发射模块输出负电压；
步骤B12：开通开关管VT6与VT7，假负载零电压；
步骤B13：在时间Ts3后关断开关管VT6与VT7，假负载切出；
步骤B14：选择是否进入下一个周期；是则返回步骤B3，否则结束程序。
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