CN116260473A - 一种用于低频电磁通信的正弦电路实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用于低频电磁通信的正弦电路实现方法，包括：在发射机输出端配置共模电感，降低信号地与大地间产生的高幅值高频共模电压；在发射机发射端与负载端中间，配置波形调制电感，降低输出正弦波的纹波电流。该方法能够实现低频电磁通信中，发射机在各种环境负载下都能输出完整波形，同时提高了正弦波信号的精确度。

Description

一种用于低频电磁通信的正弦电路实现方法

技术领域

本发明涉及电磁通信技术领域，特别涉及一种适用于低频电磁通信的正弦电路实现方法。

背景技术

低频电磁通信系统主要包含了三部分：发射装置系统、接收装置系统和数据处理系统。在起始端通过两个插入地面的电极发射固定波形的电磁波，然后在不同距离的接收端接收电磁信号，再进行电磁信号的数据处理，通过接收到的波形的频率和大小来进行电磁通信。因此，一个固定的电流和波形输出尤其重要。

在电磁通信试验中，正弦波的传递效率是最高的，正弦波在接收端的波形也是最完善的，但在地面传递电磁波的过程中，会受到电阻率、磁导率、极化特性及介电常数的影响，并且发射端的电极在不同环境下电阻值和电感值都不相同，由此造成在不同环境下正弦信号输出不稳定。

发明内容

本公开提供一种正弦电路实现方法，其能够实现在各种环境下保证电磁通信的正弦波精确输出。

本公开提供的用于低频电磁通信的正弦电路实现方法，包括以下步骤：

在发射机输出端配置共模电感，降低信号地与大地间产生的高幅值高频共模电压；

在发射机发射端与负载端中间，配置波形调制电感，降低输出正弦波的纹波电流。

进一步的，尽量增大所述波形调制电感的值，以降低纹波电流。

进一步的，在满足输出电流幅值要求，配置相同所述波形调制电感的条件下，尽量降低正弦电路的母线电压，以降低纹波电流。

进一步的，所述波形调制电感容量尽可能对称配置在输出的两根线路上。

相应的，一种用于低频电磁通信的正弦电路，包括：

配置于发射机发射端与负载端中间的波形调制电感，用于降低输出正弦波的纹波电流；

配置于发射机输出端的共模电感，用于降低信号地与大地间产生的高幅值高频共模电压。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)在发射机输出端配置共模电感，能够降低信号地与大地间产生的极高幅值的高频共模电压，保证发射机输出正弦电流时的工作稳定性和通讯稳定性；(2)通过配置波形调制电感，能够降低输出正弦波的纹波电流，使输出的正弦波精确度更高，波形更好；(3)方法简便、实用。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为电磁发射机逆变器基本原理图；

图2为正半周主开关导通时电流流向图；

图3为正半周主开关关断时电流流向图；

图4为负半周主开关导通时电流流向图；

图5为负半周主开关关断时电流流向图；

图6为配置3mH电感条件下的输出电流波形图；

图7为配置9mH电感条件下的输出电流波形图；

图8为配置12mH电感条件下的输出电流波形图；

图9为配置15mH电感条件下的输出电流波形图；

图10为配置3mH电感、1000V母线电压条件下的输出电流波形；

图11为配置3mH电感、650V母线电压条件下的输出电流波形；

图12为发射机整流、逆变及共模环节简化电路图；

图13为发射机直流母线信号地与大地间高频开关工作时产生的高频共模电压图；

图14为输出配置共模电感简化电路图；

图15发射机输出配置共模电感后的直流母线信号地与大地间的高频共模电压图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开提供了一种用于低频电磁通信的正弦电路实现方法，通过配置波形调制电感和配置共模电感，保证在电磁通信中正弦波输出的高精确度和高稳定性。下面结合示例性的电磁发射机及其原理附图，对本公开的具体实施方式做进一步详细的说明。

附图1为电磁发射机逆变器的基本工作原理图。电路由全桥逆变电路，电流采样霍尔，环路控制单元，外部配置电感组成。工作时，电流反馈信号与给定的正弦波电流信号进行比较，通过环路补偿网络，产生环路输出，送入PWM调制单元产生脉宽调制(PWM)信号，然后经驱动控制生成4个驱动信号控制全桥逆变电路的4个IGBT进行逆变电流，并经外部配置电感进行高频纹波电流抑制，最后生成与正弦波波形信号一致的正弦波电流，给接地的电极1和电极2供电。

在电路中加入了波形调制电感后，为了更好的分析输出正弦信号时电感的影响，首先得了解逆变器中电流的流向，图2、图3、图4、图5指出了电磁发射机逆变器工作时电流的流向。正半周时，Q5和Q8两个IGBT作为主开关导通时间长，关断时间短；Q6和Q7两个IGBT作为辅开关导通时间短，关断时间长。Q5和Q8导通时，电流从+1000V流经Q5→L5→电极1→电极2→L6→Q8到0V，电流上升，如图2所示；关断时，电流从0V流经Q6→L5→电极1→电极2→L6→Q7到+1000V，进行续流，电流下降，如图3所示。

负半周时，Q6和Q7两个IGBT作为主开关导通时间长，关断时间短；Q5和Q8两个IGBT导作为辅开关通时间短，关断时间长。Q6和Q7导通时，电流从+1000V流经Q7→L6→电极2→电极1→L5→Q6到0V，电流上升，如图4所示；关断时，电流从0V流经Q8→L6→电极2→电极1→L5→Q5到+1000V，进行续流，电流下降，如图5所示。

应用根据本公开的正弦电路实现方法，包括以下步骤：

步骤一：配置共模电感

为使控制系统及通讯工作稳定，降低发射干扰，控制信号地与通讯信号地必须要有共模电容与交流输入或接地系统进行耦合，以使地线信号相对于绝对大地的波动幅度尽可能小。然而，发射机负载电极也是连接的大地，而且是通过输出波形调制电感，经逆变桥高频开关工作后，与直流母线及控制信号地耦合，这样，控制信号地既通过共模电容与交流输入N线经接地桩与大地耦合，又通过逆变桥高频开关经电极与大地耦合，如图12所示。对于正弦波PWM工作模式，4个全桥逆变IGBT全部是强制导通和强制关断，相互耦合过程将在信号地与大地间产生极高幅值的高频共模电压，如图13所示，高频共模电压超过2000V，这样高的共模电压必将在设备内产生高幅值的共模电流，并产生强烈的传导和辐射干扰，影响发射机工作稳定性及通讯的稳定性。

为降低发射机工作时的高频共模电压幅值，本公开中，在输出回路中设计共模电感对输出回路的共模耦合回路进行解耦，如图14所示，其中圆圈部分为所述共模电感。

通过配置合适的共模电感，工作中，直流母线地线与大地间高频共模电压显著下降到约20V左右，如图15所示，设备工作及通讯稳定性显著增强。

步骤二：配置合适的波形调制电感

在主开关导通和关断过程中，输出电流上升后下降形成电流纹波，为使正弦波电流波形尽可能光滑，高频谐波电流尽可能小，必须合理配置波形调制电感。

根据电感两端电压与电流和时间的关系：

得到电感上纹波电流的关系为：

可见，纹波电流与配置电感值成反比，即配置电感越大，纹波电流越小；同时也与开关周期成正比，即开关频率越高，开关周期越小，纹波电流也越小。由于开关频率受限于IGBT器件的开关速度和损耗，设计中按20kHz的固定频率折中设计，如图6、图7、图8、图9反映的是母线电压1000V，输出电流幅值30A条件下，配置不同电感时输出电流波形的变化。

由此可见，在本发射机中，使用15mH电感条件下的输出电流波形时最精确的，纹波电流最小的。

另外，在工作过程中，在电流连续状态下，推导最大纹波电流出现在50％占空比时，此时电感两端的瞬态电压为母线电压的50％，最大纹波电流为：

由上式可见，在满足输出电流幅值要求，配置相同电感条件下，母线电压越低，最大纹波电流越小。图10、图11反映的是配置3mH电感条件下，1000V母线电压与650V母线电压情况下，输出电流波形的对比，明显可见650V母线电压的电流纹波低于1000V母线电压电流纹波。

综上所述，通过配置合适的波形调制电感和降低母线电压可以有效提升电磁发射正弦波的精确度。

可见，本公开采用合适的共模电感对耦合回路进行解耦后，再通过波形调制电感，可以更好的提升电磁发射机的工作和通信稳定性，从而提高输出波形的精确度。

由此，根据本公开能够实现电磁发射机在各种环境负载下都能输出完整波形，同时提高了正弦波信号的精确度。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种用于低频电磁通信的正弦电路实现方法，包括以下步骤：

在发射机输出端配置共模电感，降低信号地与大地间产生的高幅值高频共模电压；

在发射机发射端与负载端中间，配置波形调制电感，降低输出正弦波的纹波电流。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，尽量增大所述波形调制电感的值，以降低纹波电流。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，在满足输出电流幅值要求，配置相同所述波形调制电感的条件下，尽量降低正弦电路的母线电压，以降低纹波电流。

4.根据权利要求1-3中任一所述的实现方法，其特征在于，所述波形调制电感容量尽可能对称配置在输出的两根线路上。

5.一种用于低频电磁通信的正弦电路，其特征在于，包括：

配置于发射机发射端与负载端中间的波形调制电感，用于降低输出正弦波的纹波电流；

配置于发射机输出端的共模电感，用于降低信号地与大地间产生的高幅值高频共模电压。

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