CN205490173U - 海洋电磁探测发射装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种海洋电磁探测发射装置，包括：依次连接的整流器和逆变H桥输出电路，整流器包括LC滤波电路和电流型整流桥，所述逆变H桥输出电路包括发射桥和发射电极。所述发射装置还包括控制装置。本实用新型的整体结构为BUCK电路拓扑结构，使得在海洋电阻较小的环境下，更容易实现海洋电磁发射装置的小电压大电流的发射目标。本实用新型采用了双闭环对交流和直流电压或电流进行控制，同时采用间接SVPWM和移相技术相结合的PWM生成技术，能够利用多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电流，这种变换得到的输出波形具有更好谐波频谱，使得发射装置内的开关器件所承受的电流应力小，损耗小，进而解决发电机输出功率因数低，发热及损耗大的问题。

Description

海洋电磁探测发射装置
技术领域
本实用新型涉及资源勘探技术领域，尤其涉及一种海洋电磁探测发射装置。
背景技术
随着社会经济的不断发展，人类面临人口膨胀、资源匾乏、环境恶化的形势越来越严峻。重返海洋已成为人类解决这些问题的重要出路之一，而现代海洋探测技术是必不可少的手段之一。深海大洋蕴藏着丰富的固体矿产资源，包括海底多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等，部分金属矿产在海底储量是陆地上的数十倍，具有很好的商业开发前景。
但是，由于深水勘探环境及深水盆地和前新生代残留盆地等深部结构的复杂性，埋藏深度很大，海洋油气勘探具有高风险。海洋电磁场勘探及海洋可控源电磁勘探技术作为一种油气勘探新技术，具有能够区分圈闭内油水性质、揭露火山岩覆盖下的高阻体的特点，尤其是在深水油气资源潜在区，可以大幅提高钻井成功率，降低钻井开发中的干井率和投资风险。可控源海洋电磁勘探系统(MCSEM)通过由拖船拖曳的发射机向海底供电激发，将多分量电磁接收机布设在海底测量电磁场值。通过计算视电阻率和相位，或者直接利用所观测的电场和磁场达到探测地下电性分布特征的目的。
如图1所示，传统海洋电磁发射机拓扑结构主要由以下部分组成：发电机组，调压器，不控整流桥，逆变桥(H1桥)，高频变压器，高频整流桥，输出逆变桥(H2桥)。由于整流电压无法控制，通常在不控整流桥后加入一级降压式式DC/DC变换器(逆变桥(H1桥)，高频变压器，高频整流桥)。DC/DC变换器的降压功能，使母线电压可以达到后级逆变器的发射要求。
这种拓扑结构虽然控制简单，成本低廉，实现容易，然而它也存在如下缺点：
(1)由于不控整流装置的存在，使得发电机的输出端功率因数较低；
(2)为了降低高频变压器的体积，逆变桥(H1桥)的开关频率会很高，这会增大开关器件的发热量及损耗；
(3)海洋负载为阻感性负载，而传统发射机输出端为恒压源，这会使得发射电流出现明显畸变。
实用新型内容
本实用新型提供一种海洋电磁探测发射装置，用于解决现有技术中发电机输出功率因数低，发热及损耗大的问题。
为了解决上述问题，本实用新型提供一种海洋电磁探测发射装置，包括：依次连接的整流器和逆变H桥输出电路；
整流器，与交流发电机连接，用于将所述发电机产生的电能由交流变为直流；
逆变H桥输出电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于将所述整流器输出的直流逆变成矩形脉冲，并发射所述矩形脉冲；
所述整流器包括LC滤波电路和电流型整流桥，所述电流型整流桥包括两个三相整流桥，所述三相整流桥的直流输出端各串联一个电感；
所述逆变H桥输出电路包括发射桥和发射电极，所述发射桥包括与所述电流型整流桥直流输出端连接的并联的四个开关管，所述发射电极连接所述发射桥的输出端；
所述发射装置还包括用于控制所述整流器的控制装置，所述控制装置包括三相交流电流检测电路、三相电压检测电路、直流电流检测电路、DSP数据处理电路和PWM信号产生电路，其中，
三相交流电流检测电路，与发电机的三相输出端连接，用于对三相输出端电流进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路；
三相电压检测电路，与发电机的三相输出端连接，用于对三相输出端电压进行检测，并将电压值发送给DSP数据处理电路；
直流电流检测电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于对直流输出端进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路；
DSP数据处理电路，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行处理获得PWM占空比发送给PWM信号发生电路；
PWM信号发生电路，与所述DSP数据处理电路连接，用于根据各相占空比数据获取控制整流器开关管通断的多路SVPWM信号，并作用于所述整流器。
优选地，所述DSP数据处理电路包括A/D采样单元和占空比处理单元，其中，
A/D采样单元，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行模数转换处理，并发送给所述占空比处理单元；
占空比处理单元，与所述A/D采样单元连接，用于根据接收的电压值和电流值获取各相占空比数据和时钟信号，并发送给所述PWM信号发生电路。
优选地，所述PWM信号发生电路包括相移载波发生器、数据锁存器、二值逻辑PWM发生器和三值逻辑PWM发生器，其中，
相移载波发生器，与所述占空比处理单元连接，用于根据时钟信号生成相移信息；
数据锁存器，与所述占空比处理单元连接，用于对占空比数据进行存储；
二值逻辑PWM发生器，分别与所述相移载波发生器和数据锁存器连接，用于根据相移信息和占空比数据生成适用于电压型PWM整流器的二值逻辑脉冲驱动信号；
三值逻辑PWM发生器，与二值逻辑PWM发生器连接，用于根据二值逻辑脉冲驱动信号生成适用于电流型PWM整流器的三值逻辑SVPWM信号，并作用于所述整流器。
优选地，还包括第一驱动及保护电路，与所述PWM信号发生电路连接，用于根据多路SVPWM信号驱动和保护开关管导通。
优选地，还包括：FPGA码型生成电路和第二驱动及保护电路。
优选地，所述整流器为电流型五电平整流器。
由上述技术方案可知，本实用新型的整体拓扑结构为BUCK电路拓扑结构，使得在海洋电阻较小的环境下，更容易实现海洋电磁发射装置的小电压大电流的发射目标。本实用新型采用了双闭环对交流和直流电压或电流进行控制，同时采用间接SVPWM和移相技术相结合的PWM生成技术，能够利用多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电流，这种变换得到的输出波形具有更好谐波频谱，使得发射装置内的开关器件所承受的电流应力小，损耗小，进而解决发电机输出功率因数低，发热及损耗大的问题。
附图说明
图1为现有技术传统海洋电磁发射机拓扑结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的海洋电磁探测发射装置的拓扑结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的海洋电磁探测发射装置的整体结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图2示出了本实用新型一种海洋电磁探测发射装置，包括：依次连接的整流器2和逆变H桥输出电路4，其中：
整流器，与交流发电机(在本实施例附图中为三相交流发电机)连接，用于将所述发电机1产生的电能由交流变为直流。其中，在本实施例中，所述整流器优选为电流型五电平整流器。其包括LC滤波电路和电流型整流桥，所述电流型整流桥包括两个三相整流桥，如图1中，并联的六个开关管为本实施例中所述的一个三相整流桥。两个所述三相整流桥的直流输出端引出导线各自串联一个电感(如图1中LA1、LA2、LB1、LB2)，该电感起到平波和均流的作用。在本实施例中，所述电感有别于现有技术中三电平电流型整流桥只在某一直流输出端串联一个大电感，仅仅是电感值较小的电感。其电感值的变化主要取决于如图1中整流器的电路设计。
逆变H桥输出电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于将所述整流器输出的直流逆变成矩形脉冲，并发射所述矩形脉冲。其中，在本实施例中，所述逆变H桥输出电路包括发射桥和发射电极，如图1所示，所述发射桥包括与所述电流型整流桥直流输出端连接的并联的四个开关管，所述发射电极连接所述发射桥的输出端。
在工作过程中，所述发电机和电流型五电平整流器均设置在船上，发射桥和发射电极通过拖缆3与电流型五电平整流器连接，被下放入海里进行探测。其中，所述发电机根据需要选择合适功率的发电机组作为电源供应。在本实施例中，采用恒流源使发射机输出端电流不随负载的而变化而变化，海洋的阻感性特点不会影响输出端电流。
本实用新型所述发射装置还包括用于控制所述整流器的控制装置，如图3所示，所述发射装置还包括用于控制所述整流器的控制装置，所述控制装置包括三相交流电流检测电路、三相电压检测电路、直流电流检测电路、DSP数据处理电路和PWM信号产生电路，其中，
三相交流电流检测电路，与发电机的三相输出端连接(在图2中只示意对其中一相ec进行检测)，用于对三相输出端电流进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路。
三相电压检测电路，与发电机的三相输出端连接(在图2中只示意对其中一相ec进行检测)，用于对三相输出端电压进行检测，并将电压值发送给DSP数据处理电路。
直流电流检测电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于对直流输出端进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路。
DSP数据处理电路，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行处理获得PWM占空比发送给PWM信号发生电路。其中，如图3所示，需要说明的是所述DSP数据处理电路包括：A/D采样单元和占空比处理单元，其中，
A/D采样单元，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行模数转换处理，并发送给所述占空比处理单元。其中，如图3中，所提到的接收的电压值和电流值为直流电流值、交流电流值和电压值。
占空比处理单元，与所述A/D采样单元连接，用于根据接收的电压值和电流值获取各相占空比数据和时钟信号，并发送给所述PWM信号发生电路。
PWM信号发生电路，与所述DSP数据处理电路连接，用于根据各相占空比数据获取控制整流器开关管通断的多路SVPWM信号，并作用于所述整流器。其中，如图4所示，需要说明的是所述PWM信号发生电路包括：相移载波发生器、数据锁存器、二值逻辑PWM发生器和三值逻辑PWM发生器，其中，
相移载波发生器，与所述占空比处理单元连接，用于根据时钟信号生成相移信息，并发送给两个二值逻辑PWM发生器。
数据锁存器，与所述占空比处理单元连接，用于对占空比数据进行存储，并发送给两个二值逻辑PWM发生器。
二值逻辑PWM发生器，分别与所述相移载波发生器和数据锁存器连接，用于根据相移信息和占空比数据生成适用于六相电压型PWM整流器的二值逻辑脉冲驱动信号。
三值逻辑PWM发生器，与二值逻辑PWM发生器连接，用于根据二值逻辑脉冲驱动信号生成适用于电流型PWM整流器的三值逻辑SVPWM信号(如图3中S11-S16，S21-S26)，并作用于所述整流器。
本实用新型还包括第一驱动及保护电路，与所述PWM信号发生电路连接，用于根据多路SVPWM信号驱动和保护开关管导通。
本实用新型还包括：FPGA码型生成电路和第二驱动及保护电路。通过第二驱动及保护电路与发射桥中开关管的驱动板相连；通过控制对称两个开关管的导通与关断，生成需要的码型。
在本实用新型中，上述单元模块的功能实现均可通过硬件电路实现。
本实用新型的整体拓扑结构为BUCK电路拓扑结构，使得在海洋电阻较小的环境下，更容易实现海洋电磁发射装置的小电压大电流的发射目标。本实用新型采用了双闭环对交流和直流电压或电流进行控制，同时采用间接SVPWM和移相技术相结合的PWM生成技术，能够利用多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电流，这种变换得到的输出波形具有更好谐波频谱，使得发射装置内的开关器件所承受的电流应力小，损耗小，进而解决发电机输出功率因数低，发热及损耗大的问题。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。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。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种海洋电磁探测发射装置，其特征在于，包括：依次连接的整流器和逆变H桥输出电路；
整流器，与交流发电机连接，用于将所述发电机产生的电能由交流变为直流；
逆变H桥输出电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于将所述整流器输出的直流逆变成矩形脉冲，并发射所述矩形脉冲；
所述整流器包括LC滤波电路和电流型整流桥，所述电流型整流桥包括两个三相整流桥，所述三相整流桥的直流输出端各串联一个电感；
所述逆变H桥输出电路包括发射桥和发射电极，所述发射桥包括与所述电流型整流桥直流输出端连接的并联的四个开关管，所述发射电极连接所述发射桥的输出端；
所述发射装置还包括用于控制所述整流器的控制装置，所述控制装置包括三相交流电流检测电路、三相电压检测电路、直流电流检测电路、DSP数据处理电路和PWM信号产生电路，其中，
三相交流电流检测电路，与发电机的三相输出端连接，用于对三相输出端电流进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路；
三相电压检测电路，与发电机的三相输出端连接，用于对三相输出端电压进行检测，并将电压值发送给DSP数据处理电路；
直流电流检测电路，与所述整流器的直流输出端连接，用于对直流输出端进行检测，并将电流值发送给DSP数据处理电路；
DSP数据处理电路，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行处理获得PWM占空比发送给PWM信号发生电路；
PWM信号发生电路，与所述DSP数据处理电路连接，用于根据各相占空比数据获取控制整流器开关管通断的多路SVPWM信号，并作用于所述整流器。
2.根据权利要求1所述的海洋电磁探测发射装置，其特征在于，所述DSP数据处理电路包括A/D采样单元和占空比处理单元，其中，
A/D采样单元，分别与三相交流电流检测电路、三相电压检测电路和直流电流检测电路连接，用于对接收的电压值和电流值进行模数转换处理，并发送给所述占空比处理单元；
占空比处理单元，与所述A/D采样单元连接，用于根据接收的电压值和电流值获取各相占空比数据和时钟信号，并发送给所述PWM信号发生电路。
3.根据权利要求2所述的海洋电磁探测发射装置，其特征在于，所述PWM信号发生电路包括相移载波发生器、数据锁存器、二值逻辑PWM发生器和三值逻辑PWM发生器，其中，
相移载波发生器，与所述占空比处理单元连接，用于根据时钟信号生成相移信息；
数据锁存器，与所述占空比处理单元连接，用于对占空比数据进行存储；
二值逻辑PWM发生器，分别与所述相移载波发生器和数据锁存器连接，用于根据相移信息和占空比数据生成适用于电压型PWM整流器的二值逻辑脉冲驱动信号；
三值逻辑PWM发生器，与二值逻辑PWM发生器连接，用于根据二值逻辑脉冲驱动信号生成适用于电流型PWM整流器的三值逻辑SVPWM信号，并作用于所述整流器。
4.根据权利要求1或3所述的海洋电磁探测发射装置，其特征在于，还包括第一驱动及保护电路，与所述PWM信号发生电路连接，用于根据多路SVPWM信号驱动和保护开关管导通。
5.根据权利要求1所述的海洋电磁探测发射装置，其特征在于，还包括：FPGA码型生成电路和第二驱动及保护电路。
6.根据权利要求1所述的海洋电磁探测发射装置，其特征在于，所述整流器为电流型五电平整流器。
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