一種具有軟斬波特性電性源發(fā)射裝置及控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種具有軟斬波特性的電性源發(fā)射裝置及其控制方法。是由三相交流發(fā)電機(jī)組經(jīng)隔離直流電源、軟斬波穩(wěn)流電路、電流脈沖發(fā)生器與大地負(fù)載相連接構(gòu)成。軟斬波穩(wěn)流電路采用無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，由主開(kāi)關(guān)管VT1、主二極管D7、緩沖電容Cr、儲(chǔ)能電容Cs、緩沖電感Lr、飽和電感Ls、二極管Ds1～Ds4及濾波電路L2、C3構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軟斬波穩(wěn)流電路主開(kāi)關(guān)管VT1的軟開(kāi)通和軟關(guān)斷，主二極管D7的軟關(guān)斷。相比現(xiàn)有的硬斬波穩(wěn)流電性源發(fā)射裝置，本發(fā)明提高了儀器的功率密度，擴(kuò)大了裝置的應(yīng)用區(qū)域，降低電磁干擾，提升了裝置的穩(wěn)流精度。本裝置在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)主開(kāi)關(guān)管VT1引入額外的電壓應(yīng)力，增加了平均無(wú)故障時(shí)間，延長(zhǎng)了器件的使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種具有軟斬波特性電性源發(fā)射裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有無(wú)源軟斬波特性的地球物理勘探電法儀器，具體適用于發(fā)射脈沖電流幅值在幾十安培，發(fā)射功率在ηX 10°kff到ηX 102kff之間，裝置內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜且高穩(wěn)流精度的電性源發(fā)射裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率域大地電磁探測(cè)依托電性源發(fā)射裝置向大地負(fù)載發(fā)射頻率、波形可變的脈沖電流，可實(shí)現(xiàn)金屬礦探測(cè)、地?zé)豳Y源勘查、煤田和油氣構(gòu)造探測(cè)等地球物理勘探。主要的頻率域大地電磁探測(cè)方法包括可控源音頻大地電磁法(Controlled SourceAudio-frequency Magnetotelluric, CSAMT)、復(fù)電阻率法和頻率域激電法。
[0003]可控源音頻大地電磁法采用電磁發(fā)射機(jī)形成人工場(chǎng)源，向目標(biāo)區(qū)域發(fā)送電磁波場(chǎng)，通過(guò)接收機(jī)檢測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)。通常兩個(gè)接地電極相距I?3km，阻抗為10?80 Ω。采用電性源CSAMT方法時(shí)，利用電性源發(fā)射機(jī)發(fā)射雙極性脈沖電流形成人工諧變場(chǎng)源，通常發(fā)射功率可以達(dá)到幾十千瓦，發(fā)射頻率為nX KT1Hz到nX 103Hz。電性源CSAMT通過(guò)改變大地負(fù)載中脈沖電流的頻率，可以實(shí)現(xiàn)不同深度的探測(cè)。
[0004]復(fù)電阻率(CR)法，是一種變頻的接地電法，這種方法以巖石電阻率的頻譜或時(shí)譜特性差異為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)電性異常體，利用測(cè)量所得大地表面電場(chǎng)值，從而尋找地質(zhì)異常體分布，野外工程應(yīng)用條件與CSAMT相同，發(fā)射功率在幾十千瓦左右，發(fā)射頻率為n XKT2Hz?η X IO2Hz0
[0005]頻率域激電法是基于交流電流場(chǎng)中巖、礦石的激發(fā)極化特性發(fā)展起來(lái)的一種激電法,通過(guò)逐次改變所供交變電流的頻率,測(cè)量電極間交變電位和相位移隨頻率的變化，繪制相應(yīng)的幅頻曲線與相頻曲線，野外工程應(yīng)用條件與CSAMT和CR相同，發(fā)射頻率為η X KT1Hz ?η X IO1Hz0
[0006]常規(guī)電性源發(fā)射機(jī)，主要由三相發(fā)電機(jī)組及整流濾波電路、隔離直流電源、穩(wěn)流電路、脈沖電流發(fā)生器、控制單元組成。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求發(fā)射機(jī)能夠根據(jù)大地負(fù)載的變化對(duì)發(fā)射電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，發(fā)射電流的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)獲得數(shù)據(jù)的可信度、地質(zhì)解釋的精準(zhǔn)度起著關(guān)鍵作用。目前，穩(wěn)流電路主要采用控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、可控整流、硬開(kāi)關(guān)斬波或硬開(kāi)關(guān)橋式逆變等方式實(shí)現(xiàn)，近似實(shí)現(xiàn)恒壓源向恒流源的轉(zhuǎn)變?？刂瓢l(fā)電機(jī)勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的方式因控制過(guò)程因涉機(jī)械能突變困難和勵(lì)磁電路時(shí)間常數(shù)大等原因，穩(wěn)流響應(yīng)慢?？煽刂普鞅瓤刂瓢l(fā)電機(jī)勵(lì)磁的穩(wěn)流響應(yīng)快，但因工作于較低的工頻，穩(wěn)流效果仍有待提升?；谟查_(kāi)關(guān)斬波或硬開(kāi)關(guān)橋式逆變的方式，因工作頻率的提高，穩(wěn)流效果有了進(jìn)一步提升，但因電路工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管在承受電壓或流過(guò)電流的情況下接通或斷開(kāi)電路，開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗很大，限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，使反饋環(huán)路響應(yīng)速度低于斬開(kāi)關(guān)電路，不利于電流快速調(diào)節(jié)。
[0007]基于硬開(kāi)關(guān)斬波或硬開(kāi)關(guān)橋式逆變的方式的電性源發(fā)射機(jī)除了穩(wěn)流精度低于軟開(kāi)關(guān)外，還存在如下三方面不足。[0008](I)工作于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)的硬開(kāi)關(guān)較大的熱損耗降低了電性源發(fā)射機(jī)的功率密度，限制了電性源發(fā)射機(jī)的應(yīng)用區(qū)域。
[0009](2)因大功率電性源發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率常在nX10°kW到nX102kW之間，工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)流電路，在發(fā)射機(jī)的輸入、輸出引線及周?chē)臻g產(chǎn)生的電磁干擾，影響電性源發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，干擾穩(wěn)流調(diào)節(jié)精度。
[0010](3)因大功率電性源發(fā)射機(jī)的發(fā)射電壓可達(dá)到幾百伏至上千伏，對(duì)于基于降壓斬波方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的電性源發(fā)射機(jī)而言，由于續(xù)流二極管結(jié)電容和導(dǎo)線雜散電感等寄生參數(shù)的影響，在主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生幾倍于輸入電壓的高電壓，大大降低了開(kāi)關(guān)管使用壽命。為使電路正常運(yùn)行，必須選取耐壓值遠(yuǎn)高于電路輸入電壓的開(kāi)關(guān)管，不僅增加了開(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗，而且增加了研發(fā)成本。
[0011]因此，為提高穩(wěn)流電路功率密度，抑制電磁干擾，提高穩(wěn)流精度，工程應(yīng)用中可采用有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和移相軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)引入輔助開(kāi)關(guān)，對(duì)流經(jīng)主開(kāi)關(guān)的電壓電流波形進(jìn)行整形，達(dá)到降低開(kāi)關(guān)損耗和抑制電磁干擾的目的。但是由于輔助開(kāi)關(guān)的存在，增加了控制電路的復(fù)雜程度，提高了裝置的研發(fā)成本，且輔助開(kāi)關(guān)一般工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，比較適合中、小功率變換器中；無(wú)源軟斬波技術(shù)，相比有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要引入輔助開(kāi)關(guān)管，較為典型的斬波拓?fù)錇樽钚‰妷簯?yīng)力斬波與非最小電壓應(yīng)力斬波。具有最小電壓應(yīng)力的軟斬波電路，主開(kāi)關(guān)管承受電壓與硬斬波電路相同，但是，在輕載和重載條件下，電路易進(jìn)入硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，負(fù)載適用范圍受到限制；同時(shí)，由于無(wú)源諧振元件阻抗值較大，增加了諧振開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，縮小了占空比可調(diào)范圍。非最小電壓軟斬波電路負(fù)載適用范圍較最小電壓應(yīng)力拓?fù)溆兴岣?，但是?huì)對(duì)主開(kāi)關(guān)管引入額外的電壓應(yīng)力；由于探測(cè)區(qū)域地質(zhì)條件的差異，大地負(fù)載變化范圍很大，常規(guī)移相軟開(kāi)關(guān)變換器負(fù)載適應(yīng)能力較差，特別在輕載時(shí)，難以正常工作。
[0012]CN102510233A所提出多功能電流脈沖發(fā)射機(jī)采用兩檔直流電源和降壓斬波穩(wěn)流電路配合，縮小了降壓斬波穩(wěn)流電路占空比的變化范圍，提高了工作效率，但是斬波穩(wěn)流電路工作在硬斬波狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗高，功率密度低，電磁干擾強(qiáng)；硬斬波狀態(tài)下工作頻率低，增加了穩(wěn)流電路的失控時(shí)間，導(dǎo)致反饋環(huán)路響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，穩(wěn)流精度變差；由于寄生參數(shù)影響主開(kāi)關(guān)管耐壓值選取遠(yuǎn)高于輸入電壓，具有較高的通態(tài)損耗和經(jīng)濟(jì)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有軟斬波特性電性源發(fā)
射裝置；
[0014]本發(fā)明的另一目的是提供一種具有軟斬波特性電性源發(fā)射裝置的控制方法。
[0015]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0016]一種具有軟斬波特性的電性源發(fā)射裝置，是由發(fā)電機(jī)組及整流濾波電路I經(jīng)隔離直流電源2與軟斬波穩(wěn)流電路3相連接，軟斬波穩(wěn)流電路3的正極經(jīng)過(guò)電流傳感器6和電流脈沖發(fā)生器4與大地負(fù)載5相連，軟斬波穩(wěn)流電路3的負(fù)極輸出經(jīng)電流脈沖發(fā)生器4與大地負(fù)載5相連，電流傳感器6經(jīng)PWM穩(wěn)流控制器7與軟斬波穩(wěn)流電路3相連，主控制單元10經(jīng)輸出電流控制單元8與軟斬波穩(wěn)流電路3相連接，主控制單元10經(jīng)過(guò)電流脈沖控制單元9與電流脈沖發(fā)生器4相連接構(gòu)成。[0017]所述軟斬波穩(wěn)流電路3電路由主開(kāi)關(guān)管VT1的發(fā)射極分別與二極管Dsl的陰極和緩沖電感L的正極相連接，緩沖電感L的負(fù)極與飽和電感Ls的正極相連接，飽和電感Ls的負(fù)極與濾波電感L2正極相連接，濾波電感L2的負(fù)極與濾波電容C3的正極相連接，主二極管D7的陰極分別與儲(chǔ)能電容Cs的正極、二極管Ds4的陰極、飽和電感Ls的負(fù)極相連接，緩沖電容(；的正極與主開(kāi)關(guān)管VT1的集電極相連接，緩沖電容(；的負(fù)極分別與二極管Dsl的陽(yáng)極、二極管Ds2的陰極、二極管Ds4的陽(yáng)極相連接，儲(chǔ)能電容Cs的負(fù)極分別與二極管Ds2的陽(yáng)極和二極管Ds3的陰極相連接，二極管Ds3的陽(yáng)極分別與主二極管D7的陽(yáng)極、濾波電容C3的負(fù)極相連接構(gòu)成。
[0018]斬波穩(wěn)流電路3的參數(shù)選取方法:緩沖電感Lp緩沖電容C；，儲(chǔ)能電容Cs，最小輸出電流1。，_的確定包括以下步驟:
[0019]——緩沖電感L的電感值選取應(yīng)滿足
【權(quán)利要求】
1.一種具有軟斬波特性的電性源發(fā)射裝置，其特征在于，是由發(fā)電機(jī)組及整流濾波電路(I)經(jīng)隔離直流電源(2)與軟斬波穩(wěn)流電路(3)相連接，軟斬波穩(wěn)流電路(3)的正極經(jīng)過(guò)電流傳感器(6)和電流脈沖發(fā)生器⑷與大地負(fù)載(5)相連，軟斬波穩(wěn)流電路(3)的負(fù)極輸出經(jīng)電流脈沖發(fā)生器(4)與大地負(fù)載(5)相連，電流傳感器(6)經(jīng)PWM穩(wěn)流控制器(7)與軟斬波穩(wěn)流電路(3)相連，主控制單元(10)經(jīng)輸出電流控制單元(8)與軟斬波穩(wěn)流電路(3)相連接，主控制單元(10)經(jīng)過(guò)電流脈沖控制單元(9)與電流脈沖發(fā)生器⑷相連接構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的具有軟斬波特性的電性源發(fā)射裝置，其特征在于，所述軟斬波穩(wěn)流電路⑶電路由主開(kāi)關(guān)管VT1的發(fā)射極分別與二極管Dsl的陰極和緩沖電感L的正極相連接，緩沖電感L的負(fù)極與飽和電 感Ls的正極相連接，飽和電感Ls的負(fù)極與濾波電感L2正極相連接，濾波電感L2的負(fù)極與濾波電容C3的正極相連接，主二極管D7的陰極分別與儲(chǔ)能電容Cs的正極、二極管Ds4的陰極、飽和電感Ls的負(fù)極相連接，緩沖電容(；的正極與主開(kāi)關(guān)管VT1的集電極相連接，緩沖電容(；的負(fù)極分別與二極管Dsl的陽(yáng)極、二極管Ds2的陰極、二極管Ds4的陽(yáng)極相連接，儲(chǔ)能電容Cs的負(fù)極分別與二極管Ds2的陽(yáng)極和二極管Ds3的陰極相連接，二極管Ds3的陽(yáng)極分別與主二極管D7的陽(yáng)極、濾波電容C3的負(fù)極相連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求2所述的具有軟斬波特性的電性源發(fā)射裝置，其特征在于，斬波穩(wěn)流電路⑶的參數(shù)選取方法，緩沖電感Lp緩沖電容C；，儲(chǔ)能電容Cs，最小輸出電流1。>的確定包括以下步驟: ——緩沖電感L的電感值選取應(yīng)滿足
4.一種具有軟斬波特性電性源發(fā)射裝置的控制方法，其特征在于，軟斬波穩(wěn)流電路3通過(guò)下列十個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān): A、[t0,tj主開(kāi)關(guān)VT1零電流導(dǎo)通階段，主開(kāi)關(guān)管VT1在h時(shí)刻導(dǎo)通，流經(jīng)主開(kāi)關(guān)管VT1電流雖然比較小，但其變化率Y較大，飽和電感Ls的電感量遠(yuǎn)大于緩沖電感Ls，利用飽和

電感Ls大電感量實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)VT1零電流導(dǎo)通； B、[tla，tJ主開(kāi)關(guān)VT1導(dǎo)通階段，飽和電感Ls極易飽和，當(dāng)主開(kāi)關(guān)管VT1電流L上升到飽和電感Ls飽和電流Isat時(shí)，飽和電感Ls電感量近似為零，此時(shí)利用緩沖電感實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)VT1零電流導(dǎo)通； C、[t1；t2]緩沖電容(；能量復(fù)位階段，緩沖電容(；儲(chǔ)存的能量通過(guò)諧振回路主開(kāi)關(guān)管VT1—緩沖電感L一飽和電感Ls—儲(chǔ)能電容Cs—二極管Ds2將儲(chǔ)存能量完全釋放到緩沖電感Lr和儲(chǔ)能電容Cs上，緩沖電容(；電壓降為零； D、[t2，t3]緩沖電感k能量復(fù)位階段，緩沖電感k儲(chǔ)存的能量通過(guò)諧振回路飽和電感Ls—儲(chǔ)能電容Cs—二極管Ds2—二極管Dsl將儲(chǔ)存的量釋放到儲(chǔ)能電容Cs上，此時(shí)緩沖電感Lr電流為負(fù)載電流10 ； E、[t3，t4]正常PWM工作階段，主開(kāi)關(guān)管VT1電流保持不變，為負(fù)載電流10； F、[t4，t5]主開(kāi)關(guān)管VT1零電壓關(guān)斷階段，在t4時(shí)刻，緩沖電容(；電壓為零，主開(kāi)關(guān)管VT1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，緩沖電容(；通過(guò)回路緩沖電感L一飽和電感Ls—負(fù)載一輸入電源充電，直至二極管Ds3導(dǎo)通； G、[t5，t6]緩沖電容(；充電、儲(chǔ)能電容Cs放電階段，緩沖電容(；通過(guò)緩沖電感L一飽和電感Ls—負(fù)載一輸入電源充電，儲(chǔ)能電容Cs通過(guò)二極管Ds3向負(fù)載放電，直至緩沖電感L電流降為零； H、[t6,t7]儲(chǔ)能電容Cs放電階段,儲(chǔ)能電容Cs通過(guò)二極管Ds3繼續(xù)向負(fù)載放電,直至二極管Ds4導(dǎo)通； . 1、[t7,t8]緩沖電容(；充電、儲(chǔ)能電容Cs放電階段，緩沖電容(；通過(guò)二極管Ds4充電，儲(chǔ)能電容Cs通過(guò)二極管Ds3放電，直至緩沖電容(；電壓等于輸入電壓Ui,儲(chǔ)能電容Cs電壓降為零； J、[t8，t9]主二極管D7續(xù)流階段，直至主開(kāi)關(guān)管VT1下一次開(kāi)通。
【文檔編號(hào)】H02M9/04GK103944440SQ201410163800
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】周逢道, 李驕松, 薛開(kāi)昶 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)