專利名稱：產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，用 于頻域電磁法中電磁發(fā)送線圈產(chǎn)生交流方波電流，適用于地球物理勘探、無損 檢測領(lǐng)域。
技術(shù)背景產(chǎn)生方波電流的裝置，可產(chǎn)生正向、負(fù)向或雙極性方波電流，脈沖周期、 幅值可調(diào)。產(chǎn)生交流方波電流的電路，由全橋電路實(shí)現(xiàn)，四個橋臂采用全控型 電力電子器件。如專利授權(quán)號為ZL200410081518.9的"具有上升沿提升能力的電流脈沖下 降沿線性可調(diào)的控制方法及裝置"，該裝置包括直流電源、電源開關(guān)、嵌位電壓 源、嵌位電路、滯環(huán)控制電路、基準(zhǔn)電壓電路，能實(shí)現(xiàn)下降沿線性可調(diào)，但不 能實(shí)現(xiàn)上升沿線性可調(diào)和高頻時電流幅值的恒定?，F(xiàn)有技術(shù)存在的問題是方 波電流裝置的負(fù)載是感性負(fù)載，特別是負(fù)載為線圈等大電感量負(fù)載情況下，嚴(yán) 重影響了方波電流的形狀，方波電流并不是理想的交流方波，電流由正到負(fù)或 由負(fù)到正換向過程都有一定的延遲時間，電流換向沿線性度差。交流方波電流 裝置作為一種激勵源使用，要同時解決方波電流換向時間可調(diào)，換向沿線性， 高頻發(fā)射和頻率變化時電流幅值恒定等問題是電力電子技術(shù)中的難點(diǎn)，換向沿 的延遲使電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間變長，影響了交流方波電流頻率的提高和高頻時 電流幅值的大小。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā) 射裝置，提高了交流方波電流換向沿的陡度，實(shí)現(xiàn)了換向沿線性，解決了電流 幅值的提升和恒定，頻率范圍的擴(kuò)展等問題。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型技術(shù)方案包括直流電源、嵌位電壓源、 嵌位電路、、能量補(bǔ)充電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路和交流方波 電流發(fā)生器，交流方波電流發(fā)生器為全橋電路，'全橋電路的上橋臂為兩個恒流 電感M和￡2，兩個下橋臂為兩個全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接， 開關(guān)S與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù) 載；交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成， 交流方波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個輸入 端分別與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流 方波電流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌 位電壓源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電 路的輸出端與嵌位電壓源的正極連接。能量補(bǔ)充電路包括二極管D5、 D6和開關(guān)管J3， 二極管Ds的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管Ds的負(fù)極和交流方波電流發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管^的負(fù)極和 Dz的負(fù)極。嵌位電路包括二極管Dp D2， 二極管^的負(fù)極和D2負(fù)極連接，二 極管R的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感A的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感丄2的一端連接。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其技術(shù)效果是 1、 在交流方波電流換向期間，負(fù)載電壓嵌位在"嵌位電壓源"電壓上，實(shí)現(xiàn) 了交流方波電流換向沿線性、換向時間短。2、 調(diào)節(jié)"嵌位電壓源"的電壓，實(shí)現(xiàn)了交流方波電流換向時間可調(diào)。3、 提高"嵌位電壓源"的電壓^，使^>^，實(shí)現(xiàn)了高頻交流方波電流幅值的提升。4、 采用恒流電感和"能量補(bǔ)充電路"，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流幅值的恒定，不隨電 源電壓、頻率、負(fù)載的變化而變化。5、 提高"嵌位電壓源"使K^F!，縮短了換向時間，提高了交流方波電流的頻率。6、 本實(shí)用新型實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)射電流12A, F產(chǎn)12V，線圈電阻(UQ，線圈電 感量500////,嵌位電壓源電壓為800V，電子開關(guān)采用1200V、 31A的 MOSFET模塊，電流換向15戶。


圖1為本實(shí)用新型在一個周期內(nèi)的負(fù)載電流波形圖和負(fù)載電壓波形圖；圖2為本實(shí)用新型的組成框圖；圖3為本實(shí)用新型組成框圖的電路拓?fù)鋱D；圖4為實(shí)測發(fā)射電流由正到負(fù)換向沿波形圖；圖5為實(shí)測發(fā)射電流由負(fù)到正換向沿波形圖。在圖l中f。正向方波電流開始上升時刻，v。(/) = ^，一正向方波電流上升到/時刻，v。(0由J^下降到K,/2:正向方波電流開始下降時刻，v。(0由K下降到-^，M正向方波電流下降到零時刻，v。(,) = -^f4:負(fù)向方波電流上升到-/時刻，v。(,)由-^上升到-R，^負(fù)向方波電流開始下降時刻，v。(0由-F,上升到Fc，々負(fù)向方波電流下降到0時刻，v。(f)=^，直流電源電壓， 嵌位電壓源電壓， v。(0:負(fù)載電壓波形， /。W:負(fù)載交流方波電流波形，交流方波電流換向時間。 在圖2中/。(0、 /、 v。(f)、 Kc的含義與圖l中"0、 /、 v。(/)、 「c相同。 在圖2、圖3中1— 能量補(bǔ)充電路，2— 交流方波電流控制電路，3— 嵌位電路， 4一嵌位電壓源， 5—滯環(huán)控制電路。
具體實(shí)施方式
如圖l所示交流方波電流上升、下降期間控制電壓、電流的情況是f。 f,:開關(guān)管^關(guān)斷，開關(guān)管J2導(dǎo)通，V。(,。) = K=800F，恒流電感與負(fù)載 電感串聯(lián)，"嵌位電路"中的二極管導(dǎo)通，將負(fù)載電感電壓嵌位在"嵌位電壓源" ^上，/。(0由零線性上升到/，電流值得以提升；6~f2: J,關(guān)斷，&導(dǎo)通，V。(0=K，由電源供電，供電電壓低，負(fù)載電流 緩慢下降，當(dāng)!。(,)下降到/-*，其中J為輸出電流幅值的波動量，能量補(bǔ)充電 路工作，轉(zhuǎn)由"嵌位電壓源"供電，因^電壓很高，恒流電感能量在短時間內(nèi)得以補(bǔ)充，因此，保持了負(fù)載電流幅值在方波電流平坦區(qū)的恒定；f2 f3: Ji導(dǎo)通，J2關(guān)斷，v。(,)由正變?yōu)樨?fù)值，v。(" = —Fc=-方波電流由/線性下降到零，在^時刻負(fù)載電流衰減到零；f3~~: J,導(dǎo)通，J2關(guān)斷，v。(" = -&=-80(^,恒流電感與負(fù)載電感串聯(lián)，"嵌 位電路"中的二極管導(dǎo)通，將負(fù)載電感電壓嵌位在"嵌位電壓源"-R.上，/。(/)由 零線性上升-/，電流值得以提升；f4~f5: Jt導(dǎo)通，J2關(guān)斷，v。(0 = -^，由電源供電，供電電壓低，負(fù)載電流 緩慢下降，當(dāng)/。(0下降到-/+*，能量補(bǔ)充電路工作，轉(zhuǎn)由"嵌位電壓源"供電， 因^電壓很高，恒流電感能量在短時間內(nèi)得以補(bǔ)充，因此，保持了負(fù)載電流幅值在方波電流平坦區(qū)的恒定；f5~^ ^關(guān)斷，J2導(dǎo)通，V。(" = ^=800r，方波電流由-/線性下降到零， 在~時刻負(fù)載電流衰減到零。計算交流方波電流下降沿斜率絕對值A(chǔ) ，以下的"斜率"均指斜率的絕對值:/。(/)由/或-/下降到零的斜率&0(/)，)—K湖c 1 1丄 500xl(T6其中￡ = 500////， FC=800F計算交流方波電流上升沿斜率尺2: /。(/)由零上升到/或-/的斜率=1.6xl06丄800當(dāng)^》/^/時，《2 - fi c L 2丄 500xl(T6其中Z = 500/^/， rc=800r=1.6xl06計算輸出方波電流換向時間G (單位方波電流下降時間Q: 4"0n-)xlO6方波電流上升時間^: G2 =-4(lnT7"^)xl06方波電流由正到負(fù)的換向時間^:丄，，G = Wrf2 =_TT(ln.)x106—二(ln)x106 =15/ 計算電流幅值/ (單位爿) 當(dāng)R》^/時，電流上升斜率i^r & 800 K、 》丄=丄 500x10—6 電流上升時間。2:1.6x106-丄(ln-電流幅值/:500x10一6ln800800 + 12x0.3x106 7,5/Ay輸出電流的換向沿斜率尺 交流方波電流下降沿斜率《=交流方波電流上升沿斜率i^ = 當(dāng)「c》i^/時，尺=《1=尺2*^ =丄〖800Z 500xl0—6 /: = 1.6><106直線，電流波形對稱。=1.6xl06，換向沿是斜率為恒流電感值的確定在r產(chǎn)12V， /=12A，及l(fā)-0,3Q, ￡=500〃//， a/=o.4A，開關(guān)管^最大工 作頻率/,-10kHz情況下，恒流電感最小值為￡關(guān)=-%7T ~~-丄=1.58 mH/ .ln h'隨V + A厶/-其中":交流方波電流幅值的波動值； A"開關(guān)管j3的最高開關(guān)頻率?？紤]到電感開關(guān)管j3工作頻率越低，需要的恒流電感量越大，i, = i2》Zmm ，在此取2mH。頻率的提高提高^，縮短方波電流的換向時間，提高頻率。 設(shè)Fc=1000^，丄=100〃// 當(dāng)^-》V時，則電流換向時間^=2.4盧，而頻率為100kHz，周期為IO戸，方波電流平坦 區(qū)時間為3.8^，即此種情況下，輸出電流的頻率可達(dá)到100kHz。 電流幅值的恒定實(shí)際j3若采用最大開關(guān)頻率為100kHz的MOSFET,i:產(chǎn)丄尸2mH， F產(chǎn)12V， /=12A， &=0.3Q, L=S0(^f/,交流方波電流幅值的波動值"厶/丄_/ + (7- il)e"《、=0.034A由此可見，負(fù)載電流在方波電流平坦區(qū)，電流波動率^ = ， = 0.283%,實(shí)/ 12現(xiàn)電流恒定。如圖2所示本實(shí)用新型技術(shù)方案包括直流電源、嵌位電壓源、嵌位電路、能量補(bǔ)充電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路和交流方波電流發(fā)生器，交流方波 電流發(fā)生器為全橋電路，全橋電路的上橋臂為兩個作為恒流源的恒流電感^和丄2，兩個下橋臂為兩個全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接，開關(guān)S 與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù)載；交 流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，交流方 波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個輸入端分別 與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流方波電 流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌位電壓 源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電路的輸 出端與嵌位電壓源的正極連接。 如圖3所示能量補(bǔ)充電路包括二極管D5、 D6和開關(guān)管J3， 二極管Ds的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管D5的負(fù)極和交流方波發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管Dp D2的負(fù)極。嵌位電路包括二極管A 、 D2 ， 二極管"的負(fù)極和D2的負(fù)極連接，二極 管Di和D2的正極分別與感性負(fù)載的兩端連接，；極管R的正極與感性負(fù)載的 一端和恒流電感A的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感丄2的一端連接。滯環(huán)控制電路包括電阻Ri 、 R2 、 R3,比較器A"驅(qū)動電路，基準(zhǔn)電壓 電路。滯環(huán)控制電路控制恒流電感電流恒定；比較器A,的反相輸入端接R0, Ro用作電流取樣，用于檢測輸出交流方波電流的幅值；比較器Ai的輸出信號經(jīng)R3接到驅(qū)動電路。當(dāng)輸出電流!。(0小于/-4f時，比較器輸出信號通過"驅(qū)動電路"控制電子開關(guān)J3導(dǎo)通，"嵌位電壓源"給"能量補(bǔ)充電路"提供能量，使恒流電感的電流上升到/+^;當(dāng)/。(,)大于/"ff時，比較器輸出信號控制J3截止，從而維持恒流么 么電感電流為恒定值，恒流電感起到了恒流源的作用。 通過調(diào)節(jié)"基準(zhǔn)電壓電路"，實(shí)現(xiàn)/的可調(diào)。 通過調(diào)節(jié)"嵌位電壓源"的電壓值，實(shí)現(xiàn)方波電流換向斜率和換向時間可調(diào)。如圖4、圖5所示實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)射電流12A， F產(chǎn)12V，線圈電阻(K3Q，線圈電感量500////, 嵌位電壓源電壓為800V，電子開關(guān)采用1200V、 31A的MOSFET模塊，電流 換向時間15p。
權(quán)利要求1、一種產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，包括直流電源、嵌位電壓源、嵌位電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路，其特征在于還包括能量補(bǔ)充電路和交流方波電流發(fā)生器，交流方波電流發(fā)生器為全橋電路，全橋電路的上橋臂為兩個恒流電感L1和L2，兩個下橋臂為兩個全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接，開關(guān)S與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù)載；交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，交流方波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個輸入端分別與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流方波電流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌位電壓源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電路的輸出端與嵌位電壓源的正極連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，其 特征在于交流方波電流發(fā)生器電路的上橋臂為兩個等值的恒流電感L,、 L2， L,、 L2的一端分別與負(fù)載電感的兩端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，其 特征在于能量補(bǔ)充電路包括二極管Ds、 D6和開關(guān)管J3， 二極管Ds的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管Ds的負(fù)極和交流方波電流發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管R、 D2 的負(fù)極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，其 特征在于嵌位電路包括二極管Dn D2, 二極管Di的負(fù)極和D2的負(fù)極連接，二 極管D,的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感A的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感丄2的一端連接。
專利摘要一種產(chǎn)生寬頻恒幅交流方波電流的頻域電磁發(fā)射裝置，用于頻域電磁法中電磁發(fā)送線圈產(chǎn)生交流方波電流，適用于地球物理勘探、無損檢測領(lǐng)域。本實(shí)用新型的裝置包括直流電源、嵌位電壓源、交流方波電流控制電路、交流方波電流發(fā)生器、能量補(bǔ)充電路和滯環(huán)控制電路，該交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接的感性負(fù)載，能量補(bǔ)充電路的輸入端與直流電源連接，輸出端與交流方波發(fā)生器的輸入端連接，能量補(bǔ)充電路與嵌位電壓源的輸出端連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，輸出端與嵌位電壓源的輸出端連接。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了交流方波電流換向沿的陡度，換向沿線性，電流幅值的提升和恒定，頻率范圍的擴(kuò)展。
文檔編號H03K3/00GK201146485SQ20082009751
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者付志紅, 蘇向豐, 謝品芳, 趙俊麗 申請人:重慶大學(xué)