一種大功率電磁勘探發射機系統的製作方法
2023-06-06 22:05:06 3
專利名稱：一種大功率電磁勘探發射機系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁勘探發射機系統，特別涉及一種電磁勘探發射機，屬電力電子整流逆變器。
背景技術：
電磁勘探發射機是通過獲取大地介質對入射電磁場的響應，來構建地下介質電導率的分布信息。金屬礦通常具有良好的導電性，因此電磁法是尋找金屬礦最為有效的地球物理勘探手段。隨著現代電力電子技術和器件的快速發展，電磁勘探發射機主電路的拓撲結構也在發生變化。常用的是二極體不控整流橋和H型逆變橋。二極體不控整流橋完成從交流到直流的AC/DC變換；H型逆變橋執行從直流到正負發射；並且穩定發射電流的措施是通過 調節發電機的勵磁電流完成的。但發電機機電時間常數大，勵磁穩流方法會導致發電磁轉速不穩定造成電壓波動太大，響應時間長，穩流效果有限，而且發射電流的關斷時間也將延長。這將大大降低發射機的穩流精度，甚至對整個系統造成勘探缺陷。Zonge公司的GGT系列發射機採用半控型的晶閘管代替了不控型的大功率二極體，通過控制和調節晶閘管的開通時刻，達到穩定發射電流的目的。但也存在產品質量和體積較大，大功率應用場合發射機中的能量不能完全利用，資源不能更加有效利用，存在諧波及無功功率高的問題。作為電法勘探儀器場源的產生裝置，其發射波形的質量對探測結果的影響顯而易見。因此發射機的關鍵技術在於發射電流性能指標的提升。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，從提高電磁勘探發射機發射電流穩定性能的角度出發，研製一種大功率電磁勘探發射機系統。該電磁勘探發射機控制任務分工明確合理，可提高穩流精度和響應速度。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案—種大功率電磁勘探發射機系統,發電機組輸出埠與三相整流橋輸入埠相連，三相整流橋的輸出埠連接H型逆變橋輸入埠，H型逆變橋的輸出埠與升壓變壓器的輸入埠相連，升壓變壓器的輸出埠連接單相整流橋輸入埠，單相整流橋的輸出埠連接發射橋的輸入埠，發射橋的輸出埠連接電極埠 ；還設有第一電壓檢測電路(OVl)、第一電流檢測電路(OCl)、第二電壓檢測電路(0V2)、第二電流檢測電路(0C2)、溫度檢測電路(OT)、第一中央處理單元、第二中央處理單元、發射控制平臺和保護電路；第一電壓檢測電路的輸入埠與所述的三相整流橋的輸出埠連接，第一電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ；第一電流檢測電路的輸入埠與單相整流橋的輸出埠連接，第一電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ；第二電壓檢測電路的輸入埠與單相逆變橋的輸出埠連接，第二電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ；第二電流檢測電路的輸入埠與發射橋的輸入埠連接，第二電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ；溫度檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ；第一中央處理單元輸出埠與H型逆變橋輸入埠連接；第二中央處理單元輸出埠與發射橋輸入埠連接；所述的發射控制平臺與第二中央處理單元連接；第一中央處理單元包括DSPl控制單元、第一 PWM驅動模塊、保護電路；第二中央處理單元包括DSP2控制單元和第二 PWM驅動模塊；系統中發電機組為系統提供頻率為50HZ、電壓為380V的三相不穩定電源，進入三相整流橋整流濾波，獲得第一級直流母線電壓；第一級的直流母線電壓通過H型逆變橋逆變成20KHZ的單相交流電，20KHZ的單相交流電通過變比為1:2. 3的升壓變壓器升壓，然後進入單相整流橋整流濾波獲得第二級直流母線電壓；第二級直流母線電壓進入發射橋輸出恆定電壓或者恆定電流；發射控制平臺通過人機互動來實現對直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間、時長的控制，DSP2控制單元接受來自發射控制平臺的電壓電流頻率等參數，將電壓電流傳送到DSPl控制單元，同時也傳遞開始發射指令；DSP1控制單元收到電壓電流參數，並且接收到開始發射指令後，採集三相整流橋整流濾波電壓、單相整流橋整流濾波電壓和電流、發射橋發射電壓和發射電流，監測電壓電流異常，出現過壓或者過流，立即封鎖第一 PWM驅動模塊，同時發射電壓電流信號還作為反饋信號，與接收到的電壓電流參數做PI運算，計算控制逆變橋中開關管開通和關斷PWM波的佔空比；DSP2控制單元採集發射電壓和發射電流，回傳發射控制平臺，進行實現和監控；溫度檢測電路、第一電壓檢測電路、第一電流檢測電路、第二電壓檢測電路、第二電流檢測電路的輸出信號分別進入保護電路，同時第一 PWM驅動模塊的短路檢測輸出信號也進入保護電路，一旦發生過溫、過壓、過流、短路等故障，保護電路和第一中央處理單元立即封鎖第一 PWM驅動模塊的輸出，短路情況下實施PWM的軟關斷，實現對逆變橋、發射橋和系統的冗餘保護。前述的三相整流橋為一個三相不控整流橋模塊或者一個晶閘管三相整流全橋。前述的H型逆變橋為二個絕緣柵雙極性電晶體模塊，或者一個智能功率模塊。前述的單相整流橋為一個單相不控整流橋模塊。前述的發射橋為兩個絕緣柵雙極性電晶體模塊，或者一個智能功率模塊。系統所述的H型逆變橋和發射橋採用絕緣柵雙極型電晶體(Insulated GateBipolar Transistor)，因為IGBT集成了功率MOSFET和GTR的優點，既具有功率MOSFET的輸入阻抗高、電壓控制、驅動功率小、開關速度快，工作頻率可達1CT60KHZ，飽和壓降低，又具有GTR的電壓電流容量大，安全工作區寬的優點。本發明與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果本發明在電磁勘探中電磁勘探發射機借鑑開關電源技術的最新成果，發電機組為系統提供不穩定的三相交流電源，採用三相整流橋AC-DC變換技術進行整流濾波，以獲得穩定的直流電壓，之後採用DC-AC逆變技術，通過逆變橋將濾波後的電壓逆變為佔空比可·調的20KHZ單相交流電、經過升壓變壓器升壓之後進入單相整流橋整流濾波，建立穩定的直流母線電壓，發射橋執行恆電壓或者恆電流發射。發射控制平臺傳遞發射電壓電流頻率參數，並實時顯示實際發射電壓電流頻率等參數；DSP2控制單元接收發射電壓電流頻率參數，控制發射橋開關管的開關頻率和PWM佔空比；DSP1控制單元接收發射電壓電流信號，並利用發射電壓、發射電流反饋信號進行PI調節，通過PWM調製實現對H型逆變橋中開關器件的開關控制，以獲得高穩定、高線性度以及高頻率的發射信號。電壓電流檢測電路、溫度檢測電路的信號分別進入DSPl控制單元和保護電路，DSPl控制單元在監測到電壓電流或溫度異常時能進入優先級別最高的功率保護中斷，封鎖第一PWM驅動模塊的PWM輸出；保護電路監測電壓電流或溫度異常時，封鎖第一 PWM驅動模塊的PWM輸出。這種方案實施的優點在於發射控制平臺、DSPl控制單元、DSP2控制單元控制任務分工明確，單個DSP單元數據處理量較少，保證DSP較低的工作溫度，提高DSP的工作可靠性和工作壽命；H型逆變橋和發射橋的電氣連接均採用疊層母排技術，顯著減少強電線路的雜散電感，有效地減小了開關管關斷時的突波電壓，有助於減小突波吸收電容，節約成本；DSP1控制單元和保護電
路分別監測電壓電流溫度等參數，出現過溫(0T)、過壓(0V)、過流(OC)，DSPl控制單元和保護電路均會立即封鎖第一 PWM驅動模塊的PWM輸出，實現冗餘保護，而且過流(OC)發生時，第一 PWM驅動模塊具有軟關斷功能；此外，系統採用脈寬調製控制策略控制整流橋直流側的電壓、穩定逆變橋的發射電流，使得整個發射系統的穩定性對發射負載和發電機組發出電壓的依賴性顯著下降，提高了發射波形精度和響應速度。
圖I是大功率電磁勘探發射機系統電路拓撲結構圖；圖2是大功率電磁勘探發射機系統控制原理框圖；圖3是大功率電磁勘探發射機系統軟硬體保護原理框圖；圖4是大功率電磁勘探發射機系統硬體保護結構框圖。圖中具體標號如下 I為發電機組，2為三相整流橋，3為H型逆變橋，4為升壓變壓器，5為單相整流橋，6為發射橋,7為電極。逆變橋開關管型號為2個CM300DU-24NFH的IGBT半橋功率模塊，發射橋開關管型號為2個CM300DY-34A的IGBT半橋功率模塊。
具體實施例方式以下結合說明書附圖對本發明的具體實施例加以說明請參閱圖I所示，是大功率電磁勘探發射機系統電路拓撲結構圖。其中，發電機組I輸出埠與三相整流橋2輸入埠相連，三相整流橋2的輸出埠連接H型逆變橋3的輸入埠，逆變橋3的輸出埠與升壓變壓器4的原邊相連，升壓變壓器4的輸出埠連接單相整流橋5的輸入埠，單相整流橋5的輸出埠連接發射橋6的輸入埠，發射橋6的輸出埠連接電極7的埠。請參閱圖2和圖4所示，圖2為大功率電磁勘探發射機系統控制原理框圖。圖4為大功率電磁勘探發射機系統硬體保護結構框圖。從圖中可以看出，包括發電機組、三相整流橋、濾波電容、H型逆變橋、升壓變壓器、單相整流橋、發射橋、電極。還有溫度檢測電路、第一電壓檢測電路、第二電壓檢測電路、第一電流檢測電路、第二電流檢測電路、第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路、發射控制平臺。
第一電壓檢測電路的輸入埠與三相整流橋的輸出埠連接，第一電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠(OVl);第一電流檢測電路的輸入埠與單相整流橋的輸出埠連接。第一電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠(OCl);第二電壓檢測電路的輸入埠與單相逆變橋的輸出埠連接。第二電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入埠(0V2);第二電流檢測電路的輸入埠與發射橋的輸出埠連接。第二電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入埠(0C2)。第一中央處理單元輸出埠與H型逆變橋輸入埠連接。第二中央處理單元輸出埠分別與發射橋輸入埠和發射控制平臺連接。
所述的第一中央處理單元包括DSPl控制單元、第一PWM驅動模塊、保護電路；第二中央處理單元包括DSP2控制單元和第二 PWM驅動模塊。發電機組為系統提供30KVA，頻率為50HZ、電壓為220V的三相不穩定電源。經過三相整流橋整流濾波後獲得頻率為50HZ、電壓為310V的第一級直流母線電壓。上述單相直流電壓通過H型逆變橋逆變獲得頻率為20KHZ、幅值電壓為310V、佔空比可變的單相交流電壓，之後經過變比為1:2. 3的升壓變壓器升壓獲得頻率為20KHZ、幅值為700V的單相交流電壓。上述單相交流電壓經過單相整流橋整流濾波後獲得10CT500V的第二級直流母線電壓。將上述的第二級直流母線電壓通過發射橋逆變，獲得最高功率為50KW、最大電流為50A的發射信號。上述發射信號是在中央處理單元控制下實現並發射的。系統對單相整流橋輸出的直流母線電壓和發射橋的發射電流進行實時檢測，並將上述直流母線電壓、發射電流輸入第一中央處理單元；第一中央處理單元中的DSPl控制單元將實際採樣的發射電壓和發射橋的發射電流，經過PWM調製信號，利用第一 PWM驅動模塊實現H型逆變橋的逆變，在通過升壓變壓器、單相整流橋、發射橋逆變後得到發射信號；其中發射信號的發射時間、發射電壓、發射電流、發射頻率都受到發射控制平臺的控制。DSP2控制單元接受發射控制平臺的GPS同步信號、開始發射信號、發射電壓、電流、頻率等參數，利用第二 PWM驅動模塊驅動發射橋發射信號；DSP2控制單元在接收到開始發射信號、發射電壓、發射電流參數後將上述參數傳遞給DSPl控制單元，作為PWM調製的標定。發射控制平臺實時監控發射電壓、發射電流、發射頻率、發射時長相關信息，同時通過人機界面實現對發射電壓、發射電流、發射頻率及發射時間、時長的控制。在本發明具體實施中，三相整流橋的選型為德國IXYS公司的VU0-190-16-N07、H型逆變橋選型為三菱公司的CM300DU-24NFH，單相整流橋選型為德國IXYS公司的VBE-100-12-N07,發射橋選型為三菱公司的CM300DY-34A，2個DSP處理器選型為德州儀器的 TMS320F2812。發射控制平臺將開始發射信號、發射電壓、發射電流、發射頻率等參數傳遞至DSP2控制單元，DSP2控制單元將開始發射信號、發射電壓、發射電流參數傳遞至DSPI控制單元。開始發射後，由DSPl控制單元採集發射電壓和發射電流數據，改變控制H型逆變橋的信號，達到恆穩發射目的。DSPl輸出PWM波形的具體實現方式為採集發射電壓和發射電流，作為反饋輸入至DSPl控制單元中，DSPl控制單元通過PI計算，獲得PWM信號相應的佔空比，然後由DSPl控制單元的時間管理器模塊輸出計算後的PWM控制信號，通過第一 PWM驅動模塊改變H型逆變橋兩對開關器件IGBT的開通時間和關斷時間，控制系統的輸出精度。請參閱圖3和圖4所示，本發明的保護電路具體實施方式
如下由第一中央處理單元中DSPl控制單元採集溫度、三相整流橋整流濾波輸出的直流母線電壓、單相整流橋整流濾波的輸出電流、發射電壓和發射電流，與標定值做比較；上述5路信號同時輸入保護電路，與標 定值做比較；採集信號異常時，DSPl控制單元和保護電路都通過第二PWM驅動模塊封鎖PWM信號，鎖存故障信號，逆變橋停止工作；短路故障時，第一 PWM驅動模塊實施軟關斷，避免硬關斷產生過大的di/dt，破壞H型逆變橋的IGBT。圖4為硬體保護結構框圖；當H型逆變橋、發射橋發生上下橋臂直通或者負載發生短路故障時，PWM驅動模塊I將對H型逆變橋實施軟關斷；所謂軟關斷就是在短路發生時驅動電路緩慢的將IGBT的驅動電壓降低到閾值以下，試驗過程中第一 PWM驅動模塊可在5μ s內軟關斷H型逆變橋；待故障排除，清除故障信號後可實施發射。
權利要求
1.一種大功率電磁勘探發射機系統，發電機組輸出埠與三相整流橋輸入埠相連，三相整流橋的輸出埠連接H型逆變橋輸入埠，H型逆變橋的輸出埠與升壓變壓器的輸入埠相連，升壓變壓器的輸出埠連接單相整流橋輸入埠，單相整流橋的輸出埠連接發射橋的輸入埠，發射橋的輸出埠連接電極埠 ；其特徵在於還設有第一電壓檢測電路、第一電流檢測電路、第二電壓檢測電路、第二電流檢測電路、溫度檢測電路、第一中央處理單元、第二中央處理單元、發射控制平臺和保護電路； 所述的第一電壓檢測電路的輸入埠與所述的三相整流橋的輸出埠連接，第一電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ； 所述的第一電流檢測電路的輸入埠與單相整流橋的輸出埠連接，第一電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ； 所述的第二電壓檢測電路的輸入埠與單相逆變橋的輸出埠連接，第二電壓檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入端 Π ； 所述的第二電流檢測電路的輸入埠與發射橋的輸入埠連接，第二電流檢測電路的輸出埠分別連接第一中央處理單元、第二中央處理單元、保護電路的一個輸入埠 ； 所述的第一中央處理單元輸出埠與逆變器輸入埠連接；第二中央處理單元輸出埠與發射橋輸入埠連接； 所述的發射控制平臺與第二中央處理單元連接； 所述的第一中央處理單元包括DSPI控制單元、第一 PWM驅動模塊、保護電路；第二中央處理單元包括DSP2控制單元和第二 PWM驅動模塊； 電壓進入三相整流橋整流濾波，獲得第一級直流母線電壓；第一級的直流母線電壓通過逆變器逆變成20KHZ的單相交流電，20KHZ的單相交流電通過升壓變壓器升壓，然後進入單相整流橋整流濾波獲得第二級直流母線電壓；第二級直流母線電壓進入發射橋輸出恆定電壓或者恆定電流；發射控制平臺通過人機互動來實現對直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間、時長的控制，DSP2控制單元接受來自發射控制平臺的電壓電流頻率等參數，將電壓電流傳送到DSPl控制單元，同時也傳遞開始發射指令；DSP1控制單元收到電壓電流參數，並且接收到開始發射指令後，採集三相整流橋整流濾波電壓、單相整流橋整流濾波電壓和電流、發射橋發射電壓和發射電流，監測電壓電流異常，出現過壓或者過流，立即封鎖第一 PWM驅動模塊，同時發射電壓電流信號還作為反饋信號，與接收到的電壓電流參數做PI運算，計算控制逆變橋中開關管開通和關斷PWM波的佔空比；DSP2控制單元採集發射電壓和發射電流，回傳發射控制平臺，進行實現和監控；溫度檢測電路、第一電壓檢測電路、第一電流檢測電路、第二電壓檢測電路、第二電流檢測電路的輸出信號分別進入保護電路，同時第一 PWM驅動模塊的短路檢測輸出信號也進入保護電路，一旦發生過溫、過壓、過流、短路等故障，保護電路和第一中央處理單元立即封鎖第一 PWM驅動模塊的輸出，短路情況下實施PWM的軟關斷，實現對逆變橋、發射橋和系統的冗餘保護。
2.根據權利要求I所述的一種大功率電磁勘探發射機系統，其特徵在於所述的升壓變壓器升壓變比為1:2.3。
3.根據權利要求I所述的一種大功率電磁勘探發射機系統，其特徵在於所述的三相整流橋為一個三相不控整流橋模塊或者一個晶閘管三相整流全橋。
4.根據權利要求I所述的一種大功率電磁勘探發射機系統，其特徵在於所述的逆變器為二個絕緣柵雙極性電晶體模塊，或者一個智能功率模塊。
5.根據權利要求I所述的一種大功率電磁勘探發射機系統，其特徵在於所述的單相整流橋為一個單相不控整流橋模塊。
6.根據權利要求I所述的一種大功率電磁勘探發射機系統，其特徵在於所述的發射橋為兩個絕緣柵雙極性電晶體模塊，或者一個智能功率模塊。
全文摘要
本發明公開了一種大功率電磁勘探發射機系統，包括發電機組、三相整流橋、濾波電容、H型逆變橋、升壓變壓器、單相整流橋、發射橋、電極、溫度檢測電路、第一電壓檢測電路、第二電壓檢測電路、第一電流檢測電路、第二電流檢測電路、第一中央處理單元、第二中央處理單元、發射控制平臺。通過通信傳輸發射電壓、發射電流參數，並通過參數回傳實時顯示實際發射電壓和發射電流；接收發射控制平臺的發射參數，控制發射橋的發射，並採集發射電壓、發射電流信號，實時回傳至發射控制平臺；實現對H型逆變橋的PWM調製，以獲得穩定、可靠的發射信號；電極是系統信號發射口。提高了發射波形精度和響應速度。
文檔編號H02M5/44GK102938616SQ20121047885
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者張一鳴, 仝江濤, 馮金蘭, 王旭紅, 高俊霞 申請人:北京工業大學