大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置的製作方法

2023-10-30 19:17:12

專利名稱：大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用於恆壓或者恆流發射的一套電力電子裝置，例如地質勘探、海洋資源探測等領域。
背景技術：
恆穩發射機在國內外的研製機構為數不多，其主要的特點是可以發射出頻率變化的恆定電壓或者電流。恆穩發射機在發射恆穩電壓或者電流時，由於發射頻率可以不斷的變化，使得發射極間的阻抗也隨頻率的不同而發生變化。而在發射頻率變化較大時，例如DC-lKHz，發射極間的阻抗變化多達100 Ω。兩極間阻抗發生變化是由於集膚效應、電容、電感共同作用的結果。在發射極間的頻率變化很大時，兩極間的阻抗很可能由容性變化為感性，並且整個過程伴隨由集膚效應越來越明顯，電阻變得越來越大。在這種情況下，就要使得發射極間的電壓變化可跟隨由於發射頻率的變化而引起阻抗變化。例如在地質勘探中，由於金屬礦通常具有良好的導電性，因此地面電法是礦體詳查的人工電磁法主要手段。地面電法即由發射機向大地注射頻率變化的大電流，然後再接受地球電磁場響應來獲取地下地質體或礦體電導率分布信息，來構建地下介質電導率的結構特徵。

實用新型內容本實用新型的目的是克服大功率發射機的電壓調節範圍有限、不可連續性調節， 單體發電機組的容量、質量過大等缺點。為達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案(以N = 2時為例進行說明)兩臺發電機組輸出三相交流電分別對應輸入到兩個三相整流器中，三相整流器輸出經電容濾波後輸出為直流電壓，然後該直流電壓對應輸入到兩個高頻逆變器中，這兩個高頻逆變器輸出為兩路高頻電壓，兩路高頻電壓輸入到兩個結構對稱的高頻變壓器中，其中一個高頻變壓器的異名輸出端與另一個高頻逆變器的同名輸出端連接，剩餘的兩個輸出端作為兩個高頻變壓器的輸出端，組成高頻變壓器的串聯輸出，實現功率的合成，然後將高頻變壓器的輸出接入到單相整流橋，單相整流橋輸出電壓經電容濾波後輸入到全控H橋， 全控H橋的輸出作為整個裝置的電壓發射或者電流發射，最後將輸出的電壓或者電流數據作反饋採集輸入到DSP處理器，由DSP處理器處理、計算輸出兩個PWM調製波的佔空比和相位差，從而控制兩個高頻逆變器中開關管子得導通與關斷，實現裝置輸出的恆壓發射或者恆流發射。本電路中，由於高頻變壓器對應輸出端串聯，可使得輸出端電壓最大增加2倍，通過控制高頻逆變器的佔空比或者相位差調節輸出電壓的大小，從而實現了大範圍的電壓連續可調恆壓或恆流發射裝置。本實用新型的優點在於電壓可大範圍連續調節、單體發電機組的質量和容量顯著降低。
圖1是大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射的拓撲電路示意圖；圖2是N為2時的大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射機的拓撲電路圖。圖中1、2為三相整流器；3、4為高頻逆變器；5為高頻變壓器輸出串聯；6為單相整流橋;7為全控H橋電路；8為DSP處理器。圖3是N為3時的大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射機的拓撲電路圖。圖中 Γ、2'、3'為三相整流器；4'、5'、6'為高頻逆變器；7'為高頻變壓器輸出串聯；8' 為單相整流橋；9'為全控H橋電路、10'為DSP處理器。圖4是由6個不控二極體組成的三相整流器；圖5是由四個IGBT模塊組成的高頻逆變器，也即圖2中的3、4高頻逆變器或者圖 3中的4'、5'、6'高頻逆變器；圖6是由完全相同的兩個高頻變壓器，其輸入端接入電路中的方式完全相同，其輸出端串聯組成，其串聯方式為I號變壓器的異名輸出端與II號變壓器的同名輸出端直接相連，剩餘的兩個端子作為輸出端；需特殊說明帶有「*」號的為高頻變壓器的同名端。 推廣到N個完全相同的高頻變壓器，其輸入端接入電路方式完全相同，其串聯方式為第一個高頻變壓器的異名輸出端與第二個高頻變壓器的同名輸出端連接，第二個高頻變壓器的異名端與第三個高頻變壓器的同名端連接，依次類推直到第N-I個高頻變壓器的異名端與第N個高頻變壓器的同名端接連，最後把第一個高頻變壓器的同名輸出端與最後一個高頻變壓器的異名輸出端作為兩個輸出端接入單相整流橋。圖7是由4個橋式結構二極體組成的單相整流橋，最後一個為快速恢復外延二極體；圖8是由四個IGBT模塊組成的全控H橋。圖9是由DSP處理器發射出的控制信號；在恆穩發射裝置不同情況輸出時，該控制方式分為兩種①與②控制方式為相位一致時，調節佔空比控制穩壓或穩流，該方式控制時為輸出高於300V電壓；③與④為佔空比一定時，調節相位差控制穩流，該控制方式時輸出為低於300V電壓。該圖中①、③和②、④分別控制圖2中的3和4高頻逆變H橋(圖3中的 4'、5'、6'高頻逆變器)。並且圖9中①、②、③、④均為控制圖5中的a和d兩個IGBT模塊，b、c兩個模塊控制信號則是由圖9中①、②、③、④四個控制信號作T/2周期延遲實現。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步的說明。為具體說明實施方式以N = 2為例進行說明。如圖2所示，本實用新型硬體電路具體實施方式
如下兩臺三相發電機組提供三相交流電壓輸入到1、2兩個三相整流器中，三相整流器把三相交流電壓整流之後輸入到濾波電容，濾波電容輸出直流電壓，濾波電容輸出的直流電壓輸入到3、4兩個高頻逆變器中，高頻逆變器輸出高頻的交流電壓，高頻逆變器輸出後輸入到5高頻變壓器中，高頻變壓器輸出的升壓高頻電壓再輸入到單相整流橋中，單相整流橋輸出經過濾波器後輸入到全控H橋中，全控H橋輸出最後的發射電壓或者發射電流。在具體實施N = 2的大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置中，三相整流器的型號為德國IXYS公司的VUO 160-16N07、高頻逆變器的選型為三菱公司的CM200DU-MNFH、 單相整流橋為德國IXYS公司的VBE 100-12N07、全控H橋選型為三菱公司的CM200DY-34A。三相發電機組提供380V三相電壓，三相電壓輸入到三相整流器中，三相整流器經濾波電容後輸出510V直流電壓，濾波電容輸出的直流電壓輸入到高頻逆變器中，由DSP處理器處理反饋的輸出電壓或電流數據，發射控制高頻逆變器導通與關斷的控制信號，使得高頻逆變器輸出滿足恆穩發射的高頻電壓，然後高頻逆變器輸出的高頻電壓輸入到高頻變壓器升壓，其中高頻變壓器的升壓比為1 2. 26，高頻變壓器輸出組成如圖5的串聯方式輸出，高頻變壓器輸出的高頻電壓輸入到單相整流橋中，單相整流橋輸出經濾波器後為直流電壓，輸出的直流電壓輸入到全控H橋中，全控H橋通過發射極A、發射極B輸出欲發射的電壓或者電流。以上即為該恆穩發射裝置的硬體拓撲電路實施方式；如圖9所示，本實用新型的控制平臺具體實施方式
如下該大功率恆穩發射機可發射出頻率變化的恆壓或恆流。在不同頻率下，由於集膚效應、電容、電感的作用，發射極間的等效阻抗是隨頻率的變化而變化的。例如，在地質勘探中，不同頻段時發射電極間大地的阻抗變化範圍多達100Ω。因此欲發射恆定電流必須使得發射電壓隨著阻抗的增加而增加。為達到恆流發射，就需要控制兩個高頻逆變器上的輸出電壓佔空比或者相位差，使得高頻變壓器輸出電壓滿足發射要求。由上述的說明，在不同的頻率下恆流發射其電壓是隨阻抗的變化而變化的，因此要求發射極間的發射電壓需大範圍連續可調節。控制平臺實施方式是由DSP處理器處理採集發射極輸出端的電壓或者電流數據，發射出控制高頻逆變器的信號，達到恆穩發射目的。 如圖9中控制策略可實現輸出電壓大範圍連續可調節。具體控制方式，即當輸出為低電壓小電流(發射極間輸出電壓低於300V)時，DSP輸出③、④的波形，其佔空比一定，控制相位差達到恆穩發射的目的；當輸出為高電壓大電流(發射極間輸出電壓高於300V)時，DSP 輸出①、②的波形，其相位一致，控制佔空比達到恆穩發射的目的。其DSP輸出波形的實現方式為採集發射極輸出端的電壓或者電流信號，作為反饋輸入到DSP處理器中，DSP處理器內部通過PI計算，得出相應的控制方式以及相應的佔空比或者相位差，然後DSP處理器的事件管理模塊輸出計算後的控制信號，實現控制目的。這裡需要說明的是，圖9中的①、②波形作為控制方式中的一種，僅能控制兩個高頻逆變器的半個橋路，即圖9中的控制信號①控制圖1中的3高頻逆變H橋的a、d號IGBT 模塊；控制信號②控制圖1中的4高頻逆變器的a、d號IGBT模塊；每個高頻逆變H橋上還有兩個IGBT模塊(b、c號IGBT模塊)，其控制信號分別對應為圖9中控制信號①、②波形作時間的延遲。當圖9中③、④作為控制信號時，作對應於上述的相似處理即可得到②、③ 號IGBT模塊控制信號。在實驗時，發射極間電阻100 Ω，給定恆穩電流發射值為7A，可以清晰看出電流波形穩定性很好，本裝置輸出電壓在0-2000V均可實現電壓的連續可調節控制恆穩發射。由於實驗條件以及裝置器件的限制，只做到2000V的輸出端最高電壓。如果實驗條件允許以及裝置中的器件可滿足要求，本裝置可發射輸出更高、更大的電壓。以上即為該恆流發射裝置的控制平臺實施方式。
5[0031]以N = 3時為例結合圖3進行具體實施方式
說明。如圖3所示，三臺三相發電機組提供三相交流電壓輸入到1'、2'、3'三個三相整流器中，三相整流器把三相交流電壓整流之後輸入到濾波電容，濾波電容輸出直流電壓， 濾波電容輸出的直流電壓輸入到4'、5'、6'三個高頻逆變器中，高頻逆變器輸出高頻的交流電壓，高頻逆變器輸出後輸入到T高頻變壓器中，高頻變壓器輸出的升壓高頻電壓再輸入到單相整流橋中，單相整流橋輸出經過濾波器後輸入到8'全控H橋中，全控H橋輸出最後的發射電壓或者發射電流。在具體實施N = 3的大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射機時，三相整流器、高頻逆變器、單相整流橋、全控H橋的選型和N = 2時相同。三相發電機組提供380V三相電壓，三相電壓輸入到三相整流器中，三相整流器經濾波電容後輸出510V直流電壓，濾波電容輸出的直流電壓輸入到高頻逆變器中，由DSP處理器處理反饋的輸出電壓或電流數據，發射控制高頻逆變器導通與關斷的控制信號，使得高頻逆變器輸出滿足恆穩發射的高頻電壓，然後高頻逆變器輸出的高頻電壓輸入到高頻變壓器升壓，其中高頻變壓器的升壓比為1 2. 26，高頻變壓器輸出組成串聯方式輸出，其串聯方式為第一個高頻變壓器的異名輸出端與第二個高頻變壓器的同名輸出端連接，第二個高頻變壓器的異名輸出端與第三個高頻變壓器的同名輸出端連接，最後第一個高頻變壓器的同名輸出端和第三個高頻變壓器的異名輸出端作為高頻變壓器串聯的輸出，高頻變壓器輸出的高頻電壓輸入到單相整流橋中，單相整流橋輸出經濾波器後為直流電壓，輸出的直流電壓輸入到全控H橋中，全控H橋通過發射極A、發射極B輸出欲發射的電壓或者電流。以上即為大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射機硬體電路實施方式。本實用新型的控制平臺具體實施方式
該大功率恆穩發射機可發射出頻率變化的恆壓或恆流。在不同頻率下，由於集膚效應、電容、電感的作用，發射極間的等效阻抗是隨頻率的變化而變化的。例如，在地質勘探中，不同頻段時發射電極間大地的阻抗變化範圍多達100Ω。因此欲發射恆定電流必須使得發射電壓隨著阻抗的增加而增加。為達到恆流發射，就需要控制兩個高頻逆變器上的輸出電壓佔空比或者相位差，使得高頻變壓器輸出電壓滿足發射要求。由上述的說明，在不同的頻率下恆流發射其電壓是隨阻抗的變化而變化的，因此要求發射極間的發射電壓需大範圍連續可調節。控制平臺實施方式是由DSP處理器處理採集發射極輸出端的電壓或者電流數據，發射出控制高頻逆變器的信號，達到恆穩發射目的。 如圖9中控制策略可實現輸出電壓大範圍連續可調節。具體控制方式，即當輸出為低電壓小電流(發射極間輸出電壓低於300V)時，DSP輸出③、④的波形，其佔空比一定，控制相位差達到恆穩發射的目的，這裡需要說明當N > 2時，控制相位差時還是要把N個高頻逆變器分為兩組，N為偶數時分為數量相同的兩組，N為奇數時兩組數量分為(N+1V2個和(N-I) Λ 個；當輸出為高電壓大電流(發射極間輸出電壓高於300V)時，DSP輸出①、②的波形，其相位一致，控制佔空比達到恆穩發射的目的，這裡需要說明的是所有高頻逆變器受控策略一樣。其DSP輸出波形的實現方式為採集發射極輸出端的電壓或者電流信號，作為反饋輸入到DSP處理器中，DSP處理器內部通過PI計算，得出相應的控制方式以及相應的佔空比或者相位差，然後DSP處理器的事件管理模塊輸出計算後的控制信號，實現控制目的。以上即為該恆流發射裝置的控制平臺實施方式。
權利要求1.大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置，其特徵在於依次包括發電機組、三相整流器、IOMHz以內的高頻逆變器、IOMHz以內的高頻變壓器、單相整流橋、全控H橋以及DSP 處理器，以下高頻均指的是IOMHz以內的高頻，該裝置是由N臺發電機組同時供電，N大於或等於2，將發電機組輸出電壓分別輸入到相應N組三相整流器中；整流器輸出經電容濾波後的直流母線電壓再對應輸入到N組高頻逆變器中；高頻逆變器輸出的高頻電壓輸入到相對應的N組高頻變壓器中；然後高頻變壓器的N個輸出端對應相連接組成串聯，實現功率合成；然後把第一個高頻變壓器的同名輸出端和最後一個高頻變壓器的異名輸出端輸入到單相整流橋中，經濾波器濾波、穩壓和全控H橋之後發射輸出恆定電壓或者電流，最後採集發射輸出端的電壓或者電流數據作為反饋信號，由DSP處理器接受、處理、計算輸出分別控制N個高頻逆變器導通與關斷PWM波得相位差以及佔空比。
2.依據權利要求1所述的大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置，其特徵在於在每個高頻逆變器輸出與高頻變壓器輸入之間串入濾波器。
專利摘要大功率電壓寬範圍連續可調恆穩發射裝置。該裝置的特徵是由多臺發電機組分別輸入到三相整流器、高頻逆變器、高頻變壓器等，高頻變壓器輸出端實現功率合成然後輸出電壓整流，通過控制逆變電路實現輸出電壓可大範圍調節的恆流輸出裝置。該實用新型可以有效減小單個發電機容量，輸出電壓可寬範圍調節、控制策略簡單、可實現負載上大電流高精度恆穩。
文檔編號H02M3/335GK202178709SQ201120275108
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者劉燕楠, 張一鳴, 胡科堂, 陳東升, 高俊俠 申請人:北京工業大學