黃江波, 付志紅, 付 煒

(1.長江師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,重慶 408100;2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院,重慶 408044;3.國家電網(wǎng) 重慶市電力公司市區(qū)供電分公司,重慶 408040)

一種頻域電磁探測發(fā)射機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

黃江波1,2, 付志紅2, 付 煒3

(1.長江師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,重慶 408100;2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院,重慶 408044;3.國家電網(wǎng) 重慶市電力公司市區(qū)供電分公司,重慶 408040)

電磁探測設(shè)備是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).本文通過分析頻域電磁探測發(fā)射機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了具有上升、下降沿均鉗位,且輸出電流階段連接恒流源的發(fā)射電路,以及鉗位電壓源電容、恒流電感值,并建立了系統(tǒng)模型.仿真結(jié)果表明,該頻域電磁探測發(fā)射機(jī)能在感性負(fù)載較大、發(fā)射頻率較高的情況下,輸出電流幅值大且為常規(guī)橋式發(fā)射電路3倍,具有交流方波穩(wěn)定、線性度良好等優(yōu)點(diǎn).

電磁探測機(jī); 發(fā)射頻率高; 穩(wěn)定性強(qiáng); 研究設(shè)計(jì)

0 引 言

電磁探測是地球物理勘探的重要手段之一,廣泛應(yīng)用于油氣資源探測、礦產(chǎn)勘查、考古研究、現(xiàn)代城市建設(shè)、隧道礦井安全預(yù)測以及水文地質(zhì)災(zāi)害勘查等傳統(tǒng)領(lǐng)域.本文通過分析頻域電磁探測發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了具有上升、下降沿均鉗位,且輸出電流階段連接恒流源的頻域電磁探測發(fā)射電路,對鉗位電壓源電容、恒流電感值也進(jìn)行了設(shè)計(jì),能在感性負(fù)載100μH、發(fā)射頻率達(dá)到30 kHz的情況下,輸出電流幅值達(dá)到50 A,為常規(guī)橋式發(fā)射電路的3倍左右,且為穩(wěn)定的交流方波,幅值不受供電電源波動(dòng)影響,上升、下降沿迅速,總換向時(shí)間僅11.1μs,線性度良好,滿足頻域電磁探測需求.

1 頻域電磁探測發(fā)射機(jī)系統(tǒng)分析

1.1 頻域電磁探測發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

頻域電磁(Frequency-domain Electromagnetic Method,FEM)探測發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.供電電源為50 Hz/220 V單相發(fā)電機(jī),經(jīng)電感電容濾波的不可控整流電路之后,接逆變電路與DC/DC全橋橋式電路,再連接帶有鉗位電壓源與恒流功能的交流方波發(fā)射橋路[1].

頻域電磁探測整流電源設(shè)計(jì)要求:交流供電50 Hz/220 V單相交流發(fā)電機(jī);直流輸出電壓200 V;發(fā)射電流幅值50 A;最大發(fā)射頻率30 kHz.

1.2 頻域發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)與原理

頻域發(fā)射主電路拓?fù)淙鐖D2所示,主要由恒流源單元、能量補(bǔ)充單元恒壓鉗位單元組成.恒流源單元在傳統(tǒng)的全橋電路的基礎(chǔ)上,用電感L1和L2代替了上橋臂的兩功率開關(guān)管,作為可控恒流源,使發(fā)射電流上升階段被鉗位.恒流控制單元由開關(guān)管J3和二極管D3組成,滯環(huán)控制開關(guān)管J3以實(shí)現(xiàn)電感L1和L2中電流的恒定:若恒流電感電流值大于設(shè)定值則J3關(guān)斷,電源、恒流電感與負(fù)載或鉗位電容形成回路;當(dāng)恒流源電流小于設(shè)定值時(shí),J3導(dǎo)通,恒流電感通過鉗位電壓源快速充電上升至設(shè)定值.由于恒流電感L1、L2的電感值相同,電流值基本相等,在控制中采用L1、L2電流之和作為被控量通過滯環(huán)控制其恒定,以簡化電路.二極管D3的主要作用是阻斷鉗位電壓源與電源的聯(lián)系,使負(fù)載兩端的電壓在換向期間恒等于鉗位電壓源的電壓.恒壓鉗位單元由二極管D1、D2,開關(guān)J4以及鉗位電壓源組成.為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流關(guān)斷沿的快速線性下降,在發(fā)射電流關(guān)斷沿期間,將負(fù)載鉗位于恒定的電壓源UC;穩(wěn)壓值UC由滯環(huán)控制的參考電壓設(shè)定.當(dāng)鉗位電壓小于設(shè)定值UC時(shí),開關(guān)J4關(guān)斷,電容C充電;當(dāng)鉗位電壓大于設(shè)定值UC時(shí),開關(guān)J4導(dǎo)通,電容C放電,部分能量由電阻R0消耗,其作用是在電流上升或下降期間,提供恒定高電壓源將負(fù)載鉗位,實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的快速線性上升或者下降.本文中采用電容作為鉗位電壓源,而非獨(dú)立電壓源,簡化了電路,具體參照時(shí)域電磁發(fā)射電路中的實(shí)現(xiàn)方式[2-9].

圖2 頻域電磁法發(fā)射電路Fig.2 FEM transmitting circuit

圖3為理想的頻域電磁探測發(fā)射電流電壓波形.t0時(shí)刻,電源正向供電,負(fù)載與恒流源1連通,由于負(fù)載與恒流源電流不等,D1導(dǎo)通,負(fù)載被正向鉗位于恒壓源,負(fù)載電流快速線性上升;t1時(shí)刻,負(fù)載電流等于恒流源電流,鉗位電路停止工作,負(fù)載電流進(jìn)入正向恒定階段;t2時(shí)刻,負(fù)載電感與恒流源2連通,負(fù)載被反向鉗位于恒壓源,負(fù)載電流快速線性下降;t3時(shí)刻,負(fù)載電流下降至0;接下來電流反向,電路工作情況與電流正向時(shí)一致.

圖3 理想頻域電磁法發(fā)射電流電壓波形Fig.3 The ideal FEM transmitting current and voltage

負(fù)載電流上升階段工作情況如圖4所示.t=t0～t1,開關(guān)管J1關(guān)斷,J2導(dǎo)通,負(fù)載與恒流電感L1串連,由于恒流電感L1電流值與負(fù)載電流不相等,負(fù)載兩端產(chǎn)生感應(yīng)高壓,從而使二極管D1導(dǎo)通,負(fù)載兩端電壓被正向鉗位于電壓源Uc,負(fù)載電流快速上升至恒流電感L1電流值I0.電流上升沿表達(dá)式為

令式(1)為I0,則可求得上升沿時(shí)間

圖4 頻域電磁法發(fā)射電流上升階段Fig.4 FEM transmitting circuit,rising-edge

負(fù)載電流為正向恒定電流工作情況如圖5所示.t=t1～t2,開關(guān)管J1關(guān)斷,J2導(dǎo)通,負(fù)載與恒流電感L1串連,此時(shí),負(fù)載電流穩(wěn)定在所設(shè)定的電流I0,二極管D1關(guān)斷.

圖5 頻域電磁法發(fā)射電流正向恒定階段Fig.5 FEM transmitting circuit,positive current

負(fù)載電流下降階段工作情況圖6所示.t=t2～t3,開關(guān)管J2關(guān)斷,J1導(dǎo)通,負(fù)載與恒流電感L2串連,由于恒流電感L2初始電流與負(fù)載電流不相等,使二極管D2導(dǎo)通,負(fù)載兩端電壓被反向鉗位于電壓源UC,負(fù)載電流快速下降至0.電流下降沿表達(dá)式為

2 頻域發(fā)射電路參數(shù)設(shè)計(jì)

在頻域發(fā)射電路中,負(fù)載取值為RL=4 ?,L=100μH,開關(guān)管J3最大工作頻率fmax=10 kHz,發(fā)射方波電流幅值I為25 A,電流最大波動(dòng)為0.5 A,供電電壓US為200 V,在恒流階段,電感值應(yīng)滿足

考慮J3工作頻率越低,維持電流在要求范圍內(nèi)的電感量越大,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取恒流電感為25 mH.

圖6 頻域電磁法發(fā)射電流下降階段Fig.6 FEM transmitting circuit,dropping-edge

考慮兩個(gè)恒流電感電流低于設(shè)定值時(shí),能量全部由電容提供,則鉗位電壓源給恒流電感充電階段滿足

電流最大波動(dòng)值為0.5 A,UC最大波動(dòng)值為20 V,則電容值應(yīng)滿足

為了保證穩(wěn)壓效果,C的取值應(yīng)該更大,但C取值過大又會(huì)導(dǎo)致上電變慢,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為50μF.

為了確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行,電阻R0的取值應(yīng)使回饋電流小于滯環(huán)控制開關(guān)管的額定工作電流IJ4,即

額定工作電流IJ4為100 A時(shí),最壞的工作情況為供電電壓為0,將其帶入公式,可計(jì)算得電阻R0的最小值為10 ?.

3 仿真及結(jié)果

采用MATLAB進(jìn)行仿真研究,其中Vm=1,H=1/200,感性負(fù)載L=5 mH,負(fù)載為25 ?,輸出濾波電解電容ESR為0.04 ?,電壓為500 V檔位,輸出最大功率工作點(diǎn),時(shí)域電磁(Time-domain Electromagnetic Method,TDEM)探測發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真模型,包括主電路、反饋補(bǔ)償子系統(tǒng)、移相調(diào)壓子系統(tǒng)和時(shí)域探測發(fā)射電路子系統(tǒng).其閉環(huán)仿真系統(tǒng)模型如圖7所示.

發(fā)射子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示.在輸出10 kHz到30 kHz的交流方波為目標(biāo)下,以普通橋式電路的仿真結(jié)果與所采用發(fā)射電路的仿真結(jié)果做比較,重點(diǎn)分析頻域電磁探測發(fā)射電路的上升沿波形質(zhì)量提升與恒流輸出功能.

圖7 時(shí)域電磁探測發(fā)射機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)仿真電路Fig.7 Close loop simulation of TDEM system

圖8 頻域發(fā)射電路子系統(tǒng)Fig.8 FEM transmitting subsystem

頻域電磁探測發(fā)射波形對于發(fā)射頻率寬度的要求比時(shí)域探測寬得多,為滿足淺層探測,頻率通常會(huì)達(dá)到上千赫茲甚至上萬赫茲,所以發(fā)射波形的上升、下降沿的要求更為苛刻.設(shè)置能通過的最大電流為25 A,并選取滯環(huán)環(huán)寬為0.2 A.

發(fā)射頻率為10 kHz、20 kHz、30 kHz,負(fù)載電阻為4 ?,電感為100μH時(shí),普通全橋發(fā)射電路和具有上升沿改善及輸出電流幅值恒定功能的發(fā)射電路的負(fù)載電壓、電流的波形圖以及30 kHz時(shí)DC/DC全橋變換電路輸出電壓局部放大圖,如圖9、圖10、圖11、圖12所示.

圖9 發(fā)射頻率為10 kHz時(shí)負(fù)載電壓和電流Fig.9 Load voltage and current,10 kHz

圖10 發(fā)射頻率為20 kHz時(shí)負(fù)載電壓和電流Fig.10 Load voltage and current,20 kHz

從圖9、圖10、圖11、圖12可知,在電路參數(shù)相同的情況下,常規(guī)全橋電路不能穩(wěn)定地輸出電流,且輸出完全由輸入電壓決定,輸出電流波形上升、下降沿緩慢,無恒定電流輸出階段,f=10 kHz時(shí)負(fù)載電流最大值約為38 A,f=20 kHz,負(fù)載電流最大值為23 A左右,f=30 kHz時(shí)負(fù)載電流最大值約為16 A,發(fā)射電流幅值隨頻率增加而減小,且均不能輸出交流方波波形,與頻域電磁探測法所需的發(fā)射波形相差甚遠(yuǎn).采用恒流功能的發(fā)射電路,鉗位電壓為1000 V,在頻率從10 kHz到30 kHz變化時(shí),發(fā)射電流總換向時(shí)間為11.1μs左右,上升、下降沿均以很高的斜率上升到設(shè)定值,上升沿時(shí)間為5.6μs左右,下降沿時(shí)間為4.5μs左右,與計(jì)算值5.58μs、4.56μs相符;電路穩(wěn)態(tài)時(shí),鉗位電容向負(fù)載反饋的能量會(huì)造成發(fā)射橋路直流供電電壓有所波動(dòng),但電流恒定區(qū)電流值由滯環(huán)控制的恒流源決定,穩(wěn)定在±50 A,波動(dòng)極小,滿足頻域電磁探測法對發(fā)射波形的需求,且若降低設(shè)定發(fā)射電流值,發(fā)射頻率還有很高的提升空間.

圖11 發(fā)射頻率為30 kHz時(shí)負(fù)載電壓和電流Fig.11 Load voltage and current,30 kHz

圖12 發(fā)射頻率為30 kHz,DC/DC全橋變換電路輸出電壓放大圖Fig.12 30 kHz,output voltage of DC/DC full bridge converter

4 結(jié) 論

本文對頻域電磁探測發(fā)射機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了具有上升、下降沿均鉗位,且輸出電流階段連接恒流源的頻域電磁探測發(fā)射電路,對鉗位電壓源電容、恒流電感值進(jìn)行了設(shè)計(jì),能在感性負(fù)載100μs、發(fā)射頻率達(dá)到30 kHz的情況下,輸出電流幅值達(dá)到50 A,為常規(guī)橋式發(fā)射電路的3倍左右,且為穩(wěn)定的交流方波,幅值不受供電電源波動(dòng)影響,上升、下降沿迅速,總換向時(shí)間僅11.1μs,線性度良好,滿足頻域電磁探測需求.

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(責(zé)任編輯:李 藝)

A frequency domain electromagnetic detection transmitter in the research and design

HUANG Jiang-bo1,2,FU Zhi-hong2,FU Wei3
(1.School of Electronic Information Engineering,Yangtze Normal University,Chongqing 408100,China;2.School of Electrical Engineering,Chongqing University,Chongqing 408044,China;3.State Grid Corporation,Chongqing Electric Power Company Urban Power Supply Branch of China,Chongqing 408040,China)

Electromagnetic detection device is a research focus.In this paper,frequency domain electromagnetic detection transmitter topology structure,designed with up and down along the clamp,and the output current phase connection the launch of constant current source circuit,design of the clamping voltage source capacitance inductance value,constant current,system model is established.The simulation results show that the frequency domain electromagnetic detection emission function under the condition of inductive load is bigger,high firing frequency,output current amplitude,3 times greater than that of the conventional bridge type transmission circuit.Besides,ac square wave is stable,with good linearity,etc.

electromagnetic detection machine;high firing frequency;strong stability;study design

TM46

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.06.010

1000-5641(2017)06-0105-09

2017-02-23

國家自然科學(xué)基金(51277189);重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1401224)

黃江波,男,博士研究生,副教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置與智能控制研究.

E-mail:hjbjs9088@163.com.