專利名稱：大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于恒壓或者恒流發(fā)射的一套電力電子裝置，例如地質(zhì)勘探、海洋資源探測(cè)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)在國(guó)內(nèi)外的研制機(jī)構(gòu)為數(shù)不多，其主要的特點(diǎn)是可以發(fā)射出頻率變化的恒定電壓或者電流。恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)在發(fā)射恒穩(wěn)電壓或者電流時(shí)，由于發(fā)射頻率可以不斷的變化，使得發(fā)射極間的阻抗也隨頻率的不同而發(fā)生變化。而在發(fā)射頻率變化較大時(shí)，例如DC-lKHz，發(fā)射極間的阻抗變化多達(dá)100 Ω。兩極間阻抗發(fā)生變化是由于集膚效應(yīng)、電容、電感共同作用的結(jié)果。在發(fā)射極間的頻率變化很大時(shí)，兩極間的阻抗很可能由容性變化為感性，并且整個(gè)過(guò)程伴隨由集膚效應(yīng)越來(lái)越明顯，電阻變得越來(lái)越大。在這種情況下，就要使得發(fā)射極間的電壓變化可跟隨由于發(fā)射頻率的變化而引起阻抗變化。例如在地質(zhì)勘探中，由于金屬礦通常具有良好的導(dǎo)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(fā)射機(jī)向大地注射頻率變化的大電流，然后再接受地球電磁場(chǎng)響應(yīng)來(lái)獲取地下地質(zhì)體或礦體電導(dǎo)率分布信息，來(lái)構(gòu)建地下介質(zhì)電導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)特征。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服大功率發(fā)射機(jī)的電壓調(diào)節(jié)范圍有限、不可連續(xù)性調(diào)節(jié)， 單體發(fā)電機(jī)組的容量、質(zhì)量過(guò)大等缺點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案(以N = 2時(shí)為例進(jìn)行說(shuō)明)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸出三相交流電分別對(duì)應(yīng)輸入到兩個(gè)三相整流器中，三相整流器輸出經(jīng)電容濾波后輸出為直流電壓，然后該直流電壓對(duì)應(yīng)輸入到兩個(gè)高頻逆變器中，這兩個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的高頻變壓器中，其中一個(gè)高頻變壓器的異名輸出端與另一個(gè)高頻逆變器的同名輸出端連接，剩余的兩個(gè)輸出端作為兩個(gè)高頻變壓器的輸出端，組成高頻變壓器的串聯(lián)輸出，實(shí)現(xiàn)功率的合成，然后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(jīng)電容濾波后輸入到全控H橋， 全控H橋的輸出作為整個(gè)裝置的電壓發(fā)射或者電流發(fā)射，最后將輸出的電壓或者電流數(shù)據(jù)作反饋采集輸入到DSP處理器，由DSP處理器處理、計(jì)算輸出兩個(gè)PWM調(diào)制波的占空比和相位差，從而控制兩個(gè)高頻逆變器中開(kāi)關(guān)管子得導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)裝置輸出的恒壓發(fā)射或者恒流發(fā)射。本電路中，由于高頻變壓器對(duì)應(yīng)輸出端串聯(lián)，可使得輸出端電壓最大增加2倍，通過(guò)控制高頻逆變器的占空比或者相位差調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)了大范圍的電壓連續(xù)可調(diào)恒壓或恒流發(fā)射裝置。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于電壓可大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)、單體發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量和容量顯著降低。
圖1是大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射的拓?fù)潆娐肥疽鈭D；圖2是N為2時(shí)的大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)的拓?fù)潆娐穲D。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(lián)；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(shí)的大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)的拓?fù)潆娐穲D。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(lián)；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(gè)不控二極管組成的三相整流器；圖5是由四個(gè)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(gè)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(lián)組成，其串聯(lián)方式為I號(hào)變壓器的異名輸出端與II號(hào)變壓器的同名輸出端直接相連，剩余的兩個(gè)端子作為輸出端；需特殊說(shuō)明帶有“*”號(hào)的為高頻變壓器的同名端。 推廣到N個(gè)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(lián)方式為第一個(gè)高頻變壓器的異名輸出端與第二個(gè)高頻變壓器的同名輸出端連接，第二個(gè)高頻變壓器的異名端與第三個(gè)高頻變壓器的同名端連接，依次類(lèi)推直到第N-I個(gè)高頻變壓器的異名端與第N個(gè)高頻變壓器的同名端接連，最后把第一個(gè)高頻變壓器的同名輸出端與最后一個(gè)高頻變壓器的異名輸出端作為兩個(gè)輸出端接入單相整流橋。圖7是由4個(gè)橋式結(jié)構(gòu)二極管組成的單相整流橋，最后一個(gè)為快速恢復(fù)外延二極管；圖8是由四個(gè)IGBT模塊組成的全控H橋。圖9是由DSP處理器發(fā)射出的控制信號(hào)；在恒穩(wěn)發(fā)射裝置不同情況輸出時(shí)，該控制方式分為兩種①與②控制方式為相位一致時(shí)，調(diào)節(jié)占空比控制穩(wěn)壓或穩(wěn)流，該方式控制時(shí)為輸出高于300V電壓；③與④為占空比一定時(shí)，調(diào)節(jié)相位差控制穩(wěn)流，該控制方式時(shí)輸出為低于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)。并且圖9中①、②、③、④均為控制圖5中的a和d兩個(gè)IGBT模塊，b、c兩個(gè)模塊控制信號(hào)則是由圖9中①、②、③、④四個(gè)控制信號(hào)作T/2周期延遲實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。為具體說(shuō)明實(shí)施方式以N = 2為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，本實(shí)用新型硬件電路具體實(shí)施方式
如下兩臺(tái)三相發(fā)電機(jī)組提供三相交流電壓輸入到1、2兩個(gè)三相整流器中，三相整流器把三相交流電壓整流之后輸入到濾波電容，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(gè)高頻逆變器中，高頻逆變器輸出高頻的交流電壓，高頻逆變器輸出后輸入到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(jīng)過(guò)濾波器后輸入到全控H橋中，全控H橋輸出最后的發(fā)射電壓或者發(fā)射電流。在具體實(shí)施N = 2的大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射裝置中，三相整流器的型號(hào)為德國(guó)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?yàn)榈聡?guó)IXYS公司的VBE 100-12N07、全控H橋選型為三菱公司的CM200DY-34A。三相發(fā)電機(jī)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(jīng)濾波電容后輸出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(shù)據(jù)，發(fā)射控制高頻逆變器導(dǎo)通與關(guān)斷的控制信號(hào)，使得高頻逆變器輸出滿足恒穩(wěn)發(fā)射的高頻電壓，然后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(lián)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(jīng)濾波器后為直流電壓，輸出的直流電壓輸入到全控H橋中，全控H橋通過(guò)發(fā)射極A、發(fā)射極B輸出欲發(fā)射的電壓或者電流。以上即為該恒穩(wěn)發(fā)射裝置的硬件拓?fù)潆娐穼?shí)施方式；如圖9所示，本實(shí)用新型的控制平臺(tái)具體實(shí)施方式
如下該大功率恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)可發(fā)射出頻率變化的恒壓或恒流。在不同頻率下，由于集膚效應(yīng)、電容、電感的作用，發(fā)射極間的等效阻抗是隨頻率的變化而變化的。例如，在地質(zhì)勘探中，不同頻段時(shí)發(fā)射電極間大地的阻抗變化范圍多達(dá)100Ω。因此欲發(fā)射恒定電流必須使得發(fā)射電壓隨著阻抗的增加而增加。為達(dá)到恒流發(fā)射，就需要控制兩個(gè)高頻逆變器上的輸出電壓占空比或者相位差，使得高頻變壓器輸出電壓滿足發(fā)射要求。由上述的說(shuō)明，在不同的頻率下恒流發(fā)射其電壓是隨阻抗的變化而變化的，因此要求發(fā)射極間的發(fā)射電壓需大范圍連續(xù)可調(diào)節(jié)?？刂破脚_(tái)實(shí)施方式是由DSP處理器處理采集發(fā)射極輸出端的電壓或者電流數(shù)據(jù)，發(fā)射出控制高頻逆變器的信號(hào)，達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射目的。 如圖9中控制策略可實(shí)現(xiàn)輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)節(jié)。具體控制方式，即當(dāng)輸出為低電壓小電流(發(fā)射極間輸出電壓低于300V)時(shí)，DSP輸出③、④的波形，其占空比一定，控制相位差達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射的目的；當(dāng)輸出為高電壓大電流(發(fā)射極間輸出電壓高于300V)時(shí)，DSP 輸出①、②的波形，其相位一致，控制占空比達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射的目的。其DSP輸出波形的實(shí)現(xiàn)方式為采集發(fā)射極輸出端的電壓或者電流信號(hào)，作為反饋輸入到DSP處理器中，DSP處理器內(nèi)部通過(guò)PI計(jì)算，得出相應(yīng)的控制方式以及相應(yīng)的占空比或者相位差，然后DSP處理器的事件管理模塊輸出計(jì)算后的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制目的。這里需要說(shuō)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(gè)高頻逆變器的半個(gè)橋路，即圖9中的控制信號(hào)①控制圖1中的3高頻逆變H橋的a、d號(hào)IGBT 模塊；控制信號(hào)②控制圖1中的4高頻逆變器的a、d號(hào)IGBT模塊；每個(gè)高頻逆變H橋上還有兩個(gè)IGBT模塊(b、c號(hào)IGBT模塊)，其控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)為圖9中控制信號(hào)①、②波形作時(shí)間的延遲。當(dāng)圖9中③、④作為控制信號(hào)時(shí)，作對(duì)應(yīng)于上述的相似處理即可得到②、③ 號(hào)IGBT模塊控制信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射極間電阻100 Ω，給定恒穩(wěn)電流發(fā)射值為7A，可以清晰看出電流波形穩(wěn)定性很好，本裝置輸出電壓在0-2000V均可實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)可調(diào)節(jié)控制恒穩(wěn)發(fā)射。由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件允許以及裝置中的器件可滿足要求，本裝置可發(fā)射輸出更高、更大的電壓。以上即為該恒流發(fā)射裝置的控制平臺(tái)實(shí)施方式。
5[0031]以N = 3時(shí)為例結(jié)合圖3進(jìn)行具體實(shí)施方式
說(shuō)明。如圖3所示，三臺(tái)三相發(fā)電機(jī)組提供三相交流電壓輸入到1'、2'、3'三個(gè)三相整流器中，三相整流器把三相交流電壓整流之后輸入到濾波電容，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(gè)高頻逆變器中，高頻逆變器輸出高頻的交流電壓，高頻逆變器輸出后輸入到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(jīng)過(guò)濾波器后輸入到8'全控H橋中，全控H橋輸出最后的發(fā)射電壓或者發(fā)射電流。在具體實(shí)施N = 3的大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)時(shí)，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(shí)相同。三相發(fā)電機(jī)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(jīng)濾波電容后輸出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(shù)據(jù)，發(fā)射控制高頻逆變器導(dǎo)通與關(guān)斷的控制信號(hào)，使得高頻逆變器輸出滿足恒穩(wěn)發(fā)射的高頻電壓，然后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(lián)方式輸出，其串聯(lián)方式為第一個(gè)高頻變壓器的異名輸出端與第二個(gè)高頻變壓器的同名輸出端連接，第二個(gè)高頻變壓器的異名輸出端與第三個(gè)高頻變壓器的同名輸出端連接，最后第一個(gè)高頻變壓器的同名輸出端和第三個(gè)高頻變壓器的異名輸出端作為高頻變壓器串聯(lián)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(jīng)濾波器后為直流電壓，輸出的直流電壓輸入到全控H橋中，全控H橋通過(guò)發(fā)射極A、發(fā)射極B輸出欲發(fā)射的電壓或者電流。以上即為大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)硬件電路實(shí)施方式。本實(shí)用新型的控制平臺(tái)具體實(shí)施方式
該大功率恒穩(wěn)發(fā)射機(jī)可發(fā)射出頻率變化的恒壓或恒流。在不同頻率下，由于集膚效應(yīng)、電容、電感的作用，發(fā)射極間的等效阻抗是隨頻率的變化而變化的。例如，在地質(zhì)勘探中，不同頻段時(shí)發(fā)射電極間大地的阻抗變化范圍多達(dá)100Ω。因此欲發(fā)射恒定電流必須使得發(fā)射電壓隨著阻抗的增加而增加。為達(dá)到恒流發(fā)射，就需要控制兩個(gè)高頻逆變器上的輸出電壓占空比或者相位差，使得高頻變壓器輸出電壓滿足發(fā)射要求。由上述的說(shuō)明，在不同的頻率下恒流發(fā)射其電壓是隨阻抗的變化而變化的，因此要求發(fā)射極間的發(fā)射電壓需大范圍連續(xù)可調(diào)節(jié)。控制平臺(tái)實(shí)施方式是由DSP處理器處理采集發(fā)射極輸出端的電壓或者電流數(shù)據(jù)，發(fā)射出控制高頻逆變器的信號(hào)，達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射目的。 如圖9中控制策略可實(shí)現(xiàn)輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)節(jié)。具體控制方式，即當(dāng)輸出為低電壓小電流(發(fā)射極間輸出電壓低于300V)時(shí)，DSP輸出③、④的波形，其占空比一定，控制相位差達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射的目的，這里需要說(shuō)明當(dāng)N > 2時(shí)，控制相位差時(shí)還是要把N個(gè)高頻逆變器分為兩組，N為偶數(shù)時(shí)分為數(shù)量相同的兩組，N為奇數(shù)時(shí)兩組數(shù)量分為(N+1V2個(gè)和(N-I) Λ 個(gè)；當(dāng)輸出為高電壓大電流(發(fā)射極間輸出電壓高于300V)時(shí)，DSP輸出①、②的波形，其相位一致，控制占空比達(dá)到恒穩(wěn)發(fā)射的目的，這里需要說(shuō)明的是所有高頻逆變器受控策略一樣。其DSP輸出波形的實(shí)現(xiàn)方式為采集發(fā)射極輸出端的電壓或者電流信號(hào)，作為反饋輸入到DSP處理器中，DSP處理器內(nèi)部通過(guò)PI計(jì)算，得出相應(yīng)的控制方式以及相應(yīng)的占空比或者相位差，然后DSP處理器的事件管理模塊輸出計(jì)算后的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制目的。以上即為該恒流發(fā)射裝置的控制平臺(tái)實(shí)施方式。
權(quán)利要求1.大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射裝置，其特征在于依次包括發(fā)電機(jī)組、三相整流器、IOMHz以內(nèi)的高頻逆變器、IOMHz以內(nèi)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(nèi)的高頻，該裝置是由N臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)供電，N大于或等于2，將發(fā)電機(jī)組輸出電壓分別輸入到相應(yīng)N組三相整流器中；整流器輸出經(jīng)電容濾波后的直流母線電壓再對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的N組高頻變壓器中；然后高頻變壓器的N個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)相連接組成串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率合成；然后把第一個(gè)高頻變壓器的同名輸出端和最后一個(gè)高頻變壓器的異名輸出端輸入到單相整流橋中，經(jīng)濾波器濾波、穩(wěn)壓和全控H橋之后發(fā)射輸出恒定電壓或者電流，最后采集發(fā)射輸出端的電壓或者電流數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)，由DSP處理器接受、處理、計(jì)算輸出分別控制N個(gè)高頻逆變器導(dǎo)通與關(guān)斷PWM波得相位差以及占空比。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率電壓寬范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射裝置，其特征在于在每個(gè)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范圍連續(xù)可調(diào)恒穩(wěn)發(fā)射裝置。該裝置的特征是由多臺(tái)發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)功率合成然后輸出電壓整流，通過(guò)控制逆變電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓可大范圍調(diào)節(jié)的恒流輸出裝置。該實(shí)用新型可以有效減小單個(gè)發(fā)電機(jī)容量，輸出電壓可寬范圍調(diào)節(jié)、控制策略簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)負(fù)載上大電流高精度恒穩(wěn)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK202178709SQ201120275108
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉燕楠, 張一鳴, 胡科堂, 陳東升, 高俊俠 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)