一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，包括了基于超級電容器的儲(chǔ)能裝置和激發(fā)極化儀發(fā)射模塊的系統(tǒng)構(gòu)架；其中由超級電容器儲(chǔ)能單元和級聯(lián)雙向Buck/Boost?LLC DC/DC變換器組成的超級電容器儲(chǔ)能裝置，連接激發(fā)極化儀發(fā)射模塊中直流母線對發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)、釋放；激發(fā)極化儀發(fā)射模塊由發(fā)電機(jī)提供電源，經(jīng)過整流電路、DC/AC電路、高頻變壓器、AC/DC電路和DC/AC電路變換后通過發(fā)射電極向外發(fā)射信號。本實(shí)用新型通過超級電容器儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量存儲(chǔ)和釋放，有效穩(wěn)定了激發(fā)極化儀發(fā)射模塊的信號輸出，提高了系統(tǒng)效率，大大減小了激發(fā)極化儀的重量、體積，降低了儀器設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本。
【專利說明】
一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，屬于電磁勘探技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種傳統(tǒng)地球物理勘探方法，激發(fā)極化法在金屬礦探測方面應(yīng)用極為廣泛。激發(fā)極化儀作為激發(fā)極化法金屬探礦的主要儀器設(shè)備，由發(fā)射模塊和接收系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。其中發(fā)射模塊占有非常重要的作用，發(fā)射信號的可靠性和穩(wěn)定性直接決定儀器探礦性能的好壞。發(fā)射模塊提供的電場越強(qiáng)，其接收系統(tǒng)越容易得到信噪比高，精確可靠的極化率數(shù)據(jù)。激發(fā)極化儀中發(fā)射模塊的技術(shù)特點(diǎn)是在一個(gè)工作周期內(nèi)，只有半個(gè)周期時(shí)間是帶負(fù)載發(fā)射工作的，另外半個(gè)周期系統(tǒng)不發(fā)射，發(fā)電機(jī)空載。這樣容易造成野外發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和供電電壓不穩(wěn)定，空載期間電能大量浪費(fèi)，在這種背景下系統(tǒng)提出了基于超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能需求，將發(fā)射模塊不對外工作時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量通過超級電容器儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)起來，在發(fā)射模塊對外帶負(fù)載工作時(shí)將超級電容器儲(chǔ)能裝置原先存儲(chǔ)的能量釋放出去，和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的穩(wěn)定電源并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率疊加，一起對負(fù)載提供功率，從而達(dá)到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)供電、節(jié)約電能以及減小發(fā)電機(jī)額定功率、體積和重量的目的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型根據(jù)激發(fā)極化儀中發(fā)射模塊的具體技術(shù)特點(diǎn)，從適應(yīng)激發(fā)極化儀野外工作的具體要求，提高系統(tǒng)能量利用率、降低系統(tǒng)重量，減少系統(tǒng)體積以及降低經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，包括激發(fā)極化儀發(fā)射模塊、超級電容器儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)控制部分;所述激發(fā)極化儀發(fā)射模塊包括發(fā)電機(jī)、整流電路、DC/AC電路、高頻變壓器、AC/DC電路、DC/AC電路以及發(fā)射電極；所述超級電容器儲(chǔ)能裝置包括超級電容器儲(chǔ)能單元以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC DC/DC變換器級聯(lián)的雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器;所述系統(tǒng)控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路;其中發(fā)電機(jī)(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路(3)輸出端口連接高頻變壓器
(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發(fā)射電極，對外發(fā)射信號；超級電容器儲(chǔ)能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯(lián)連接DC/AC電路(6)的輸入端口；對超級電容器儲(chǔ)能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進(jìn)行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅(qū)動(dòng)電路完成對DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內(nèi)開關(guān)管的PffM驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果:
[0006]本實(shí)用新型在激發(fā)極化儀發(fā)射模塊中借鑒開關(guān)電源技術(shù)以及超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)的最新成果，將超級電容器儲(chǔ)能單元以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC DC/DC變換器級聯(lián)構(gòu)成功率變換器構(gòu)成的超級電容器儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于激發(fā)極化儀發(fā)射模塊中，利用超級電容器儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和釋放，從而提高了系統(tǒng)能量利用率、降低系統(tǒng)重量，減少系統(tǒng)體積以及降低經(jīng)濟(jì)成本。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用超級電容器儲(chǔ)能裝置將激發(fā)極化儀發(fā)射模塊在空載時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量有效地存儲(chǔ)起來，從而保證了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和供電電壓的穩(wěn)定性；當(dāng)發(fā)射模塊對外帶負(fù)載工作時(shí)，超級電容器儲(chǔ)能裝置將原來存儲(chǔ)的能量有效地釋放出去，和發(fā)電機(jī)提供的穩(wěn)定電源一起給負(fù)載提供功率，實(shí)現(xiàn)功率的疊加，在負(fù)載所需額定功率的要求下，有效地減小了發(fā)電機(jī)的額定功率，從而使整個(gè)激發(fā)極化儀的體積、重量和成本大大降低;而超級電容器儲(chǔ)能裝置中功率變換器采用的是非隔離型的雙向Buck/Boost DC/DC變換器和隔離型雙向全橋LLC DC/DC變換器的級聯(lián)組合，能夠進(jìn)行系統(tǒng)電壓寬范圍的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)保證較高的變換器工作效率；同時(shí)該儲(chǔ)能裝置中功率變換器在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，大大降低電路開關(guān)損耗，提高變換器的工作效率和功率密度。
【附圖說明】
[0007]圖1為本實(shí)用新型所述的基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0008]圖2為本實(shí)用新型所述的超級電容器儲(chǔ)能裝置功率正向流動(dòng)的系統(tǒng)框圖。
[0009]圖3為本本實(shí)用新型所述的超級電容器儲(chǔ)能裝置功率反向流動(dòng)的系統(tǒng)框圖。
[0010]圖4為本實(shí)用新型所述的激發(fā)極化儀發(fā)射模塊中主要電壓波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本實(shí)用新型的基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，主要應(yīng)用于電磁勘探中激發(fā)極化儀設(shè)備，根據(jù)附圖敘述本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0012]如圖1所示，本實(shí)用新型的硬件電路【具體實(shí)施方式】如下:
[0013]本實(shí)用新型的一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，較佳實(shí)施方案包括激發(fā)極化儀發(fā)射模塊、超級電容器儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)控制部分;所述激發(fā)極化儀發(fā)射模塊包括發(fā)電機(jī)(I)、整流電路(2)、DC/AC電路(3)、高頻變壓器(4)、AC/DC電路(5)、DC/AC電路(6)以及發(fā)射電極；所述超級電容器儲(chǔ)能裝置包括超級電容器儲(chǔ)能單元(7)以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)級聯(lián)的雙向Buck/Boost-LLCDC/DC變換器;所述系統(tǒng)控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路;其中發(fā)電機(jī)(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路
(3)輸出端口連接高頻變壓器(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發(fā)射電極，對外發(fā)射信號;超級電容器儲(chǔ)能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯(lián)連接DC/AC電路(6)的輸入端口 ；對超級電容器儲(chǔ)能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進(jìn)行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅(qū)動(dòng)電路完成對DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內(nèi)開關(guān)管的PffM驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
[0014]具體來說，所述超級電容器儲(chǔ)能單元(7)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的實(shí)時(shí)電壓、電流通過采樣電路反饋至DSP控制板，實(shí)現(xiàn)對超級電容器儲(chǔ)能裝置中功率變換器中開關(guān)管的PffM控制；同時(shí)所述DSP控制板對激發(fā)極化儀發(fā)射模塊中DC/AC電路(6)進(jìn)行PffM控制驅(qū)動(dòng)，以獲得和超級電容器儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能、釋能的同步電壓方波信號。
[0015]如圖1、圖2、圖4所示，本實(shí)用新型在激發(fā)極化儀發(fā)射模塊對外帶負(fù)載工作情況下:
[0016]所述激發(fā)極化儀發(fā)射模塊的發(fā)電機(jī)(I)提供功率為1KVA、電壓為380V的三相不穩(wěn)定電源，所述電源經(jīng)過整流電路(2)獲得功率10KW，電壓為500V的單相穩(wěn)定直流電源；單相穩(wěn)定直流電源依次經(jīng)過DC/AC電路(3)逆變、高頻變壓器(4)進(jìn)行升壓和AC/DC電路(5)整流后獲得功率為10KW、電壓為1000V的穩(wěn)定電源;DC/AC電路(6)在DSP控制板的控制驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生周期為16s、占空比為0.5、幅值為1000V的電壓方波信號；當(dāng)電壓方波信號處于高電平時(shí)，AC/DC電路(5)輸出的穩(wěn)定電源和超級電容器儲(chǔ)能裝置放電產(chǎn)生的功率為10KW、電壓為1000V的穩(wěn)定電源并聯(lián)輸入DC/AC電路(6)，獲得功率為20KW、電壓為1000V的穩(wěn)定電源信號對外發(fā)射；當(dāng)電壓方波信號處于低電平時(shí)，AC/DC電路(5)輸出的穩(wěn)定電源輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲(chǔ)能裝置能量存儲(chǔ)的電源輸入，此時(shí)激發(fā)極化儀不對外發(fā)射信號，發(fā)射電極輸出為零。
[0017]具體來說，如圖4所示，激發(fā)極化儀發(fā)射模塊對外帶負(fù)載工作時(shí)，輸出電壓方波信號Vro處于高電平，此時(shí)如圖2所示，超級電容器儲(chǔ)能裝置處于放電狀態(tài)，功率正向流動(dòng)，超級電容器儲(chǔ)能單元(7)放電，為雙向Buck/Boost DC/DC變換器提供功率為1KW，電壓變化范圍為200?400V的不穩(wěn)定直流電源V1，電源V1經(jīng)過Boost升壓工作模式下的雙向Buck/BoostDC/DC變換器(8)，獲得功率為10KW，電壓為800V的穩(wěn)定直流電源Vdc，之后，穩(wěn)定直流電源Vdc輸入雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)，經(jīng)過變換器電壓調(diào)節(jié)后，獲得功率為10KW，電壓為1000V的穩(wěn)定直流電源￥2，該穩(wěn)定電源和AC/DC電路(5)整流流出的功率為1KW，電壓為1000V的穩(wěn)定直流電源并聯(lián)，共同作用輸入DC/AC電路(6)進(jìn)行逆變，此時(shí)DC/AC電路(6)輸出的電壓方波信號處于高電平，獲得功率為20KW，電壓為1000V的電源信號，通過發(fā)射電極對外發(fā)射。
[0018]如圖1、圖3、圖4所示，本實(shí)用新型在激發(fā)極化儀發(fā)射模塊對外不工作情況下的【具體實(shí)施方式】如下:
[0019]本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式中，發(fā)明的基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射模塊對外不工作，此時(shí)超級電容器儲(chǔ)能裝置處于儲(chǔ)能狀態(tài)，超級電容器儲(chǔ)能單元(7)充電，此時(shí)，激發(fā)極化儀發(fā)射模塊的電壓方波信號為低電平，發(fā)射電極輸出為零;AC/DC電路(5)流出的功率為10KW，電壓為1000V的穩(wěn)定電源輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲(chǔ)能裝置能量存儲(chǔ)的電源輸入，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)后獲得功率為10KW，電壓為800V的穩(wěn)定直流電源，之后該電壓源輸入Buck降壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)，對超級電容器儲(chǔ)能單元(7)中超級電容器充電，直到超級電容器儲(chǔ)能單元端電壓達(dá)到額定值400V為止，充電完成。
[0020]結(jié)合圖1、圖3和圖4對【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明:
[0021]如圖4所不，激發(fā)極化儀發(fā)射模塊對外不工作時(shí)，輸出電壓方波信號Vrq處于低電平，此時(shí)如圖3所示，超級電容器儲(chǔ)能裝置處于充電狀態(tài)，功率反向流動(dòng)，AC/DC電路(5)流出的功率為10KW，電壓為1000V的穩(wěn)定電源￥2輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲(chǔ)能裝置能量存儲(chǔ)的電源輸入，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)后獲得功率為10KW，電壓為800V的穩(wěn)定直流電源Vdc，之后該電壓源輸入Buck降壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器
(8)，對超級電容器儲(chǔ)能單元中超級電容器充電，直到超級電容器儲(chǔ)能單元(7)端電壓達(dá)到額定值400V為止，充電完成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超級電容器儲(chǔ)能的激發(fā)極化儀發(fā)射系統(tǒng)，其特征為:包括激發(fā)極化儀發(fā)射模塊、超級電容器儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)控制部分； 所述激發(fā)極化儀發(fā)射模塊包括發(fā)電機(jī)(I )、整流電路(2)、DC/AC電路(3)、高頻變壓器(4)、AC/DC電路(5)、DC/AC電路(6)以及發(fā)射電極； 所述超級電容器儲(chǔ)能裝置包括超級電容器儲(chǔ)能單元(7)以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)級聯(lián)的雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器； 所述系統(tǒng)控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅(qū)動(dòng)電路； 其中發(fā)電機(jī)(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路(3)輸出端口連接高頻變壓器(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發(fā)射電極，對外發(fā)射信號；超級電容器儲(chǔ)能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯(lián)，接入DC/AC電路(6)的輸入端口 ；對超級電容器儲(chǔ)能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進(jìn)行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅(qū)動(dòng)電路完成DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內(nèi)開關(guān)管的PffM驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
【文檔編號】H02M9/04GK205490227SQ201620046002
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月11日
【發(fā)明人】曾志輝, 王曉衛(wèi), 韋延方, 張志剛, 高慶華, 楊曉邦, 張蛟龍
【申請人】河南理工大學(xué)