一种频域电磁探测发射机的研究与设计

黄江波, 付志红, 付 炜

(1.长江师范学院 电子信息工程学院,重庆 408100;2.重庆大学 电气工程学院,重庆 408044;3.国家电网 重庆市电力公司市区供电分公司,重庆 408040)

一种频域电磁探测发射机的研究与设计

黄江波1,2, 付志红2, 付 炜3

(1.长江师范学院 电子信息工程学院,重庆 408100;2.重庆大学 电气工程学院,重庆 408044;3.国家电网 重庆市电力公司市区供电分公司,重庆 408040)

电磁探测设备是国内外研究的热点.本文通过分析频域电磁探测发射机的拓扑结构,设计了具有上升、下降沿均钳位,且输出电流阶段连接恒流源的发射电路,以及钳位电压源电容、恒流电感值,并建立了系统模型.仿真结果表明,该频域电磁探测发射机能在感性负载较大、发射频率较高的情况下,输出电流幅值大且为常规桥式发射电路3倍,具有交流方波稳定、线性度良好等优点.

电磁探测机; 发射频率高; 稳定性强; 研究设计

0 引 言

电磁探测是地球物理勘探的重要手段之一,广泛应用于油气资源探测、矿产勘查、考古研究、现代城市建设、隧道矿井安全预测以及水文地质灾害勘查等传统领域.本文通过分析频域电磁探测发射机拓扑结构,设计了具有上升、下降沿均钳位,且输出电流阶段连接恒流源的频域电磁探测发射电路,对钳位电压源电容、恒流电感值也进行了设计,能在感性负载100µH、发射频率达到30 kHz的情况下,输出电流幅值达到50 A,为常规桥式发射电路的3倍左右,且为稳定的交流方波,幅值不受供电电源波动影响,上升、下降沿迅速,总换向时间仅11.1µs,线性度良好,满足频域电磁探测需求.

1 频域电磁探测发射机系统分析

1.1 频域电磁探测发射机拓扑结构

频域电磁(Frequency-domain Electromagnetic Method,FEM)探测发射机拓扑结构如图1所示.供电电源为50 Hz/220 V单相发电机,经电感电容滤波的不可控整流电路之后,接逆变电路与DC/DC全桥桥式电路,再连接带有钳位电压源与恒流功能的交流方波发射桥路[1].

频域电磁探测整流电源设计要求:交流供电50 Hz/220 V单相交流发电机;直流输出电压200 V;发射电流幅值50 A;最大发射频率30 kHz.

1.2 频域发射电路基本结构与原理

频域发射主电路拓扑如图2所示,主要由恒流源单元、能量补充单元恒压钳位单元组成.恒流源单元在传统的全桥电路的基础上,用电感L1和L2代替了上桥臂的两功率开关管,作为可控恒流源,使发射电流上升阶段被钳位.恒流控制单元由开关管J3和二极管D3组成,滞环控制开关管J3以实现电感L1和L2中电流的恒定:若恒流电感电流值大于设定值则J3关断,电源、恒流电感与负载或钳位电容形成回路;当恒流源电流小于设定值时,J3导通,恒流电感通过钳位电压源快速充电上升至设定值.由于恒流电感L1、L2的电感值相同,电流值基本相等,在控制中采用L1、L2电流之和作为被控量通过滞环控制其恒定,以简化电路.二极管D3的主要作用是阻断钳位电压源与电源的联系,使负载两端的电压在换向期间恒等于钳位电压源的电压.恒压钳位单元由二极管D1、D2,开关J4以及钳位电压源组成.为了实现发射电流关断沿的快速线性下降,在发射电流关断沿期间,将负载钳位于恒定的电压源UC;稳压值UC由滞环控制的参考电压设定.当钳位电压小于设定值UC时,开关J4关断,电容C充电;当钳位电压大于设定值UC时,开关J4导通,电容C放电,部分能量由电阻R0消耗,其作用是在电流上升或下降期间,提供恒定高电压源将负载钳位,实现负载电流的快速线性上升或者下降.本文中采用电容作为钳位电压源,而非独立电压源,简化了电路,具体参照时域电磁发射电路中的实现方式[2-9].

图2 频域电磁法发射电路Fig.2 FEM transmitting circuit

图3为理想的频域电磁探测发射电流电压波形.t0时刻,电源正向供电,负载与恒流源1连通,由于负载与恒流源电流不等,D1导通,负载被正向钳位于恒压源,负载电流快速线性上升;t1时刻,负载电流等于恒流源电流,钳位电路停止工作,负载电流进入正向恒定阶段;t2时刻,负载电感与恒流源2连通,负载被反向钳位于恒压源,负载电流快速线性下降;t3时刻,负载电流下降至0;接下来电流反向,电路工作情况与电流正向时一致.

图3 理想频域电磁法发射电流电压波形Fig.3 The ideal FEM transmitting current and voltage

负载电流上升阶段工作情况如图4所示.t=t0～t1,开关管J1关断,J2导通,负载与恒流电感L1串连,由于恒流电感L1电流值与负载电流不相等,负载两端产生感应高压,从而使二极管D1导通,负载两端电压被正向钳位于电压源Uc,负载电流快速上升至恒流电感L1电流值I0.电流上升沿表达式为

令式(1)为I0,则可求得上升沿时间

图4 频域电磁法发射电流上升阶段Fig.4 FEM transmitting circuit,rising-edge

负载电流为正向恒定电流工作情况如图5所示.t=t1～t2,开关管J1关断,J2导通,负载与恒流电感L1串连,此时,负载电流稳定在所设定的电流I0,二极管D1关断.

图5 频域电磁法发射电流正向恒定阶段Fig.5 FEM transmitting circuit,positive current

负载电流下降阶段工作情况图6所示.t=t2～t3,开关管J2关断,J1导通,负载与恒流电感L2串连,由于恒流电感L2初始电流与负载电流不相等,使二极管D2导通,负载两端电压被反向钳位于电压源UC,负载电流快速下降至0.电流下降沿表达式为

2 频域发射电路参数设计

在频域发射电路中,负载取值为RL=4 Ω,L=100µH,开关管J3最大工作频率fmax=10 kHz,发射方波电流幅值I为25 A,电流最大波动为0.5 A,供电电压US为200 V,在恒流阶段,电感值应满足

考虑J3工作频率越低,维持电流在要求范围内的电感量越大,根据经验取恒流电感为25 mH.

图6 频域电磁法发射电流下降阶段Fig.6 FEM transmitting circuit,dropping-edge

考虑两个恒流电感电流低于设定值时,能量全部由电容提供,则钳位电压源给恒流电感充电阶段满足

电流最大波动值为0.5 A,UC最大波动值为20 V,则电容值应满足

为了保证稳压效果,C的取值应该更大,但C取值过大又会导致上电变慢,根据经验取为50µF.

为了确保系统的安全运行,电阻R0的取值应使回馈电流小于滞环控制开关管的额定工作电流IJ4,即

额定工作电流IJ4为100 A时,最坏的工作情况为供电电压为0,将其带入公式,可计算得电阻R0的最小值为10 Ω.

3 仿真及结果

采用MATLAB进行仿真研究,其中Vm=1,H=1/200,感性负载L=5 mH,负载为25 Ω,输出滤波电解电容ESR为0.04 Ω,电压为500 V档位,输出最大功率工作点,时域电磁(Time-domain Electromagnetic Method,TDEM)探测发射机系统的闭环仿真模型,包括主电路、反馈补偿子系统、移相调压子系统和时域探测发射电路子系统.其闭环仿真系统模型如图7所示.

发射子系统拓扑结构如图8所示.在输出10 kHz到30 kHz的交流方波为目标下,以普通桥式电路的仿真结果与所采用发射电路的仿真结果做比较,重点分析频域电磁探测发射电路的上升沿波形质量提升与恒流输出功能.

图7 时域电磁探测发射机系统闭环仿真电路Fig.7 Close loop simulation of TDEM system

图8 频域发射电路子系统Fig.8 FEM transmitting subsystem

频域电磁探测发射波形对于发射频率宽度的要求比时域探测宽得多,为满足浅层探测,频率通常会达到上千赫兹甚至上万赫兹,所以发射波形的上升、下降沿的要求更为苛刻.设置能通过的最大电流为25 A,并选取滞环环宽为0.2 A.

发射频率为10 kHz、20 kHz、30 kHz,负载电阻为4 Ω,电感为100µH时,普通全桥发射电路和具有上升沿改善及输出电流幅值恒定功能的发射电路的负载电压、电流的波形图以及30 kHz时DC/DC全桥变换电路输出电压局部放大图,如图9、图10、图11、图12所示.

图9 发射频率为10 kHz时负载电压和电流Fig.9 Load voltage and current,10 kHz

图10 发射频率为20 kHz时负载电压和电流Fig.10 Load voltage and current,20 kHz

从图9、图10、图11、图12可知,在电路参数相同的情况下,常规全桥电路不能稳定地输出电流,且输出完全由输入电压决定,输出电流波形上升、下降沿缓慢,无恒定电流输出阶段,f=10 kHz时负载电流最大值约为38 A,f=20 kHz,负载电流最大值为23 A左右,f=30 kHz时负载电流最大值约为16 A,发射电流幅值随频率增加而减小,且均不能输出交流方波波形,与频域电磁探测法所需的发射波形相差甚远.采用恒流功能的发射电路,钳位电压为1000 V,在频率从10 kHz到30 kHz变化时,发射电流总换向时间为11.1µs左右,上升、下降沿均以很高的斜率上升到设定值,上升沿时间为5.6µs左右,下降沿时间为4.5µs左右,与计算值5.58µs、4.56µs相符;电路稳态时,钳位电容向负载反馈的能量会造成发射桥路直流供电电压有所波动,但电流恒定区电流值由滞环控制的恒流源决定,稳定在±50 A,波动极小,满足频域电磁探测法对发射波形的需求,且若降低设定发射电流值,发射频率还有很高的提升空间.

图11 发射频率为30 kHz时负载电压和电流Fig.11 Load voltage and current,30 kHz

图12 发射频率为30 kHz,DC/DC全桥变换电路输出电压放大图Fig.12 30 kHz,output voltage of DC/DC full bridge converter

4 结 论

本文对频域电磁探测发射机系统进行分析与设计,设计了具有上升、下降沿均钳位,且输出电流阶段连接恒流源的频域电磁探测发射电路,对钳位电压源电容、恒流电感值进行了设计,能在感性负载100µs、发射频率达到30 kHz的情况下,输出电流幅值达到50 A,为常规桥式发射电路的3倍左右,且为稳定的交流方波,幅值不受供电电源波动影响,上升、下降沿迅速,总换向时间仅11.1µs,线性度良好,满足频域电磁探测需求.

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(责任编辑:李 艺)

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

国家自然科学基金(51277189);重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1401224)

黄江波,男,博士研究生,副教授,研究方向为电力电子装置与智能控制研究.

E-mail:hjbjs9088@163.com.