基于瞬变电磁发射机的电路保护系统设计

梁 彪，张一鸣，张 栋，原大康，王旭红

（北京工业大学 信息学部，北京 100124）

0 引 言

随着我国改革开放及现代化建设的飞速发展，我国对矿产能源的需求日益增加。由于我国在早期主要探测对象为地下500 m以内的浅层矿产资源，长时间的开采导致浅层矿产资源的储量迅速下降[1]。在我国广袤的国土上，还有约70%的石油资源和90%以上的天然气资源未被探明，因此探测深层的矿产资源颇为紧迫[2]。发展深部探测技术手段，提高我国深部探测仪器技术水平，对社会的发展具有重要的意义和价值[3]。本课题中研究的瞬变电磁发射机即为深部探测中所使用的激励源，发射机输出占空比为100%的双极性方波，通过发射电极向地下发射不同频率的一次场，由于不同的地质体会感应出不同的二次场，通过检测二次场来分析地下的矿藏分布情况[4-6]。

瞬变电磁发射机采用380 V三相交流电作为输入电源，通过一系列整流逆变电路，将380 V三相交流转化为双极性方波。该发射机的最大发射电压为1 000 V，最大发射电流为50 A，属于大功率电器设备，尽管在功率器件的选型上留有了充分的裕量，但是仍要考虑到意外情况的发生。因此，本文针对该发射机设计了一套硬件保护电路，可以在发射机发生过压、过流、器件过温等问题时，及时有效地检测出来，并切断发射机输入电源，以免对发射机造成进一步破坏。

1 瞬变电磁发射机拓扑结构

瞬变电磁发射系统主要由供电电源、发射机、发射装置及接收机组成。本文针对的瞬变电磁发射机为一款大功率电磁波发射机，为了保证足够的发射功率和工作时长，采用柴油发电机输出的380 V三相电作为输入电源。发射装置由长度不等的发射线、接地电极以及大地负载组成，根据不同的探测深度需求而定，如图1所示。

瞬变电磁探测系统的具体工作原理如下：发电机输出的380 V三相电经电源线连接到发射机的输入端，经发射机内部一系列的整流逆变等电力变换，调制成发射电压为0～1 000 V可调，频率为0.012 5～9 600 Hz的双极性方波。

发射机采用AC-DC-AC-DC-AC的两极全桥逆变器串联结构，电路拓扑如图2所示。H1桥为三相不控整流桥，将输入的三相电压整流为570 V左右的直流电压，由于整流之后的电压有一定的纹波，所以后级采用LC滤波电路进行滤波，减小输出直流电压的纹波。H2桥为全桥逆变电路，采用移相全桥软开关的控制方法，利用谐振电容C1～C4和回路电感Lleak的谐振作用，使Q1～Q4导通和关断前集电极和发射极之间的电压先降为零电压，从而减少功率器件的开关损耗和电磁干扰，提高系统效率[7,8]。H3为高频整流桥，采用两级整流桥串联的方案，可以提高输出电压阈值，并且减小二极管的电压应力，提高系统安全性。H4为输出逆变桥，将高频整流桥整流后的直流电压逆变成不同频率的方波，从而在发射电极上产生不同频率的磁场信号。

发射机内部功率拓扑比较复杂，功率器件众多，并且发射机长期在野外工作，工作环境恶劣，在运输过程中可能导致内部电路的损坏。另外，该发射机最大发射功率达到50 kW，属于大功率设备，尽管在设计之初充分考虑了各个元件的参数选型，留有一定的裕量，但是仍要考虑到意外情况的发生。本文针对发射机可能出现的危险情况，设计出过电压保护电路、过电流保护电路、过温保护电路和水冷系统循环检测电路，当出现过电压、过电流、功率器件过温以及水冷系统发生故障时可以及时切断输入电源，具有判断准确，动作迅速的特点。

2 保护电路原理和设计

2.1 过电压保护电路设计

在瞬变电磁发射机中，H3桥和H4桥母线电压最高可以达到1 000 V，因此这两个桥臂上的功率器件承受的电压应力最大，出现故障的概率最高，所以电压保护电路主要针对该母线电压进行检测和保护。由于该母线电压属于高电压，因此不能直接对其进行采集和判断，采用电压传感器AD202KN将强电信号转换成弱电信号。AD202KN功耗低，仅为75 mW；精度高，最大非线性度为0.002 5%；频带较宽，全功率带宽为5 kHz，可满足绝大多数测量场合。所以，AD202KN广泛应用于过程控制信号采集、电机控制等领域。AD202KN可测量的最大电压有效值为1 500 V，电压最高峰值2 000 V，采用+15 V电源供电。电压采样电路如图3所示。

图3中，P1为输入端口，连接待测的输入电压，R1、R4、R5为分压电阻，将待测电压按照一定倍数进行衰减，R2和R3为输入反馈电阻，OUTPUT_HI和OUTPUT_LO引脚为输出电压的高电平和低电平，这里将OUTPUT_LO引脚接地，假设输入的电压为Uin，输出电压为Uout，则根据AD202KN的器件手册，可以得出输出输入电压和输出电压的关系为：

根据式（1）可以计算出不同的输入电压对应的不同电压转换值。在此设计中R1=20 kΩ，R4=40 Ω，R5=20 kΩ，R3=4.7 kΩ，R2=1 kΩ，其中R1、R4、R5采用耐压值较高的电阻，此时输出电压Uout和Uin的转换关系为：

当输出电压达到1 000 V时，经电压采集电路转换为5 V。该电压经过比较器与参考电压进行比较，当超过参考电压时，比较器输出电平翻转，传递给后级电路。

2.2 过电流保护电路设计

瞬变电磁发射机最大输出电流为50 A，当输出电流超过50 A时，需要及时切断电源。输出电流的采集主要通过霍尔传感器，将电流信号转换为电压信号，再进行处理。本设计采用LEM公司的电流传感器LA55-P。该传感器常用于直流、交流、脉冲电流的电子测量，在一次电路（大功率）和二次电路（电子电路）之间作为电流隔离。LA55-P可测量一次电路的电流范围为0～±70 A，信号转换比率为1∶1 000，即1 A的测量电流对应1 mA的输出电流，线性误差小于0.15%，完全符合瞬变电磁发射机发射电流的测量需求。采用金升阳电源URA_LD-30WR3为传感器提供±15 V电源，M脚为信号输出引脚，通过R5电阻得到采样电压，具体电路如图4所示。

由于发射机输出的为双极性方波，所以采集到的电流为交流信号。为了使处理器能够实时采集到正的电压信号，需要将负的电压值转化为其绝对值电压，所以设计了绝对值电路。采集到的SIGNALOUT+信号经过绝对值电路，与一般利用单向导电二极管所构成的绝对值电路不同，该电路利用运算放大器和深度负反馈克服了二极管非线性和门槛电压带来的信号失真，OUT1的电压值为SIGNALOUT+信号的绝对值电压，具体电路如图5所示。

采集到的SIGNALOUT+信号经过绝对值电路后，再经过峰值保持电路（见图6），其中C6起到滤波和保持峰值电压的作用，在每次采样完成后，通过I/O口控制三极管Q1的导通，对电容进行泄放，为下一次电压峰值的采集做准备。

2.3 水冷系统保护电路设计

在瞬变电磁发射机的正常工作过程中，IGBT等功率器件会产生开关损耗和导通损耗，这些损耗均以热量的形式散发出来，如果不能及时散热，会造成功率器件因过热导致的损毁。因此，发射机内部设计了一套水冷系统，冷却液经过水冷管和水冷板流经功率器件散热板，将热量带走，经散热器将冷却液冷却，冷却后的液体再流经功率器件辅助散热，循环往复。水冷液循环的动力由水泵提供，发射机水泵采用芯睿SC-750型，直流12 V供电，最大流量为750 L/h，最大扬程12 m。由于发射机在运输路上颠簸以及水泵本身材料老化等原因，水泵可能存在停转或者漏液等情况，导致冷却液循环速度下降，散热效率降低。为了检测水冷系统是否工作正常，在水冷管中接入流速传感器测量冷却液流速，并将其转换为电信号以便处理。

流速传感器采用SEN_HZ41WA传感器。该传感器为脉冲信号水流传感器，采用+5 V供电电源。当有水流流过传感器时，根据水流流速大小产生不同频率占空比50%的方波，且频率与流速成正比关系。在水泵正常工作时，水流传感器的输出频率在550 Hz左右。频率电压转换电路采用BURR-BROWM公司的VFC32芯片搭建。该芯片最大可以测量500 kHz的输入频率，在10 kHz的频率下，最大的线性误差为±0.01%。图7为频率电压转换电路。

VFC32工作原理是电荷平衡，通过电容耦合输入网络C3、R16和R17将输入的方波信号转化为可触发脉冲信号，选取单稳态触发电容C8，保证输出电压满足要求，C8计算公式为：

式中，fFS(kHz)为测量频率的量程。

电容C7起到平滑输出电压波形的作用。较大的C7值可以减少输出电压中的纹波。较小的C7值允许输出电压更快地响应输入频率的变化。C7一般可取4.7 μF左右。为了保证输出的电压，增加了中间级的放大电路，通过调节R19和R20的值可以调节放大倍数。

2.4 过温保护电路设计

由章节2.3可知，由于瞬变电磁发射机属于大功率设备，功率器件在工作时会产生很大的热量，器件温度过高会导致器件损毁，尽管采取了水冷的方式给器件进行散热，保险起见，仍然要对器件的温度进行实时地监测，以确保功率器件的温度在安全范围之内。本设计采用PT100金属铂电阻传感器配合温度变送器实现温度的测量。PT100金属铂电阻传感器可测量温度范围为-50～300 ℃，温度变送器的可测量温度范围为0～100 ℃，线性输出电流范围为4～20 mA，通过配合采样电阻Rs可以转化为1～5 V的电压信号，再进行采样计算。PT100与温度变送器的连接关系如图8所示。

温度T、采样电阻Rs以及采样电压Vs之间的关系式为：

当温度T为100 ℃时，电压Vs应为5 V，则计算得出采样电阻Rs为250 Ω，此时电压Vs与温度T的关系为：

2.5 判断和保护电路设计

由章节2.1～2.4可知，通过电压检测电路、电流检测电路、水冷液循环检测电路和温度检测电路分别将各待测物理量转换为0～5 V弱电信号，该弱电信号传到判断和保护动作电路，进而对弱电信号进行判断并触发保护动作切断电源。判断电路原理如图9所示。

AD8607AR内部集成两个放大器，利用放大器在非线性区的工作特性，通过比较弱电信号和参考电压的大小，判断目前所测物理量是否超出设定阈值。

保护动作电路设计为为自锁电路，当测量的某一物理量在正常范围内时，继电器触发信号Relay_active为高电平，发射机正常工作；当测量的某一物理量超出阈值时，触发保护电路动作，此时继电器触发信号Relay_active由高电平变为低电平，触发继电器切断发射机输入电源。图10为自锁电路原理图。

图10电路的工作原理如下，比较器U2A的2引脚参考电平judge_reference为4 V，在正常情况下，active信号为低电平，此时U2A的1引脚输出低电平，继电器G6K-2F-Y的1和8引脚之间的线圈断电，JK_B的3引脚与2引脚接通，Relay_active为高电平，输入电源继电器接通，发射机正常工作；当某一测量值超出安全阈值时，active信号为高电平，此时U2A的1引脚输出高电平，经R38、常闭开关、R37以及继电器G6K-2F-Y的1和8引脚之间的线圈形成回路，线圈通电，JK_C的6引脚与5引脚接通，由VCC继续为线圈通电，保持电路的自锁，JK_B的3引脚与4引脚接通，Relay_active由高电平变为低电平，触发输入电源继电器断电，发射机停止工作，直至故障情况排除，并且按下复位按键Rst，才能终止保护电路自锁，发射机可以继续工作[9-12]。

3 电路保护系统实验验证

根据瞬变电磁发射机的保护系统设计方案完成发射机保护电路板的设计和制作，并在发射机上进行实验。在实验中分别模拟出过电压、过电流、功率器件温度过高和水冷系统水泵异常的状况，测试在不同的异常状况下保护系统能否正确动作，并及时切断输入电源。测试设备如图11所示，方框内的电路板为保护电路板，通过排线与外围传感器、继电器连接。前面板最上面的6个指示灯依次为过压保护、过流保护、过温保护（第3、4指示灯）、水冷系统保护、电源指示，绿色代表正常工作、红色代表出现故障。

3.1 过压保护测试

过压测试将电压上限值设置为500 V，然后分别发射480 V和520 V，在发射电压为480 V时可以正常发射，当发射电压调整为520 V时，保护电路板立即动作，发射机输入电源立即被切断。图12为过压保护动作。

3.2 过流保护测试

过流测试将电流上限值设置为25 A，然后分别发射24 A和26 A，在发射电流为24 A时可以正常发射，当发射电压调整为26 A时，保护板立即动作，发射机输入电源立即被切断。图13为过流保护动作。

3.3 水冷系统保护电路测试

将水泵内的水冷液的流速阈值设置为最低100 L/h，当冷却系统内的水冷液流速低于该流速时，触发保护电路。经测试，在水泵正常工作时，即冷却系统内水冷液流速为750 L/h，此时发射机正常工作。当将水泵电源切断，水冷液的流速迅速下降，低于100 L/h时，立即触发保护电路动作，发射机输入电源被切断。图14为水冷系统保护动作。

3.4 功率器件过温保护测试

将功率器件的温度阈值设置为80 ℃，在发射机正常工作时，功率器件温度低于80 ℃，保护电路板未动作，发射机正常工作。此时改变发射机散热条件，使功率器件升温，当功率器件温度上升至80 ℃时，保护电路板立即动作，发射机输入电源被切断。图15为过温保护动作。

4 结 论

瞬变电磁发射机由于工作环境恶劣，且为大功率电气设备，具备完善的保护系统设计是非常有必要的，以确保发射机在出现异常时及时切断电源，以免对人员和设备造成伤害。本文针对瞬变电磁发射机可能出现的过电压、过电流、功率器件温度过高和水冷系统水泵异常等状况，设计出独立的硬件保护系统，具有动作迅速、工作稳定、高可靠性的特点。本文对硬件保护系统设计进行了详细原理分析和电路设计，给出了关键元件的参数，最后通过实验验证了该保护系统的有效性和可行性，对于其他大功率电气设备的保护系统设计具有一定的参考价值。