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基于全控整流技术的电磁发射机

上海交通大学学报 2018年第9期52卷 1023-1030页

作者：张加林张一鸣丁建智高俊侠北京工业大学信息学部北京100124

为了改善电磁发射机的性能,减小电磁发射机的体积和质量,设计了一种基于脉冲宽度调制(PWM)整流技术的电磁发射机电路结构,并对其中永磁同步发电机(PMSG)的PWM整流器的控制结构和参数进行设计.在同步旋转坐标系下,建立PMSG中PWM整流器的... 详细信息

为了改善电磁发射机的性能,减小电磁发射机的体积和质量,设计了一种基于脉冲宽度调制(PWM)整流技术的电磁发射机电路结构,并对其中永磁同步发电机(PMSG)的PWM整流器的控制结构和参数进行设计.在同步旋转坐标系下,建立PMSG中PWM整流器的数学模型;根据电动机双闭环调速理论设计了转子磁链定向的PWM整流器电压电流双闭环控制系统,以实现有功电流和无功电流的解耦控制;为了提高系统的动态性能和稳定性,提出PWM整流器比例积分(PI)控制器的参数整定方法.仿真和实验结果表明,采用PWM整流技术的电磁发射机不仅可以满足地球物理探测的实际需要,而且具有结构简单、功率因数高和电流谐波小等优点.所提出控制器设计方法能够确定PI参数,从而简化了系统设计.

关键词：电磁发射机永磁同步发电机脉冲宽度调制整流磁链定向参数整定

海洋电磁发射机二级母线冲击电压产生机理及抑制

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上海交通大学学报 2023年第12期57卷 1597-1608页

作者：陶海军杜长顺张金生郑征河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454003 河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室河南焦作454003 河南许继电力电子有限公司河南许昌461000

电磁探测法是海洋油气资源勘探的主要方法,而海洋电磁发射机是海洋电磁探测系统的关键设备.目前海洋电磁发射机水下拖体长时间工作时,会出现开关器件损坏现象.首先分析了采用单向可控源电路的发射桥换流过程,发现发射偶极寄生电感回馈... 详细信息

电磁探测法是海洋油气资源勘探的主要方法,而海洋电磁发射机是海洋电磁探测系统的关键设备.目前海洋电磁发射机水下拖体长时间工作时,会出现开关器件损坏现象.首先分析了采用单向可控源电路的发射桥换流过程,发现发射偶极寄生电感回馈能量使二级母线产生冲击电压,增大了开关管的电压应力.然后分析了双向可控源电路的工作模式,提出一种双变量解耦控制策略,在变压器前后两级建立的模型基础上,将原来的耦合非线性系统全局线性化为两个单输入单输出系统,以此获得滑模控制器的函数关系.仿真与实验结果表明,所设计的可控源电路可以明显减小母线电容的冲击电压和开关管的电压应力,提高系统的动态性能和效率.

关键词：电磁发射机双向可控源电路冲击电压解耦控制

大功率海洋电磁发射机DC-DC可控源电路特性分析

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电工技术学报 2017年第16期32卷 233-244页

作者：陶海军张一鸣任喜国河南理工大学电气工程与自动化学院焦作454003 北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100124

海洋电磁发射机通过向海底发射大功率的电磁波,来获取海底结构和矿产资源的分布规律,但目前发射机存在体积大、发射功率小等问题,直接影响勘探深度。提出采用PWM变换器组成发射机DC-DC可控源电路,然而常规的零电压开关全桥(ZVS-FB)PWM... 详细信息

海洋电磁发射机通过向海底发射大功率的电磁波,来获取海底结构和矿产资源的分布规律,但目前发射机存在体积大、发射功率小等问题,直接影响勘探深度。提出采用PWM变换器组成发射机DC-DC可控源电路,然而常规的零电压开关全桥(ZVS-FB)PWM变换器存在高环流能量、占空比丢失以及滞后桥臂的ZVS范围受限等问题,为此介绍一种利用零电压零电流开关全桥(ZVZCS-FB)PWM变换器组成可控源电路。采用非对称移相控制,分析电路工作过程及特性,主要包括最大控制占空比、一次电流复位和隔直电容、占空比丢失、开关损耗以及环流能量等。仿真和实验结果表明该DC-DC可控源电路实现了超前桥臂的ZCS开通和ZVS关断以及滞后桥臂的ZCS开通和关断,提高了电路效率和功率密度。

关键词：电磁发射机 DC-DC可控源电路特性海洋

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海洋可控源电磁发射机建模与控制方法

北京工业大学学报 2018年第8期44卷 1090-1098页

作者：丁建智张一鸣张加林高俊侠北京工业大学信息学部北京100124

海洋可控源电磁发射机是瞬变电磁勘探法的重要设备,针对一种以全桥直流变换器为拓扑结构的电磁发射机进行研究.为了设计这种电磁发射机,基于元件平均模型和能量守恒平均法,提出了非理想电磁发射机的大信号平均模型和交流小信号模型,同时... 详细信息

海洋可控源电磁发射机是瞬变电磁勘探法的重要设备,针对一种以全桥直流变换器为拓扑结构的电磁发射机进行研究.为了设计这种电磁发射机,基于元件平均模型和能量守恒平均法,提出了非理想电磁发射机的大信号平均模型和交流小信号模型,同时,给出其峰值电流控制器的设计方法.通过对所提出的非理想模型的等效功率级传递函数和闭环输出阻抗进行详细的理论分析,完善了非理想模型,并说明了非理想模型的必要性和合理性.最后,实验结果验证了所提出的非理想模型的正确性和优越性.

关键词：电磁发射机非理想模型小信号模型峰值电流控制

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海洋电磁发射机双向可控源电路及其控制

电力电子技术 2022年第3期56卷 4-8,18页

作者：陶海军杜长顺张金生肖群星河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454003

海洋电磁探测方法是海洋油气资源勘探主要手段,目前电磁发射机可控源电路为电能单向流动,当发射偶极释放储能时,无法回馈能量,导致直流母线电压升高,开关管电压应力增大,甚至烧毁滤波电容、开关管,无法保证水下拖体在深海中长时间可靠... 详细信息

海洋电磁探测方法是海洋油气资源勘探主要手段,目前电磁发射机可控源电路为电能单向流动,当发射偶极释放储能时,无法回馈能量,导致直流母线电压升高,开关管电压应力增大,甚至烧毁滤波电容、开关管,无法保证水下拖体在深海中长时间可靠工作。此处以双有源桥(DAB)变换器作为发射机可控源电路,首先介绍拓扑结构、工作原理与软开关限定条件,然后设计了双模控制策略,采用电感电流应力优化控制保证稳态工作,采用单变量扩展移相(EPS)滑模控制实现感性负载中能量快速回馈。仿真与实验结果表明:所提电路显著减少了母线电压冲击和开关管电压、电流应力,提高了系统效率和动态性能,满足了深海油气资源勘探需求。

关键词：电磁发射机可控源电路扩展移相滑模

基于AC-AC拓扑的高效能大电流电磁发射机研制

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基于AC-AC拓扑的高效能大电流电磁发射机研制

作者：杜晓斌中国海洋大学

学位级别：硕士

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是将电磁发射机拖曳至近海底,通过发射偶极向海底发射大功率电磁波,场源信号由电磁接收设备采集回来并经过处理和反演,就可以分析出海底以下介质的导电性结构特征,是有效勘查天然气水合物资源的方法之一。海... 详细信息

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是将电磁发射机拖曳至近海底,通过发射偶极向海底发射大功率电磁波,场源信号由电磁接收设备采集回来并经过处理和反演,就可以分析出海底以下介质的导电性结构特征,是有效勘查天然气水合物资源的方法之一。海洋可控源电磁发射机是实现海洋可控源电磁探测的重要组成部分,研制高效能、大电流的电磁发射机系统对深海探测有着十分重要的意义。针对海洋可控源电磁发射机的基本特征和研究现状,以及基于AC-AC拓扑的高效能大电流电磁发射机的研究基础和技术难点,本文对高效能大电流电磁发射机进行了研制。论文分析了基于AC-AC拓扑的电磁发射机的拓扑结构、工作原理和工作效率,并在原拓扑的基础上进行了优化和改进。根据发射机的拓扑结构,搭建起电磁发射机的主电路系统,并对发射机控制方案进行了研究。根据系统的功能和指标要求,对电磁发射机控制系统的整体架构进行了详细的设计与功能划分,对主要功能模块H桥逆变电路和双BUCK编码电路进行了驱动逻辑和驱动软件的设计,并加入了电压、电流和温度的监测与保护。在设计的控制系统的基础上,对原控制策略进行了优化,进一步降低功耗,提高了发射机的效率,并提出了电磁发射机的电流闭环控制算法。针对电磁发射机系统的调试设计了测试用的电源系统和功率负载系统,经过测试表明,设计的电源系统能够输出较高的电压和功率,负载系统符合小阻值、大功率的要求。此外,还设计了电磁发射机系统调试软件,调试软件不仅能够进行控制指令的下发,而且能够实时显示发射机系统的重要监测信息。完成高效能大电流电磁发射机系统功能模块的调试和系统级的调试,功能模块的调试主要包括主控板调试、H桥逆变电路调试、MOS驱动板调试和采集信息的标定,系统级调试主要包括系统开环调试、电流闭环调试、输出信号频率调试以及系统调试问题的分析与改善。调试的结果表明研制的电磁发射机可以发射输出波形较好的大电流信号,验证了基于AC-AC拓扑的高效能大电流电磁发射机的可行性。

关键词：电磁发射机高效能大电流 AC-AC拓扑双BUCK编码电路

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大功率电磁发射机SEP-2的研究与实现

大功率电磁发射机SEP-2的研究与实现

作者：王旭红北京工业大学

学位级别：硕士

作为人工场源电磁法勘探必备的仪器设备，电磁发射机将恒稳电性源以所需频率进行逆变，通过接地电极发射出去，用以获得有效的电磁场来进行地球物理勘探。为获得深部探测有效的地球物理数据，要求发射机具有高电压、大电流、高精度稳定... 详细信息

作为人工场源电磁法勘探必备的仪器设备，电磁发射机将恒稳电性源以所需频率进行逆变，通过接地电极发射出去，用以获得有效的电磁场来进行地球物理勘探。为获得深部探测有效的地球物理数据，要求发射机具有高电压、大电流、高精度稳定输出的同时具有质量轻、体积小的特点。针对高压大功率电磁发射机供电技术的研究，对我国深部地球物理探测具有重大意义。本文分析了高压大功率电磁发射机供电技术的基本特征与研究现状，提出了基于开关电源技术对高压大功率电磁发射机供电技术进行理论研究与技术开发的方案。设计出了电磁发射机的拓扑结构，并对该拓扑结构进行了理论分析、计算机仿真及实验验证。本文所做的主要工作如下：首先，本文对开关电源的常用拓扑结构进行了理论分析与对比，根据各个拓扑的结构特点及适用的功率范围，对大功率电磁发射机的拓扑结构进行了理论设计。同时，对硬开关技术和软开关技术进行了对比与分析，并确定了采用硬开关技术对全桥变换器进行控制的技术方案。其次，针对高压大功率电磁发射机的特殊用途与技术指标，采用了全桥变换器模块输出串并联的功率拓扑结构，设计了两路磁集成的高频变压器以及主功率电路器件参数。并分别用Ansoft软件和Saber软件对高频变压器模型和电磁发射机的功率电路模型进行了仿真分析，论证了高频变压器设计的可行性和主功率器件参数选择的合理性。最后，基于所采用的发射机拓扑、高频变压器及功率器件，根据理论研究成果，采用TMS320F2812作为主控芯片，设计控制电路，研制了25KW的原理样机，并对样机展开全面的性能实验，验证了本文理论研究及仿真结果的有效性。立足于发射机供电技术的要求，充分考虑工程应用中的实际因素，进行了理论研究和实验验证，并已经在实际应用中得到检验。

关键词：电磁发射机大功率开关电源全桥变换器高频变压器 Saber

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宽频电磁发射机驱动软件设计

宽频电磁发射机驱动软件设计

作者：陈光源中国地质大学（北京）

学位级别：硕士

井地电磁法是一种始于俄罗斯,目前广泛应用于油气勘探的电磁探测方法,在20世纪90年代引入我国。其原理在于“井下发射,地面观测”,即将发射机安置在井下,然后在地面用接受机,接受井下电磁场的电信号,进而研究井下电磁场,然后推断井下的... 详细信息

井地电磁法是一种始于俄罗斯,目前广泛应用于油气勘探的电磁探测方法,在20世纪90年代引入我国。其原理在于“井下发射,地面观测”,即将发射机安置在井下,然后在地面用接受机,接受井下电磁场的电信号,进而研究井下电磁场,然后推断井下的地质情况。为了进一步的研究井地电磁法,我们要进行室内的井地电磁法三维物理模拟集成系统的研究。井地电磁法三维物理模拟集成系统由宽频电磁发射机和接收机组成。在室内进行的水槽试验中,宽频电磁发射机作为激励场源,向室内实验中的水槽中发送不同频率的逆变矩形波,促使水槽下不同电阻率的介质发生激发激化效应,产生二次场。传统的电磁发射机是将发射电流的频率固定在十分有限的几个点上,而宽频电磁发射机的发射频率是在1/128Hz到8192Hz之间,按照2n进行变化,不仅频率范围更宽,频率的选择也更多。为实现发射机的相应功能,需要在其硬件基础上开发程序控制软件,即宽频电磁发射机驱动软件。软件程序主要分为以下三个方面:ARM高级单片机控制器作为主控板的核心部分,用于液晶屏幕的信息显示,通过键盘进行参数及操作指令的输入输出,通过串口与辅助信息采集板和上位机的通信,定时器的定时操作以及与接收机同步进行的GPS实时对钟等操作。AVR精简指令集高速单片机控制器用于控制辅助板,实现供电电压、正向供电电流、反向供电电流以及仪器内部温度的采集和存储。在辅助板中还包括以CPLD为核心的程序设计,主要负责产生IPM的辅助控制信号,即通过对晶振的准确分频,产生精确地频率信号,从而控制IPM的驱动电路,驱动IPM正常工作。通过Labview的图形化编辑语言编写宽频电磁发射机的上位机界面,用来控制下位机的操作。实现功能包括与下位机之间的实时的数据传输,并且在计算机上完成数据的存储。

关键词：宽频电磁发射机 ARM7 AVR LABVIEW

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半航空大功率电磁发射机控制技术研究

半航空大功率电磁发射机控制技术研究

作者：郭文中中国矿业大学

学位级别：硕士

我国西部山区矿产资源丰富,但是由于勘探能力和开采能力的限制,目前国内的矿产资源存在较大的缺口。研究勘探技术与研发勘探装备对于解决我国矿产能源供给紧张的问题有着重要意义。为了能够在山区探测到大地深部的矿产资源,要求电磁发... 详细信息

我国西部山区矿产资源丰富,但是由于勘探能力和开采能力的限制,目前国内的矿产资源存在较大的缺口。研究勘探技术与研发勘探装备对于解决我国矿产能源供给紧张的问题有着重要意义。为了能够在山区探测到大地深部的矿产资源,要求电磁发射机具备高电压、大电流、高稳定精度、轻量化等特点。通过分析现有的各种电磁勘探设备形式,本文以半航空大功率电磁发射机为研究主体,主要做了以下工作:（1）针对目前国内电磁发射机存在功率小、发射电压低和控制精度低的问题,对电磁发射机电路拓扑设计和控制器设计展开研究。在拓扑设计方面,采用4台以IPOS（输入并联、输出串联）方式组合的全桥变换器作为前级供电部分,采用二极管钳位式三电平H桥电路作为后级发射部分,实现了高压、大功率硬件电路的设计。在控制器设计方面,结合DSP和FPGA两种控制器各自的性能优势,设计了一款兼具完整外围电路且运算速度快、控制精度高的控制器,实现对电磁发射机的高精度控制。（2）针对电磁发射机的小信号建模和闭环控制设计,采用开关电源建模方法和自动控制理论对其核心拓扑电路（全桥变换器）进行建模与稳定性分析,并完成了闭环控制环路的设计,得到了具备较高稳定裕度和动态性能的电磁发射机系统,最后通过波特图分析和Matlab仿真验证了该系统的稳定性。（3）针对前级供电部分存在动态性能差、输出电压不均衡的问题,在传统双闭环控制策略基础上引入了负载电流前馈控制和输出均压控制,使得发射机系统具备输出电压均衡的同时,提高了其动态性能,并通过仿真的方式得以验证。（4）针对电磁发射机系统运行所需的软件控制算法,简要阐述了软启动控制、负载电流前馈控制、输出均压控制、三电平发射控制、假负载控制以及GPS同步控制等算法,特别指出了引入假负载后引起中点电压失衡的问题,并从控制波形角度提出了相应的解决方法。这些控制算法均通过仿真的形式得以验证。（5）为了验证理论研究成果,搭建了一台200k W的半航空电磁发射机实验设备,并进行了实验验证。实验结果表明,本文设计的大功率电磁发射机满足项目的性能指标,验证了系统功率拓扑的正确性、控制策略的有效性。

关键词：电磁发射机全桥变换器小信号建模输出均压控制负载电流前馈