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海洋电磁发射机双向可控源电路及其控制

海洋电磁发射机双向可控源电路及其控制

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作者：杜长顺河南理工大学

学位级别：硕士

随着经济的快速发展,对矿产资源的旺盛需求和国内供应不足的矛盾日益突出,而海洋潜藏丰富的油气资源,迫切需要对海洋进行勘探开发。在海洋电磁勘探中,海洋电磁探测方法是海洋油气资源勘探的主要手段,海洋可控源电磁发射机是进行可控源... 详细信息

随着经济的快速发展,对矿产资源的旺盛需求和国内供应不足的矛盾日益突出,而海洋潜藏丰富的油气资源,迫切需要对海洋进行勘探开发。在海洋电磁勘探中,海洋电磁探测方法是海洋油气资源勘探的主要手段,海洋可控源电磁发射机是进行可控源电磁探测的关键设备。目前海洋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。本文引入了双向有源全桥DC-DC变换器作为海洋发射机可控源电路,设计了基于电流应力优化和滑模控制的混合控制策略,并对控制变量进行解耦控制,主要研究内容如下:首先分析了海洋电磁发射机的工作原理,然后给出了双向可控源电路的拓扑结构,采用扩展移相控制,对其传输功率以及软开关的实现条件进行了推导。针对双向可控源电路在移相控制中产生较大的电感电流导致损耗增大的问题,分析了峰值电感电流产生机理,稳态时,依据功率守恒原则,采用Karush-KuhnTucker(KKT)对其进行电流应力优化设计;暂态时,引入滑模变结构控制方法,采用单变量的扩展移相滑模控制来实现感性负载中能量快速回馈。仿真结果表明,通过滞环实现电流应力优化与滑模控制无缝衔接,减小了电感电流峰值与母线电压,实现了控制系统的能量双向流动。其次,针对混合控制造成变压器原边电感电流出现振荡问题,提出了一种双变量解耦控制策略。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,在变压器前后两级建立的模型基础上,以母线电压和电感电流作为系统误差,建立了符合滑模设计所需的具有滑模面及趋近律的控制器,得到了滑模控制器的函数关系。仿真结果表明,解耦控制策略实现了控制变量之间完全解耦,电感电流峰值与母线电压都得到了进一步优化,使控制系统具有了良好的鲁棒性和动态性能。最后,搭建了一台基于英飞凌XMC4500控制的600W双向可控源电路实验样机,对功率电路、控制电路、驱动电路与采样电路等进行了硬件设计。实验结果表明所设计的双向可控源电路能够快速回馈发射偶极储存的能量,同时降低了电流应力,为大功率海洋电磁可控源发射机研制奠定了基础。图48幅,表4个,参考文献64篇。

关键词：海洋电磁发射机双向可控源滑模控制电流应力优化扩展移相双变量解耦

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