PWM斬波與恒壓鉗位控制瞬變電磁發射系統

于生寶，朱占山，姜健，韓哲鑫

?

PWM斬波與恒壓鉗位控制瞬變電磁發射系統

于生寶，朱占山，姜健，韓哲鑫

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春，130026)

針對磁性源發射系統中波形質量差，效率低、下降沿關斷慢等問題，提出一種PWM斬波和恒壓鉗位控制方式相結合的控制方法，并通過軟件仿真比較采用該方法的發射電路與傳統的H橋發射電路的波形質量和關斷時間。研究結果表明：該方法通過提高發射線圈電流下降段的饋能電壓，加快IGBT關斷過程發射線圈電流下降速度，縮短關斷時間，豐富發射波形的頻率成分，有利于瞬變電磁探測。同時，饋能環節能夠回收發射線圈能量，提高整個發射系統的效率。采用PWM斬波控制技術控制發射電流平頂段，平頂段發射電流斜率為0，降低了發射電流上升段和平頂段對接收信號的干擾。發射波形近似理想梯形波，與無鉗位的傳統發射電路相比，在發射電流為15 A的情況下，下降沿時間由500 μs縮短為100 μs，對于淺層的探測效果更好。

電磁法探測；恒壓鉗位；快速關斷

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電偶源向地下發射一次場, 在一次場的間歇期間利用回線或電偶極觀測二次渦流場的方法[1]。最理想的探測波形是電流方波，該波形對地下目標體的激發效果最好[2]。但是理想的電流方波不可能實現，在實際工程應用中多采用梯形波。作為整個探測過程的激發源，發射電流波形質量對接收信號的影響很大，尤其是發射信號的平頂部分對降低上升沿對接收信號的干擾有很大作用，同時要求下降段的時間盡可能短[3]。關斷時間越短，整個系統淺層探測的能力越好，過長的電流拖尾會嚴重影響早期二次場信號的采集，形成探測盲區[4]。為了加快關斷速度，國內外多采用2種方法：一是采用吸收電路，但該方法效率低，發熱嚴重[5?6]。二是將關斷過程中將發射線圈的電能回饋到電源，但是野外多采用的是蓄電池供電，供電電壓一般都比較低，饋能時電壓不高，導致發射線圈電流下降慢。要提高供電電壓，就需要多個電池串聯，這不便于攜帶。若采用升壓電路，則會降低整個系統的效率，減小電池的工作時間。同時，由于發射線圈電阻很小，采用高壓電源供電在平頂段工作時間段內需要以較低的占空比工作，這將導致發射線圈的平頂段電流波動太大，難以維持整個平頂段的電流平穩。同時，在關斷過程中，拖尾電流會導致采集的數據有部分失真，對后期的數據處理和地質結構反演造成不利影響[7?8]。

1 恒壓鉗位控制方法

實際負載電流、電壓波形如圖1所示。從圖1可以看出：要實現比較好的電流發射波形，理論上需要3個不同電壓的電源，但在野外實際中，3個電源的方法難以實行。同時，即便使用3個電源，三者的同步控制切換也是一大難點，所以，現有的瞬變電磁發射系統多只采用1個電源供電，平頂電流波采用PWM控制實現，關斷電壓則與供電電壓相同。

圖1 實際負載電流、電壓波形

現有PWM控制發射方法能夠實現平頂段斜率近似為0，但電流下降速度不能滿足要求[9]。要獲得更快的電流關斷速度，則需要對現有的發射系統進行改進。文獻[10?11]提出利用恒壓鉗位技術加速電流下降，發射波形如圖2所示。該恒壓鉗位電路實際上沒有斜率為0的平頂段，近似的平頂段實際仍呈e指數上升。由于平頂段d/d≠0，故仍會在地下感應出二次場，與關斷沿的感應場混雜在一起(圖2中接收信號加粗部分)，對早期接收信號產生干擾[12]。因此，本文提出將恒壓鉗位技術和PWM控制技術相結合，從而實現平頂段斜率為0，下降段快速下降的發射電路。上升過程電源電壓直接加在發射線圈上，平頂段采用PWM控制使得電流恒定，下降段采用恒壓鉗位提高饋能電壓，加速下降[13?14]。

圖2 發射波形與接收信號的關系

整個系統如圖3所示，發射橋路為傳統H橋發射電路，由控制器負責發射過程電流穩定。在關斷過程中，發射線圈電能向高壓鉗位電容回饋，電流快速下降。鉗位電容內能量通過饋能電感向電源回饋，維持鉗位電容電壓穩定，并且提高了效率。同時，電流檢測負責檢測饋能電感電流，保證饋能電感在整個饋能過程中不進入磁飽和狀態，使整個系統穩定運行。

圖3 發射電路框圖

2 發射電路設計及仿真

2.1 電路工作原理

發射電路原理如圖4所示，其中1，2，3和4構成主發射橋路；5和7負責選定饋能路線；6為鉗位電容1放電，維持電壓穩定；1，2和3為電流、電壓檢測比較器；1為線圈等效電阻；1為線圈等效電感；2為饋能電感等效電阻；2為饋能電感等效電感。

圖4 發射電路電路圖

開關管工作時序圖見圖5。電路整個工作過程如下。

1) 在0~/4時間段內，其中為發射周期，1~7全部截止，輸出端電壓U為0，電流I為0 A。

2) 在/4~1時間段內，1和4開通，其余IGBT關斷，此時電源電壓直接加在兩端，電流經過1，4，1，1，5，與形成回路，電源為1充電。發射線圈的電壓和電流可以通過下式表示：

3) 在1~/2時間段內，5開通，1和4高頻斬波，其余IGBT關斷。當1和4開通時，電源，5，1，4，1和1組成回路，電流上升。1和4關閉時，電源，5，2，3和1組成回路，電流下降。整個過程電流平均值維持恒定。發射線圈的平均電壓和電流可以用下式表示：

4) 在/2~2時間段內，7開通，其余IGBT關斷，1，1通過2，3與1，7或1構成回路，使電流快速下降，并將線圈能量轉移至電容1中，線圈電流電壓可以用下式表示：

其中：C表示電容1兩端電壓。

5) 鉗位電容1穩壓過程：1和2檢測流過電感2的電流，3檢測電容1兩端電壓；當1電壓高于預設值，2電流小于預設值時，6開通，電感2電流上升至上限，1輸出變低，6關閉，電感2電流下降至下限，1輸出變高，6開通，2電流再次上升。如此反復至電容1兩端電壓降低至預設值以下，6關閉，整個饋能過程結束。原來存儲在1內部的能量回饋至電源，6工作狀態見表1。

6) 3/4~4時間段是負載電流負半周期間，與0~2負載正半周期間工作狀況類似。

圖5 開關管工作時序圖

表1 S6開關狀態說明

注：0表示低電平；1表示高電平；?表示低/高電平。

2.2 電路參數設計

整個發射系統供電電源采用28 V直流電源供電，發射線圈電阻為0.31 Ω，電感為1.06 mH，最大發射電流為20 A，鉗位電壓可調，以適應不同關斷沿要求。

為了保證整個發射系統的發射頻率高度穩定，采用FPGA作為整個系統的控制核心，發射頻率可以為25，75和125 Hz，本文采用最常用的發射頻率25 Hz。

令式(3)等于0，則關斷時間為

在/2~2期間內，饋能過程中能量守恒，線圈能量完全釋放至饋能電容中，有

根據式(1)和(2)，電流上升時間為

代入數據計算可得上升時間約為1 ms，由此確定/4~1驅動占空比。

饋能電感電流采用電阻取樣會導致發熱，同時浮地的問題不好解決。電磁式電流互感器帶寬較小，最后經比較后選用電流為20 A、頻率為100 kHz的閉環霍爾電流傳感器作為電流測量器M。鉗位電容1電壓C上升過程遵循下式：

式中：為脈沖電流數。

因此，整個系統上電之后需要一段時間才能穩定工作，代入數據得出：max=48，即最長僅需要1 s，系統就可以穩定工作。

按照設計的參數對整個電路進行仿真，采用Matlab Simulink仿真環境，仿真結果見圖6。從圖6可以看出：發射電流近似為梯形波，平頂段斜率為0，關斷沿陡峭。并將該電路與傳統H橋發射電路進行對比，結果見圖7。從圖7可以看出：采用恒壓鉗位方式能夠顯著加快關斷速度，仿真結果基本符合預計結果。

圖6 輸出電流仿真圖

圖7 不同鉗位電壓關斷沿對比圖

3 實驗結果

根據以上計算過程和仿真結果，實際設計并制作該發射電路，并進行調試。發射電流調整至額定值15 A，鉗位電壓分別為60，100和150 V，采用隔離電流探頭測量輸出電流的實測結果見圖8。

圖8 輸出電流與鉗位電壓波形圖

圖8表明：采用PWM斬波與恒壓鉗位控制發射電路能夠實現平頂段電流為0 A、下降段快速下降的目的。同時，發射波形接近理想梯形波，能夠有效激勵地下的異常體，在使用大電容進行恒壓鉗位的過程中，整個發射過程鉗位電壓基本平穩，保證不同周期關斷時長的一致性，不會對后期數據處理造成不利影響，也省去專門設計記錄關斷時長的電路。圖9所示為不同鉗位電壓時電流下降的關斷沿時長。從圖9可以看出：電壓越高，關斷速度越快，線性度越高，符合式(5)和(6)。同時，由圖9可知：在發射電流不變的情況下，整個關斷過程由500 μs縮短至100 μs，關斷速度明顯加快。與文獻[10?11]所采用的單純的恒壓鉗位控制方法相比，實現了平頂段斜率為0的控制目的，同時適用于發射電阻小的磁性源發射系統。相比文獻[15]所提到的發射系統發射電流平頂段電流由供電電源電壓決定，本文所采用PWM控制方式可以省去調壓環節，能有效提高系統效率。實測結果表明整個發射系統基本符合設計要求，滿足實際工程需要。

圖9 不同鉗位電流下降沿對比圖

4 結論

1) 通過結合PWM控制和恒壓鉗位控制2種方法實現了一個新型的電磁發射電路，并通過實際測量驗證了該方案的可行性。該電路更適用于電磁法探測，并可以為大電流、大功率瞬變電磁探測系統的電流快速下降設計提供參考。

2) 與傳統的恒壓鉗位方式相比，通過引入PWM控制使得平頂段斜率為0，降低了電流上升沿對接收信號的干擾，同時加快了關斷速度，能夠使得接收系統更好地接收到淺層的二次場信號，在發射電流為15 A的情況下，發射電流的關斷時間為原來的1/5。

3) 整個系統下降沿關斷速率可調，可以適用于不同探測要求，同時引入了電能回饋環節，與耗能式加速關斷方法相比，提高了整個發射系統的效率，能夠延長野外探測時間，具有較高的工程應用價值。

[1] 范亮, 錢榮毅. 瞬變電磁法在煤礦采空區的應用研究[J]. 工程地球物理學報, 2011, 8(1): 29?33.FAN Liang, QIAN Rongyi. Application of transient electromagnetic method to coal mine gobs[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2011, 8(1): 29?33.

[2] 陳曙東, 林君, 張爽．發射電流波形對瞬變電磁響應的影響[J]. 地球物理學報, 2012, 55(2): 709?716.CHEN Shudong, LIN Jun, ZHANG Shuang. Effect of transmitter current waveform on TEM response[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(2): 709?716.

[3] 付志紅, 周雒維. 瞬變電磁法高動態電流陡脈沖發射電路研究[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(33): 44?48.FU Zhihong, ZHOU Luowei. Research on high dynamic current steep impulse transmitting circuits for transient electromagnetic method application[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(33): 44?48.

[4] 周逢道, 唐紅忠, 郭新, 等. 時間域電磁探測發射電流過沖產生原理及抑制[J]. 吉林大學學報(工學版), 2013, 43(4): 1023?1028.ZHOU Fengdao, TANG Hongzhong, GUO Xin, et al. Current overshoot produce principle and inhibition of transmitter of time domain electromagnetic detection system[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2013, 43(4): 1023?1028.

[5] 王鵬程, 鄭建勇, 尤鋆. 對IGBT逆變器吸收電路的改進與仿真[J]. 電測與儀表, 2009, 46(10): 67?71.WANG Pengchen, ZHENG Jianyong, YOU Jun. Improved design and simulation of snubber circuits for IGBT inverters[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2009, 46(10): 67?71.

[6] CHEN Cai, PEI Xuejun, CHEN Yu, et al. The loss calculation of RCD snubber with forward and reverse recovery effects considerations[C]// IEEE, International Conference on Power Electronics and Ecce Asia. Piscataway, NJ: IEEE, 2011: 3005?3012.

[7] 覃慶炎. 發射電流波形變化對固定翼航空瞬變電磁響應的影響[J]. 地球物理學進展, 2013, 28(5): 2673?2679.QIN Qingyan. Effect of transmitter current waveform variation on the fixed-wing airborne transient electromagnetic response[J]. Progress in Geophys, 2013, 28(5): 2673?2679.

[8] CHRISTIANSEN A V, AUKEN E, VIEZZOLI A. Quantification of modeling errors in airborne TEM caused by inaccurate system description[J]. Geophysics, 2011, 76(1): F43?F52.

[9] 付志紅. 電磁探測特種電源技術的研究[D]. 重慶: 重慶大學電氣工程學院, 2007: 54?59. FU Zhihong. Research on the special power supply for electromagnetic detecting[D]. Chongqing: Chongqing University. College of Electrical Engineering, 2007: 54?59.

[10] 中國科學院電子學研究所. 饋能恒壓鉗位高速關斷方法和裝置: 中國, 201510103401.4[P]. 2015?06?03. Insititute of Electrics, Chinese Academy of Sciences. Energy- regenerative and constant voltage clamping fast turn-off method and device: China, 201510103401.4[P]. 2015?06?03.

[11] LEBAN A, VONCINA D. Pulse current source with high dynamic[C]// Computer as a Tool. Piscataway: IEEE, 2003: 297?300.

[12] 屈路, 于生寶, 高明亮. 分布式瞬變電磁接收系統設計與實現[J]. 儀表技術與傳感器, 2013(8): 83?85. QU Lu, YU Shengbao, GAO Mingliang. Design of receiver system for distributed transient electromagnetic[J]. Instrument Technique and Sensor, 2013(8): 83?85.

[13] 付志紅, 趙俊麗, 周雒維, 等. WTEM 高速關斷瞬變電磁探測系統[J].儀器儀表學報, 2008, 29(5): 933?936.FU Zhihong, ZHAO Junli, ZHOU Luowei, et al. WTEM fast turnoff transient electromagnetic detection system[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2008, 29(5): 933?936.

[14] 劉麗華, 吳凱, 耿智, 等. 有源恒壓鉗位瞬變電磁發射機技術[J]. 地球物理學進展, 2016, 31(1): 449?454. LIU Lihua, WU Kai, GENG Zhi, et al. Active constant voltage clamping technology for transient electromagnetic transmitter[J]. Progress in Geophysics, 2016, 31(1): 449?454.

[15] 趙海濤, 劉麗華, 吳凱, 等. 恒壓鉗位高速關斷瞬變電磁發射系統[J]. 儀器儀表學報, 2013, 34(4): 803?808. ZHAO Haitao, LIU Lihua, WU Kai, et al. Voltage stabilized clamping and fast turn-off transient electromagnetic transmitting system[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(4): 803?808.

(編輯 趙俊)

A TEM system with PWM chopping and constant voltage clamp control

YU Shengbao, ZHU Zhanshan, JIANG Jian, HAN Zhexin

(Instrument Science and Electrical Engineering College of Jilin University, Changchun 130026, China)

In order to solve the strong electromagnetic interference, low efficiency and slow turn-off speed of the magnetic source TEM system, a method with PWM chopping and constant voltage clamp control was proposed. This method was compared with the conventional H-bridge transmission circuit using the circuit simulation software. The results show that increasing the feedback voltage can speed up the coil current dropping speed, thus the IGBT turn-off transmitter coil current rate of decline improves greatly, the turn-off time reduces and the frequency component of the transmission waveform signal enriches. It is benefit to the transient electromagnetic detection. Meanwhile, the feedback circuit can recycle the transmit coil energy to improve the efficiency of the transmission system and the emission current flat top section with a PWM chopper control makes flat top section emission current slope 0. This decreases the interference of the emission current top segment and increases segment on the received signal. The emission waveform is almost close to the ideal trapezoidal wave. Compared with the traditional transmission circuit without clamping, the circuit falling edge time is shortened from 500 μs to 100 μs, which is better for the shallow detection.

detection of electromagnetic method; constant pressure clamp; high speed turn-off

TH763

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.013

1672?7207(2018)03?0606?06

2017?03?04；

2017?05?05

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA063904) (Project(2013AA063904) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

于生寶，博士，教授；從事功率源技術及其應用研究；E-mail: yushengbao@jlu.edu.cn