电磁发射机二级母线冲击电压产生机理综述

作者： 国自电气 时间：2024-08-21 09:16:27 阅读：26

    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

    地球物理地质勘探方法中,海洋电磁勘探法以各类气液资源、岩矿石的极化率和导电性等性质的差异作为基本依据﹐并观测其电磁场来实现对目标体的有效探测。如油气结构特征是具有较高的电阻率，周围充满盐水的海底底层则具有很好的导电性。在20世纪时,石油和天然气行业每年使用钻井等传统方法花费数亿美元来寻找海上碳氢化合物,如今,电磁探测系统被视为研究海上地质的标准工具包的一部分.目前国内的海洋电磁发射机对1000m以内的油气资源有较好的勘探效果,但面向深部资源，电磁发射机的功率、频率及方法技术精度探测等方面仍存在诸多要解决的技术难题.

    海洋可控源电磁发射机是海洋电磁探测系统的核心设备.然而,目前我国大型海域地球物理勘探装备几乎全部依赖于进口,严重影响了我国深部资源电磁探测新技术的发展进程,因此拥有我国自主知识产权的海底地球物理探测设备并掌握其核心技术至关重要。德国etronix 公司的TXM-22发射机采用不控整流技术,输出功率大.通过调节发电机的励磁电流来完成对输出电压的调节,发电机的制造较为复杂、体积与质量较大。美国Zonge公司研制的GGT-30发射机采用相控整流技术来设计可控源电路,通过控制触发角来控制输出电压的大小,当触发角较大时,会导致功率因数较低.此外，加拿大Phoenix 公司利用脉冲宽度调制( PulseWidth Modulation, PWM)变换设计了TXU-30发射机.

    对于陆地电磁发射机,相关文献中介绍了电磁发射机偶极电感对发射电流的边沿陡度的影响,相关文献中提出采用吸收电路,减小关断时间,但未提及偶极电感储能对母线电压的影响.当海洋电磁发射机拖体长时间在水下工作时,会导致开关管出现损坏,根据相关文献中介绍可知,发射偶极子存在500uH的寄生电感,如果忽略这个电感的影响，当发射桥换流时,产生的感应电压会损害设备,通过电容槽吸收电感上反馈的能量,这种方法需要增加母线电容,电路体积增大,由于水下拖体体积受限,尤其对于大功率电磁发射机是不可行的.

    双有源全桥(Dual-active full Bridge，DAB)DC-DC变换器结构对称，可以实现能量双向流动,且具有较高的功率密度、电气隔离等特点,被广泛应用.其控制方式包括单移相(Single-phase-shift，SPS)控制、双重移相(Dualphase-shift , DPS)控制、扩展移相(Extended-phase-shift，EPS)控制、三重移相(Triple-phase-shift, TPS)控制没。在不同的控制方法上,基本是以电感电流应力、回流功率、软开关范围为优化目标,进行控制算法的设计.DAB变换器本质上是一种多输入多输出(Multi-input Multioutput ,MIMO)系统,在输出特性上内部变量相互耦合才能完整表述.近年来，基于微分几何的非线性控制方法为 MIMO系统解耦提供了一种解决思路.其通过系统的电感电流与母线电压作为反馈控制量,给定值和反馈值进行比较得到误差信号,以误差和误差的积分值构建切换函数,进而设计系统的滑模控制律,获得滑模控制器的函数关系.该输出反馈滑模控制策略除了能够对电流应力与母线电压控制.不可以提高系纺的抗扰能力。

    通过对发射桥换流过程分析可知,偶极电感能量回馈导致母线产生冲击电压,增大了开关管的电压应力,导致开关管长时间工作时出现损坏现象,提出双向可控源电路.针对双向可控源电路控制变量无法实现完全解耦、功率受限的问题,提出了基于状态反馈精确线性化的滑模控制方法.对通用型负载的双向可控源电路利用动态相量法与基波近似法建立变压器前后两级的平均相量模型，并通过分析系统闭环误差动态方程,得出了反馈控制律参数取值范围,为参数选择提供了理论依据.仿真和实验结果表明,该控制方法可以在实验的全过程内实现软开关,极大地提高了发射机可控源电路的效率和动态性.