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        多道瞬變電磁法發(fā)射機供電關鍵技術研究

        2019-04-08 05:43:12王旭紅張一鳴
        上海交通大學學報 2019年3期
        關鍵詞:橋臂發(fā)射機諧振

        王旭紅, 張一鳴, 劉 蔚

        (北京工業(yè)大學 信息學部, 北京 100124)

        經(jīng)過多年的勘探開采,淺部金屬礦產(chǎn)資源已大幅減少,金屬礦找礦的主體正在向深部礦、隱伏礦發(fā)展[1],多道瞬變電磁法(MTEM)在深部探礦中發(fā)揮著重大作用[2-3].近年來,國內(nèi)電法勘探儀器的研究取得了很大進展[4-5],但市場上仍缺少自主研發(fā)的產(chǎn)品,國外進口儀器仍占主流地位,這為我國電磁法勘探的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴重阻礙.在電磁勘探中,發(fā)射機的負載為大地,其負載阻抗隨輸出頻率的增加呈指數(shù)增長,其輸出電磁波振幅會隨頻率增加呈指數(shù)型衰減.隨著深度的增加,探測結果的分辨率會迅速降低,因此探測深部礦、隱伏礦的關鍵是大幅提高輸出信號的強度,增大發(fā)射機的輸出功率.同時,在野外實際勘探中,為了便于勘探設備的搬運轉(zhuǎn)移,發(fā)射機的體積和重量不能過大,這就需要提高發(fā)射機的功率密度.

        目前,市場上主要使用的發(fā)射機有加拿大鳳凰公司的TXU-30(最大輸出功率20 kW,電流范圍 0.5~40 A),美國ZONGE公司的GGT-30(最大輸出功率25 kW,輸出電壓50~1 000 V).其中,GGT-30采用AC/AC/DC/AC的拓撲結構,為減小發(fā)射機的體積和重量,該儀器配備了專用的400 Hz發(fā)電機組;而TXU-30采用AC/DC/AC/DC/AC的拓撲結構,配備了線電壓220 V的發(fā)電機組.上述發(fā)射機主要存在以下3個缺陷:① 對于我國380 V/50 Hz的電力系統(tǒng)而言,第一級的輸入電源通用性不強,發(fā)電機一旦損壞,無法迅速找到替代品;② GGT-30的相控整流-逆變技術和TXU-30的不控整流-逆變技術,均為硬開關技術,損耗大,效率低,重載情況下電應力高,電磁干擾嚴重;③ 輸出功率小,無法滿足深部探測的需要.

        本文研制的電磁發(fā)射機,輸入電源為380 V/50 Hz,通用性強.針對可變負載,電壓能夠調(diào)整迅速,保證系統(tǒng)輸出電流最大.該發(fā)射機的拓撲結構為AC/DC/AC/DC/AC,其中在DC/AC/DC環(huán)節(jié)采用了一種新型雙路有源軟開關技術,系統(tǒng)損耗小,效率高,大大提高了發(fā)射機的功率密度,實現(xiàn)了 1 000 V/50 A的大功率輸出.為降低損耗,減小功率器件的電應力,降低電磁干擾,發(fā)射機的DC/AC/DC環(huán)節(jié)采用了移相全橋軟開關變換器.移向全橋變換器利用飽和電抗器或變壓器漏感中的儲能,實現(xiàn)主開關管的零電壓開關(ZVS),減小了開關管的電應力和開關損耗,為變換器效率的提升創(chuàng)造了條件[6-9].但是,這種無源軟開關變換器有在輕載情況下不能實現(xiàn)軟開關的缺陷,輸出范圍窄.為解決上述缺陷,文獻[10]提出增加變壓器原邊勵磁電流的方法來實現(xiàn)輕載情況下功率管的ZVS.由于增加了一個勵磁電流,不僅加大了功率管的通態(tài)損耗,而且增大了變壓器的磁芯損耗,同時由于勵磁電流與負載無關,雖然該方法實現(xiàn)了輕載下主功率管的ZVS,但使得變換器輸出效率低.文獻[11]提出增大諧振電感值的方法實現(xiàn)主功率管的ZVS,但是較大的諧振電感會造成變壓器副邊較大的占空比丟失,且在高頻整流橋處容易產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象.為了減小變壓器副邊占空比的丟失,文獻[12]采用了飽和電抗器,但是這種方法只適用于小功率場合.在大功率輸出時,飽和電抗器的磁芯發(fā)熱嚴重,不僅造成損耗的增加,還會給系統(tǒng)的運行帶來風險.在大功率場合,為實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的ZVS,文獻[13-15]介紹了多種輔助電流源網(wǎng)絡,輔助電流源與變壓器原邊電流同時給主橋臂的諧振電容充放電,實現(xiàn)開關管在很寬的負載范圍內(nèi)的ZVS,但這些拓撲結構存在負載范圍相對較窄、環(huán)流損耗大等問題,雖然在一定程度上拓寬了負載范圍,但是增加了電路損耗.文獻[16]的拓撲雖然解決了輔助回路環(huán)流損耗問題,但是主回路諧振電感的缺失導致超前橋臂無法實現(xiàn)ZVS.另外,上述輔助電流源網(wǎng)絡只考慮了滯后橋臂ZVS的問題.在地質(zhì)勘探領域中,負載會隨輸出頻率實時變化,當輸出電流進一步減小,使得變壓器漏感和濾波電感中的儲能不能保證超前橋臂實現(xiàn)ZVS時,也會帶來損耗增加.文獻[17-18]的有源輔助網(wǎng)絡,雖然能夠幫助超前橋臂實現(xiàn)ZVS,但不能保證超前橋臂在全負載范圍內(nèi)都能實現(xiàn)ZVS,且該種方法會導致輔助回路續(xù)流時間長,變換器通態(tài)損耗增加.

        本文提出了一種新型雙路有源軟開關變換器,可在無源軟開關、單路有源軟開關和雙路有源軟開關3種模態(tài)之間切換,實現(xiàn)了系統(tǒng)全負載范圍內(nèi)的ZVS.另外,輔助電流源網(wǎng)絡中截止二極管和輔助繞組的設計,使超前輔助管實現(xiàn)ZVS,滯后輔助管實現(xiàn)零電流開關(ZCS),且只有在主開關管切換時,輔助回路中才有電流.該設計減小了輔助回路電流的有效值,降低了輔助回路的導通損耗和開關損耗,提高了變換器的效率和功率密度.

        1 MTEM發(fā)射機的系統(tǒng)結構與功率單元

        圖1 MTEM發(fā)射機的系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of MTEM transmitter

        如圖1所示,本發(fā)射機系統(tǒng)包括發(fā)電機組、三相半控整流濾波單元、逆變單元、高頻整流單元、電壓電流采樣、GPS授時、偽隨機信號生成電路等.三相發(fā)電機組輸出380 V/50 Hz交流電,經(jīng)過三相半控整流橋H1后,轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟姡缓箅娏髁鹘?jīng)逆變橋H2、高頻整流橋H3后,轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷?,最后,?jīng)過逆變橋H4轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可變的高壓交流,通過電極輸送給大地負載.其中,在H2和H3部分,高頻變壓器采用雙路輸出結構.與單路輸出相比,該結構不但可以增大輸出電壓、電流的控制精度,而且可以降低高頻整流橋開關過程中承受的電壓、電流應力,為器件選型帶來方便.同時,若串聯(lián)繼電器S1閉合,本發(fā)射機的最大電壓可達 1 000 V,最大電流可達50 A,若并聯(lián)繼電器S2閉合,使其輸出兩路并聯(lián),則最大輸出電流可達100 A,電壓500 V,以實現(xiàn)低壓大電流的輸出,方便儀器后續(xù)的改進和拓展,使其能夠適用更廣泛的工況條件.

        通過上述分析可知,DC/DC變換器為MTEM發(fā)射機的功率核心部分,其運行穩(wěn)定性和效率直接影響發(fā)射機的性能.為方便分析,將圖1中變壓器副邊的雙路輸出簡化為單路輸出,同時將逆變橋H4去掉,用可變電阻替代,如圖2所示.

        圖2 雙路有源軟開關變換器的拓撲圖Fig.2 Topology of proposed converter

        圖3 雙路有源軟開關變換器的時序圖Fig.3 Sequence diagram of proposed converter

        圖2給出了新型雙路有源軟開關變換器的拓撲圖,其中Q1、Q2組成了超前橋臂,Q3、Q4組成了滯后橋臂,諧振電容C1、C2、C3、C4與諧振電感Lr產(chǎn)生諧振,保證主功率管實現(xiàn)ZVS.DR1、DR2、DR3、DR4組成了高頻整流橋,電感L和電容C組成了低通濾波電路,保證變換器輸出電壓、電流的平穩(wěn).Q3a、Q4a、C3r、C4r、D5a、D6a、電感Lr2和輔助繞組Tr2,組成了滯后輔助橋臂,當輸出的負載電流小于一定值時,保證滯后橋臂實現(xiàn)ZVS.Q1a、Q2a、C1a、C2a、D7a、D8a和電感Lr1組成了超前輔助橋臂,當輸出的負載電流進一步減小時,保證超前橋臂實現(xiàn)ZVS.

        圖3給出了變換器不同工作模態(tài)下的主要波形,Vg1、Vg2、Vg3、Vg4分別是超前橋臂和滯后橋臂的驅(qū)動波形.Vg1a、Vg2a是超前輔助橋臂的驅(qū)動波形,在Q1管(或Q2管)關斷之前,開啟Q2a(或Q1a),給電感Lr1充電,在Q2(或Q1)開啟之后,關斷Q2a(或Q1a),從而實現(xiàn)超前橋臂的ZVS.Vg3a、Vg4a是滯后輔助橋臂的驅(qū)動波形,在Q4(或Q3管)關斷之前,開啟Q3a(或Q4a),給電感Lr2充電,在Q3(或Q4)開啟之后,斷開Q3a(或Q4a),保證滯后橋臂實現(xiàn)ZVS.其中,在滯后橋臂的中點B和滯后輔助橋臂諧振電容的中點D之間串聯(lián)一個輔助繞組Tr2,其同名端如圖2中所示,利用高頻變壓器T的電壓換向過程,為滯后輔助橋臂提供一個與電流iLr2方向相反的電動勢,保證滯后輔助橋臂實現(xiàn)ZCS,減小輔助橋臂的損耗.由于反向截止二極管D5a、D6a的作用,只有輔助管開通時,輔助回路才有電流,其他時刻電流為0,大大減小了輔助回路和滯后橋臂的導通損耗.

        2 雙路有源軟開關變換器的工作原理

        根據(jù)圖3,在一個工作周期內(nèi),變換器有18個工作模態(tài).為了簡化分析過程,假設:

        (1) 變換器中所有的開關管、二極管、電感、電容、變壓器等均為理想元件;

        (2) 超前橋臂的諧振電容C1=C2=Clead,滯后橋臂的諧振電容C3=C4=Clag,超前輔助橋臂的諧振電容C1a=C2a=Caux1,滯后輔助橋臂的諧振電容C3r=C4r=Caux2;

        (3)L?Lr/K2,其中L是輸出濾波電感,K是變壓器原副邊的匝比;

        (4) 定義Q1、Q2為超前管,Q3、Q4為滯后管,Q1a、Q2a為超前輔助管,Q3a、Q4a為滯后輔助管.

        模態(tài)1(0~t0):如圖4(a)所示,在此時間段內(nèi),超前管Q1和滯后管Q4導通,高頻整流管DR2、DR3導通,變換器向負載傳遞能量,此時變壓器原邊電流為ip.在t0時刻,超前輔助管Q2a打開,給電感Lr1充電,保證超前管Q2實現(xiàn)ZVS.

        模態(tài)2(t0~t1):如圖4(b)所示,超前管Q1和滯后管Q4依然開啟,高頻整流管依舊是DR2和DR3導通.在t0時刻,Q2a開啟,電流經(jīng)過Q1、Lr1、D8a和Q2a回到電源負極,電感Lr1實現(xiàn)充電儲能.

        模態(tài)3(t1~t2):如圖4(c)所示,在t1時刻,超前管Q1關斷,電流ip和超前輔助橋臂中的電感電流iLr1,共同給諧振電容C1充電,同時電容C2被放電,由于C1的作用,超前管Q1實現(xiàn)零電壓關斷.在t2時刻,電容C2的電壓降為0,超前管Q2的反向并聯(lián)二極管D2自然導通,逆變橋輸出AB兩端的電壓vAB下降為0.在模態(tài)3內(nèi),諧振電感Lr和濾波電感L是等效串聯(lián)關系,當負載電流IL在一定的范圍內(nèi)時,等效的原邊電流近似不變,此時變壓器原邊電流ip,諧振電容C1電壓為

        (1)

        模態(tài)4(t2~t3): 如圖4(d)所示,在t2時刻,D2自然導通后,Q2開啟,但此時超前管Q2中沒有電流,變壓器原邊電流ip和電感電流iLr1經(jīng)D2流通,由于二極管D2的鉗位作用,超前管Q2實現(xiàn)ZVS.

        模態(tài)5(t3~t4): 如圖4(e)所示,在t3時刻,輔助管Q2a關斷,由于諧振電容C2a的作用,輔助管Q2a實現(xiàn)ZVS,二極管D2持續(xù)續(xù)流,在此時間段內(nèi),變壓器原邊電流ip等于折算到原邊的濾波電感電流.逆變橋輸出電壓vAB為0,在t4時刻,在滯后管Q4關斷之前,滯后輔助管Q3a開啟.

        模態(tài)6(t4~t5): 如圖4(f)所示,在t4時刻,電流經(jīng)過輔助管Q3a,反向截止二極管D5a,諧振電感Lr2,輔助繞組Tr2,滯后管Q4,流回電源負端,輔助電感Lr2實現(xiàn)充電儲能,AB兩端的電壓依舊為0,在t5時刻,滯后管Q4實現(xiàn)ZVS.電感Lr2中的電流為

        iLr2(t)=VIN(t-t4)/Lr2

        (2)

        式中:VIN為變換器輸入的直流母線電壓.

        模態(tài)7(t5~t6): 如圖4(g)所示,在t5時刻,滯后管Q4關斷,此時電流ip和iLr2共同給C4充電,同時C3被放電,在t6時刻,諧振電容C3電壓下降為0,滯后管Q3的反向并聯(lián)二極管D3自然導通.

        此時間段內(nèi),諧振電容C3和vC3r的電壓為

        (3)

        vC3r(t6)=-VIN/naux

        (4)

        式中:naux是變壓器原邊與輔助繞組的變比.

        由式(3)和式(4)可知,vAB的下降沿時間為

        (5)

        圖4 雙路有源軟開關變換器的工作過程Fig.4 Operation of the proposed converter

        模態(tài)8(t6~t7): 如圖4(h)所示,在t6時刻,二極管D3自然導通續(xù)流,雖然此時滯后管Q3導通,但Q3中并沒有電流,電流ip和iLr2通過二極管D3向母線饋電,由于D3的鉗位作用,滯后管Q3實現(xiàn)了ZVS.根據(jù)主變壓器與輔助繞組的同名端及電壓vAB可知,輔助繞組Tr2提供了一個與iLr2電流方向相反的電動勢,使電感電流逐步降低,在t7時刻,電感電流iLr2降為0,此時滯后輔助管Q3a仍未關斷.

        模態(tài)9(t7~t8): 如圖4(i)所示,在t7時刻,電流ip正值過零點,此時滯后管Q3和超前管Q2為電流ip提供通路,此時的ip電流太小,仍不足以為負載提供能量,4個高頻整流管均導通,因此變壓器原邊電壓為0,在t8時刻,該模態(tài)結束,高頻整流管DR2、DR3關斷,由DR1、DR4為負載提供能量.

        模態(tài)10(t8~t9): 如圖4(j)所示,在此時間段內(nèi),超前管Q2和滯后管Q3導通,高頻整流管DR1、DR4導通,電流ip反向,變換器向負載傳遞能量.在t9時刻,在Q2關斷之前,輔助管Q1a打開,給電感Lr1充電,保證Q1實現(xiàn)ZVS,變換器開始另一半周期的工作,工作情況類似于上述半個周期.

        3 新型軟開關變換器的設計與實現(xiàn)

        設變換器在一定負載電流Iout2范圍內(nèi),選定最小的能夠?qū)崿F(xiàn)主橋臂ZVS的諧振電感Lr值,即當負載電流Iout>Iout2時,變換器處于無源軟開關模式,當輸出負載電流繼續(xù)減小,滯后管不能實現(xiàn)ZVS時,開啟滯后輔助橋臂;當負載電流進一步減小至Iout1,超前管也不能實現(xiàn)ZVS時,繼續(xù)開啟超前輔助橋臂,從而使變換器在全負載范圍內(nèi)都能實現(xiàn)ZVS.變換器的工作模式與負載電流的關系見圖5.

        圖5 變換器工作模式與負載電流關系Fig.5 Relationship between operating mode and load current

        3.1 滯后輔助橋臂開啟的條件分析

        由模態(tài)6的分析可知,變壓器原邊電流ip等于折算到原邊的輸出濾波電感電流,在t5時刻,電流ip下降為I1,如圖3所示,即

        I1=iL(t5)/K=IL/K

        (6)

        在模態(tài)7內(nèi),電感Lr與電容C3、C4諧振工作,輔助回路中電感Lr2的電流為Ia,因此,電流ip和電容C4的電壓分別為

        (7)

        由式(7)可知,當電流ip下降時,電容電壓vC4上升,因此,保證滯后管Q3實現(xiàn)ZVS的條件是:當電容電壓上升至VIN時,電流ip沒有降到 -I1,或者ip下降到-I1時,電流Ia能夠提供C4放電、C3充電的能量.因此,變換器在模態(tài)7結束時,電流ip和ia要同時滿足

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        根據(jù)式(10)可知,若電流ip還沒有降至-I1時,電容電壓vC4已經(jīng)升至VIN, 要實現(xiàn)滯后管的ZVS,需滿足

        vC4(t)=(I1+Ia)Z1sinw1(t-t5)≥VIN

        (12)

        為了減小占空比的丟失,應使(I1+Ia)Z1的值盡可能的小,因此sinw1(t-t5)的值應選擇在 0.9 至1之間,式(12)可表達為

        (I1+Ia)Z1≥VIN

        (13)

        此時,Ia與IL之間的關系式為

        Ia=VIN/Z1-IL/K

        (14)

        由式(11)知,若電流ip降至-I1時,電壓vC4沒有升至VIN,要實現(xiàn)滯后管的ZVS,需滿足

        vC4(t)=

        (15)

        式(15)為非線性方程,很難求得解析解,根據(jù)圖3的波形時序圖,可將式(15)簡化成

        (Ia-I1)td(lag)/(2Clag)≥VIN

        (16)

        式中:td(lag)為滯后橋臂驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間.

        此時,Ia與IL之間的關系式為

        (17)

        因此,由式(14)和式(17)可知,滯后輔助橋臂電流Ia與負載電流IL之間的關系為

        Ia=

        (18)

        3.2 超前橋臂實現(xiàn)軟開關的條件

        如圖3和圖4(b)所示,假設模態(tài)2結束時,變壓器原邊的電流為I2,由模態(tài)3的分析可知,在此時間段內(nèi),諧振電感Lr和濾波電感L是串聯(lián)關系,此時原邊電流ip包含了濾波電感電流,而滯后管實現(xiàn)軟開關時間段內(nèi),則不包含濾波電感電流,即

        I2=ILr+IL/K

        (19)

        當負載電流繼續(xù)減小,在模態(tài)3的過程中,變壓器原邊電流ip不能等效為一個恒流源時,為滿足超前管實現(xiàn)軟開關,加入輔助電流源Ib后,原邊電流ip和諧振電容C1的電壓可表示為

        (20)

        由式(20)和模態(tài)3的分析可知,當電流ip下降時,電壓vC1上升,vC2下降,保證Q2實現(xiàn)ZVS的條件是:當電容電壓vC1上升至VIN時,原邊電流ip沒有降到0,或者在ip降到0時,輔助電流Ib能夠提供C2、C1充放電的能量.因此,在模態(tài)3結束時,原邊電流ip、電容電壓vC2、輔助電流ib要滿足

        (21)

        與滯后輔助橋臂的分析過程類似,超前輔助橋臂電流Ib與負載電流IL之間的關系為

        Ib=

        (22)

        4 仿真與實驗

        發(fā)射機系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.

        表1 MTEM發(fā)射機參數(shù)表Tab.1 Parameters of MTEM transmitter

        4.1 輔助橋臂開啟與負載電流的關系

        由式(18)可知,當負載電流Iout

        在實際工作中,由于負載是隨輸出頻率變化的,由低頻到高頻,負載阻抗可能從十幾歐姆變化到上百歐姆.為保證系統(tǒng)在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS,可將圖5負載電流和變換器工作模式的關系轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)輸出功率與變換器工作模式之間的關系.為確保不同模式之間切換的可靠性,在程序的判斷條件中,需要設置緩沖區(qū),如圖6中陰影部分所示,并分別用不同顏色標識出不同模式的工作區(qū)間,這樣既保證了系統(tǒng)ZVS的實現(xiàn),又保證了控制的穩(wěn)定性.

        圖6 不同工作模式與輸出功率的關系Fig.6 Relationship between operating mode and load power

        4.2 輔助橋臂諧振電感值的選擇與輔助繞組變比的確定

        由圖3輔助橋臂的驅(qū)動波形和圖4(f)變換器模態(tài)6的分析可知,輔助橋臂諧振電感電流可表示為

        Iaux=VINTSDaux/(4Laux)

        (23)

        式中:Daux為輔助橋臂開啟的占空比;TS為輔助橋臂的開關周期.

        在設計中,為減小損耗并保證主開關管實現(xiàn)ZVS,一般將vAB的上升沿(或下降沿)時間取為總開通時間Ton,max的5%,即

        Tfalling=0.05Ton,max

        (24)

        由式(23)可知,超前輔助橋臂諧振電感Lr1=58.9 μH,滯后輔助橋臂電感Lr2=39.8 μH.根據(jù)式(5)和式(24),確定輔助繞組的變比為 0.45.

        圖7 不同工作模式下,逆變橋輸出vAB的波形圖Fig.7 The waveforms of the proposed converter in different operation modes

        圖8 不同工作模式下,逆變橋輸出vAB的波形圖Fig.8 The waveforms of the proposed converter in different operation modes

        4.3 仿真結果

        針對上面的分析,使用Saber對該變換器模型進行仿真,結果如下:

        圖7(a)為系統(tǒng)工作在無源軟開關模式,輸出功率 6.10 kW時的波形圖,從上到下分別為逆變橋H2的輸出電壓vAB,變壓器原邊電流ip,逆變橋H4的輸出電壓Vout和輸出電流Iout的波形圖.由于變壓器原邊電流太小,諧振電感儲能不足,滯后橋臂硬開通,如圖7(a)中紅圈處所示.

        圖7(b)為開啟滯后輔助橋臂使變換器工作在單路有源軟開關模式下,輸出功率 6.10 kW時的波形圖.從上到下依次為vAB,ip,輔助管Q4a的電壓波形和諧振電感Lr2的電流波形.從輔助管電壓vQ4a和電感電流iLr2的波形可以看出,vQ4a實現(xiàn)了ZCS.從圖7的電壓vAB的波形對比可以看出,滯后輔助橋臂開啟后實現(xiàn)了滯后管的ZVS,結果與圖6工作模式分析一致.

        圖8(a)為系統(tǒng)工作在無源軟開關模式,輸出功率 4.15 kW時各部分的波形圖.如圖8(a)中紅圈處所示,超前橋臂和滯后橋臂均無法實現(xiàn)ZVS.

        圖8(b)為超前輔助橋臂和滯后輔助橋臂均開啟后,系統(tǒng)工作在雙路有源軟開關模式下,輸出功率 4.15 kW時的波形圖,從上到下依次為vAB,ip,輔助管Q2a的電壓波形和諧振電感Lr1的電流波形.通過圖8的電壓vAB的波形對比可以看出,超前和滯后輔助橋臂均開啟后,主橋臂開關管實現(xiàn)了ZVS,此結果與圖6工作模式分析一致.

        4.4 實驗結果

        在上述理論分析和Saber仿真結果的基礎上,研制出50 kW的MTEM發(fā)射機樣機,如圖9所示.

        圖10 不同工作模式下,逆變橋輸出vAB的波形圖Fig.10 The waveforms of the proposed converter in different operation modes

        圖11 不同工作模式下,逆變橋輸出vAB的波形圖Fig.11 The waveforms of the proposed converter in different operation modes

        圖10(a)為無源軟開關模式下,系統(tǒng)輸出功率 5.0 kW時的波形圖,該波形圖與圖7(a)仿真波形一致.從上到下分別為vAB,ip,逆變橋H4的輸出電壓Vout和輸出電流Iout的波形圖.從圖中可以看出,超前橋臂能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS,滯后橋臂無法實現(xiàn)ZVS.

        圖10(b)為開啟滯后輔助橋臂,系統(tǒng)工作在單路有源軟開關模式下,輸出功率 5.0 kW時的波形圖,與圖7(b)波形一致.從上到下依次為vAB,ip,輔助管Q4a的電壓波形和電感Lr2的電流波形.從vQ4a和iLr2的波形可以看出,滯后輔助管實現(xiàn)了ZCS.與圖10中電壓vAB的波形對比可以看出,開啟滯后輔助橋臂后,實現(xiàn)了滯后管的ZVS.上述結果與圖6工作模式分析一致.

        圖11(a)為無源軟開關模式下,系統(tǒng)輸出功率 2.88 kW時的波形圖,與圖8(a)一致,超前橋臂和滯后橋臂均無法實現(xiàn)ZVS.圖11(b)為兩路輔助橋臂均開啟后,系統(tǒng)工作在雙路有源軟開關模式下,輸出功率 2.88 kW時的波形圖,與圖8(b)一致.與圖11的電壓vAB的波形對比可以看出,超前輔助橋臂和滯后輔助橋臂均開啟后,主橋臂開關管實現(xiàn)了ZVS.上述結果與圖6工作模式分析一致.

        圖9 MTEM發(fā)射機工程樣機Fig.9 Prototype of MTEM transmitter

        圖12為MTEM發(fā)射機輸出的偽隨機信號波形圖,輸出電壓 1 000 V,輸出電流50 A,偽隨機信號的碼元階數(shù)為12,碼元頻率 1 024 Hz,輸出功率達到50 kW,提升了發(fā)射機輸出信號的強度.通過Saber仿真波形和實驗波形的一致性,可以看出MTEM發(fā)射機拓撲結構的正確性和有效性.

        圖12 MTEM發(fā)射機輸出偽隨機信號波形圖Fig.12 The output waveforms of MTEM transmitter

        圖13 各發(fā)射機的實測參數(shù)對比圖Fig.13 Comparison parameters of different transmitters

        4.5 效率曲線與功率參數(shù)對比

        從圖13(a)中可以看出,鳳凰TXU-30發(fā)射機的最大效率為 83.8%,而MTEM發(fā)射機系統(tǒng)最大效率可達 95.3%.與無源軟開關技術(圖中紅色測試曲線所示)相比,MTEM發(fā)射機大大拓寬了負載動態(tài)范圍,實現(xiàn)了特殊工況條件下全負載范圍輸出的特性.圖13(b)列出了MTEM發(fā)射機、ZONGE GGT-30發(fā)射機和鳳凰TXU-30發(fā)射機的功率參數(shù)對比,可以看出,研制的MTEM發(fā)射機的輸出功率得到了大幅拓展,增強了發(fā)射機輸出信號的強度,為深部地質(zhì)資源的勘探提供了必備條件,而且發(fā)射機功率密度的大幅提高,便于設備在野外的搬運轉(zhuǎn)移,提高工作效率.

        5 結語

        本文提出了一種新型的雙路有源軟開關變換器,應用于地質(zhì)勘探領域的MTEM發(fā)射機中.與傳統(tǒng)發(fā)射機相比,改進后的發(fā)射機實現(xiàn)了全負載范圍內(nèi)主橋臂開關管的ZVS,進一步提升了系統(tǒng)的效率,極大拓展了系統(tǒng)的最大輸出功率.

        首先介紹了MTEM發(fā)射機的拓撲結構和原理,其次詳細分析了發(fā)射機功率單元的18種工作模態(tài)過程,然后給出了發(fā)射機三種工作模式與負載功率的關系和輔助電流源網(wǎng)絡的設計過程,最后對電磁發(fā)射機拓撲進行了Saber仿真,并通過50 kW樣機的實驗,驗證了該變換器的正確性和有效性.該發(fā)射機通過大量的野外實驗,驗證了其工作的可靠穩(wěn)定性,為其他更大功率發(fā)射機的研制提供有效思路.目前也存在不足的地方,如需要精簡控制算法,實現(xiàn)單周期控制,以實現(xiàn)更高的穩(wěn)壓穩(wěn)流精度等.

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