[发明专利]一种具有软斩波特性电性源发射装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有无源软斩波特性的地球物理勘探电法仪器，具体适用于发射脉冲电流幅值在几十安培，发射功率在n×10⁰kW到n×10²kW之间，装置内部电磁环境复杂且高稳流精度的电性源发射装置。

背景技术

频率域大地电磁探测依托电性源发射装置向大地负载发射频率、波形可变的脉冲电流，可实现金属矿探测、地热资源勘查、煤田和油气构造探测等地球物理勘探。主要的频率域大地电磁探测方法包括可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT)、复电阻率法和频率域激电法。

可控源音频大地电磁法采用电磁发射机形成人工场源，向目标区域发送电磁波场，通过接收机检测电场和磁场信号来探测地下结构。通常两个接地电极相距1～3km，阻抗为10～80Ω。采用电性源CSAMT方法时，利用电性源发射机发射双极性脉冲电流形成人工谐变场源，通常发射功率可以达到几十千瓦，发射频率为n×10^-1Hz到n×10³Hz。电性源CSAMT通过改变大地负载中脉冲电流的频率，可以实现不同深度的探测。

复电阻率(CR)法，是一种变频的接地电法，这种方法以岩石电阻率的频谱或时谱特性差异为基础评价电性异常体，利用测量所得大地表面电场值，从而寻找地质异常体分布，野外工程应用条件与CSAMT相同，发射功率在几十千瓦左右，发射频率为n×10^-2Hz～n×10²Hz。

频率域激电法是基于交流电流场中岩、矿石的激发极化特性发展起来的一种激电法，通过逐次改变所供交变电流的频率，测量电极间交变电位和相位移随频率的变化，绘制相应的幅频曲线与相频曲线，野外工程应用条件与CSAMT和CR相同，发射频率为n×10^-1Hz～n×10¹Hz。

常规电性源发射机，主要由三相发电机组及整流滤波电路、隔离直流电源、稳流电路、脉冲电流发生器、控制单元组成。为了保证测量结果的准确性，要求发射机能够根据大地负载的变化对发射电流进行实时调节和控制，发射电流的稳定性和准确性对获得数据的可信度、地质解释的精准度起着关键作用。目前，稳流电路主要采用控制发电机励磁、可控整流、硬开关斩波或硬开关桥式逆变等方式实现，近似实现恒压源向恒流源的转变。控制发电机励磁实现稳流的方式因控制过程因涉机械能突变困难和励磁电路时间常数大等原因，稳流响应慢。可控制整流比控制发电机励磁的稳流响应快，但因工作于较低的工频，稳流效果仍有待提升。基于硬开关斩波或硬开关桥式逆变的方式，因工作频率的提高，稳流效果有了进一步提升，但因电路工作在硬开关状态，开关管在承受电压或流过电流的情况下接通或断开电路，开通或关断过程中开关损耗很大，限制了开关频率的进一步提高，使反馈环路响应速度低于斩开关电路，不利于电流快速调节。

基于硬开关斩波或硬开关桥式逆变的方式的电性源发射机除了稳流精度低于软开关外，还存在如下三方面不足。

(1)工作于硬开关状态的硬开关较大的热损耗降低了电性源发射机的功率密度，限制了电性源发射机的应用区域。

(2)因大功率电性源发射机的发射功率常在n×10⁰kW到n×10²kW之间，工作在硬开关状态的稳流电路，在发射机的输入、输出引线及周围空间产生的电磁干扰，影响电性源发射机的稳定运行，干扰稳流调节精度。

(3)因大功率电性源发射机的发射电压可达到几百伏至上千伏，对于基于降压斩波方式实现稳流的电性源发射机而言，由于续流二极管结电容和导线杂散电感等寄生参数的影响，在主开关管导通或关断瞬间，会产生几倍于输入电压的高电压，大大降低了开关管使用寿命。为使电路正常运行，必须选取耐压值远高于电路输入电压的开关管，不仅增加了开关管的通态损耗，而且增加了研发成本。