[发明专利]感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法及装置

摘要

一种感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法及装置，特别适用于频域电磁法中电磁发送线圈产生交流方波电流，适用于地球物理勘探、无损检测领域。本发明的方法包括：调节输出电流频率、基准电压和嵌位电压源的电压，使产生周期性的形状相同、幅值恒定的负载电流波形，计算方波电流换向斜率，换向时间和电流的幅值。本发明的装置包括直流电源、交流方波电流发生器、交流方波电流控制电路、感性负载、能量补充电路、滞环控制电路、嵌位电路和嵌位电压源。本发明提高了交流方波电流换向沿的陡度，实现了换向沿线性，解决了电流幅值的提升和恒定，频率范围的扩展等问题。

主权项

1、一种感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法，其特征在于该方法的步骤如下：(1)、合上开关S，通过交流方波电流控制电路中的频率调节，调节输出交流方波电流io(t)的频率，交流方波电流的周期须大于电子开关的开通、关断时间之和；(2)、调节嵌位电压源电压VC，改变输出方波电流换向沿的斜率，使输出电流换向沿线性，VC在0与电子开关额定耐压之间；(3)、通过调节基准电压电路，改变输出电流幅值，使电流幅值小于全控性电子开关能承受的最大电流；(4)、通过控制交流方波电流发生器、基准电压和嵌位电压源电压VC，使每一输出周期产生形状相同和幅值相等的负载电压波形vo(t)；正向方波电流io(t)上升、下降期间的电压、电流：在t0～t1期间：开关管J1关断，开关管J2导通，给负载提供的电压vo(t0)＝VC，负载电压嵌位在VC上，VC远大于直流电源电压V1，方波电流由零快速线性上升到I，提升电压用嵌位电压源实现；在t1～t2期间：J1关断，J2导通，vo(t1)＝V1，输出正向方波电流，io(t)＝I；在t2～t3期间：J1导通，J2关断，vo(t)由正变为负值，Vo(t2)＝-VC，负载电压嵌位在-VC上，方波电流开始线性下降，在t3时刻电流io(t)衰减到零；负向方波电流上升、下降过程的控制电压、电流：在t3～t4期间：J1导通，J2关断，给负载提供的电压vo(t4)＝-VC，负载电压嵌位在-VC上，VC远大于直流电源电压V1，方波电流io(t)快速线性上升到-I，提升电压用嵌位电压源实现；在t4～t5期间：J1导通，J2关断，vo(t)＝-V1，输出负向方波电流，io(t)＝-I；在t5～t6期间：J1关断，J2导通，vo(t)由负值变为正值，vo(y5)＝VC，负载电压嵌位在VC上，负向方波电流io(t)由-I线性下降，在t6时刻电流衰减到零；其中：t0：输出正向方波电流的开始时刻，t1：vo(t)下降到V1的时刻，t2：正向方波电流开始下降的时刻，t3：正向方波电流下降到零的时刻，t4：vo(t)下降到-V1的时刻， t5：负向方波电流开始下降的时刻，t6：负向方波电流下降到零的时刻，VC：嵌位电压源电压，io(t)：负载输出电流，I：输出交流方波电流幅值；(5)、计算交流方波电流下降沿斜率绝对值K1，以下的“斜率”均指斜率的绝对值：io(t)由I或-I下降到零的斜率：$K_1=\left|\frac{{\mathrm{di}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|=\left|\frac{R_L{i}_0\left(t\right)-V_C}{L}\right|---\left(1\right)$ 其中：RL：负载直流电阻值；L：负载电感量；VC：嵌位电压源电压；I：交流方波电流幅值；当VC＞＞RLI时，得$K_1\approx \frac{V_C}{L},$负载电流io(t)由I或-I线性下降到零，正方波电流和负方波电流的下降斜率相等；(6)、计算交流方波电流上升沿斜率K2：io(t)由零上升到I或-I的斜率$K_2=\left|\frac{{\mathrm{di}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right|=\left|\frac{R_L{i}_0\left(t\right)+V_C}{L}\right|---\left(2\right)$ 其中：RL：负载直流电阻值；L：负载电感量；VC：嵌位电压源电压；I：交流方波电流幅值；当VC＞＞RLI时，得$K_2\approx \frac{V_C}{L}$，负载电流io(t)由零线性上升到I或-I，正方波电流和负方波电流的上升斜率相等；(7)、计算输出方波电流换向时间td(单位：μs)：方波电流下降时间td1：$t_{d1}=-\frac{L}{R_L}(\ln \frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L})\times {10}^6---\left(3\right)$ 方波电流上升时间td2：$t_{d2}=-\frac{L}{R_L}(\ln \frac{V_C}{V_C-{\mathrm{IR}}_L})\times {10}^6---\left(4\right)$ 方波电流由正到负的换向时间td：$t_d=t_{d1}+t_{d2}=-\frac{L}{R_L}\left(\ln \frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L}\right)\times {10}^6-\frac{L}{R_L}\left(\ln \frac{V_C}{V_C-{\mathrm{IR}}_L}\right)\times {10}^6---\left(5\right)$ 当VC＞＞RLI时，由(1)得$K_1\approx \frac{V_C}{L},$由(2)式得$K_2\approx \frac{V_C}{L}$ $t_{d1}\approx \frac{\mathrm{IL}}{V_C},$ $t_{d2}\approx \frac{\mathrm{IL}}{V_C}$ $t_d=t_{d1}+t_{d2}\approx \frac{2\mathrm{IL}}{V_C}---\left(6\right)$ 通过改变VC，可调节方波电流换向时间td；提高VC，缩短了td，VC的设置在0到电子开关额定耐压之间；(8)、计算电流幅值I(单位：A)：当VC＞＞RLI时，$I=K_2·t_{d2}=\frac{V_C}{R_L}\left(\ln \frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L}\right)\times {10}^6---\left(7\right)$ 通过改变VC，可调节方波电流幅值；提高VC，可提高输出电流的幅值，I小于电子开关能承受的最大电流值；I与电源电压、频率、负载电感量无关；(9)、输出电流的换向沿斜率K：当VC＞＞RLI时，由(1)和(2)式得，$K=K_1=K_2\approx \frac{V_C}{L}---\left(8\right)$ 方波电流上升和下降沿斜率相同，即换向沿斜率$K=\frac{V_C}{L}$不变，换向沿波形是一斜率恒定的直线，电流波形对称；(10)、恒流电感L1和L2的确定恒流电感最小值计算公式：$L_{\min }=\frac{R_L}{f_{\max }·\ln \frac{R_{L}I-V_1}{R_{L}I+R_L\mathrm{\Delta I}-V_1}}-L---\left(9\right)$ 选取L1＝L2≥Lmin 其中：ΔI：交流方波电流幅值的波动值；fmax：开关管J3的最高开关频率；(11)、频率的提高当Vc＞＞RLI时，由式(6)$t_d=\frac{2\mathrm{IL}}{V_C}$得知：提高VC，缩短方波电流的换向时间td，减小换向时间td在一个周期内所占的比例，增加了方波电流处于平坦区的比例，提高输出交流方波电流的频率。