地电场电性源发射机可靠性关键技术研究

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1、内容提要所研制的电性源发射机属于电磁法勘探仪器，主要用于为采用电偶极装置的电磁探测方法提供激励场源，面向深部矿产资源勘探，主要根据可控源音频大地电磁法、长偏移距瞬变电磁法、激发极化法和直流电率法的探测需求确定主要技术指标。目前国内已有多家单位对电性源发射机进行了研究，在主要技术指标方面取得了一定成果，但普遍可靠性偏低，国内电性源发射机仍主要依赖进口。因此，本文以提升电性源发射机可靠性为研究重点，旨在为电性源发射机的国产化打下技术基础。在整体设计方面，采用了桥路级联拓扑、自适应假负载技术和无源功率因数校正技术来提升发射机可靠性。在局部设计方面，对闭环控制、功率

2、管尖峰、电磁干扰和散热等可靠性薄弱点展开了相应的研究。最后，通过实验结果来验证所提出的关键技术在可靠性方面的提升效果。地电场电性源发射机可靠性关键技术研究摘要经济的快速增长扩大了对矿产资源的需求，矿山的连年开采导致已知矿产资源日益枯竭。根据国内成矿理论的现有成果，在地下500~2000m的范围内矿产资源的潜力很大。同时，国外矿业大国的矿产开采深度已普遍达到500~2000m，具有良好的借鉴意义。因此，开采深部矿产是缓解矿产资源危机的有效方法之一，对勘探深部矿产的仪器进行研发具有实际意义。适合于地下500~2000m矿产勘探的电磁探测方法主要有可控源音频大地电

3、磁法(ControlledSourceAudio-frequencyMagnetotelluric,CSAMT)和长偏移距瞬变电磁法(LongOffsetTransientElectromagneticMethod,LOTEM)。但是这两种方法在500m以内矿产探测的分辨能力却低于激发极化法(InducedPolarization,IP)和直流电阻率法。因此，联合使用CSAMT、LOTEM、IP和直流电阻率具有一定的互补意义。CSAMT、LOTEM、IP和直流电阻率法通常采用电性源发射机产生激励场源，电性源发射机是这些电磁探测方法的重要配套仪器。近年来国内多

4、家单位对电性源发射机展开了研究，在电性源发射机的主要技术指标上实现了一定的突破，但是所研制的电性源发射机可靠性普遍较低，国内使用的电性源发射机仍主要依赖进口。因此，本文对电性源发射机的可靠性进行研究，为电性源发射机的国产化打下技术基础。本文的主要研究内容及创新点如下。1)进行了电性源发射机的整体可靠性设计。一方面，所设计的发射机采用目前主流的变流器技术来实现电性源发射机的主要技术指标；另一方面，所设计的发射机采用桥路级联拓扑、自适应假负载技术和无源功率因数校正技术来提升整体的可靠性。2)对稳压、稳流环路的稳定性进行了研究。对于发射机中AC-DC电源的稳压控制

5、，环路设计时以精确性和稳定性为目的，并辅助考虑电容类型对环路稳定的影响。对于发射机中稳流电路的稳流控制，考虑了大地负载瞬时突变对快速性的要求，CSAMT法近场测量、直流电阻率法视电阻率测量和IP法极化率测量对稳流精确性的要求，以及反馈电流纹波对环路精确性的影响。在电流环路快速性和精确性满足要求的条件下来尽可能提高稳定性的裕量。3)对发射机中高破坏性的功率管尖峰进行了研究。AC-DC电源中变压器次级整流管上的电压尖峰和逆变H桥输出短路造成的电流尖峰是两个高破坏性的尖峰。对整流管电I压尖峰的形成机理进行研制，并提出具有低整流管电压尖峰的改进型全桥变换器，其通过添

6、加辅助电感、辅助绕组和由二极管构成的H桥来改变电压谐振尖峰回路，进而抑制电压尖峰。对于逆变H桥输出短路造成的电流尖峰，通过在逆变H桥正母线中串入电感来抑制短路电流的上升速率，进而降低保护电路动作时的短路电流值；同时，在串入电感两端并联一个二极管来实现串入电感的续流。4)对电性源发射机进行了电磁兼容设计。从电磁干扰源、耦合途径、受扰体方面对发射机内部的电磁兼容特性进行分析，并表明干扰源端应重点消除高频谐振及减小电流环流面积；电磁耦合过程中应重点考虑切断功率电路与弱电控制电路的直接电连接，及磁场的屏蔽；弱电控制电路应重点考虑采用功率损耗较高的弱电控制元件，并适当

7、钝化边缘触发元件的变化速率。同时，根据将集中于整数倍开关频率的频谱能量扩散到更多频率点能有效抑制电磁干扰峰值的原理，提出了改进型-调制和逆m序列RPPWM。5)对电性源发射机的热稳定性进行了研究。在产热计算方面，分析了拓扑结构对开关损耗计算的影响，并给出了发射机产热量的计算结果。在散热设计方面，构建了基于风冷散热方式的热阻模型，阐述了肋片效率、传热系数和散热器压降的计算方法，分析了风机特性的影响，提出了努塞尔数的工程计算表达式及风冷散热设计的流程。对于本文所提出的可靠性关键技术，相应的实测结果表明：桥路级联拓扑、自适应假负载技术、无源功率因数校正技术、环

8、路控制、功率管尖峰抑制、电磁兼容设计和热设计均能在提