[发明专利]频率域电法勘探高压发射装置及控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地球物理探测中的电法勘探发射装置及控制方法，尤其适用于发射强脉冲方波信号的频率域高压大功率发射场合。 

背景技术：

在地球物理探测中，人工源频率域电法探测仪器由发射机与接收机两部分组成。发射机用于向探测区域发射具有不同频率的周期性的双极性方波信号，作为电法探测的可控人工场源。接收机采集并记录对应的电磁响应数据，通过对采集到的数据分析处理，最终实现目标区域地质结构的反演解释。在上述的电法勘探过程中，提高发射装置的输出电压，能提高发射机的发射功率，增强大地电磁场响应信号，提高接收机采集信号的信噪比，加大探测仪器的分辨率和探测深度。 

图9为现有H桥逆变桥路示意图，现有的人工场源通常采用单级直流电源串联H桥逆变结构来发射双极性的脉冲方波信号，H桥一般选用高压快速电力电子器件IGBT作为开关器件，通常选用IGBT的电压等级为1200V或1700V。 

实际应用中，为了保证电力电子器件具有安全可靠的工作范围，IGBT耐压等级的选取一般为直流母线电压的2～3倍。如今也有3.3kV，4.5kV，6.5kV的高压IGBT，虽然选用更高耐压等级的IGBT可以达到高压逆变的目的，但是由于IGBT的自身结构及工艺水平的限制，较高耐压的IGBT对应较高导通损耗和开关损耗。较高的热损耗同时也会造成更复杂的散热问题，使用较大的散热装置将增大仪器设备的体积及重量，对野外应用造成极大的困难。同时，高耐压等级的IGBT对应更高的成本。此外，由于上述IGBT等功率电力电子器件的限制，致使H桥逆变桥路的前级直流稳压电源设计困难。这些原因导致采用传统的单级直流电源与单级H桥逆变相结合的发射机难以实现高压大功率输出的目的。 

目前一种常用的解决办法为选用低电压等级IGBT串联方式来提高发射电压等级。直接将IGBT串联应用需要对其进行动态和静态均压，IGBT的开关速度较快使均压电路变得复杂，同时，添加的均压电路也将造成损耗上升，导致效率下降。 

此外，多电平逆变技术通过改进自身拓扑结构可实现高压大功率输出，多电平逆变器通过产生周期性对称阶梯状方波逼近正弦波，被广泛应用于电力系统和大型电机驱动。基本拓扑结构分为二极管箍位型，电容箍位型和级联型三种。相同电压等级下，图10为二极管箍位型多电平逆变桥路示意图，其需要的箍位二极管和开关管数目较多，成本高；直流母线端输入大电容存在均压问题，均压电 路及均压控制复杂。图11为电容箍位型多电平逆变桥路示意图，由于其使用电容数目多，电容体积大，可靠性差，成本高且各电容需要均压，导致目前研究较少，缺乏实用意义。图12为级联型多电平逆变桥路示意图，其采用模块单元串联的方法，每个模块串联单元包括发射桥路和隔离稳压电源。通常级联型逆变器对各级联模块单元进行独立控制，导致接线繁多，易受外界因素干扰。特别是当某一级联模块单元发生驱动故障(即驱动失效，无驱动信号)，故障单元母线电压将变为其它级联单元电压的总和，导致故障单元桥路前端直流稳压电源因输出端高压而损坏。以上原因致使级联型发射系统稳定性下降，故障率提高，间接的降低了野外施工效率，增加了勘探成本。 

在控制方法上，传统的多电平逆变器采用复杂的控制方法，目的是使得输出正弦波形具有更低失真度和谐波率。而在电法勘探领域，输出波形并不要求是正弦波，实际需要的是基频方波脉冲信号，所以传统的多电平逆变器的控制方法并不适用于电法勘探。 

CN101634719A提出了一种适用于电法勘探的输出级联式高压逆变装置，该装置采用级联式模块单元，将每一级采用低电压设计，然后多级单元串联，由于母线电压为各级级联电源电压的总和，故实现了高电压输出的目的。但是，由于在控制方法上，各级桥路采用同步驱动信号控制，输出电压为二电平的双极性方波，在相同的直流母线电压条件下，较之多电平逆变装置，该逆变装置在工作过程中将产生较大的dv/dt，造成严重的电磁干扰问题和较高的绝缘要求。同时，需要对各级联模块单元进行独立控制，接线繁多。最为致命的是：当某一级联模块单元发生驱动故障(即驱动失效，无驱动信号)，故障单元母线电压将变为其它级联单元电压的总和，导致故障单元桥路前端直流稳压电源因输出端高压而损坏。 

发明内容：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种频率域电法勘探高压发射装置。 

本发明的另一目的是提供一种频率域电法勘探高压发射装置的控制方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：