[发明专利]一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统

说明书

技术领域

本发明属于瞬变电磁探测仪器发射技术领域，具体涉及基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统。

背景技术

瞬变电磁探测的基本工作原理如图1所示，发射机发出双极性脉冲电流(图1(a)所示)，占空比为50％，在脉冲电流开通和关断瞬间，接收机接收到衰减的二次感应场信号(图1(b)所示)，为了减少一次场对二次场信号的干扰，需要在脉冲电流切断期间接收信号(图1(c)所示)，此时为有效信号，通过采集、分析和计算二次场信号得到地下介质的电磁特性，从而实现瞬变电磁探测的目的。

瞬变电磁法探测系统主要组成包括发射系统，接收系统和数据解释系统。地球物理探测仪器主要用于野外探测，发射系统通常是由电池(低功率应用)或者发电机(大功率应用)供电。传统常见的大功率瞬变电磁发射系统主电路原理如图2所示，包括发电机、AC/DC整流电源和H桥逆变器组成，还包括两个控制器用于控制整流电源和H桥路。发射系统采用交-直-交的拓扑形式，结构复杂；直流环节含有大电容，增加了发射系统的体积和质量，功率密度低，不利于野外环境的运输与使用，同时电解电容存在电解液挥发等问题，影响系统的使用寿命和稳定性；采用二极管整流电路，输入侧的功率因数低且不可控，需要配备更大容量的发电机。

目前，三相-单相矩阵变换器，主要用于小型同步发电机、开关电源、电气铁道辅机系统和其他需要单相交流电源的场合，输出仅为单一的正弦交流电，且在地球物理电磁探测方面暂无应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射调制系统，解决现有瞬变电磁发射系统调制系统结构复杂的问题。

本发明是这样实现的，一种基于矩阵变换器的瞬变电磁发射系统调制系统，该系统包括：三相电源、输入滤波器和矩阵变换器；所述输入滤波器为三组LC滤波器分别与三相电源的输出端连接，所述矩阵变换器为三相-单相矩阵变换器，由6个双向开关形成的三组桥臂构成，每两个双向开关为一组桥臂通过中间端分别与一组LC滤波器的输出连接，矩阵变换器所连接的负载是电感与电阻，分别代表瞬变电磁发射系统负载长导线与接地阻抗，采用三相-单相矩阵变换器直接交交变换的方式用于瞬变电磁发射，采用基于输入电流的空间矢量调制方法，选择对应的开关矢量。

进一步地，每个双向开关包括两个IGBT和两个二极管，两个IGBT共发射极形式或共基级形式，两个二极管反向分别并联在两个IGBT上。

进一步地，双向开关的导通状态用开关矢量表示，包括有10种开关矢量，其中6种非零矢量和4种零矢量。

进一步地，所述10个开关矢量对应8种输出状态，包括开路、短路和6种输出线电压。

进一步地，所述开路对应所有开关管都关断的状态，对应1种零矢量，用于输出电流为零的阶段。

进一步地，所述短路对应三个桥臂分别导通的情况，对应3种零矢量，用于输出电压为零，负载电感续流的状态。

进一步地，所述6种输出线电压为电压u_ab、电压u_ac、电压u_bc、电压u_ba、电压u_ca、电压u_cb，其中三相电源中的三相分别用a、b、c表示，u_ab、u_ac、u_bc、u_ba、u_ca、u_cb分别对应6种非零矢量，用于发射电流产生一次场阶段。

进一步地，根据三相-单相矩阵变换器的拓扑结构，将负载电感和电阻作为电流源，根据三相-单相矩阵变换器的数学模型，得到三相输入电流表示为，

S_a,S_b,以及S_c分别表示三相的开关函数，

参考电流空间矢量表示为，

由式(1)和(2)可得，

I_ref是参考电流空间矢量，θ是其对应扇区的相对角度，参考电流矢量I_ref由两个非零矢量和零矢量合成得到，并得到每个矢量的作用时间，m为调制比，取值为：0<m≤0.866，T_s为采样周期，