一种海洋可控源电磁勘探系统的发射方法

摘要

本发明涉及一种海洋可控源电磁勘探系统的发射方法，该发明包括1个发电机组、2个逆变器、2个整流滤波电路、2个变压器变压器、1个控制电路、1个电压检测电路、1个电流检测电路以及拖缆和电极组件；其中发电机组为系统提供3相电源；逆变、整流电路用于信号传输、发射过程中完成电源的AC-DC和DC-AC的转换；变压器变压器用于变换电压等级，便于信号传输、发射；电压、电流检测电路实现输出电压、电流的实时检测，为控制电路提供实时信号；控制电路是一个中央处理单元。本发明提高系统信号传输可靠性、降低电缆要求，减少经济成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋可控源电磁勘探系统发射方法，属于海洋电磁勘探 技术领域。

背景技术

海底地球物理探测仪器是探测海洋矿产资源的重要手段，也是近年来的 发展趋势。海洋可控源电磁勘探系统作为海底地球物理探测仪器的一个重要 分支，在海底深水油气资源探测的过程中起着非常重要的作用。海洋可控源 电磁勘探系统包括海洋可控源电磁勘探发射系统和海洋可控源电磁勘探接收 系统，其中海洋可控源电磁勘探发射系统是整个勘探系统的核心部分，通常 情况下包含三大部分：系统的船上发电监控平台、拖缆以及系统的水下部分。 由于的海底石油等资源的迫切需求，使得海洋勘探技术发展非常迅猛。

目前国外使用海洋可控源电磁勘探系统发射技术比较成熟的公司主要有 OHM公司和EMGS公司，两个公司的发射方法共同的特点是将船上电源信号 传至海洋底下是采用的都是交流电传输。其中OHM公司的发射方法采用的是 208～480VAC，EMGS公司采用的是360～480VAC。目前这两个公司占主导地位 的可控源电磁勘探发射方法存在主要的不足是在信号传输过程中对电缆要求 过高，远距离传输过程中损耗过大，使系统在信号发射时效率偏低，系统稳 定性不好等问题。

发明内容

本发明针对目前海洋可控源电磁勘探系统发射方法现有技术的不足，从 提高系统信号传输可靠性、降低电缆要求，减少经济成本以及提供系统稳定 性的角度出发，发明一种海洋可控源电磁勘探系统发射方法。

为实现上述目的，本发明是一种海洋可控源电磁勘探系统发射方法，其 特征在于：该系统分为三个部分：系统的船上发电监控平台、拖缆以及系统 的水下部分。系统的船上发电监控平台包括发电机组、升压变压器、三相整 流桥和PC机监控平台；拖缆为传输电缆；系统的水下部分包括逆变器、降压 变压器、单相整流桥、发射桥以及电极组件。其中，发电机组输出端口与升 压变压器输入端口相连；升压变压器的输出端口连接三相整流桥输入端口， 三相整流桥输出端口连接拖缆输入端口，拖缆的输出端口连接逆变器输入端 口，逆变器输出端口与降压变压器的输入端口相连，降压变压器输出端口连 接单相整流桥的输入端口，单相整流桥的输出端口连接发射桥的输入端口， 发射桥的输出端口连接电极组件端口；电压检测电路的输入端口与单相整流 桥的输出端口连接，电压检测电路的输出端口连接中央处理单元的一个输入 端口；电流检测电路的输入端口与电极组件端口连接，电流检测电路的输出 端口连接中央处理单元另一个输入端口；中央处理单元输出端口与逆变器输 入端口连接，同时中央处理单元和船上发电监控平台的PC机监控平台连接； 其中中央处理单元包括DSP控制单元、FPGA单元、DDS单元、PWM驱动 模块以及大功率激励模块。

系统中发电机组为系统提供功率为30～60KVA，频率为50HZ、电压为 380V的3相不稳定电源，上述电源通过变比为1∶4的升压变压器进行升压后， 经过三相整流桥整流滤波获得频率为50HZ、电压为1719～2579V的单相直流 电源；将上述单相直流电源通过拖缆送至海底1～4Km的海洋深处，然后系统 的水下部分通过逆变器将接收到的单相直流电源逆变成频率为10K～20KHZ 的单相交流电，再通过变比为31∶1～6∶1的降压变压器降压，获得频率为 10K～20KHZ，幅值电压为65～318V的交流电压，之后经过单相整流桥整流滤 波，获得54～270V的直流母线电压，将上述直流母线电压通过发射桥逆变，获 得功率为27～54KW，电流为200～500A的发射信号；上述发射信号是在中央 处理单元控制下实现并发射的。系统对单相整流桥输出的直流母线电压和电 极组件上的发射电流进行实时监测，并将上述直流母线电压、发射电流输入 中央处理单元；中央处理单元中的DSP控制单元经过PWM调制，利用PWM 驱动模块来实现逆变器的逆变，再通过单相整流、发射桥逆变后得到发射信 号；其中发射信号的发射时间受FPGA单元控制，FPGA单元接收海洋可控源 电磁勘探系统接收部分发出的GPS实时同步信号，将上述实时同步信号通过 数字频率合成单元(DDS)合成，再由大功率激励驱动模块实现发射桥实时 同步发射，使发射信号发出；船上发电监控平台中PC机监控平台实时监控海 底直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间时长相关信息，同时 通过人机互动来实现对直流母线电压、发射信号的电流、频率以及发射时间、 时长的控制。

进一步，所述的三相整流桥为3个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1 个智能功率模块。

进一步，所述的逆变器为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智 能功率模块。

进一步，所述的单相整流桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1 个智能功率模块。

进一步，所述的发射桥为2个绝缘门极双极型晶体管模块，或者1个智 能功率模块。

系统所述的整流桥、逆变桥采用电力场效应管(Metal Oxide Semiconductor  Filed Effect Transistor)、绝缘门极双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar  Transistor)、智能功率模块(Intelligent Power Module)、MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated  Turn-off Thyristor)，优选IGBT、IPM。因为IGBT的输入阻抗高，电压控制， 驱动功率小、开关速度快，工作频率可达10～40KHz，饱和压降低，电压、电 流容量较大，安全工作区较宽。

本发明的特点是：在海洋深探中系统借鉴开关电源技术的最新成果，在 系统的发电监控平台将发电机组提供的不稳定三相电源直接升压，然后采用 AC-DC变换技术进行整流滤波，以获得高电压、低电流的直流信号，通过拖 缆将直流电压传输至海洋底下，之后采用DC-AC逆变技术，通过对直流母线 电压、发射电流反馈信号进行PI调节，利用DSP通过PWM调制实现对逆变 器中开关器件的关断控制，以获得高稳定、高线性度以及高频率的发射信号。 这种方案实施的优点在于：高压直流电长距离传输，大大减少了传输过程中 能量的损耗，整个发射系统效率能达到90％以上；大大降低了传输电缆的成 本，降低了系统信号传输可能引起的集肤效应，同时由于直流电的原因大大 减少了对反馈信号的干扰。此外，系统采用脉宽调制控制策略控制整流桥直 流侧的电压、稳定逆变桥的发射电流。使得整个发射系统的稳定性对发射负 载和发电机组发出电压的依赖性显著下降。

附图说明

图1是海洋可控源电磁勘探系统发射方法电路拓扑结构图。

图2是海洋可控源电磁勘探系统发射方法控制原理框图。

图3是海洋可控源电磁勘探系统发射方法功能模块框图

图4是系统船上部分三相整流桥。

图5是逆变器。

图6是单相整流桥。

图7是发射桥。

图8是PWM调制占空比为47％的控制方波。

图中具体标号如下：

1.发电机组

2.升压变压器

3.三相整流桥

4.拖缆

5.逆变器

6.降压变压器

7.单相整流桥

8.发射桥

9.发射电极组

a，b，c，d：四个型号为CM200DY-34A的IGBT器件

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式。

实例一：

如图1所示，本发明的硬件电路具体实施方式如下：

系统中发电机组为系统提供功率为30KVA，频率为50HZ、电压为380V 的3相不稳定电源，上述电源通过变比为1∶4的升压变压器进行升压后，经过 三相整流桥整流滤波获得频率为50HZ、电压为2000±10％V的单相直流电源； 将上述单相直流电源通过拖缆送至海底4Km的海洋深处，然后系统的水下部 分通过逆变器将接收到的单相直流电源逆变成频率为20KHZ的单相交流电， 再通过变比为18∶1的降压变压器降压，获得频率为20KHZ，幅值电压为108 ±5％V的交流电压，之后经过单相整流桥整流滤波，获得54±1％V的直流母线 电压，将上述直流母线电压通过发射桥逆变，获得功率为27KW，电流为500A 的发射信号；上述发射信号是在中央处理单元控制下实现并发射的：系统对 单相整流桥输出的直流母线电压和电极组件上的发射电流进行实时监测，并 将上述直流母线电压、发射电流输入中央处理单元；中央处理单元中的DSP 控制单元经过PWM调制，利用PWM驱动模块来实现逆变器的逆变，再通过 单相整流、发射桥逆变后得到发射信号；其中发射信号的发射时间受FPGA 单元控制，FPGA单元接收海洋可控源电磁勘探系统接收部分发出的GPS实 时同步信号，将上述实时同步信号通过数字频率合成单元(DDS)合成，再 由大功率激励驱动模块实现发射桥实时同步发射，使发射信号发出。船上发 电监控平台中PC机监控平台实时监控海底直流母线电压、发射信号的电流、 频率以及发射时间时长相关信息，同时通过人机互动来实现对直流母线电压、 发射信号的电流、频率以及发射时间、时长的控制。此时调制的PWM波形占 空比为50％。

在本发明具体实施中，三相整流桥的选型为德国IXYS公司的 VUO-160-16-NO7、逆变桥选型为三菱公司的CM200DY-34A，单相整流桥的 选型为德国IXYS公司的VBE-100-12-NO7，DSP处理器选型为德州仪器公司 的TMS320F2812。

实例二：

如图1，本发明的硬件电路具体实施方式如下：

该发明分为三个部分：系统的船上发电监控平台、拖缆以及系统的水下 部分。系统的船上发电监控平台包括发电机组、升压变压器、三相整流桥和 PC机监控平台；拖缆为传输电缆；系统的水下部分包括逆变器、降压变压器、 单相整流桥、发射桥以及电极组件。其中，发电机组输出端口与升压变压器 输入端口相连；升压变压器的输出端口连接三相整流桥输入端口，三相整流 桥输出端口连接拖缆输入端口，拖缆的输出端口连接逆变器输入端口，逆变 器输出端口与降压变压器的输入端口相连，降压变压器输出端口连接单相整 流桥的输入端口，单相整流桥的输出端口连接发射桥的输入端口，发射桥的 输出端口连接电极组件端口；电压检测电路的输入端口与单相整流桥的输出 端口连接，电压检测电路的输出端口连接中央处理单元的一个输入端口；电 流检测电路的输入端口与电极组件端口连接，电流检测电路的输出端口连接 中央处理单元另一个输入端口；中央处理单元输出端口与逆变器输入端口连 接，同时中央处理单元和船上发电监控平台的PC机监控平台连接；其中中央 处理单元包括DSP控制单元、FPGA单元、DDS单元、PWM驱动模块以及 大功率激励模块。

本发明的控制电路具体实施方式如下：

由中央处理单元中DSP处理器处理采集单相整流桥输出的母线直流电压 和发射极输出的电流数据，发射出控制逆变器的信号，达到恒稳发射目的。其 DSP输出波形的实现方式为采集单相整流桥输出的母线直流电压和发射极的 电流，作为反馈输入到DSP处理器中，DSP处理器内部通过PI计算，得出相 应的控制方式以及相应的占空比，然后DSP处理器的事件管理模块输出计算 后的控制信号，实现控制目的。图8是通过PWM调制出来的占空比为47％ 的方波信号，其中(1)、(4)和(2)、(3)交替输出，交替控制图5中 (a、d)，(c、b)两对开关器件IGBT的关断，控制系统输出稳压的精度。由 于发射极发射电流最大值目前不能大于500A，因此，当调制的PWM波形占 空比过小时，此时应该调整降压变压器的变比，如图8的调制波形，降压变 压器的变比不能大于17∶1。