水下勘探中频甲板电源及电磁勘探系统

摘要

本发明公开了一种水下勘探中频甲板电源及电磁勘探系统，该水下勘探中频甲板电源包括：整流滤波单元、功率逆变单元、SPWM波合成单元、升压滤波单元、主控单元、GPS单元和水循环散热单元；功率逆变单元连接至整流滤波单元和SPWM波合成单元；主控单元包括：主控芯片用于根据GPS秒脉冲给定调制波零相位及改变调制波频率电压；正弦波生成电路根据GPS秒脉冲及频率电路生成调制波；三角波生成电路根据频率电路生成载波；SPWM波合成单元用于根据调制波和载波输出SPWM波；功率逆变单元用于根据SPWM波控制功率器件通断；升压滤波单元连接至功率逆变单元，输出端作为电源输出端；水循环散热单元为功率逆变单元散热。

说明书

技术领域

本发明涉及深水海洋勘探技术领域，尤其涉及一种水下勘探中频甲板电源及电磁 勘探系统。

背景技术

近几年，随着海洋石油矿产资源勘探的大力发展，各种地震电磁勘探设备也得到 了广泛发展，但是深水海洋勘探发展相对较慢，主要是受到勘探设备的限制。为了打 破这种瓶颈，研发了深水可控源电磁勘探。

深水可控源勘探时，发射源在3至4千米的水下大功率作业(60KW)。目前使 用的甲板电源功率非常小(在50KW之内)，水下逆变不能产生大电流，电压也比 较低(2800V以下)，供电电缆损耗大，输出频率均为50Hz或60Hz，使得水下逆变 的降压变压器体积大，加工难度大，成本大；且甲板电源的散热效果差。

若用船上的普通380VAC、50Hz为水下发射机供电，在5千米的电缆上损耗的 功率要远远大于水下逆变器的功率，并且对供电电缆的要求非常高，电阻不能太大。 固定电压供到水下逆变器上，使得水下的其他设备设计加工难度很大。

发明内容

本发明提供了一种水下勘探中频甲板电源及电磁勘探系统，以至少解决现有技术 中水下可控源的供电电源功率小、电压低、频率低以及电缆损耗大的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种水下勘探中频甲板电源，所述中频甲板电源 包括：整流滤波单元、功率逆变单元、正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width  Modulation，简称为SPWM)波合成单元、升压滤波单元、主控单元、全球定位系统 (Global Positioning System，简称为GPS)单元和水循环散热单元；其中，所述整流 滤波单元的输入端连接至船上发电机的输出端；所述功率逆变单元的输入端分别连接 至所述整流滤波单元的输出端和所述SPWM波合成单元的输出端，所述SPWM波合 成单元的输入端连接至所述主控单元，所述主控单元连接至所述GPS单元；所述主 控单元包括：主控芯片、频率电路、正弦波生成电路和三角波生成电路；所述主控芯 片，连接至所述GPS单元和所述频率电路，用于根据所述GPS单元产生的GPS秒脉 冲给定调制波的零相位，以及改变调制波的频率和电压幅值以控制SPWM波的频率 和宽度；所述正弦波生成电路，连接至所述频率电路，用于根据所述GPS秒脉冲以 及所述频率电路生成零相位与所述GPS秒脉冲同步的第一预定频率的正弦波，作为 调制波，其中，1能被所述第一预定频率除尽；所述三角波生成电路，连接至所述频 率电路，用于根据所述频率电路发送的第二频率信号生成第二预定频率的等腰三角 波，作为载波；所述SPWM波合成单元用于根据所述调制波和所述载波合成并输出 所述SPWM波；所述功率逆变单元用于根据所述SPWM波控制其功率器件的通断， 以输出预设频率和预设电压的正弦信号；所述升压滤波单元的输入端连接至所述功率 逆变单元的输出端，所述升压滤波单元的输出端作为所述中频甲板电源的输出端；所 述水循环散热单元与所述功率逆变单元连接，用于为所述功率逆变单元散热。

在一个实施例中，所述SPWM波合成单元包括：SPWM波合成电路、波形驱动 输出电路和反馈控制电路；其中，所述SPWM波合成电路，分别连接至所述正弦波 生成电路和所述三角波生成电路，用于比较所述调制波与所述载波，根据所述调制波 与所述载波的交点确定逆变桥输出相电压的脉冲序列，作为所述SPWM波；所述波 形驱动输出电路，连接至所述SPWM波合成电路，用于输出所述SPWM波；所述反 馈控制电路，连接至所述中频甲板电源的输出端与所述主控芯片，用于根据所述中频 甲板电源的输出电压实时调节所述调制波。

在一个实施例中，所述甲板电源还包括：保护电路，所述保护电路的输入端连接 至所述功率逆变单元的输出端，所述保护电路的输出端连接至所述功率逆变单元的输 入端。

在一个实施例中，所述水循环散热单元包括：水槽、循环水管、循环泵、散热板 和风扇；其中，所述水槽内装有冷却液，所述水槽内壁设有传感器，所述传感器用于 检测所述水槽内冷却液的水位；所述循环水管与所述水槽相连通；所述循环泵，设置 在所述循环水管上，用于控制所述冷却液在所述循环水管中循环流动；所述功率逆变 单元设置在所述散热板上，安装在所述散热板上的循环水管围绕所述功率逆变单元的 元器件呈S型布置；位于所述风扇位置的循环水管呈S型布置，构成散热体，所述风 扇对着所述散热体吹风。

在一个实施例中，所述中频甲板电源还包括：远程控制器，连接至所述主控芯片， 用于与所述主控芯片交换信号，根据所述信号设置所述中频甲板电源的工作参数以及 远程控制所述中频甲板电源的启动与关闭；还用于接收所述主控芯片发送的所述中频 甲板电源的当前工作参数，并根据预设的工作参数和所述当前工作参数检测所述中频 甲板电源的状态是否正常。

在一个实施例中，所述功率逆变单元包括：至少一个H桥绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，简称为IGBT)和至少一个全波整流管。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电磁勘探系统，包括：中频甲板电源、电 缆和水下可控源，其中，所述中频甲板电源是上述任一实施例中所述的水下勘探中频 甲板电源，所述中频甲板电源设置在船上，通过所述电缆与所述水下可控源连接，为 所述水下可控源供电。

通过本发明的水下勘探中频甲板电源及电磁勘探系统，利用GPS秒脉冲进行相 位同步以及利用SPWM技术，得到预设频率(0～400Hz)和预设电压(0～400V)的 正弦信号，然后经过升压，得到高压中频的电源输出。中频供电使得水下发射机重量、 体积均大幅度减小。高压供电使得在供电电缆上的损耗大大减少，因此，到达大功率 深水可控源的电压有所升高，进而可以产生大电流(如1000A)，顺利实现大功率电 磁勘探作业。另外，利用水循环散热为产生热量较多的功率逆变单元进行散热，散热 效果好，逆变效率高，进而提高了电源的工作效率；且散热单元体积小，进而整个中 频甲板电源的体积也较小。因此，采用该中频甲板电源，使水下可控源发射机小型化 成为可能，且电源的电压、频率可在范围内任意设置，该电源可以配接各种逆变发射 系统，使用的灵活性很强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明一实施例的水下勘探中频甲板电源的结构示意图；

图2是本发明另一实施例的水下勘探中频甲板电源的结构示意图；

图3是本发明实施例的SPWM技术的波形示意图；

图4是本发明实施例的水循环散热单元的结构示意图；

图5是本发明又一实施例的水下勘探中频甲板电源的结构示意图；

图6是本发明实施例的波形驱动输出电路的示意图；

图7是本发明实施例的功率逆变单元的电路示意图；

图8是本发明实施例的升压滤波单元中滤波部分的电路示意图；

图9是本发明实施例的中频甲板电源的电路示意图；

图10是本发明实施例的电磁勘探系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

针对目前深水可控源电磁勘探发射源的甲板供电电源功率小、电压低、频率低、 散热效果差等问题，本发明实施例提供了一种水下勘探中频甲板电源(AC-DC-AC)， 适用于大功率深水可控源的供电，为深水可控源大功率电磁勘探的实现打下了坚实的 基础。

图1是本发明实施例的水下勘探中频甲板电源的结构示意图，如图1所示，中频 甲板电源包括：整流滤波单元10、功率逆变单元20、SPWM波合成单元30、升压滤 波单元40、主控单元50、GPS单元60和水循环散热单元70。下面对其结构进行详 细说明。

整流滤波单元10的输入端连接至船上发电机11的输出端；功率逆变单元20的 输入端分别连接至整流滤波单元10的输出端和SPWM波合成单元30的输出端， SPWM波合成单元30的输入端连接至主控单元50，主控单元50连接至GPS单元60； 升压滤波单元40的输入端连接至功率逆变单元20的输出端，升压滤波单元40的输 出端作为中频甲板电源的输出端；水循环散热单元70与功率逆变单元20连接。

整流滤波单元10主要用于对船上发电机11输出的380V_AC或220V_AC(频率为 50Hz或60Hz)的信号进行整流滤波，将交流信号转换为直流信号，并滤除谐波，以 免影响船上其他设备的用电。

主控单元50包括：主控芯片51(可以是CPU)、频率电路52、正弦波生成电 路53和三角波生成电路54；其中，主控芯片51，连接至GPS单元60和频率电路52， 用于根据GPS单元60产生的GPS秒脉冲给定调制波的零相位，以及改变调制波的 频率和电压幅值以控制SPWM波的频率和宽度；正弦波生成电路53，连接至频率电 路52，用于根据GPS秒脉冲以及频率电路52发送的第一频率信号生成零相位与GPS 秒脉冲同步的第一预定频率的正弦波，作为调制波，其中，1能被第一预定频率除尽 (即周期是整数或有限小数，例如，第一预定频率为400Hz，1可以被400除尽，得 到的周期为2.5ms)；三角波生成电路54，连接至频率电路52，用于根据频率电路 52发送的第二频率信号生成第二预定频率的等腰三角波，作为载波。改变调制波的 频率和幅值，就可以改变通过SPWM技术得到的SPWM波的频率和宽度，进而控制 功率逆变单元20输出的正弦信号的频率和幅值，即得到了预定频率和电压的正弦信 号。

SPWM波合成单元30，连接至正弦波生成电路53和三角波生成电路54，用于 根据调制波和载波合成并输出SPWM波。

功率逆变单元20用于根据SPWM波控制其功率器件的通断，以输出预设频率和 预设电压的正弦信号。此处，预设频率为中频，一般中频电源的频率为300Hz～10kHz， 考虑到水下可控源发射机变压器体积以及实际应用情况，本实施例中可以设定为 400Hz，预设电压为400V。功率逆变单元20可以包括：至少一个H桥IGBT和至少 一个全波整流管，即功率器件为H桥IGBT和全波整流管。

水循环散热单元70用于为功率逆变单元20散热。

升压滤波单元40主要用于对逆变得到的信号进行升压以及滤除谐波，例如，通 过升压变压器将电压升到10倍，得到4000V的高压，以实现中频高压供电。逆变以 后输出的是基频为400HZ的正弦波，必须进行滤波，由于这种波形的谐波能量很强， 简单的电感电容很难滤掉，可以采用大功率的偏感变压器和电容进行滤波。

通过本发明上述实施例，利用GPS秒脉冲进行相位同步以及利用SPWM技术， 得到预设频率(0～400Hz)和预设电压(0～400V)的正弦信号，然后经过升压，得到 高压中频的电源输出。中频供电使得水下发射机重量、体积均大幅度减小。高压供电 使得在供电电缆上的损耗大大减少，因此，到达大功率深水可控源的电压有所升高， 进而可以产生大电流(如1000A甚至更大)，顺利实现大功率电磁勘探作业。另外， 利用水循环散热为产生热量较多的功率逆变单元进行散热，散热效果好，逆变效率高， 进而提高了电源的工作效率；且散热单元体积小，进而整个中频甲板电源的体积也较 小。因此，采用该中频甲板电源，使水下可控源发射机小型化成为可能，且电源的电 压、频率可在范围内任意设置，该电源可以配接各种逆变发射系统，使用的灵活性很 强。

具体的，中频甲板电源的输出电压较高，例如，可达到4000V，由于水下可控源 发射机的作业功率一般为60kW，到达发射机的电压比现有技术中大，则电流就减小， 因此在电缆(长约4至5千米)上的损耗相应减小，从而也降低了电缆的要求和成本。 中频甲板电源的输出频率设计成中频，例如，可达到400Hz，由于变压器线圈匝数与 频率成反比，频率比现有技术中大，因此，水下可控源发射机变压器的铁芯截面积较 小，变压器体积较小，进而整个水下可控源发射机的体积重量均较小，利于水下拖动 作业。实际测量得到的中频甲板电源的功率达200kW，则中频甲板电源输出电流为 50A。基于上述中频甲板电源的参数，4000米水下可控源发射机的电流可达到1000A (到达发射机电压为50V，电阻为50mΩ。如果是以380V或220V供电，则经电缆大 量损耗，到达发射机的电压不会达到50V)，甚至更大电流。由此可见，相对于现有 技术，本发明实施例的中频甲板电源可实现一个大功率的变频(将50Hz变成 0～400Hz)、变压(将380V或220V变成1000～4000V)。中频甲板电源的输出电 压和频率可以在其对应的区间内任意设置。

380V交流输入经整流逆变后的输出电压范围为0～400V。为了提高系统的可靠 性，降低成本，在末级放大。如果在前级交流放大，系统成本会大大提高，可靠性也 会降低。

将船上发电机的380VAC或220VAC(50Hz或60Hz)电源输出经整流滤波之后 进行逆变(通过正弦脉宽调制SPWM)。SPWM技术利用功率器件的导通与关断把 直流电压变成幅度相等而宽度按正弦规律变化的电压脉冲序列，并通过控制脉冲宽度 和周期进行变压变频，实现0～400V电压，400Hz频率，然后通过10倍变压器升压 即可实现0～4000V、400Hz的高电压输出。

如图2所示，在一个实施例中，SPWM波合成单元30可以包括：SPWM波合成 电路31、波形驱动输出电路32和反馈控制电路33；其中，SPWM波合成电路31， 分别连接至正弦波生成电路53和三角波生成电路54，用于比较调制波与载波，根据 调制波与载波的交点确定逆变桥输出相电压的脉冲序列，作为SPWM波(具体可以 通过比较器实现，正弦波和载波作为比较器的两个输入，则比较器输出SPWM波)； 波形驱动输出电路32，连接至SPWM波合成电路31，用于输出SPWM波；反馈控 制电路33，连接至中频甲板电源的输出端与主控芯片51，用于根据中频甲板电源的 输出电压实时调节调制波。反馈控制电路33可以是PID反馈控制，主控单元50可以 根据反馈控制电路33的反馈调节产生正弦波，以使波形达到要求。

本实施例中，采用SPWM波脉宽调制技术，系统上电后，当主控单元50检测到 GPS秒脉冲后，产生正弦调制波，以及双极性的等腰三角波(载波)。调制波与载波 的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲序列，即为SPWM波，其周期决定于载波频 率。SPWM波经驱动后，控制功率逆变单元20(如逆变桥)的功率器件按SPWM序 列交替通断。逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲序列的规 律交替地导通和关断，高压脉冲序列滤波后产生正弦交流电压。采用正弦波作为调制 波和等腰三角波作为载波，调制结果稳定可靠。经过比较解调后产生的SPWM波经 过驱动后控制逆变，产生高压信号。

波形示意图如图3所示，A表示调制三角波，B表示正弦波(其频率可以为 400Hz)。SPWM波的频率取决于载波，其宽度取决于正弦波的幅值，可从图3中由 三角波与正弦波的交点引出的竖直虚线看出。通过改变SPWM波的宽度(维持各脉 冲的相对宽度)，就可改变电源输出的电压幅度，同时维持电源输入频率不变。通过 改变SPWM波的周期(维持宽度比例不变)，就可改变电源的输出频率，电源的输出 电压不变。主控单元50利用GPS秒脉冲信号连续给定正弦波的零相位，保证正弦波 与同步秒脉冲信号同相位。

在一个实施例中，甲板电源还可以包括：保护电路，保护电路的输入端连接至功 率逆变单元20的输出端，保护电路的输出端连接至功率逆变单元20的输入端。保护 电路用于对功率逆变单元20提供过流保护、过压保护等。

另外，SPWM波合成单元30内还可以具有电源(5V或12V)，为其供电。

如图4所示，在一个实施例中，水循环散热单元70包括：水槽71、循环水管72、 循环泵73、散热板74和风扇75；其中，水槽71内装有冷却液，水槽71内壁设有传 感器711，传感器711用于检测水槽71内冷却液的水位；循环水管72与水槽71相 连通；循环泵73，设置在循环水管72上，用于控制冷却液在循环水管72中循环流 动；功率逆变单元20设置在散热板74上，安装在散热板74上的循环水管72围绕功 率逆变单元20的元器件呈S型布置；位于风扇75位置的循环水管72呈S型布置， 构成散热体，风扇75对着散热体吹风。

本实施例中，由于中频甲板电源的逆变频率(即功率逆变单元20中功率器件的 通断频率)非常高(8kHz)，发热大，系统功耗达10kW，如果使用风冷散热(体积 很大)，不利于流动性作业。本实施例中采用水循环散热，体积可减少一倍多，进而 可以保证整个中频甲板电源的体积不会过大。在实际应用中，整个散热单元的尺寸只 有760mm*360mm*600mm，电源满载工作时，温度在50℃以下。在本实施例中，传 感器711检测水槽71内冷却液的水位，如果水位过低，可以发出告警，以便添加冷 却液。另外，循环水管72在散热板74上和风扇75处呈S型布置，更有利于散热。

在实际应用中，可以在散热板74上元器件附近设置凹槽，以将位于散热板74 的循环水管72嵌入板上，也可以将该部分循环水管72粘贴在散热板74上元器件附 近，避免循环水管72与散热板74分离，影响散热效果。

如图5所示，在一个实施例中，中频甲板电源还包括：远程控制器80，连接至 主控芯片51，用于与主控芯片51交换信号，根据信号设置中频甲板电源的工作参数 以及远程控制中频甲板电源的启动与关闭；还用于接收主控芯片51发送的中频甲板 电源的当前工作参数，并根据预设的工作参数和当前工作参数检测中频甲板电源的状 态是否正常。

本实施例中，考虑到电源输出电压较高，存在危险，因此，增加了远程控制功能， 方便电源的启动关闭以及电源状态的监控。主控单元50中的主控芯片51可通过 RS485口与远程控制器80连接并交换信号。其中设置的工作参数可以包括最大电压、 最大电流等，实时获取电源当前电压、电流等参数，以判断电源是否处于正常运行状 态，以便及时维修，避免发生危险。

以下给出一些简单的电路示例，但本发明并不限于此，只要能够实现波形驱动输 出、功率逆变、升压滤波等功能的电路均属于本发明的保护范围。图6是本发明实施 例的波形驱动输出电路的示意图，图7是本发明实施例的功率逆变单元的电路示意 图，图8是本发明实施例的升压滤波单元中滤波部分的电路示意图，图9是本发明实 施例的中频甲板电源的电路示意图。在图6中，SPWM波经过光耦隔离等器件的驱 动后输出，即可控制逆变。在图7中，功率逆变单元中同一桥臂的两个逆变器件总是 按照相电压脉冲序列的规律交替地导通和关断，例如，图7中A点上下的两个器件。 在图8中，采用大功率的偏感变压器和电容对SPWM波进行滤波，可以保证滤波效 果。图9是一个简单的电路示意图，380V或220V电压经过整流滤波，在SPWM波 驱动下进行功率逆变，然后经过滤波和升压(1:10)，达到1500～4000V，频率为400Hz， 从而实现高压中频输出。

本发明实施例还提供了一种电磁勘探系统，如图10所示，该电磁勘探系统包括： 中频甲板电源100、电缆200和水下可控源300，其中，中频甲板电源100是上述任 一实施例中描述的水下勘探中频甲板电源，中频甲板电源100设置在船上，通过电缆 200与水下可控源300连接，为水下可控源300供电。

船上发电机输出的380V或220V三相或单相交流电软启以后，经滤波整流进行 全桥逆变，然后经滤波及变压器进行10倍放大，即可产生1000～4000V、400Hz的正 弦波输出。该电源通过电缆向水下4～5千米的水下可控源供电，失真小于3％。电源 输出高电压，在电缆上的损耗减少，则可保证到达水下可控源发射机的电压足够大， 以产生大电流，进行大功率水下作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料 或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示 意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或 者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发 明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。