專利名稱：一種海洋可控源電磁勘探系統的發射方法
技術領域：
本發明涉及一種海洋可控源電磁勘探系統發射方法，屬于海洋電磁勘探技術領域。
背景技術：
海底地球物理探測儀器是探測海洋礦產資源的重要手段，也是近年來的發展趨勢。海洋可控源電磁勘探系統作為海底地球物理探測儀器的一個重要分支，在海底深水油氣資源探測的過程中起著非常重要的作用。海洋可控源電磁勘探系統包括海洋可控源電磁勘探發射系統和海洋可控源電磁勘探接收系統，其中海洋可控源電磁勘探發射系統是整個勘探系統的核心部分，通常情況下包含三大部分系統的船上發電監控平臺、拖纜以及系統的水下部分。由于的海底石油等資源的迫切需求，使得海洋勘探技術發展非常迅猛。目前國外使用海洋可控源電磁勘探系統發射技術比較成熟的公司主要有OHM公司和EMGS公司，兩個公司的發射方法共同的特點是將船上電源信號傳至海洋底下是采用的都是交流電傳輸。其中OHM公司的發射方法采用的是208 480VAC，EMGS公司采用的是 360 480VAC。目前這兩個公司占主導地位的可控源電磁勘探發射方法存在主要的不足是在信號傳輸過程中對電纜要求過高，遠距離傳輸過程中損耗過大，使系統在信號發射時效率偏低，系統穩定性不好等問題。

發明內容
本發明針對目前海洋可控源電磁勘探系統發射方法現有技術的不足，從提高系統信號傳輸可靠性、降低電纜要求，減少經濟成本以及提供系統穩定性的角度出發，發明一種海洋可控源電磁勘探系統發射方法。為實現上述目的，本發明是一種海洋可控源電磁勘探系統發射方法，其特征在于 該系統分為三個部分系統的船上發電監控平臺、拖纜以及系統的水下部分。系統的船上發電監控平臺包括發電機組、升壓變壓器、三相整流橋和PC機監控平臺；拖纜為傳輸電纜；系統的水下部分包括逆變器、降壓變壓器、單相整流橋、發射橋以及電極組件。其中，發電機組輸出端口與升壓變壓器輸入端口相連；升壓變壓器的輸出端口連接三相整流橋輸入端口， 三相整流橋輸出端口連接拖纜輸入端口，拖纜的輸出端口連接逆變器輸入端口，逆變器輸出端口與降壓變壓器的輸入端口相連，降壓變壓器輸出端口連接單相整流橋的輸入端口， 單相整流橋的輸出端口連接發射橋的輸入端口，發射橋的輸出端口連接電極組件端口 ；電壓檢測電路的輸入端口與單相整流橋的輸出端口連接，電壓檢測電路的輸出端口連接中央處理單元的一個輸入端口 ；電流檢測電路的輸入端口與電極組件端口連接，電流檢測電路的輸出端口連接中央處理單元另一個輸入端口 ；中央處理單元輸出端口與逆變器輸入端口連接，同時中央處理單元和船上發電監控平臺的PC機監控平臺連接；其中中央處理單元包括DSP控制單元、FPGA單元、DDS單元、PWM驅動模塊以及大功率激勵模塊。系統中發電機組為系統提供功率為30 60KVA，頻率為50HZ、電壓為380V的3相不穩定電源，上述電源通過變比為1 : 4的升壓變壓器進行升壓后，經過三相整流橋整流濾波獲得頻率為50HZ、電壓為1719 2579V的單相直流電源；將上述單相直流電源通過拖纜送至海底I 4Km的海洋深處，然后系統的水下部分通過逆變器將接收到的單相直流電源逆變成頻率為IOK 20KHZ的單相交流電，再通過變比為31 : 1 6 : 1的降壓變壓器降壓，獲得頻率為IOK 20KHZ，幅值電壓為65 318V的交流電壓，之后經過單相整流橋整流濾波，獲得54 270V的直流母線電壓，將上述直流母線電壓通過發射橋逆變，獲得功率為27 54KW，電流為200 500A的發射信號；上述發射信號是在中央處理單元控制下實現并發射的。系統對單相整流橋輸出的直流母線電壓和電極組件上的發射電流進行實時監測，并將上述直流母線電壓、發射電流輸入中央處理單元；中央處理單元中的DSP控制單元經過PWM調制，利用PWM驅動模塊來實現逆變器的逆變，再通過單相整流、發射橋逆變后得到發射信號；其中發射信號的發射時間受FPGA單元控制，FPGA單元接收海洋可控源電磁勘探系統接收部分發出的GPS實時同步信號，將上述實時同步信號通過數字頻率合成單元 (DDS)合成,再由大功率激勵驅動模塊實現發射橋實時同步發射,使發射信號發出；船上發電監控平臺中PC機監控平臺實時監控海底直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間時長相關信息，同時通過人機互動來實現對直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間、時長的控制。進一步，所述的三相整流橋為3個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。進一步，所述的逆變器為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。進一步，所述的單相整流橋為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。進一步，所述的發射橋為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。系統所述的整流橋、逆變橋采用電力場效應管(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor) > 絕緣門極雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor) > 智能功率模塊(Intelligent Power Module)、MOS 控制晶閘管 (MOSControlled Thyristor) > 集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Turn-off Thyristor)，優選IGBT、IPM。因為IGBT的輸入阻抗高，電壓控制，驅動功率小、開關速度快，工作頻率可達10 40KHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區較寬。本發明的特點是在海洋深探中系統借鑒開關電源技術的最新成果，在系統的發電監控平臺將發電機組提供的不穩定三相電源直接升壓，然后采用AC-DC變換技術進行整流濾波，以獲得高電壓、低電流的直流信號，通過拖纜將直流電壓傳輸至海洋底下，之后采用DC-AC逆變技術，通過對直流母線電壓、發射電流反饋信號進行PI調節，利用DSP通過 PWM調制實現對逆變器中開關器件的關斷控制，以獲得高穩定、高線性度以及高頻率的發射信號。這種方案實施的優點在于高壓直流電長距離傳輸，大大減少了傳輸過程中能量的損耗，整個發射系統效率能達到90%以上；大大降低了傳輸電纜的成本，降低了系統信號傳輸可能引起的集膚效應，同時由于直流電的原因大大減少了對反饋信號的干擾。此外，系統采用脈寬調制控制策略控制整流橋直流側的電壓、穩定逆變橋的發射電流。使得整個發射系統的穩定性對發射負載和發電機組發出電壓的依賴性顯著下降。


圖I是海洋可控源電磁勘探系統發射方法電路拓撲結構圖。
圖2是海洋可控源電磁勘探系統發射方法控制原理框圖。
圖3是海洋可控源電磁勘探系統發射方法功能模塊框圖
圖4是系統船上部分三相整流橋。
圖5是逆變器。
圖6是單相整流橋。
圖7是發射橋。
圖8是PWM調制占空比為47%的控制方波。
圖中具體標號如下
I.發電機組
2.升壓變壓器
3.三相整流橋
4.拖纜
5.逆變器
6.降壓變壓器
7.單相整流橋
8.發射橋
9.發射電極組
a, b, c，d :四個型號為CM200DY-34A的IGBT器件
具體實施例方式根據附圖敘述本發明的具體實施方式
。實例一如圖I所示，本發明的硬件電路具體實施方式
如下系統中發電機組為系統提供功率為30KVA，頻率為50HZ、電壓為380V的3相不穩定電源，上述電源通過變比為I : 4的升壓變壓器進行升壓后，經過三相整流橋整流濾波獲得頻率為50HZ、電壓為2000 ±10% V的單相直流電源；將上述單相直流電源通過拖纜送至海底4Km的海洋深處，然后系統的水下部分通過逆變器將接收到的單相直流電源逆變成頻率為20KHZ的單相交流電，再通過變比為18 I的降壓變壓器降壓，獲得頻率為20KHZ，幅值電壓為108±5% V的交流電壓，之后經過單相整流橋整流濾波，獲得54±1% V的直流母線電壓，將上述直流母線電壓通過發射橋逆變，獲得功率為27KW，電流為500A的發射信號； 上述發射信號是在中央處理單元控制下實現并發射的系統對單相整流橋輸出的直流母線電壓和電極組件上的發射電流進行實時監測，并將上述直流母線電壓、發射電流輸入中央處理單元；中央處理單元中的DSP控制單元經過PWM調制，利用PWM驅動模塊來實現逆變器的逆變，再通過單相整流、發射橋逆變后得到發射信號；其中發射信號的發射時間受FPGA 單元控制，FPGA單元接收海洋可控源電磁勘探系統接收部分發出的GPS實時同步信號，將上述實時同步信號通過數字頻率合成單元(DDS)合成，再由大功率激勵驅動模塊實現發射橋實時同步發射，使發射信號發出。船上發電監控平臺中PC機監控平臺實時監控海底直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間時長相關信息，同時通過人機互動來實現對直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間、時長的控制。此時調制的PWM波形占空比為50%。在本發明具體實施中，三相整流橋的選型為德國IXYS公司的VU0-160-16-N07、 逆變橋選型為三菱公司的CM200DY-34A，單相整流橋的選型為德國IXYS公司的 VBE-100-12-N07, DSP處理器選型為德州儀器公司的TMS320F2812。實例二如圖I，本發明的硬件電路具體實施方式
如下該發明分為三個部分系統的船上發電監控平臺、拖纜以及系統的水下部分。系統的船上發電監控平臺包括發電機組、升壓變壓器、三相整流橋和PC機監控平臺；拖纜為傳輸電纜；系統的水下部分包括逆變器、降壓變壓器、單相整流橋、發射橋以及電極組件。其中，發電機組輸出端口與升壓變壓器輸入端口相連；升壓變壓器的輸出端口連接三相整流橋輸入端口，三相整流橋輸出端口連接拖纜輸入端口，拖纜的輸出端口連接逆變器輸入端口，逆變器輸出端口與降壓變壓器的輸入端口相連，降壓變壓器輸出端口連接單相整流橋的輸入端口，單相整流橋的輸出端口連接發射橋的輸入端口，發射橋的輸出端口連接電極組件端口 ；電壓檢測電路的輸入端口與單相整流橋的輸出端口連接，電壓檢測電路的輸出端口連接中央處理單元的一個輸入端口 ；電流檢測電路的輸入端口與電極組件端口連接， 電流檢測電路的輸出端口連接中央處理單元另一個輸入端口 ；中央處理單元輸出端口與逆變器輸入端口連接，同時中央處理單元和船上發電監控平臺的PC機監控平臺連接；其中中央處理單元包括DSP控制單元、FPGA單元、DDS單元、PWM驅動模塊以及大功率激勵模塊。本發明的控制電路具體實施方式
如下由中央處理單元中DSP處理器處理采集單相整流橋輸出的母線直流電壓和發射極輸出的電流數據，發射出控制逆變器的信號，達到恒穩發射目的。其DSP輸出波形的實現方式為采集單相整流橋輸出的母線直流電壓和發射極的電流，作為反饋輸入到DSP處理器中，DSP處理器內部通過PI計算，得出相應的控制方式以及相應的占空比，然后DSP處理器的事件管理模塊輸出計算后的控制信號，實現控制目的。圖8是通過PWM調制出來的占空比為47%的方波信號，其中(I)、(4)和(2)、(3)交替輸出，交替控制圖5中(a、d)，(c、b) 兩對開關器件IGBT的關斷，控制系統輸出穩壓的精度。由于發射極發射電流最大值目前不能大于500A，因此，當調制的PWM波形占空比過小時，此時應該調整降壓變壓器的變比，如圖8的調制波形，降壓變壓器的變比不能大于17 : I。
權利要求
1.一種海洋可控源電磁勘探系統的發射方法，其特征在于該系統分為三個部分系統的船上發電監控平臺、拖纜以及系統的水下部分；系統的船上發電監控平臺包括發電機組、升壓變壓器、三相整流橋和PC機監控平臺；拖纜為傳輸電纜；系統的水下部分包括逆變器、降壓變壓器、單相整流橋、發射橋以及電極組件；其中，發電機組輸出端口與升壓變壓器輸入端口相連；升壓變壓器的輸出端口連接三相整流橋輸入端口，三相整流橋輸出端口連接拖纜輸入端口，拖纜的輸出端口連接逆變器輸入端口，逆變器輸出端口與降壓變壓器的輸入端口相連，降壓變壓器輸出端口連接單相整流橋的輸入端口，單相整流橋的輸出端口連接發射橋的輸入端口，發射橋的輸出端口連接電極組件端口 ；電壓檢測電路的輸入端口與單相整流橋的輸出端口連接，電壓檢測電路的輸出端口連接中央處理單元的一個輸入端口 ；電流檢測電路的輸入端口與電極組件端口連接，電流檢測電路的輸出端口連接中央處理單元另一個輸入端口 ；中央處理單元輸出端口與逆變器輸入端口連接，同時中央處理單元和船上發電監控平臺的PC機監控平臺連接；其中中央處理單元包括DSP控制單元、FPGA 單元、DDS單元、PWM驅動模塊以及大功率激勵模塊；系統中發電機組為系統提供功率為30 60KVA，頻率為50HZ、電壓為380V的3相不穩定電源，上述電源通過變比為I : 4的升壓變壓器進行升壓后，經過三相整流橋整流濾波獲得頻率為50HZ、電壓為1719 2579V的單相直流電源；將上述單相直流電源通過拖纜送至海底I 4Km的海洋深處，然后系統的水下部分通過逆變器將接收到的單相直流電源逆變成頻率為IOK 20KHZ的單相交流電，再通過變比為31 : I 6 : I的降壓變壓器降壓，獲得頻率為IOK 20KHZ，幅值電壓為65 318V的交流電壓，之后經過單相整流橋整流濾波， 獲得54 270V的直流母線電壓，將上述直流母線電壓通過發射橋逆變，獲得功率為27 54KW，電流為200 500A的發射信號；上述發射信號是在中央處理單元控制下實現并發射的系統對單相整流橋輸出的直流母線電壓和電極組件上的發射電流進行實時監測，并將上述直流母線電壓、發射電流輸入中央處理單元；中央處理單元中的DSP控制單元經過PWM 調制，利用PWM驅動模塊來實現逆變器的逆變，再通過單相整流橋整流、發射橋逆變后得到發射信號；其中發射信號的發射時間受FPGA單元控制，FPGA單元接收海洋可控源電磁勘探系統接收部分發出的GPS實時同步信號，將上述實時同步信號通過數字頻率合成單元DDS 合成，再由大功率激勵驅動模塊實現發射橋實時同步發射，使發射信號發出；船上發電監控平臺中PC機監控平臺實時監控海底直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間時長相關信息，且對直流母線電壓、發射信號的電流、頻率以及發射時間、時長進行控制。
2.應用權利要求I所述的海洋可控源電磁勘探系統發射方法，其特征是所述的三相整流橋為3個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。
3.應用權利要求I所述的海洋可控源電磁勘探系統發射方法，其特征是所述的逆變器為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。
4.應用權利要求I所述的海洋可控源電磁勘探系統發射方法，其特征是所述的單相整流橋為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊，或者I個智能功率模塊。
5.應用權利要求I所述的海洋可控源電磁勘探系統發射方法，其特征是所述的發射橋為2個絕緣門極雙極型晶體管模塊,或者I個智能功率模塊。
全文摘要
本發明涉及一種海洋可控源電磁勘探系統的發射方法，該發明包括1個發電機組、2個逆變器、2個整流濾波電路、2個變壓器變壓器、1個控制電路、1個電壓檢測電路、1個電流檢測電路以及拖纜和電極組件；其中發電機組為系統提供3相電源；逆變、整流電路用于信號傳輸、發射過程中完成電源的AC-DC和DC-AC的轉換；變壓器變壓器用于變換電壓等級，便于信號傳輸、發射；電壓、電流檢測電路實現輸出電壓、電流的實時檢測，為控制電路提供實時信號；控制電路是一個中央處理單元。本發明提高系統信號傳輸可靠性、降低電纜要求，減少經濟成本。
文檔編號G01V3/00GK102590866SQ20121000642
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者余飛, 劉燕楠, 張一鳴, 曾志輝, 陳東升 申請人:北京工業大學