基于矩阵变换器的瞬变电磁发射系统关键技术的研究

Transient electromagnetic method (is also called TEM) is an important geophysical exploration method. The development of the TEM instrument has great significance and research value. A novel transmitting system of TEM instrument, composed of a new type power electronic converter -- three phases to single phase matrix converter is proposed to substitute the conventional transmitting system, based on switching power supply and H bridge inverter. The focus of the project is to improve density and input power factor of TEM transmitting system. The research object is the key technology of TEM transmitting system based on matrix converter. The control strategies of three-phase to single-phase matrix converter for the transient electromagnetic method are studied, including the modulation algorithm based on subdivision control and current space vector PWM, and the input power factor control method. The output current waveform control technique of three-phase to single-phase matrix converter is studied, Smooth control of transition processes between the stages of TEM transmitting current waveform is researched to improve the quality of TEM transmitting current waveform. Study on the mechanism of current ripple effects is to improve electromagnetic detection results. A current ripple calculation method based on PWM mode of the matrix converter is proposed with the output load parameters. And an interference elimination method based on the inversion results and transmission signal comparison is studied. A novel compact TEM transmitting system with high efficiency and reliability is implemented.

瞬变电磁法是一种重要的地球物理探测方法，其仪器装备的研究与开发具有重要意义。本课题采用一种新型电力电子变换器——三相-单相矩阵变换器构成瞬变电磁探测仪器的发射系统，以取代现有直流开关电源与H桥逆变器构成的常规发射系统，重点解决提高瞬变电磁发射系统功率密度、输入侧功率因数的问题。项目以基于矩阵变换器的新型瞬变电磁发射系统的关键技术为研究对象，研究基于三相-单相矩阵变换器的发射系统控制策略，包括基于分段控制与电流空间矢量相结合的调制算法，和输入侧功率因数控制方法；研究三相-单相矩阵变换器的输出电流控制技术，解决瞬变电磁发射电流波形各阶段之间的平滑过渡控制；研究发射电流纹波对瞬变电磁法探测结果的影响机理，通过在线计算输出负载的参数，结合三相-单相矩阵变换器的PWM脉宽模式计算输出电流纹波，并通过电磁响应的分析，研究消除电流纹波干扰探测结果的方法；实现一种高效可靠且结构紧凑的新型瞬变电磁发射系统。

瞬变电磁探测方法是一种重要的地球物理探测方法，其发射系统是仪器装备的重要环节，也是探测数据的源头，本项目以瞬变电磁发射系统为研究对象，提出了基于三相-单相矩阵变换器的发射系统拓扑结构，以瞬变电磁发射50%占空比双极性方波电流为基础，简化了三相-单相矩阵变换器的数学模型，形成了单开关的等效电路。基于矩阵变换器的双向开关换流分析，结合瞬变电磁发射电流波形特征，将三相-单相矩阵变换器等效为两个电流型三相整流器，输出侧反向并联给瞬变电磁负载供电，系统输出电流目标确定，其电流方向明确，因此在系统工作过程中，两个等效电流型三相整流器单独工作，换流过程简单，不需要电压或者电流传感器。系统调制策略方面，由于瞬变电磁发射电流要求上升沿和下降沿尽量短，以提高输出电磁能量以及减少探测盲区，本项目采用滞环电流控制方法提高输出电流上升下降沿，由于系统电流采样精度与分辨率的限制，稳态阶段纹波大，瞬变电磁探测接收信号产生不良影响，后期采用电流空间矢量调制方法提高输出电流稳态精度，但是电流上升时间与下降时间远大于滞环电流控制方法，最终将两个方法结合构成基于分段控制与电流矢量的调制方法，实现瞬变电磁发射电流稳态与动态参数的要求。为了进一步提高基于三相-单相矩阵变换器的发射系统电源侧电能质量，提高系统功率密度，研究了三相-单相矩阵变换器输入侧功率因数调节方法，给出理论调节范围在[-π/6，π/6]之间。为了适应瞬变电磁探测精度的要求，进一步分析了发射系统输出电流稳态阶段的纹波分析方法，根据电磁波传递方程，给出了大地电磁响应，为探测结果消除影响提供理论依据。本项目研究基于新型电力电子变换器的电磁法发射系统关键技术，是为仪器科学与电气科学的有机结合探索一条新颖的技术途径。