感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法及装置

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN200810069272.1 

申 请 日：20080121 

发 明 人：付志红赵俊丽苏向丰谢品芳 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400030 重庆市沙坪坝区沙坪坝正街174号 

公 开 日：20111228 

公 开 号：CN101242149B 

代 理 人：孙荣川 

代理机构：重庆大学专利中心 50201 

摘　　要：一种感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法及装置，特别适用于频域电磁法中电磁发送线圈产生交流方波电流，适用于地球物理勘探、无损检测领域。本发明的方法包括：调节输出电流频率、基准电压和嵌位电压源(4)的电压，使产生周期性的形状相同、幅值恒定的负载电流波形，计算交流方波电流换向斜率，换向时间和电流的幅值。本发明的装置包括直流电源、交流方波电流发生器(2)、交流方波电流控制电路、感性负载、能量补充电路(1)、滞环控制电路(5)、嵌位电路(3)和嵌位电压源(4)。本发明提高了交流方波电流换向沿的陡度，实现了换向沿线性，解决了电流幅值的提升和恒定，频率范围的扩展等问题。 

主 权 项：1、一种感性负载的宽频恒幅交流方波电流控制方法，其特征在于该方法的步骤如下：(1)、合上开关S，通过交流方波电流控制电路中的频率调节，调节输出交流方波电流IO(T)的频率，交流方波电流的周期须大于电子开关的开通、关断时间之和；(2)、调节嵌位电压源电压VC，改变输出方波电流换向沿的斜率，使输出电流换向沿线性，VC在0与电子开关额定耐压之间；(3)、通过调节基准电压电路，改变输出电流幅值，使电流幅值小于全控性电子开关能承受的最大电流；(4)、通过控制交流方波电流发生器、基准电压和嵌位电压源电压VC，使每一输出周期产生形状相同和幅值相等的负载电压波形VO(T)；正向方波电流IO(T)上升、下降期间的电压、电流：在T0～T1期间：开关管J1关断，开关管J2导通，给负载提供的电压VO(T0)＝VC，负载电压嵌位在VC上，VC远大于直流电源电压V1，方波电流由零快速线性上升到I，提升电压用嵌位电压源实现；在T1～T2期间：J1关断，J2导通，VO(T1)＝V1，输出正向方波电流，IO(T)＝I；在T2～T3期间：J1导通，J2关断，VO(T)由正变为负值，VO(T2)＝-VC，负载电压嵌位在-VC上，方波电流开始线性下降，在T3时刻电流IO(T)衰减到零；负向方波电流上升、下降过程的控制电压、电流：在T3～T4期间：J1导通，J2关断，给负载提供的电压VO(T4)＝-VC，负载电压嵌位在-VC上，VC远大于直流电源电压V1，方波电流IO(T)快速线性上升到-I，提升电压用嵌位电压源实现；在T4～T5期间：J1导通，J2关断，VO(T)＝-V1，输出负向方波电流，IO(T)＝-I；在T5～T6期间：J1关断，J2导通，VO(T)由负值变为正值，VO(Y5)＝VC，负载电压嵌位在VC上，负向方波电流IO(T)由-I线性下降，在T6时刻电流衰减到零；其中：T0：输出正向方波电流的开始时刻，T1：VO(T)下降到V1的时刻，T2：正向方波电流开始下降的时刻，T3：正向方波电流下降到零的时刻，T4：VO(T)下降到-V1的时刻， T5：负向方波电流开始下降的时刻，T6：负向方波电流下降到零的时刻，VC：嵌位电压源电压，IO(T)：负载输出电流，I：输出交流方波电流幅值；(5)、计算交流方波电流下降沿斜率绝对值K1，以下的“斜率”均指斜率的绝对值：IO(T)由I或-I下降到零的斜率：$K_1=\left|\frac{{\mathrm{DI}}_0\left(T\right)}{\mathrm{DT}}\right|=\left|\frac{R_L{I}_0\left(T\right)-V_C}{L}\right|---\left(1\right)$其中：RL：负载直流电阻值；L：负载电感量；VC：嵌位电压源电压；I：交流方波电流幅值；当VC＞＞RLI时，得$K_1\≈\frac{V_C}{L},$负载电流IO(T)由I或-I线性下降到零，正方波电流和负方波电流的下降斜率相等；(6)、计算交流方波电流上升沿斜率K2：IO(T)由零上升到I或-I的斜率$K_2=\left|\frac{{\mathrm{DI}}_0\left(T\right)}{\mathrm{DT}}\right|=\left|\frac{R_L{I}_0\left(T\right)+V_C}{L}\right|---\left(2\right)$其中：RL：负载直流电阻值；L：负载电感量；VC：嵌位电压源电压；I：交流方波电流幅值；当VC＞＞RLI时，得$K_2\≈\frac{V_C}{L}$，负载电流IO(T)由零线性上升到I或-I，正方波电流和负方波电流的上升斜率相等；(7)、计算输出方波电流换向时间TD(单位：μS)：方波电流下降时间TD1：$T_{D1}=-\frac{L}{R_L}(\mathrm{LN}\frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L})\×{10}^6---\left(3\right)$方波电流上升时间TD2：$T_{D2}=-\frac{L}{R_L}(\mathrm{LN}\frac{V_C}{V_C-{\mathrm{IR}}_L})\×{10}^6---\left(4\right)$方波电流由正到负的换向时间TD：$T_D=T_{D1}+T_{D2}=-\frac{L}{R_L}\left(\mathrm{LN}\frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L}\right)\×{10}^6-\frac{L}{R_L}\left(\mathrm{LN}\frac{V_C}{V_C-{\mathrm{IR}}_L}\right)\×{10}^6---\left(5\right)$当VC＞＞RLI时，由(1)得$K_1\≈\frac{V_C}{L},$由(2)式得$K_2\≈\frac{V_C}{L}$$T_{D1}\≈\frac{\mathrm{IL}}{V_C},$$T_{D2}\≈\frac{\mathrm{IL}}{V_C}$$T_D=T_{D1}+T_{D2}\≈\frac{2\mathrm{IL}}{V_C}---\left(6\right)$通过改变VC，可调节方波电流换向时间TD；提高VC，缩短了TD，VC的设置在0到电子开关额定耐压之间；(8)、计算电流幅值I(单位：A)：当VC＞＞RLI时，$I=K_2\·T_{D2}=\frac{V_C}{R_L}\left(\mathrm{LN}\frac{V_C}{V_C+{\mathrm{IR}}_L}\right)\×{10}^6---\left(7\right)$通过改变VC，可调节方波电流幅值；提高VC，可提高输出电流的幅值，I小于电子开关能承受的最大电流值；I与电源电压、频率、负载电感量无关；(9)、输出电流的换向沿斜率K：当VC＞＞RLI时，由(1)和(2)式得，$K=K_1=K_2\≈\frac{V_C}{L}---\left(8\right)$方波电流上升和下降沿斜率相同，即换向沿斜率$K=\frac{V_C}{L}$不变，换向沿波形是一斜率恒定的直线，电流波形对称；(10)、恒流电感L1和L2的确定恒流电感最小值计算公式：$L_{\mathrm{MIN}}=\frac{R_L}{F_{\mathrm{MAX}}\·\mathrm{LN}\frac{R_{L}I-V_1}{R_{L}I+R_L\mathrm{\ΔI}-V_1}}-L---\left(9\right)$选取L1＝L2≥LMIN其中：ΔI：交流方波电流幅值的波动值；FMAX：开关管J3的最高开关频率；(11)、频率的提高当VC＞＞RLI时，由式(6)$T_D=\frac{2\mathrm{IL}}{V_C}$得知：提高VC，缩短方波电流的换向时间TD，减小换向时间TD在一个周期内所占的比例，增加了方波电流处于平坦区的比例，提高输出交流方波电流的频率。 

关 键 词： 

法律状态：生效 

IPC专利分类号：H02M7/48; G01V3/10; G01N27/00