專利名稱：感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置，用于頻域電磁法中電磁發(fā)送線圈產(chǎn)生交流方波電流，適用于地球物理勘探、無損檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在某些研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，需要使用正向方波電流、負(fù)向方波電流或交流方波電流。交流方波電流的標(biāo)準(zhǔn)波形，其特點(diǎn)是在輸出電流期間幅值恒定，電流波形周期性變化，正負(fù)向波形對稱，電流極性反轉(zhuǎn)變化時(shí)無過渡時(shí)間。
產(chǎn)生方波電流的裝置，可產(chǎn)生正向、負(fù)向或雙極性方波電流，脈沖周期、幅值可調(diào)。產(chǎn)生交流方波電流的電路，由全橋電路實(shí)現(xiàn)，四個(gè)橋臂采用全控型電力電子器件。
現(xiàn)有技術(shù)包括嵌位電壓源、交流方波電流控制電路、驅(qū)動電路、滯環(huán)控制電路、基準(zhǔn)電壓電路，其中嵌位電壓源為直流穩(wěn)壓電源，交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時(shí)序產(chǎn)生電路和驅(qū)動電路組成。又如專利授權(quán)號為ZL200410081518.9的“具有上升沿提升能力的電流脈沖下降沿線性可調(diào)的控制方法及裝置”，能實(shí)現(xiàn)下降沿線性可調(diào)，但不能實(shí)現(xiàn)上升沿線性可調(diào)和高頻時(shí)電流幅值的恒定?，F(xiàn)有技術(shù)存在的問題是方波電流裝置的負(fù)載是感性負(fù)載，特別是負(fù)載為線圈等大電感量負(fù)載情況下，嚴(yán)重影響了方波電流的形狀，方波電流并不是理想的交流方波，電流由正到負(fù)或由負(fù)到正換向過程都有一定的延遲時(shí)間，電流換向沿線性度差。交流方波電流裝置作為一種激勵(lì)源使用，要同時(shí)解決方波電流換向時(shí)間可調(diào)，換向沿線性，高頻發(fā)射和頻率變化時(shí)電流幅值恒定等問題是電力電子技術(shù)中的難點(diǎn)，換向沿的延遲使電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長，影響了交流方波電流頻率的提高和高頻時(shí)電流幅值的大小。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置，提高了交流方波電流換向沿的陡度，實(shí)現(xiàn)了換向沿線性，解決了電流幅值的提升和恒定，頻率范圍的擴(kuò)展等問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案的具體方法步驟如下 1、合上開關(guān)S，通過交流方波電流控制電路的頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出交流方波電流io(t)的頻率，交流方波電流的周期須大于電子開關(guān)的開通、關(guān)斷時(shí)間之和； 2、調(diào)節(jié)嵌位電壓源電壓VC，改變輸出方波電流換向沿的斜率，使輸出電流換向沿線性，VC在0與電子開關(guān)額定耐壓之間； 3、通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓電路，改變輸出電流幅值I，使電流幅值小于全控性電子開關(guān)能承受的最大電流； 4、通過控制交流方波電流發(fā)生器、基準(zhǔn)電壓和嵌位電壓源電壓VC，使每一輸出周期產(chǎn)生形狀相同和幅值相等的負(fù)載電壓波形vo(t)； 正向方波電流io(t)上升、下降期間的電壓、電流 在t0～t1期間開關(guān)管J1關(guān)斷，開關(guān)管J2導(dǎo)通，給負(fù)載提供的電壓vo(t0)＝VC，負(fù)載電壓嵌位在VC上，VC遠(yuǎn)大于直流電源電壓V1，方波電流由零快速線性上升到I，提升電壓用嵌位電壓源實(shí)現(xiàn)； 在t1～t2期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t1)＝V1，輸出正向方波電流，io(t)＝I； 在t2～t3期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t)由正變?yōu)樨?fù)值，vo(t2)＝-VC，負(fù)載電壓嵌位在-VC上，方波電流開始線性下降，在t3時(shí)刻電流io(t)衰減到零； 負(fù)向方波電流上升、下降過程的控制電壓、電流 在t3～t4期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，給負(fù)載提供的電壓vo(t4)＝-VC，負(fù)載電壓嵌位在-VC上，VC遠(yuǎn)大于直流電源電壓V1，方波電流io(t)快速線性上升到-I，提升電壓用嵌位電壓源實(shí)現(xiàn)； 在t4～t5期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t)＝-V1，輸出負(fù)向方波電流，io(t)＝-I； 在t5～t6期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t)由負(fù)值變?yōu)檎?，vo(t5)＝VC，負(fù)載電壓嵌位在VC上，負(fù)向方波電流io(t)由-I線性下降，在t6時(shí)刻電流衰減到零； 其中 t0輸出正向方波電流的開始時(shí)刻，t1vo(t)下降到V1的時(shí)刻， t2正向方波電流開始下降的時(shí)刻，t3正向方波電流下降到零的時(shí)刻， t4vo(t)下降到-V1的時(shí)刻，t5負(fù)向方波電流開始下降的時(shí)刻， t6負(fù)向方波電流下降到零的時(shí)刻，VC嵌位電壓源電壓， io(t)負(fù)載輸出電流，I輸出交流方波電流幅值； 5、計(jì)算交流方波電流下降沿斜率絕對值K1，以下的“斜率”均指斜率的絕對值 io(t)由I或-I下降到零的斜率 其中 RL負(fù)載直流電阻值； L負(fù)載電感量； VC嵌位電壓源電壓； I交流方波電流幅值； 當(dāng)VC＞RLI時(shí)，得負(fù)載電流io(t)由I或-I線性下降到零，正方波電流和負(fù)方波電流的下降斜率相等； 6、計(jì)算交流方波電流上升沿斜率K2 io(t)由零上升到I或-I的斜率 其中 RL負(fù)載直流電阻值； L負(fù)載電感量； VC嵌位電壓源電壓； I交流方波電流幅值； 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，得負(fù)載電流io(t)由零線性上升到I或-I，正方波電流和負(fù)方波電流的上升斜率相等； 7、計(jì)算輸出方波電流換向時(shí)間td(單位μs) 方波電流下降時(shí)間td1 方波電流上升時(shí)間td2 方波電流由正到負(fù)的換向時(shí)間td 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，由(1)得由(2)式得 通過改變VC，可調(diào)節(jié)方波電流換向時(shí)間td；提高VC，縮短了td，VC的設(shè)置在0到電子開關(guān)額定耐壓之間； 8、計(jì)算電流幅值I(單位A) 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)， 通過改變VC，可調(diào)節(jié)方波電流幅值；提高VC，可提高輸出電流的幅值，I小于電子開關(guān)能承受的最大電流值；I與電源電壓、頻率、負(fù)載電感量無關(guān)； 9、輸出電流的換向沿斜率K 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，由(1)和(2)式得， 方波電流上升和下降沿斜率相同，即換向沿斜率不變，換向沿波形是一斜率恒定的直線，電流波形對稱； 10、恒流電感L1和L2的確定 恒流電感最小值計(jì)算公式 選取L1＝L2≥Lmin 其中 ΔI交流方波電流幅值的波動值； fmax開關(guān)管J3的最高開關(guān)頻率； 11、頻率的提高 當(dāng)Vc＞＞RLI時(shí)，由式(6)得知 提高VC，縮短方波電流的換向時(shí)間td，減小換向時(shí)間td在一個(gè)周期內(nèi)所占的比例，增加了方波電流處于平坦區(qū)的比例，提高輸出交流方波電流的頻率。
本發(fā)明的裝置包括直流電源、嵌位電壓源、嵌位電路、能量補(bǔ)充電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路和交流方波電流發(fā)生器，交流方波電流發(fā)生器為全橋電路，全橋電路的上橋臂為兩個(gè)恒流電感L1和L2，兩個(gè)下橋臂為兩個(gè)全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接，開關(guān)S與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù)載；交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時(shí)序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，交流方波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個(gè)輸入端分別與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流方波電流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌位電壓源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電路的輸出端與嵌位電壓源的正極連接。
能量補(bǔ)充電路包括二極管D5、D6和開關(guān)管J3，二極管D5的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管D5的負(fù)極和交流方波電流發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管D1、D2的負(fù)極。嵌位電路包括二極管D1、D2，二極管D1的負(fù)極和D2的負(fù)極連接，二極管D1的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L1的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L2的一端連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其技術(shù)效果是 1、在交流方波電流換向期間，負(fù)載電壓嵌位在嵌位電壓源電壓上，實(shí)現(xiàn)了交流方波電流換向沿線性、換向時(shí)間短。
2、調(diào)節(jié)嵌位電壓源的電壓，實(shí)現(xiàn)了交流方波電流換向時(shí)間可調(diào)。
3、提高嵌位電壓源的電壓VC，使VC＞V1，實(shí)現(xiàn)了高頻交流方波電流幅值的提升。
4、采用恒流電感和能量補(bǔ)充電路，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流幅值的恒定，不隨電源電壓、頻率、負(fù)載的變化而變化。
5、提高嵌位電壓源的電壓VC，使VC＞＞V1，縮短了換向時(shí)間，提高了交流方波電流的頻率。
6、本發(fā)明實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)射電流12A，V1＝12V，線圈電阻0.3Ω，線圈電感量500μH，嵌位電壓源電壓為800V，電子開關(guān)采用1200V、31A的MOSFET模塊，電流換向15μs。



圖1為本發(fā)明在一個(gè)周期內(nèi)的負(fù)載電流波形圖和負(fù)載電壓波形圖； 圖2為本發(fā)明裝置的組成框圖； 圖3為本發(fā)明裝置組成框圖的電路拓?fù)鋱D； 圖4為實(shí)測發(fā)射電流由正到負(fù)換向沿波形圖； 圖5為實(shí)測發(fā)射電流由負(fù)到正換向沿波形圖； 圖6為實(shí)測vo(t)波形圖。
在圖1中 t0正向方波電流開始上升時(shí)刻，v0(t)＝VC， t1正向方波電流上升到I時(shí)刻，vo(t)由VC下降到V1， t2正向方波電流開始下降時(shí)刻，vo(t)由V1下降到-VC， t3正向方波電流下降到零時(shí)刻，v0(t)＝-VC t4負(fù)向方波電流上升到-I時(shí)刻，v0(t)由-VC上升到-V1， t5負(fù)向方波電流開始下降時(shí)刻，vo(t)由-V1上升到VC， t6負(fù)向方波電流下降到0時(shí)刻，vp(t)＝VC， V1直流電源電壓，VC嵌位電壓源電壓， vo(t)負(fù)載電壓波形，io(t)負(fù)載交流方波電流波形， td交流方波電流換向時(shí)間。
在圖2中 io(t)、I、vo(t)、VC的含義與圖1中io(t)、I、vo(t)、VC相同。
在圖2、圖3中 1-能量補(bǔ)充電路， 2-交流方波電流控制電路， 3-嵌位電路， 4-嵌位電壓源， 5-滯環(huán)控制電路。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的具體控制方法是 1、合上開關(guān)S，調(diào)節(jié)交流方波電流控制電路，使輸出交流方波電流頻率為10kHz； 2、調(diào)節(jié)直流供電電源的電壓V1＝12V，輸出方波電流幅值為I＝12A，選用的全控型電子開關(guān)能承受的最大電流為31A； 3、輸出周期性的負(fù)載電壓波形vo(t)為 t0vo(t)＝VC，圖中為Vo＝800V； t1vo(t)由800V降為V1； t2vo(t)由V1上升為-800V； t3vo(t)＝-800V； t4vo(t)由-800V下降為-V1； t5vo(t)由-V1上升為800V； t6vo(t)＝800V； 正向方波電流上升、下降期間的控制電壓、方波電流 在t0～t1期間，開關(guān)管J1關(guān)斷，開關(guān)管J2導(dǎo)通，vo(t0)＝VC＝800V，恒流電感與負(fù)載電感串聯(lián)，嵌位電路中的二極管導(dǎo)通，將負(fù)載電感電壓嵌位在嵌位電壓源VC上，io(t)由零線性上升到I，電流值得以提升； 在t1～t2期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t)＝V1，由電源供電，供電電壓低，負(fù)載電流緩慢下降，當(dāng)io(t)下降到

，其中ΔI為輸出電流幅值的波動量，能量補(bǔ)充電路工作，轉(zhuǎn)由嵌位電壓源供電，因VC電壓很高，恒流電感能量在短時(shí)間內(nèi)得以補(bǔ)充，因此，保持了負(fù)載電流幅值在方波電流平坦區(qū)的恒定； 在t2～t3期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t)由正變?yōu)樨?fù)值，vo(t2)＝-VC＝-800V，方波電流由I線性下降到零，在t3時(shí)刻負(fù)載電流衰減到零； 負(fù)向方波電流上升、下降過程的控制電壓、電流 在t3～t4期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t3)＝-VC＝-800V，恒流電感與負(fù)載電感串聯(lián)，嵌位電路中的二極管導(dǎo)通，將負(fù)載電感電壓嵌位在嵌位電壓源-VC上，io(t)由零線性上升-I，電流值得以提升； 在t4～t5期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t4)＝-V1，由電源供電，供電電壓低，負(fù)載電流緩慢下降，當(dāng)io(t)下降到

，能量補(bǔ)充電路工作，轉(zhuǎn)由嵌位電壓源供 電，因VC電壓很高，恒流電感能量在短時(shí)間內(nèi)得以補(bǔ)充，因此，保持了負(fù)載電流幅值在方波電流平坦區(qū)的恒定； 在t5～t6期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t5)＝VC＝800V，方波電流由-I線性下降到零，在t6時(shí)刻負(fù)載電流衰減到零； 5、計(jì)算交流方波電流下降沿斜率K1，以下的“斜率”均指斜率的絕對值 io(t)由I或-I下降到零的斜率 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)， 其中L＝500μH，VC＝800V 6、計(jì)算交流方波電流上升沿斜率K2 io(t)由零上升到I或-I的斜率 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)， 其中L＝500μH，VC＝800V 7、計(jì)算輸出方波電流換向時(shí)間td(單位μs) 方波電流下降時(shí)間td1 方波電流上升時(shí)間td2 方波電流由正到負(fù)的換向時(shí)間td 8、計(jì)算電流幅值I(單位A) 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，電流上升斜率K2 電流上升時(shí)間td2 電流幅值I 9、輸出電流的換向沿斜率K 交流方波電流下降沿斜率 交流方波電流上升沿斜率 當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，換向沿是斜率為 K＝1.6×106直線，電流波形對稱； 10、恒流電感值的確定 在V1＝12V，I＝12A，RL＝0.3Ω，L＝500μH，ΔI＝0.4A，開關(guān)管J3最大工作頻率fmax＝10kHz情況下，恒流電感取值為 其中 ΔI交流方波電流幅值的波動值； fmax開關(guān)管J3的最高開關(guān)頻率； 考慮到電感開關(guān)管J3工作頻率越低，需要的恒流電感量越大，選取L1＝L2≥Lmin，在此取2mH； 11、頻率的提高 提高VC，縮短方波電流的換向時(shí)間，提高頻率； 設(shè)VC＝1000V，L＝100μH，當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)， 則電流換向時(shí)間td＝2.4μs，而頻率為100kHz，周期為10μs，方波電流平坦區(qū)時(shí)間為3.8μs，即此種情況下，輸出電流的頻率可達(dá)到100kHz； 12、電流幅值的恒定 實(shí)際J3最大開關(guān)頻率為100kHz，L1＝L2＝2mH，V1＝12V，I＝12A，RL＝0.3Ω，L＝500μH，交流方波電流幅值的波動值ΔI 由此可見，負(fù)載電流在方波電流平坦區(qū)，電流波動率，實(shí)現(xiàn)電流恒定。
如圖2所示，本發(fā)明的裝置包括直流電源、嵌位電壓源、嵌位電路、能量補(bǔ)充電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路和交流方波電流發(fā)生器，其中交流方波電流發(fā)生器為全橋電路，全橋電路的上橋臂為兩個(gè)恒流電感L1和L2，兩個(gè)下橋臂采用全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接，開關(guān)S與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù)載；交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時(shí)序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，交流方波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個(gè)輸入端分別與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流方波電流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌位電壓源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電路的輸出端與嵌位電壓源的正極連接。
如圖3所示，能量補(bǔ)充電路包括二極管D5、D6和開關(guān)管J3，二極管D5的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管D5的負(fù)極和交流方波電流發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管D1的負(fù)極、D2的負(fù)極；嵌位電路包括二極管D1、D2，二極管D1的負(fù)極和D2的負(fù)極連接，二極管D1的正極和D2的正極分別與感性負(fù)載的兩端連接，二極管D1的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L1的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L2的一端連接；滯環(huán)控制電路包括電阻R1、R2、R3，比較器A1，驅(qū)動電路，基準(zhǔn)電壓電路，滯環(huán)控制電路控制恒流電感電流恒定；比較器A1的反相輸入端接R0，R0用作電流取樣，用于檢測輸出交流方波電流的幅值；比較器A1的輸出信號經(jīng)R3接到驅(qū)動電路。
當(dāng)輸出電流io(t)小于

時(shí)，比較器輸出信號通過驅(qū)動電路控制電子開關(guān)J3導(dǎo)通，嵌位電壓源給能量補(bǔ)充電路提供能量，使恒流電感的電流上升到

當(dāng)io(t)大于

時(shí)，比較器輸出信號控制J3截止，從而維持恒流電感電流為恒定值，恒流電感起到了恒流源的作用。
通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓電路，實(shí)現(xiàn)I的可調(diào)。
通過調(diào)節(jié)嵌位電壓源的電壓值，實(shí)現(xiàn)方波電流換向斜率和換向時(shí)間可調(diào)。
如圖4、圖5所示實(shí)測發(fā)射電流12A，V1＝12V，線圈電阻0.3Ω，線圈電感量500μH，嵌位電壓源電壓為800V，電子開關(guān)采用1200V、31A的MOSFET模塊，電流換向時(shí)間15μs；
權(quán)利要求
1、一種感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法，其特征在于該方法的步驟如下
(1)、合上開關(guān)S，通過交流方波電流控制電路中的頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出交流方波電流io(t)的頻率，交流方波電流的周期須大于電子開關(guān)的開通、關(guān)斷時(shí)間之和；
(2)、調(diào)節(jié)嵌位電壓源電壓VC，改變輸出方波電流換向沿的斜率，使輸出電流換向沿線性，VC在0與電子開關(guān)額定耐壓之間；
(3)、通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓電路，改變輸出電流幅值，使電流幅值小于全控性電子開關(guān)能承受的最大電流；
(4)、通過控制交流方波電流發(fā)生器、基準(zhǔn)電壓和嵌位電壓源電壓VC，使每一輸出周期產(chǎn)生形狀相同和幅值相等的負(fù)載電壓波形vo(t)；
正向方波電流io(t)上升、下降期間的電壓、電流
在t0～t1期間開關(guān)管J1關(guān)斷，開關(guān)管J2導(dǎo)通，給負(fù)載提供的電壓vo(t0)＝VC，負(fù)載電壓嵌位在VC上，VC遠(yuǎn)大于直流電源電壓V1，方波電流由零快速線性上升到I，提升電壓用嵌位電壓源實(shí)現(xiàn)；
在t1～t2期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t1)＝V1，輸出正向方波電流，io(t)＝I；
在t2～t3期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t)由正變?yōu)樨?fù)值，Vo(t2)＝-VC，負(fù)載電壓嵌位在-VC上，方波電流開始線性下降，在t3時(shí)刻電流io(t)衰減到零；
負(fù)向方波電流上升、下降過程的控制電壓、電流
在t3～t4期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，給負(fù)載提供的電壓vo(t4)＝-VC，負(fù)載電壓嵌位在-VC上，VC遠(yuǎn)大于直流電源電壓V1，方波電流io(t)快速線性上升到-I，提升電壓用嵌位電壓源實(shí)現(xiàn)；
在t4～t5期間J1導(dǎo)通，J2關(guān)斷，vo(t)＝-V1，輸出負(fù)向方波電流，io(t)＝-I；
在t5～t6期間J1關(guān)斷，J2導(dǎo)通，vo(t)由負(fù)值變?yōu)檎?，vo(y5)＝VC，負(fù)載電壓嵌位在VC上，負(fù)向方波電流io(t)由-I線性下降，在t6時(shí)刻電流衰減到零；
其中
t0輸出正向方波電流的開始時(shí)刻，t1vo(t)下降到V1的時(shí)刻，
t2正向方波電流開始下降的時(shí)刻，t3正向方波電流下降到零的時(shí)刻，
t4vo(t)下降到-V1的時(shí)刻， t5負(fù)向方波電流開始下降的時(shí)刻，
t6負(fù)向方波電流下降到零的時(shí)刻，VC嵌位電壓源電壓，
io(t)負(fù)載輸出電流，I輸出交流方波電流幅值；
(5)、計(jì)算交流方波電流下降沿斜率絕對值K1，以下的“斜率”均指斜率的絕對值
io(t)由I或-I下降到零的斜率
其中
RL負(fù)載直流電阻值；
L負(fù)載電感量；
VC嵌位電壓源電壓；
I交流方波電流幅值；
當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，得負(fù)載電流io(t)由I或-I線性下降到零，正方波電流和負(fù)方波電流的下降斜率相等；
(6)、計(jì)算交流方波電流上升沿斜率K2
io(t)由零上升到I或-I的斜率
其中
RL負(fù)載直流電阻值；
L負(fù)載電感量；
VC嵌位電壓源電壓；
I交流方波電流幅值；
當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，得，負(fù)載電流io(t)由零線性上升到I或-I，正方波電流和負(fù)方波電流的上升斜率相等；
(7)、計(jì)算輸出方波電流換向時(shí)間td(單位μs)
方波電流下降時(shí)間td1
方波電流上升時(shí)間td2
方波電流由正到負(fù)的換向時(shí)間td
當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，由(1)得由(2)式得
通過改變VC，可調(diào)節(jié)方波電流換向時(shí)間td；提高VC，縮短了td，VC的設(shè)置在0到電子開關(guān)額定耐壓之間；
(8)、計(jì)算電流幅值I(單位A)
當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，
通過改變VC，可調(diào)節(jié)方波電流幅值；提高VC，可提高輸出電流的幅值，I小于電子開關(guān)能承受的最大電流值；I與電源電壓、頻率、負(fù)載電感量無關(guān)；(9)、輸出電流的換向沿斜率K
當(dāng)VC＞＞RLI時(shí)，由(1)和(2)式得，
方波電流上升和下降沿斜率相同，即換向沿斜率不變，換向沿波形是一斜率恒定的直線，電流波形對稱；
(10)、恒流電感L1和L2的確定
恒流電感最小值計(jì)算公式
選取L1＝L2≥Lmin
其中
ΔI交流方波電流幅值的波動值；
fmax開關(guān)管J3的最高開關(guān)頻率；
(11)、頻率的提高
當(dāng)Vc＞＞RLI時(shí)，由式(6)得知
提高VC，縮短方波電流的換向時(shí)間td，減小換向時(shí)間td在一個(gè)周期內(nèi)所占的比例，增加了方波電流處于平坦區(qū)的比例，提高輸出交流方波電流的頻率。
2、一種感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流裝置，其特征在于該裝置包括直流電源、嵌位電壓源、嵌位電路、滯環(huán)控制電路、交流方波電流控制電路，能量補(bǔ)充電路和交流方波電流發(fā)生器，交流方波電流發(fā)生器為全橋電路，全橋電路的上橋臂為兩個(gè)恒流電感L1和L2，兩個(gè)下橋臂為兩個(gè)全控型電力電子器件；直流電源與開關(guān)S連接，開關(guān)S與能量補(bǔ)充電路輸入端連接，交流方波電流發(fā)生器的輸出端連接感性負(fù)載；交流方波電流控制電路由頻率調(diào)節(jié)、控制時(shí)序產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，交流方波電流控制電路連接至交流方波電流發(fā)生器；能量補(bǔ)充電路的兩個(gè)輸入端分別與直流電源正極、嵌位電壓源正極連接，能量補(bǔ)充電路的輸出端與交流方波電流發(fā)生器的輸入端連接，滯環(huán)控制電路輸出端與能量補(bǔ)充電路連接；嵌位電壓源的負(fù)極與電源負(fù)極連接，嵌位電路的輸入端與感性負(fù)載連接，嵌位電路的輸出端與嵌位電壓源的正極連接。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流裝置，其特征在于交流方波電流發(fā)生器電路的上橋臂為兩個(gè)等值的恒流電感L1、L2，L1、L2的一端分別與負(fù)載電感的兩端連接。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流裝置，其特征在于能量補(bǔ)充電路包括二極管D5、D6和開關(guān)管J3，二極管D5的正極接電源開關(guān)，開關(guān)管J3與二極管D6并聯(lián)，二極管D6的正極接二極管D5的負(fù)極和交流方波電流發(fā)生器的輸入端，二極管D6的負(fù)極接嵌位電壓源和二極管D1、D2的負(fù)極。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流裝置，其特征在于嵌位電路包括二極管D1、D2，二極管D1的負(fù)極和D2的負(fù)極連接，二極管D1的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L1的一端連接，二極管D2的正極與感性負(fù)載的一端和恒流電感L2的一端連接。
全文摘要
一種感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置，特別適用于頻域電磁法中電磁發(fā)送線圈產(chǎn)生交流方波電流，適用于地球物理勘探、無損檢測領(lǐng)域。本發(fā)明的方法包括調(diào)節(jié)輸出電流頻率、基準(zhǔn)電壓和嵌位電壓源的電壓，使產(chǎn)生周期性的形狀相同、幅值恒定的負(fù)載電流波形，計(jì)算方波電流換向斜率，換向時(shí)間和電流的幅值。本發(fā)明的裝置包括直流電源、交流方波電流發(fā)生器、交流方波電流控制電路、感性負(fù)載、能量補(bǔ)充電路、滯環(huán)控制電路、嵌位電路和嵌位電壓源。本發(fā)明提高了交流方波電流換向沿的陡度，實(shí)現(xiàn)了換向沿線性，解決了電流幅值的提升和恒定，頻率范圍的擴(kuò)展等問題。
文檔編號H02M7/48GK101242149SQ20081006927
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者付志紅, 趙俊麗, 蘇向豐, 謝品芳 申請人:重慶大學(xué)