[发明专利]三环并联控制的电性源发射机及控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探中的电法仪器，尤其是适用于发射脉冲电流频率为n×10^-1Hz～n×10¹kHz，发射脉冲电流幅值在几十安培，接地电极阻抗为10～80Ω，相隔距离在0.5km—3km之间的电磁发射机。

背景技术：

在地球物理勘探方法中，可控源音频大地电磁法（Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）因工作效率、探测精度及横向和纵向分辨率较高而被广泛应用于金属矿探测、地热资源勘查、煤田和油气构造勘查等领域。CSAMT采用电磁发射机形成人工场源，向目标区域发送电磁波场，通过接收机检测电场和磁场信号来探测地下结构。对于CSAMT电磁探测方法，当发射机负载为电感线圈时，称为磁性源CSAMT，当发射机负载为接地电极时，称之为电性源CSAMT，对应的发射机称之为电性源发射机。电性源发射机负载为大地负载，包括接地电极和连接两个接地电极之间的导线，通常两个接地电极相距1～3km，阻抗为10～80Ω，因工作地区和接地条件的改变而不同，两个电极通过金属导线与发射机连接，导线等效电感为1～8mH，等效电阻为1～10Ω，因导线的材质和铺设形状不同而改变。采用电性源CSAMT方法时，发射机向1～3km的接地导线中发射幅值恒定的双极性脉冲电流形成人工谐变场源，通常发射功率可以达到几十千瓦，收发距达到十几km，发射频率为n×10^-1Hz到n×10³Hz。电性源CSAMT通过改变大地负载中脉冲电流的频率，可以实现不同深度的探测。在野外工程应用中，电性源发射机用于向大地负载发射频率、波形可变的脉冲电流。

当向大地负载发射不同频率的脉冲电流波形时，接地电极呈现以下特性：a)电流正负脉冲对应的接地电极阻抗不相等；b）正负电流脉冲进行切换之后，接地电极阻抗有一定的变化，先为低阻，后为高阻；c）接地电极阻抗随着工作时间的增长会因产生的热能而变大。

同时，当探测地下浅层区域时，发射机向大地负载发射高频电流脉冲波形，导线电感感抗随着脉冲电流频率的增大而迅速增大，大地负载上流过较大的无功功率，导线电感阻抗呈现以下特性：a）在低频时导线电感感抗远小于接地电极阻抗；b）在高频时与接地电极感抗接近或者大于接地电极阻抗。

另外，考虑施工效率问题，电性源发射机通常放置在道路附近，连接接地电极的导线通常沿道路铺设，可能跨越人文环境复杂地区，导线可能因为人为因素造成突然开路现象。

在实际测量过程中，为了保证测量结果的准确性，要求发射机能够根据大地负载的变化对发射电流进行实时调节和控制，在特定频率下脉冲电流的正极和负极幅值恒定且相等，发射电流的稳定性和准确性对获得数据的可信度、地质解释的精准度起着关键作用，同时为了保证仪器和周围人员的安全，要求电性源发射机和输出导线不能形成较高的过冲电压。

常规电性源发射机，采用的控制方法主要包括单一电压闭环控制方法、单一电流闭环控制方法和电流内环电压外环的双闭闭环控制方法。单一电压闭环控制方法通过保持脉冲电流发生器母线电压恒定的方法来实现大地负载电流幅值恒定，该方法无法适应大地负载阻抗值的改变。单一电流环的控制原理包括两类：一类是通过控制滤波电感上的输出电流平均值值恒定来间接保证大地负载电流幅值恒定，该方法可以适应低频时大地负载接地电极阻抗值的变化，但是无法适应频率改变引起的导线电感阻抗值的变化，其原因在于:在高频时，导线电感阻抗值增大，大地负载中无功功率增加，导致滤波电感上电流平均值与大地负载上的脉冲电流有效值相差较大，从而使电流环失去对大地负载上脉冲电流的控制作用，使发射机处于开环状态，输出端始终处于最高电压，无法适应负载变化，无稳流效果；另一类是直接控制流过大地负载上的脉冲电流，该方法可以对大地负载上的脉冲电流进行实时监测，但是需要对脉冲电流进行整流滤波变换后才能形成反馈控制信号，存在着响应速度慢的固有特性，该特性可能导致发射机中半导体开关器件瞬时过载现象，进而烧毁器件，使发射机产生致命性损伤。电流内环电压外环的双闭环控制方法可以适应低频时大地负载接地电极阻抗值的变化，也可以避免高频时直流电源输出端产生过高的电压，但是无法适应高频时导线电感感抗值的增加，无法对大地负载上的电流进行控制，另外该控制方法中，电流环串联于电压环之中，在进行电压外环设计时，参数需要根据电流内环进行确定，受限制因素较多，导致电路参数设计复杂，电路调试困难。