便攜式電火花震源及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種便攜式電火花震源及其控制方法，解決了現有電火花震源體積大、笨重、不便攜帶，充電效率低等問題。本發明便攜式電火花震源包括依次連接的整流器、固頻變壓控制器、400Hz±25%三相變壓器、三相整流器、MPU控制器、充電模塊、放電模塊和風扇。其中，MPU控制器分別與固頻變壓控制器、充電模塊和放電模塊連接。本發明控制方法簡單可靠；本發明便攜式電火花震源體積小、重量輕，便于攜帶，不受使用環境的限制、充電效率高、傳輸功率大、交流電、直流電均可使用。
【專利說明】便攜式電火花震源及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電火花震源及其控制方法，具體的說是一種便攜式電火花震源及其控制方法。
【背景技術】
[0002]電火花震源是一種將電能轉化為聲波的震源，主要由電源、高壓電容器、點火開關、放電電纜及電極等部分組成。主要原理:將交流電源經升壓、整流后，儲存在高壓電容器中，大量存儲的高壓電能通過專用的放電頭瞬間放電，在介質中通過脈沖大電流，使周圍介質汽化形成高溫高壓區，瞬間爆炸產生地震波的震源。其作為地震波法中的主動震源，具有無環境污染，高頻成分豐富，能量可調，同時具有可在水下、小口徑孔內等條件下使用的優點。
[0003]傳統的電火花震源體積大，重量重，不便于攜帶，故未能得到大范圍推廣。車載陸地電火花震源雖然能量很大，但體積大，不便于搬運，且使用時也會受到地理環境的影響。
[0004]此外現有的單脈沖電火花震源充電時間長且無法達到恒流、變頻的充電效果，擴展性不強。電火花震源充、放電的工作流程會產生很大的高頻干擾信號，使其無法對充、放電過程進行自動控制，且不能實現交流、直流并用的工作方式。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種體積小、重量輕，便于攜帶，不受使用環境的限制、充電效率高、傳輸功率大、交流電、直流電均可使用的便攜式電火花震源。
[0006]本發明還提供一種上述便攜式電火花震源的控制方法。
[0007]所述便攜式電火花震源包括
[0008]固頻變壓控制器:所述固頻變壓控制器與400Hz±25%三相變壓器，用于將直流電逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz ±25%交流電；
[0009]400Hz ±25%三相變壓器和三相整流器:所述400Hz ±25%三相變壓器分別與固頻變壓控制器和三相整流器連接，用于將經固頻變壓控制器逆變的電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz ±25%交流電升壓并通過三相整流器整流變為0-5KV的直流電；
[0010]充電模塊:所述充電模塊分別與三相整流器、放電模塊和控制器連接，將整流后的0-5KV的直流電給電容充電；
[0011]放電模塊:所述放電模塊與充電模塊連接，使放電頭在水溶液中瞬間放電，形成地
震波;
[0012]MPU控制器:所述控制器與放電模塊連接，用于控制充電模塊和放電模塊進行自動充、放電。
[0013]220V電源經整流器與所述固頻變壓控制器連接，所述整流器可將220V單相的交流電整流成300V的直流電。[0014]所述MPU控制器還與固頻變壓控制器連接，用于調節固頻變壓控制器的升壓曲線和時間。
[0015]所述充電模塊為脈沖電容，所述放電模塊包括放電開關及帶有放電頭的放電電纜。
[0016]本發明便攜式電火花震源的控制方法，所述便攜式電火花震源包括固頻變壓控制器、400Hz±25%三相變壓器、三相整流器、充電模塊、放電模塊和MPU控制器，
[0017]其中，所述MPU控制器的控制方法:
[0018]a.通過固頻變壓控制器將300V直流電逆變成電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz ±25% 交流電；
[0019]b.通過400Hz ±25%三相變壓器和三相整流器，將400Hz ±25%三相交流電經過三相變壓器的升壓和三相整流器變為0-5KV的直流電；
[0020]c.通過充電模塊將整流后的直流電給脈沖電容充電，通過MPU控制器控制充電過程，當充電完成后控制充電模塊停止充電，同時控制放電模塊放電；
[0021]d.所述放電模塊接收來自MPU控制器的放電信號，使放電頭在水溶液中瞬間放電，形成地震波；
[0022]所述固頻變壓控制器由芯片及三相逆變電路組成，所述芯片的控制方法為:
[0023]采用SPWM正弦脈寬調制方法，根據輸出電壓要求建立SPWM數學模型，以此數學模型生成一組有序的SPWM脈沖信號，將這組有序的SPWM脈沖信號作用于三相逆變電路，則輸出三個分量的電流，并使之相位相差120度，便可得到三相400Hz±25%正弦交流電；通過設定輸出電壓從OV向220V漸變，則相應調節SPWM信號數學模型的參數，使其輸出相應有序的SPWM脈沖信號，從而輸出線性升壓的具有正弦波形的三相400Hz±25%交流電。
[0024]先通過整流器將220V單相的交流電整流成300V的直流電，然后再通過固頻變壓控制器進行三相逆變。
[0025]所述三相變壓器的頻率優選為400Hz。
[0026]本發明中固頻變壓控制器是一種固頻變壓電流轉換器，主要功能是將300V直流電逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz±25%交流電，且升壓曲線可調和時間可控。
[0027]它以SPWM調制技術為理論依據，根據輸出電壓要求，建立相應的數學模型，以此數學模型生成SPWM脈沖信號，來控制逆變電路的工作狀態，從而輸出三相400Hz±25%線性升壓的正弦交流電。
[0028]U。為載波三角波，Usi和Us2為頻率相同，振幅不同的正弦調制波，由SPWM調制技術可得到兩組不同的SPWM脈沖信號，其區別在于兩組占空比不同，以Usi正弦調制波為例，當Usi大于U。時，得到正負電平E/2或-E/2 ;當Usi小于U。時，得到零電平，例如弧線AB段得到高電平W這一系列不同的占空比組成了 Usi對應的SPWM脈沖信號。將Usi和Us2對應的SPWM脈沖信號分別作用于逆變電路，即可輸出ml和m2的400Hz±25%正弦波形，且當U。的頻率越高，得到的正弦波形就越平滑。因此通過固頻變壓控制器的控制，可以激發有序的SPWM脈沖信號。此脈沖信號作用于逆變電路，輸出三個分量的電流，并使之相位相差120度，便可得到線性升壓的具有正弦波的三相400Hz±25%交流電。
[0029]通過固頻變壓控制器產生線性升壓三相400Hz ±25%正弦交流電，大幅度減少了諧波，提高了整個裝置的安全系數。且固頻變壓控制器與400Hz ±25%三相變壓器組合，僅需要幾秒鐘就可以完成0-5KV的充電過程，不僅達到了充電迅捷這一技術指標，還大幅度減小了變壓器體積以及整個逆變電源的重量，使其滿足便攜的要求。
[0030]進一步的，本發明還接入散熱系統，所述散熱系統也可與MPU連接，通過MPU控制散熱系統的運行和停止。
[0031]有益效果:
[0032]本發明體積小(0.04m3左右)、重量輕(IOkg左右)，便于攜帶，不受使用環境的限制；充電效率高(僅需要幾秒鐘就可以完成0-5KV的充電過程)、傳輸功率大，減小工作量，具有變頻恒流的充電效果；電路模塊化，工作穩定，放電的工作流程不會產生很大的高頻干擾信號，實現對充、放電過程進行自動控制；擴展性很強，可達到周期性激發。電源選擇靈活，交流電、直流電均可使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為便攜式電火花震源結構框架圖；
[0034]圖2為固頻變壓控制器的三相逆變電路圖；
[0035]圖3為固頻變壓控制器控制流程圖；
[0036]圖4為SPWM脈寬調制法原理圖；
[0037]圖5為400Hz正弦交流電壓變化示意圖；
[0038]圖6為三相400Hz正弦交流電示意圖；
[0039]圖7為MPU控制器的連線方式圖；
[0040]圖8為便攜式電火花震源的充、放電過程示意圖；
[0041]圖9為MPU控制整個電路流程圖。
【具體實施方式】
[0042]參見圖1，本發明便攜式電火花震源包括:
[0043]整流器:所述整流器與固頻變壓控制器連接，用于將220V單相的交流電整流成300V的直流電。
[0044]固頻變壓控制器:所述固頻變壓控制器分別與整流器及400Hz (本實施例以400Hz為例)三相變壓器連接，用于將300V直流電逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz交流電；
[0045]400Hz三相變壓器和三相整流器:所述400Hz三相變壓器分別與固頻變壓控制器和三相整流器連接，三相變壓器用于將經固頻變壓控制器逆變的電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz交流電升壓并通過三相整流器整流變為0-5KV的直流電；
[0046]充電模塊:所述充電模塊與三相整流器連接，將整流后的0-5KV的直流電給脈沖電容充電；
[0047]放電模塊:所述放電模塊與充電模塊連接，使放電頭在水溶液中瞬間放電，形成地
震波;
[0048]MPU控制器:所述MPU控制器分別與放電模塊、充電模塊連接，用于控制充電模塊和放電模塊進行自動充、放電；與固頻變壓控制器連接，用于調節固頻變壓控制器的升壓曲線和時間；與散熱系統連接，用于系統散熱控制
[0049]外部電源可以使用220V交流電源，或者采用直流蓄電池與逆變器相連，外接于電源接口(將直流逆變為220V交流)。
[0050]各部件之間的連接原理如圖1所示:整流器與外部電源接口連接，將外部電流Il(220V)轉化為直流電流12，固頻變壓控制器與整流器串接，將輸入的直流電12轉化三相交流電13輸出。400Hz三相變壓器串接在固頻變壓控制器后面，升壓后的交流電為14 ;在三相400Hz變壓器后面接上三相整流器，使交流電14變為直流電15 ;三相整流器后面與充電模塊(為脈沖電容器充電)連接，放電模塊(包括放電開關及帶有放電頭的放電電纜)串接在充電模塊的后面。
[0051]所述固頻變壓控制器的工作電路圖由芯片和三相逆變電路組成，工作方式為由芯片激發SPWM脈沖信號作用于三相逆變電路，從而控制逆變電路的工作狀態，使得產生電壓從O向220V線性變化的三相400Hz正弦交流電，具體參見圖2。
[0052]所述固頻變壓控制器自帶芯片的控制方法見圖3，接通電源后，芯片首先會先進行初始化，檢查運行環境并對基本參數進行設定。而后建立基本SPWM數學模型，并輸出SPWM脈沖信號作用于逆變電路。在工作過程中，自動判斷是否需要調節電壓，如若需要，則調節SPWM信號激發模型參數，重新輸出SPWM脈沖信號，整個調節過程使得輸出電壓為OV向220V線性變化，并使三個分量的電流相位相差120°，從而輸出線性升壓的具有正弦波形的三相400Hz交流電
[0053]如圖5示:其中U。為載波三角波，Usi和Us2為頻率相同，振幅不同的正弦調制波。由SPWM調制技術可得到兩組不同的SPWM脈沖信號，其區別在于兩組占空比不同，如圖中帶斜線的方塊與空白的方塊。以Usi正弦調制波為例，當Usi大于U。時，得到正負電平E/2或-E/2 ;當Usi小于U。時，得到零電平，例如弧線AB段得到高電平W這一系列不同的占空比組成了 Usi對應的SPWM脈沖信號。將Usi和Us2對應的SPWM脈沖信號分別作用于逆變電路(如圖2)，即可輸出如圖4示ml和m2的400Hz正弦波形。且當U。的頻率越高，得到的正弦波形就越平滑。因此在固頻變壓控制器芯片中設定程序，激發有序的SPWM脈沖信號。此脈沖信號作用于逆變電路，輸出三個分量的電流，并使之相位相差120°，便可得到線性升壓的三相400Hz正弦波交流電(如圖6)。
[0054]MPU模塊連接方式如圖7所示:10，Il為輸入端口。其中IO為散熱系統(如風扇)的控制輸入端，當按下面板上控制開關，散熱系統開始工作；11為充電開關的輸入控制端，當按下面板上的開關，充電開關閉合，開始對脈沖電容器進行充電。P0，P1，P2，C0，C1，C2為輸出端口，CO，Cl，C2分別為PO，Pl，P2端的公共端口 ；S/S, +24V, 24G為MPU的內部電源接口，L，N為其外部供電電源接口。將端口 +24V、P0、P1和S/S相連，端口 24G和CO與散熱系統相連，端口 24G和Cl與放電開關相連，端口 P2和C2與固頻變壓控制器相連。
[0055]充、放電模塊如圖8所示:將升壓后的三相交流經整流后與脈沖電容相連，放電模塊與充電模塊串接，即都連接在脈沖電容器的兩端，放電頭的兩級分別連接脈沖電容的兩端，在放電頭與脈沖電容器之間接一個放電開關(由MPU控制器控制)，控制充放電過程。
[0056]便攜式電火花震源的工作過程(MPU控制流程如圖9):
[0057]1、將本發明的放電頭置于水中，220V外部交流電源與電源接口連接。如果采用12V或24V蓄電池作為電源，可以采取市場上成熟的正弦逆變模塊與蓄電池組合，直接接入電源端口，即可達到交流直流并用。
[0058]2、電源接通后，按下充電按鈕開關，即輸入一個Il信號給MPU控制器，隨后MPU控制器開始工作，由MPU控制器控制的輸出端口 P2給定輸出信號，電火花震源充電模塊的充電開關在MPU控制器的作用下閉合，電火花震源充電過程開始。同時MPU控制器控制的輸出端口 PO給定輸出信號,使風扇開始工作，也可以手動輸入IO信號,控制風扇。
[0059]充電過程中，220V的交流電Il經過整流器轉化為300V的直流電12 ；12通過固頻變壓控制器逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz交流電13 ；13流過三相400Hz變壓器，電壓升高至3KV-6KV的高壓交流電14，14經過三相整流器后轉化為直流電15 ；15通過外部接口與脈沖電容器相連，給電容快速充電。
[0060]其中，12通過固頻變壓控制器逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz交流電13的方法為:
[0061]固頻變壓控制器包括芯片及其控制的三相逆變電路，所述芯片采用SPWM正弦脈寬調制方法，對來自整流器的300V的直流電12進行處理，即根據輸出電壓要求建立SPWM數學模型，以此數學模型生成一組有序的SPWM脈沖信號，將這組有序的SPWM脈沖信號作用于三相逆變電路，則輸出三個分量的電流，并使之相位相差120°，便可得到具有正弦波形的三相400Hz交流電；通過設定輸出電壓從OV向220V漸變，則相應調節SPWM信號數學模型的參數，使其輸出相應有序的SPWM脈沖信號，從而輸出線性升壓的具有正弦波形的三相400Hz交流電。
[0062]3、當充電完成時(即MPU控制器內設定充電到時)，MPU控制的輸出端口 Pl給定輸出信號，使充電電路斷開且放電開關閉合，放電回路接通，電容器內部儲存的電能通過放電頭在水溶液中瞬間放電，在介質中通過脈沖大電流，使周圍介質汽化，形成高溫高壓區，瞬間爆炸產生地震波。放電完成后，關閉系統結束。
【權利要求】
1.一種便攜式電火花震源，其特征在于，包括 固頻變壓控制器:所述固頻變壓控制器與400Hz±25%三相變壓器連接，用于將直流電逆變為電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz ±25%正弦交流電； 400Hz 土 25%三相變壓器和三相整流器:所述400Hz 土 25%三相變壓器分別與固頻變壓控制器和三相整流器連接，三相變壓器用于將經固頻變壓控制器逆變的電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz±25%正弦交流電升壓并通過三相整流器變為0-5KV的直流電； 充電模塊:所述充電模塊與三相整流器連接，將整流后的0-5KV的直流電給電容充電； 放電模塊:所述放電模塊與充電模塊連接，使放電頭在水溶液中瞬間放電，形成地震波； MPU控制器:所述MPU (微處理器)控制器分別與放電模塊和充電模塊連接，用于控制充電模塊和放電模塊進行自動充、放電。
2.如權利要求1所述的便攜式電火花震源，其特征在于，單相交流220V電源經整流器與所述固頻變壓控制器連接，所述整流器將220V單相的交流電整流成300V的直流電。
3.如權利要求1所述的便攜式電火花震源，其特征在于，所述MPU控制器還與固頻變壓控制器連接，用于調節固頻變壓控制器的升壓曲線和時間。
4.如權利要求1所述的便攜式電火花震源，其特征在于，固頻變壓控制器為固頻變壓電流轉換器，由芯片及三相逆變電路組成；所述電容為脈沖電容，所述放電模塊包括放電開關及帶有放電頭的放電電纜。
5.如權利要求1-4任一項所述的便攜式電火花震源，其特征在于，所述三相變壓器的頻率為400Hz。
6.一種便攜式電火花震源的控制方法，其特征在于，所述便攜式電火花震源包括固頻變壓控制器、400Hz±25%三相變壓器、三相整流器、充電模塊、放電模塊和MPU控制器， 其中，所述控制器的控制方法是: a.通過固頻變壓控制器將300V直流電逆變成電壓從OV向220V線性變換的三相400Hz ±25% 交流電； b.通過400Hz±25%三相變壓器和三相整流器將400Hz ±25%三相交流電經過三相變壓器的升壓和三相整流器的整流變為0-5KV的直流電； c.通過充電模塊將整流后的0-5KV的直流電給電容充電，通過控制器控制充電過程，當充電完成后控制充電模塊停止充電，同時控制放電模塊放電； d.所述放電模塊接收來自MPU控制器的放電信號，使放電頭在水溶液中瞬間放電，形成地震波， 所述固頻變壓控制器由芯片及三相逆變電路組成，所述芯片的控制方法為: 采用SPWM正弦脈寬調制方法，根據輸出電壓要求建立SPWM數學模型，以此數學模型生成一組有序的SPWM脈沖信號，將這組有序的SPWM脈沖信號作用于三相逆變電路，則輸出三個分量的電流，并使之相位相差120度，便可得到三相400Hz ±25%正弦交流電；通過設定輸出電壓從OV向220V漸變，則相應調節SPWM信號數學模型的參數，使其輸出相應有序的SPWM脈沖信號，從而輸出線性升壓的具有正弦波形的三相400Hz±25%交流電。
7.如權利要求6所述的便攜式電火花震源的控制方法，其特征在于，先通過整流器將220V單相的交流電整流成300V的直流電，然后再通過固頻變壓控制器進行三相逆變。
8.如權利要求6或7 所述的便攜式電火花震源的控制方法，其特征在于，所述三相變壓器的頻率為400Hz。
【文檔編號】G05B19/04GK103543650SQ201310496799
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】王軍民, 胡文寶, 羅明璋, 徐菲, 潘云霄, 何利, 何志昂, 羅詩, 羅小剛, 蘇俊杰, 劉洋, 王坤, 楊濤 申請人:長江大學