一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，包括了基于超級電容器的儲能裝置和激發極化儀發射模塊的系統構架；其中由超級電容器儲能單元和級聯雙向Buck/Boost?LLC DC/DC變換器組成的超級電容器儲能裝置，連接激發極化儀發射模塊中直流母線對發射模塊實現能量存儲、釋放；激發極化儀發射模塊由發電機提供電源，經過整流電路、DC/AC電路、高頻變壓器、AC/DC電路和DC/AC電路變換后通過發射電極向外發射信號。本實用新型通過超級電容器儲能裝置進行能量存儲和釋放，有效穩定了激發極化儀發射模塊的信號輸出，提高了系統效率，大大減小了激發極化儀的重量、體積，降低了儀器設備的經濟成本。
【專利說明】
一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，屬于電磁勘探技術和儲能技術領域。
【背景技術】
[0002]作為一種傳統地球物理勘探方法，激發極化法在金屬礦探測方面應用極為廣泛。激發極化儀作為激發極化法金屬探礦的主要儀器設備，由發射模塊和接收系統兩部分構成。其中發射模塊占有非常重要的作用，發射信號的可靠性和穩定性直接決定儀器探礦性能的好壞。發射模塊提供的電場越強，其接收系統越容易得到信噪比高，精確可靠的極化率數據。激發極化儀中發射模塊的技術特點是在一個工作周期內，只有半個周期時間是帶負載發射工作的，另外半個周期系統不發射，發電機空載。這樣容易造成野外發電機轉速和供電電壓不穩定，空載期間電能大量浪費，在這種背景下系統提出了基于超級電容器儲能技術的儲能需求，將發射模塊不對外工作時發電機產生的能量通過超級電容器儲能裝置存儲起來，在發射模塊對外帶負載工作時將超級電容器儲能裝置原先存儲的能量釋放出去，和發電機產生的穩定電源并聯，實現功率疊加，一起對負載提供功率，從而達到穩定發電機供電、節約電能以及減小發電機額定功率、體積和重量的目的。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型根據激發極化儀中發射模塊的具體技術特點，從適應激發極化儀野外工作的具體要求，提高系統能量利用率、降低系統重量，減少系統體積以及降低經濟成本的角度出發，設計了一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統。
[0004]為實現上述目的，本實用新型的一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，包括激發極化儀發射模塊、超級電容器儲能裝置和系統控制部分;所述激發極化儀發射模塊包括發電機、整流電路、DC/AC電路、高頻變壓器、AC/DC電路、DC/AC電路以及發射電極；所述超級電容器儲能裝置包括超級電容器儲能單元以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC DC/DC變換器級聯的雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器;所述系統控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅動電路;其中發電機(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路(3)輸出端口連接高頻變壓器
(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發射電極，對外發射信號；超級電容器儲能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯連接DC/AC電路(6)的輸入端口；對超級電容器儲能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅動電路完成對DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內開關管的PffM驅動，進而實現系統的實時控制。
[0005]與現有技術相比，本實用新型的有益技術效果:
[0006]本實用新型在激發極化儀發射模塊中借鑒開關電源技術以及超級電容器儲能技術的最新成果，將超級電容器儲能單元以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器和雙向全橋LLC DC/DC變換器級聯構成功率變換器構成的超級電容器儲能裝置應用于激發極化儀發射模塊中，利用超級電容器儲能裝置進行能量的存儲和釋放，從而提高了系統能量利用率、降低系統重量，減少系統體積以及降低經濟成本。與現有技術相比，本實用新型采用超級電容器儲能裝置將激發極化儀發射模塊在空載時發電機產生的能量有效地存儲起來，從而保證了發電機轉速和供電電壓的穩定性；當發射模塊對外帶負載工作時，超級電容器儲能裝置將原來存儲的能量有效地釋放出去，和發電機提供的穩定電源一起給負載提供功率，實現功率的疊加，在負載所需額定功率的要求下，有效地減小了發電機的額定功率，從而使整個激發極化儀的體積、重量和成本大大降低;而超級電容器儲能裝置中功率變換器采用的是非隔離型的雙向Buck/Boost DC/DC變換器和隔離型雙向全橋LLC DC/DC變換器的級聯組合，能夠進行系統電壓寬范圍的精確調節，同時保證較高的變換器工作效率；同時該儲能裝置中功率變換器在全負載范圍內實現軟開關，大大降低電路開關損耗，提高變換器的工作效率和功率密度。
【附圖說明】
[0007]圖1為本實用新型所述的基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統結構圖。
[0008]圖2為本實用新型所述的超級電容器儲能裝置功率正向流動的系統框圖。
[0009]圖3為本本實用新型所述的超級電容器儲能裝置功率反向流動的系統框圖。
[0010]圖4為本實用新型所述的激發極化儀發射模塊中主要電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0011]本實用新型的基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，主要應用于電磁勘探中激發極化儀設備，根據附圖敘述本實用新型的【具體實施方式】。
[0012]如圖1所示，本實用新型的硬件電路【具體實施方式】如下:
[0013]本實用新型的一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，較佳實施方案包括激發極化儀發射模塊、超級電容器儲能裝置和系統控制部分;所述激發極化儀發射模塊包括發電機(I)、整流電路(2)、DC/AC電路(3)、高頻變壓器(4)、AC/DC電路(5)、DC/AC電路(6)以及發射電極；所述超級電容器儲能裝置包括超級電容器儲能單元(7)以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)級聯的雙向Buck/Boost-LLCDC/DC變換器;所述系統控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅動電路;其中發電機(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路
(3)輸出端口連接高頻變壓器(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發射電極，對外發射信號;超級電容器儲能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯連接DC/AC電路(6)的輸入端口 ；對超級電容器儲能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅動電路完成對DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內開關管的PffM驅動，進而實現系統的實時控制。
[0014]具體來說，所述超級電容器儲能單元(7)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的實時電壓、電流通過采樣電路反饋至DSP控制板，實現對超級電容器儲能裝置中功率變換器中開關管的PffM控制；同時所述DSP控制板對激發極化儀發射模塊中DC/AC電路(6)進行PffM控制驅動，以獲得和超級電容器儲能裝置儲能、釋能的同步電壓方波信號。
[0015]如圖1、圖2、圖4所示，本實用新型在激發極化儀發射模塊對外帶負載工作情況下:
[0016]所述激發極化儀發射模塊的發電機(I)提供功率為1KVA、電壓為380V的三相不穩定電源，所述電源經過整流電路(2)獲得功率10KW，電壓為500V的單相穩定直流電源；單相穩定直流電源依次經過DC/AC電路(3)逆變、高頻變壓器(4)進行升壓和AC/DC電路(5)整流后獲得功率為10KW、電壓為1000V的穩定電源;DC/AC電路(6)在DSP控制板的控制驅動下產生周期為16s、占空比為0.5、幅值為1000V的電壓方波信號；當電壓方波信號處于高電平時，AC/DC電路(5)輸出的穩定電源和超級電容器儲能裝置放電產生的功率為10KW、電壓為1000V的穩定電源并聯輸入DC/AC電路(6)，獲得功率為20KW、電壓為1000V的穩定電源信號對外發射；當電壓方波信號處于低電平時，AC/DC電路(5)輸出的穩定電源輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲能裝置能量存儲的電源輸入，此時激發極化儀不對外發射信號，發射電極輸出為零。
[0017]具體來說，如圖4所示，激發極化儀發射模塊對外帶負載工作時，輸出電壓方波信號Vro處于高電平，此時如圖2所示，超級電容器儲能裝置處于放電狀態，功率正向流動，超級電容器儲能單元(7)放電，為雙向Buck/Boost DC/DC變換器提供功率為1KW，電壓變化范圍為200?400V的不穩定直流電源V1，電源V1經過Boost升壓工作模式下的雙向Buck/BoostDC/DC變換器(8)，獲得功率為10KW，電壓為800V的穩定直流電源Vdc，之后，穩定直流電源Vdc輸入雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)，經過變換器電壓調節后，獲得功率為10KW，電壓為1000V的穩定直流電源￥2，該穩定電源和AC/DC電路(5)整流流出的功率為1KW，電壓為1000V的穩定直流電源并聯，共同作用輸入DC/AC電路(6)進行逆變，此時DC/AC電路(6)輸出的電壓方波信號處于高電平，獲得功率為20KW，電壓為1000V的電源信號，通過發射電極對外發射。
[0018]如圖1、圖3、圖4所示，本實用新型在激發極化儀發射模塊對外不工作情況下的【具體實施方式】如下:
[0019]本實用新型的較佳實施方式中，發明的基于超級電容器儲能的激發極化儀發射模塊對外不工作，此時超級電容器儲能裝置處于儲能狀態，超級電容器儲能單元(7)充電，此時，激發極化儀發射模塊的電壓方波信號為低電平，發射電極輸出為零;AC/DC電路(5)流出的功率為10KW，電壓為1000V的穩定電源輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲能裝置能量存儲的電源輸入，經過電壓調節后獲得功率為10KW，電壓為800V的穩定直流電源，之后該電壓源輸入Buck降壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)，對超級電容器儲能單元(7)中超級電容器充電，直到超級電容器儲能單元端電壓達到額定值400V為止，充電完成。
[0020]結合圖1、圖3和圖4對【具體實施方式】進行說明:
[0021]如圖4所不，激發極化儀發射模塊對外不工作時，輸出電壓方波信號Vrq處于低電平，此時如圖3所示，超級電容器儲能裝置處于充電狀態，功率反向流動，AC/DC電路(5)流出的功率為10KW，電壓為1000V的穩定電源￥2輸入雙向LLC DC/DC變換器(9)右端口，作為超級電容器儲能裝置能量存儲的電源輸入，經過電壓調節后獲得功率為10KW，電壓為800V的穩定直流電源Vdc，之后該電壓源輸入Buck降壓工作模式下的雙向Buck/Boost DC/DC變換器
(8)，對超級電容器儲能單元中超級電容器充電，直到超級電容器儲能單元(7)端電壓達到額定值400V為止，充電完成。
【主權項】
1.一種基于超級電容器儲能的激發極化儀發射系統，其特征為:包括激發極化儀發射模塊、超級電容器儲能裝置和系統控制部分； 所述激發極化儀發射模塊包括發電機(I )、整流電路(2)、DC/AC電路(3)、高頻變壓器(4)、AC/DC電路(5)、DC/AC電路(6)以及發射電極； 所述超級電容器儲能裝置包括超級電容器儲能單元(7)以及由雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)級聯的雙向Buck/Boost-LLC DC/DC變換器； 所述系統控制部分包括DSP控制板、采樣電路和驅動電路； 其中發電機(I)與整流電路(2)輸入端口相連，整流電路(2)輸出端口連接DC/AC電路(3)輸入端口，DC/AC電路(3)輸出端口連接高頻變壓器(4)輸入端口，高頻變壓器(4)輸出端口連接AC/DC電路(5)輸入端口，AC/DC電路(5)輸出端口分別連接DC/AC電路(6)的輸入端口和雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口，DC/AC電路(6)的輸出端口連接發射電極，對外發射信號；超級電容器儲能單元(7)與雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)左端口相連，雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口連接雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的左端口，雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)的右端口與AC/DC電路(5)輸出端口并聯，接入DC/AC電路(6)的輸入端口 ；對超級電容器儲能單元(7)輸出端口、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)右端口以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)右端口進行電壓、電流檢測，通過采樣電路獲得的電壓信號、電流信號送至DSP控制板，最后由驅動電路完成DC/AC電路(6)、雙向Buck/Boost DC/DC變換器(8)以及雙向全橋LLC DC/DC變換器(9)內開關管的PffM驅動，進而實現系統的實時控制。
【文檔編號】H02M9/04GK205490227SQ201620046002
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月11日
【發明人】曾志輝, 王曉衛, 韋延方, 張志剛, 高慶華, 楊曉邦, 張蛟龍
【申請人】河南理工大學