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    用于地電阻率交流電法觀測的低頻穩(wěn)流電源研發(fā)

    2016-09-04 02:31:26劉大鵬夏忠王蘭煒
    中國地震 2016年4期
    關(guān)鍵詞:穩(wěn)流電阻率變壓器

    劉大鵬 夏忠 王蘭煒

    1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京市海淀區(qū)安寧莊路1號 100085

    2)江蘇省地震局新沂地震臺,江蘇新沂 221400

    0 引言

    地電阻率觀測是我國地震前兆觀測領(lǐng)域的重要手段之一,目前主要采用直流電法。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國大部分地電阻率觀測臺站的場地都存在不同程度的電磁干擾,尤其是城市軌道交通和電氣化鐵路在各地的快速擴(kuò)張,嚴(yán)重影響了地電阻率觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。越來越嚴(yán)重的電磁干擾使一些城市附近的地電阻率臺站觀測工作難以進(jìn)行,不得不選擇搬遷(張世中等,2013)。

    為此,我國地震科技工作者進(jìn)行了很多研究和嘗試,其中,交流地電阻率觀測方法被認(rèn)為是一種較為有效的方法(桂燮泰等,1988)。這種基于交流供電方式的新型電阻率觀測系統(tǒng)主要由低頻交流發(fā)射機(jī)(低頻穩(wěn)流電源)和低頻交流接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)通過供電電極向大地發(fā)射出固定頻率的低頻交流信號,接收機(jī)測量電極之間對應(yīng)頻率的電壓及電流值,即通過選頻發(fā)射-選頻接收的方式,獲得較高的信噪比,明顯提高了觀測系統(tǒng)的抗干擾能力(羅維斌等,2004)。

    20世紀(jì)80年代,中國地震局曾引進(jìn)美國公司生產(chǎn)的Mark型低頻交流激發(fā)極化儀成套設(shè)備(包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)),在河北省開灤馬家溝地震臺開展地電阻率交流觀測方法的監(jiān)測實驗,結(jié)果證明了該方法的可行性(桂燮泰等,1988;馬希融,1989)。

    這種基于交流供電方式的新型電阻率觀測系統(tǒng)投入實際應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)是要有性能良好的信號發(fā)射源,用以提供可調(diào)控、穩(wěn)流輸出的大功率低頻交流電。本文對這種低頻穩(wěn)流電源的研發(fā)與測試過程作了較為詳細(xì)的闡述。這是一項基礎(chǔ)性研究工作,為基于交流電法的新型地電阻率觀測系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

    1 理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)

    1.1 地電阻率交流電法觀測基本原理

    在0.01~1000Hz頻段,交流電場分布可近似地遵循歐姆定律,此時地電阻率交流測量方法與直流測量方法相同(桂燮泰等,1988;張國民等,2001)?;诘皖l交流電法的地電阻率觀測原理如圖1所示。

    圖1中,D、B為供電電極,M、N為測量電極,通過D、B向地下供入一定頻率的穩(wěn)定電流I,同時測量由此電流產(chǎn)生的M、N間的電位差ΔU,可由公式(1)計算出相應(yīng)的視地電阻率值。

    圖1 基于交流電法的地電阻率觀測原理

    式中,K為裝置系數(shù),與D、B、M、N電極的位置相關(guān)。

    低頻交流地電阻率法是人工信號源向地下發(fā)送一定頻率的低頻穩(wěn)流信號,用高采樣數(shù)據(jù)采集器同步選頻接收經(jīng)大地傳輸后對應(yīng)頻率的低頻電流的響應(yīng)信號,進(jìn)而測得電極間相應(yīng)頻率的電壓及電流值,計算出測區(qū)的地電阻率值。由于該方法采用了特定頻率的信號進(jìn)行觀測,這樣就在很大程度上規(guī)避了測區(qū)內(nèi)因其它頻率噪聲信號引入的電磁環(huán)境干擾,從而大大地提高了測量系統(tǒng)的抗干擾能力(桂燮泰等,1988)。由此可見,在基于交流電法的地電阻率測量過程中,人工信號源(低頻穩(wěn)流電源)的輸出性能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

    1.2 交流電源關(guān)鍵技術(shù)分析

    1.2.1 大功率輸出及電路保護(hù)

    為了滿足一定的信噪比要求,低頻穩(wěn)流電源需要具備較高的輸出功率。參照中國地電阻率觀測臺站目前廣泛采用的ZD8系列直流穩(wěn)流電源,其供電電流有效值通常在2A左右。假設(shè)測量的負(fù)載為100Ω,則輸出功率約為400W。相較直流電源輸出的恒定狀態(tài),交流電源的輸出波形始終處于交變狀態(tài),其對整個電路及主要器件施加的電壓更高。這就需要在研制過程中對電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計、器件的選擇以及安全性保護(hù)措施等給予綜合考慮。

    為了提高功率輸出能力,電源系統(tǒng)內(nèi)部增加了高頻變壓器的設(shè)計,通過提升負(fù)載電壓實現(xiàn)大功率輸出的能力。對電源系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了多次優(yōu)化,功率器件均選用耐高壓、大電流的器件,同時采取完備的電路保護(hù)措施,以保證電源系統(tǒng)在輸出較大功率時的安全運轉(zhuǎn)。

    1.2.2 電流幅度及頻率的穩(wěn)定輸出

    供電電流的穩(wěn)定程度直接影響地電阻率的觀測精度。在實際觀測中,由于大地負(fù)載的變化、電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定都會引起供電電流的不穩(wěn)定,因此需要采取措施保證供電電流的穩(wěn)定輸出。此外,要求電流信號的輸出頻率及幅度在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。

    為了實現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出,采用了閉環(huán)負(fù)反饋的電源系統(tǒng)。電源輸出的取樣信號,通過與基準(zhǔn)源所產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較,得到誤差信號,該信號經(jīng)過調(diào)制,控制開關(guān)器件的開關(guān),自動校正主回路的輸出狀態(tài),從而可以輸出幅度及頻率都很穩(wěn)定的電流。對電源輸出頻率和幅值的調(diào)控也是基于這個過程。通過改變基準(zhǔn)信號的頻率和幅值,即可通過閉環(huán)回路自動調(diào)整輸出電流的頻率與幅值。

    1.2.3 SPWM驅(qū)動控制信號的產(chǎn)生

    電源系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地輸出主要依靠SPWM驅(qū)動控制信號的控制,該信號的產(chǎn)生是通過電路及程序依靠自身調(diào)節(jié)自動快速完成的。要產(chǎn)生高質(zhì)量的SPWM驅(qū)動控制信號,首先需要一個高質(zhì)量的參考基準(zhǔn)源,本研究以單片機(jī)為核心,以C語言和匯編語言相結(jié)合的形式編制了基準(zhǔn)正弦波形發(fā)生程序,以產(chǎn)出高質(zhì)量的參考基波;此外考慮到SPWM驅(qū)動控制信號所含的基波頻率很低(0.1~10Hz),用小型高頻變壓器的方法根本無法實現(xiàn),因此在驅(qū)動信號的產(chǎn)生和加載過程需要設(shè)計新的處理環(huán)節(jié)。

    2 電源的設(shè)計

    2.1 基本結(jié)構(gòu)

    低頻穩(wěn)流電源系統(tǒng)的設(shè)計采用開關(guān)電源技術(shù),以閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)通過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)來實現(xiàn)對電源的輸出控制。交流電源系統(tǒng)主要由輸入與整流濾波電路、電壓變換電路、PWM驅(qū)動控制電路、逆變輸出電路、SPWM驅(qū)動控制電路、電壓取樣電路、電流取樣電路等部分組成(圖2)。

    圖2 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    圖2中,整流濾波電路完成將220V市電轉(zhuǎn)換為直流電的整流轉(zhuǎn)換。電壓變換電路、電壓取樣電路與PWM驅(qū)動控制電路組成閉環(huán)負(fù)反饋功率變換回路系統(tǒng),完成“逆變-升壓-整流濾波”過程,實現(xiàn)提升輸出功率的作用。逆變輸出電路、電流取樣電路與SPWM驅(qū)動控制電路組成閉環(huán)負(fù)反饋逆變輸出回路系統(tǒng),實現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的交流電流輸出。電源系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)以單片機(jī)為核心,通過接收主機(jī)的串口指令實現(xiàn)對電源的輸出狀態(tài)進(jìn)行控制,使低頻穩(wěn)流電源能夠快速、準(zhǔn)確地根據(jù)主機(jī)的命令來輸出相應(yīng)頻率和幅度的交流信號。

    2.2 功率變換回路

    2.2.1 組成結(jié)構(gòu)

    功率變換回路主要由逆變開關(guān)電路、高頻變壓器、輸出與整流濾波電路、電壓取樣電路及PWM驅(qū)動控制電路等5個部分組成(圖3)。其中“逆變-升壓-整流濾波”環(huán)節(jié)是電壓變換電路的主體,實現(xiàn)了DC-AC-DC的轉(zhuǎn)變,電壓取樣與PWM驅(qū)動控制電路構(gòu)成反饋控制回路,對逆變狀態(tài)進(jìn)行自動校正和調(diào)節(jié)。

    圖3 電壓變換電路結(jié)構(gòu)圖

    電壓變換電路(圖4)中的T1~T4是4個功率開關(guān)VMOS管,它們組合成了開關(guān)逆變器,主要實現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)換;TX1是大功率鐵氧體高頻變壓器,主要實現(xiàn)電壓提升與電氣隔離;D1~D4是4個二極管組成的全橋式整流器,主要實現(xiàn)AC-DC的整流處理;L1、C1組成濾波電路;R1、R2是2只精密電阻,主要實現(xiàn)電壓取樣;R0是1只假負(fù)載電阻;TX2是1組小型高頻變壓器,主要實現(xiàn)PWM驅(qū)動控制信號的加載以及電氣隔離。

    圖4 電壓變換電路組成示意圖

    圖4中,當(dāng)VMOS管T1、T4或 T2、T3在反饋回路控制下按照固定頻率交替導(dǎo)通-關(guān)斷時,逆變出來的交流電(準(zhǔn)方波)會加載在高頻變壓器TX1的原邊上,變壓器的副邊會感應(yīng)出與繞組匝數(shù)成比例的交流感應(yīng)電壓。該高頻交流電經(jīng)過全橋整流器進(jìn)行整流處理,以及后面的LC濾波處理后,就得到了直流輸出。直流輸出經(jīng)電壓取樣后輸入PWM集成控制芯片,產(chǎn)生26kHz固定頻率的PWM驅(qū)動控制信號,經(jīng)變壓器TX2加載至4個VMOS管的柵極,控制VMOS管的導(dǎo)通-關(guān)斷狀態(tài),進(jìn)而實現(xiàn)整個功率變換閉環(huán)回路的自動調(diào)控。

    2.2.2 逆變開關(guān)電路的設(shè)計

    逆變開關(guān)電路是整個功率變換回路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其主要功能是將直流電變換為高頻交流電,供變壓器進(jìn)行升壓。逆變開關(guān)電路由4個內(nèi)部帶高耐壓二極管的功率場效應(yīng)晶體管(VMOS管)T1~T4組成,形成兩組交替導(dǎo)通、截止的H型全橋式逆變橋臂,其中T1和T4為1組,T2和 T3為另1組(圖 5)。

    圖5 逆變開關(guān)電路結(jié)構(gòu)圖

    VMOS開關(guān)管的柵極是控制極,當(dāng)柵極電壓高于導(dǎo)通電壓時,VMOS管的漏極和源極就處于導(dǎo)通狀態(tài),否則處于關(guān)斷狀態(tài)。兩組開關(guān)管在26kHz高頻狀態(tài)下交替通斷(圖6),當(dāng)開關(guān)管 T1、T4導(dǎo)通,T2、T3斷開時,負(fù)載電壓U0為正狀態(tài);當(dāng)開關(guān)管 T1、T4斷開,T2、T3導(dǎo)通時,負(fù)載電壓U0為負(fù)狀態(tài)。如此高頻交替進(jìn)行,就在負(fù)載上得到了由直流電逆變而出的近方波交流電。

    閉環(huán)負(fù)反饋回路通過SG3525集成芯片輸出26kHz固定頻率的 PWM驅(qū)動控制信號,加載至VMOS管的柵極,通過控制4個開關(guān)管的導(dǎo)通與截止,從而控制整個逆變電路的輸出。逆變橋電路輸出的示波器波形如圖7所示。

    圖6 全橋式逆變等效原理圖

    2.2.3 高頻變壓器的設(shè)計

    為了滿足電源大功率輸出的要求,在逆變開關(guān)環(huán)節(jié)引入了高頻變壓器。高頻變壓器是指工作頻率超過10kHz的電源變壓器,其主要作用是將逆變開關(guān)電路輸出的高頻交流電進(jìn)行升壓,進(jìn)而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的輸出電壓的提升,同時還起到電氣隔離的作用。

    開關(guān)電源中的高頻變壓器大多采用EI或EE型鐵氧體磁心。本研究選用的為EE65型鐵氧體磁心(圖8、9)。EE65型磁心為對稱性結(jié)構(gòu),制作出的高頻變壓器具有窗口面積大、繞制方便、價格適中、可靠性強等特點。

    本研究選用的高頻變壓器工作頻率約為26kHz,選擇這個頻率主要是考慮2個因素:①如果工作頻率低于20kHz,會導(dǎo)致變壓器的體積與重量大幅度增加;②如果工作頻率如果設(shè)置過高,在大功率的運轉(zhuǎn)條件下,變壓器的發(fā)熱會比較嚴(yán)重。為了滿足電源大功率輸出的設(shè)計要求,高頻變壓器的原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)比為N1∶N2=1∶2,這樣高頻變壓器的副邊繞組會感應(yīng)出約2倍于原邊繞組電壓的交流電。

    圖7 示波器顯示逆變開關(guān)電路輸出波形

    圖8 EE65型磁心外觀

    圖9 EE65型磁心骨架

    2.3 逆變輸出回路

    2.3.1 組成結(jié)構(gòu)

    逆變輸出電路主要由逆變開關(guān)電路、濾波輸出電路、電流采樣電路和SPWM驅(qū)動控制電路組成(圖10),主要作用是將升壓后的直流電進(jìn)行DC-AC轉(zhuǎn)換,經(jīng)平滑濾波處理后輸出交流穩(wěn)流電流。

    逆變輸出回路(圖11)的運轉(zhuǎn)過程是:電源輸出經(jīng)過電流取樣取得輸出的電流信號,經(jīng)放大器反向放大后與基準(zhǔn)正弦波發(fā)生器輸出的指定頻率的基準(zhǔn)正弦信號(通過單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換器獲得)進(jìn)行比較,得到誤差信號Ir,輸入SPWM集成控制芯片。SPWM集成控制芯片在誤差信號Ir與其外設(shè)元器件的作用下生成4路SPWM驅(qū)動控制信號,分別加載至逆變輸出電路的4個VMOS管的柵極,控制VMOS管的導(dǎo)通與截止,進(jìn)而調(diào)節(jié)整個逆變輸出電路的輸出。

    2.3.2 可變頻穩(wěn)定輸出的設(shè)計

    圖10 逆變輸出電路

    圖11 逆變驅(qū)動控制回路

    電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確輸出是通過閉環(huán)反饋回路自動控制完成的。當(dāng)輸出電流I0下降時,基準(zhǔn)正弦信號與采樣電流之間的差值Ir會升高,進(jìn)而會促使SPWM集成控制器(圖12)產(chǎn)生的SPWM脈沖控制信號的寬度變得更寬,寬脈沖會控制逆變橋VMOS管的導(dǎo)通時間變得更長,逆變出的能量會隨之增多,從而引起輸出電流I0的升高。反之亦然。這樣就實現(xiàn)了整個逆變輸出回路的自動調(diào)節(jié)與修正,保證了交流電信號輸出的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

    開關(guān)電源的輸出電流經(jīng)過取樣后與基準(zhǔn)正弦信號進(jìn)行差值計算,然后將其差值Δr與等腰三角載波進(jìn)行比較調(diào)制,產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM驅(qū)動脈沖信號,進(jìn)而控制逆變輸出電路4個VMOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷,最終得到理想的正弦電流輸出。

    由上述分析可知,基準(zhǔn)正弦信號的形態(tài)決定了輸出信號的形態(tài)(圖13),通過控制基準(zhǔn)正弦信號的頻率和幅度,即可控制整個電源系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。單片機(jī)在解析外部輸入的輸出狀態(tài)串口命令后,結(jié)合數(shù)/模轉(zhuǎn)換器共同產(chǎn)生0.1~10Hz范圍內(nèi)的低頻標(biāo)準(zhǔn)正弦波,進(jìn)而控制整個電源系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。

    2.3.3 基準(zhǔn)正弦信號發(fā)生器的設(shè)計

    基準(zhǔn)正弦信號的質(zhì)量關(guān)系到整個電源系統(tǒng)的輸出質(zhì)量,市場上的低頻正弦信號發(fā)生器質(zhì)量較差,因此需要專門設(shè)計。基準(zhǔn)正弦信號發(fā)生器采用1片AT89C55單片機(jī)芯片和2片MAX541數(shù)/模轉(zhuǎn)換器生成波形,結(jié)合低通濾波器及放大電路,可輸出0.1~10Hz之間的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變,其中,頻率的改變通過串口指令控制,幅度的改變通過電位器調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

    圖12 SPWM驅(qū)動信號產(chǎn)生過程

    圖13 示波器顯示變頻輸出信號的形態(tài)

    單片機(jī)是整個正弦波形信號發(fā)生器的核心部分,在接收到外部串口變頻控制指令后,運行存儲的程序,向2片D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的數(shù)字信號,使2片 D/A轉(zhuǎn)換器輸出2組相位交錯的正弦正半周期波形,最后將2組信號疊加成1個完整的正弦信號。基準(zhǔn)正弦信號的形成過程如圖14所示。

    圖14 基準(zhǔn)正弦信號輸出流程

    正弦波信號發(fā)生控制器的引腳如圖15所示。其中單片機(jī)連接了上電自動復(fù)位電路,外接溫補晶振的頻率為33MHz。運算放大器的外接電阻R1~R4采用0.01%級高精度電阻,以保證合成正弦波的對稱性。

    圖15 正弦波信號發(fā)生控制器的引腳連接

    3 性能測試

    經(jīng)過初步分析,低頻穩(wěn)流電源的主要性能要求如下:

    (1)輸入電壓:AC 220V±10%;

    (2)最大輸出功率:優(yōu)于400W;

    (3)輸出頻率范圍:0.1~10Hz;

    (4)輸出頻率穩(wěn)定度:優(yōu)于0.1%;

    (5)輸出電流幅值穩(wěn)定度:優(yōu)于0.5%;

    (6)輸出電流的幅值、頻率可調(diào)。

    3.1 最大輸出功率測試

    輸出功率測試方法如圖16所示。R0=100Ω,是大功率負(fù)載電阻,Ri=0.1Ω,是取樣電阻。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電,使用MCDAU-1型數(shù)據(jù)采集器(交流觀測系統(tǒng)的接收機(jī))以1000Hz采樣率對取樣電阻Ri的電壓量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

    圖16 輸出功率測試

    通過對數(shù)據(jù)采集器采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理,計算得到交流電源在指定頻率下輸出的單峰值電壓值Ui。由公式(2)可計算出電源的最大有效輸出功率P,其中I是有效輸出電流值。電源最大輸出功率測試結(jié)果見表1。

    表1 電源最大輸出功率測試結(jié)果

    3.2 輸出電流幅值穩(wěn)定度測試

    輸出電流穩(wěn)定度測試方法如圖10所示。R0=100Ω,Ri=0.1Ω。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電,使用MCDAU-1型數(shù)據(jù)采集器以1000Hz采樣率對取樣電阻Ri的電壓量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每相隔20個正弦周期取1組正弦峰峰值數(shù)據(jù),每個頻點各按此方法取8組數(shù)據(jù)。

    按照公式(3)和公式(4)分別計算各頻點電壓測值的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和相對標(biāo)準(zhǔn)差(RSD),其中N=8,Xi是電壓測值,是8組電壓測值的平均值。測試結(jié)果見表2。

    表2 輸出電流穩(wěn)定度測試結(jié)果

    3.3 輸出頻率穩(wěn)定度測試

    輸出頻率穩(wěn)定度測試方法如圖17所示。R0=100Ω,Ri=0.1Ω。低頻穩(wěn)流電源輸出指定頻率的交流電,使用Agilent 53132A型頻率計對取樣電阻Ri的電壓信號進(jìn)行頻率測試,每個頻點讀取5組頻率測值。

    圖17 輸出頻率測試

    表3 輸出頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果

    按照公式(3)和公式(4)分別計算各頻點頻率測值的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差,其中N=5,Xi是頻率測值,是5組頻率測值的平均值(表3)。

    4 結(jié)論和討論

    本文針對應(yīng)用于新型電阻率觀測系統(tǒng)的低頻穩(wěn)流電源開展研究。經(jīng)過測試,研制出的電源樣機(jī)具有良好的輸出性能,性能指標(biāo)達(dá)到了初步的設(shè)計要求。樣機(jī)的輸出頻率在0.1~10Hz范圍內(nèi)可調(diào),最大輸出功率可達(dá)450W(100Ω負(fù)載電阻條件下),輸出電流的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%,輸出電流的幅值穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%,輸出電流的頻率和幅值可調(diào)。該型電源的研制為交流地電阻率觀測研究的開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

    目前,基于交流電法的新型地電阻率觀測系統(tǒng)正在江蘇省江寧地震臺進(jìn)行場地觀測實驗,為該觀測系統(tǒng)的實用化做準(zhǔn)備。今后,該型電源還有幾個技術(shù)環(huán)節(jié)需要進(jìn)一步加以完善和優(yōu)化:①該型電源目前的輸出功率已經(jīng)能夠滿足技術(shù)要求,但在實際觀測中,電源的輸出功率越大,產(chǎn)生的信噪比就越高,取得的觀測效果就越好。所以今后還需要繼續(xù)改進(jìn)該型電源的電路結(jié)構(gòu)及器件組成,進(jìn)一步提高電源的輸出功率。②繼續(xù)完善和加強該型電源的安全性措施,提高其耐用性和安全性,為今后長期的場地環(huán)境觀測打下基礎(chǔ)。

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