用于地電阻率交流電法觀測的低頻穩(wěn)流電源研發(fā)

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)。