基于瞬變電磁發(fā)射機(jī)的電路保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 彪，張一鳴，張 棟，原大康，王旭紅

（北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124）

0 引 言

隨著我國改革開放及現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，我國對礦產(chǎn)能源的需求日益增加。由于我國在早期主要探測對象為地下500 m以內(nèi)的淺層礦產(chǎn)資源，長時(shí)間的開采導(dǎo)致淺層礦產(chǎn)資源的儲量迅速下降[1]。在我國廣袤的國土上，還有約70%的石油資源和90%以上的天然氣資源未被探明，因此探測深層的礦產(chǎn)資源頗為緊迫[2]。發(fā)展深部探測技術(shù)手段，提高我國深部探測儀器技術(shù)水平，對社會(huì)的發(fā)展具有重要的意義和價(jià)值[3]。本課題中研究的瞬變電磁發(fā)射機(jī)即為深部探測中所使用的激勵(lì)源，發(fā)射機(jī)輸出占空比為100%的雙極性方波，通過發(fā)射電極向地下發(fā)射不同頻率的一次場，由于不同的地質(zhì)體會(huì)感應(yīng)出不同的二次場，通過檢測二次場來分析地下的礦藏分布情況[4-6]。

瞬變電磁發(fā)射機(jī)采用380 V三相交流電作為輸入電源，通過一系列整流逆變電路，將380 V三相交流轉(zhuǎn)化為雙極性方波。該發(fā)射機(jī)的最大發(fā)射電壓為1 000 V，最大發(fā)射電流為50 A，屬于大功率電器設(shè)備，盡管在功率器件的選型上留有了充分的裕量，但是仍要考慮到意外情況的發(fā)生。因此，本文針對該發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了一套硬件保護(hù)電路，可以在發(fā)射機(jī)發(fā)生過壓、過流、器件過溫等問題時(shí)，及時(shí)有效地檢測出來，并切斷發(fā)射機(jī)輸入電源，以免對發(fā)射機(jī)造成進(jìn)一步破壞。

1 瞬變電磁發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)主要由供電電源、發(fā)射機(jī)、發(fā)射裝置及接收機(jī)組成。本文針對的瞬變電磁發(fā)射機(jī)為一款大功率電磁波發(fā)射機(jī)，為了保證足夠的發(fā)射功率和工作時(shí)長，采用柴油發(fā)電機(jī)輸出的380 V三相電作為輸入電源。發(fā)射裝置由長度不等的發(fā)射線、接地電極以及大地負(fù)載組成，根據(jù)不同的探測深度需求而定，如圖1所示。

瞬變電磁探測系統(tǒng)的具體工作原理如下：發(fā)電機(jī)輸出的380 V三相電經(jīng)電源線連接到發(fā)射機(jī)的輸入端，經(jīng)發(fā)射機(jī)內(nèi)部一系列的整流逆變等電力變換，調(diào)制成發(fā)射電壓為0～1 000 V可調(diào)，頻率為0.012 5～9 600 Hz的雙極性方波。

發(fā)射機(jī)采用AC-DC-AC-DC-AC的兩極全橋逆變器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電路拓?fù)淙鐖D2所示。H1橋?yàn)槿嗖豢卣鳂?，將輸入的三相電壓整流?70 V左右的直流電壓，由于整流之后的電壓有一定的紋波，所以后級采用LC濾波電路進(jìn)行濾波，減小輸出直流電壓的紋波。H2橋?yàn)槿珮蚰孀冸娐罚捎靡葡嗳珮蜍涢_關(guān)的控制方法，利用諧振電容C1～C4和回路電感Lleak的諧振作用，使Q1～Q4導(dǎo)通和關(guān)斷前集電極和發(fā)射極之間的電壓先降為零電壓，從而減少功率器件的開關(guān)損耗和電磁干擾，提高系統(tǒng)效率[7,8]。H3為高頻整流橋，采用兩級整流橋串聯(lián)的方案，可以提高輸出電壓閾值，并且減小二極管的電壓應(yīng)力，提高系統(tǒng)安全性。H4為輸出逆變橋，將高頻整流橋整流后的直流電壓逆變成不同頻率的方波，從而在發(fā)射電極上產(chǎn)生不同頻率的磁場信號。

發(fā)射機(jī)內(nèi)部功率拓?fù)浔容^復(fù)雜，功率器件眾多，并且發(fā)射機(jī)長期在野外工作，工作環(huán)境惡劣，在運(yùn)輸過程中可能導(dǎo)致內(nèi)部電路的損壞。另外，該發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率達(dá)到50 kW，屬于大功率設(shè)備，盡管在設(shè)計(jì)之初充分考慮了各個(gè)元件的參數(shù)選型，留有一定的裕量，但是仍要考慮到意外情況的發(fā)生。本文針對發(fā)射機(jī)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，設(shè)計(jì)出過電壓保護(hù)電路、過電流保護(hù)電路、過溫保護(hù)電路和水冷系統(tǒng)循環(huán)檢測電路，當(dāng)出現(xiàn)過電壓、過電流、功率器件過溫以及水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)切斷輸入電源，具有判斷準(zhǔn)確，動(dòng)作迅速的特點(diǎn)。

2 保護(hù)電路原理和設(shè)計(jì)

2.1 過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在瞬變電磁發(fā)射機(jī)中，H3橋和H4橋母線電壓最高可以達(dá)到1 000 V，因此這兩個(gè)橋臂上的功率器件承受的電壓應(yīng)力最大，出現(xiàn)故障的概率最高，所以電壓保護(hù)電路主要針對該母線電壓進(jìn)行檢測和保護(hù)。由于該母線電壓屬于高電壓，因此不能直接對其進(jìn)行采集和判斷，采用電壓傳感器AD202KN將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號。AD202KN功耗低，僅為75 mW；精度高，最大非線性度為0.002 5%；頻帶較寬，全功率帶寬為5 kHz，可滿足絕大多數(shù)測量場合。所以，AD202KN廣泛應(yīng)用于過程控制信號采集、電機(jī)控制等領(lǐng)域。AD202KN可測量的最大電壓有效值為1 500 V，電壓最高峰值2 000 V，采用+15 V電源供電。電壓采樣電路如圖3所示。

圖3中，P1為輸入端口，連接待測的輸入電壓，R1、R4、R5為分壓電阻，將待測電壓按照一定倍數(shù)進(jìn)行衰減，R2和R3為輸入反饋電阻，OUTPUT_HI和OUTPUT_LO引腳為輸出電壓的高電平和低電平，這里將OUTPUT_LO引腳接地，假設(shè)輸入的電壓為Uin，輸出電壓為Uout，則根據(jù)AD202KN的器件手冊，可以得出輸出輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系為：

根據(jù)式（1）可以計(jì)算出不同的輸入電壓對應(yīng)的不同電壓轉(zhuǎn)換值。在此設(shè)計(jì)中R1=20 kΩ，R4=40 Ω，R5=20 kΩ，R3=4.7 kΩ，R2=1 kΩ，其中R1、R4、R5采用耐壓值較高的電阻，此時(shí)輸出電壓Uout和Uin的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

當(dāng)輸出電壓達(dá)到1 000 V時(shí)，經(jīng)電壓采集電路轉(zhuǎn)換為5 V。該電壓經(jīng)過比較器與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)超過參考電壓時(shí)，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，傳遞給后級電路。

2.2 過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

瞬變電磁發(fā)射機(jī)最大輸出電流為50 A，當(dāng)輸出電流超過50 A時(shí)，需要及時(shí)切斷電源。輸出電流的采集主要通過霍爾傳感器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用LEM公司的電流傳感器LA55-P。該傳感器常用于直流、交流、脈沖電流的電子測量，在一次電路（大功率）和二次電路（電子電路）之間作為電流隔離。LA55-P可測量一次電路的電流范圍為0～±70 A，信號轉(zhuǎn)換比率為1∶1 000，即1 A的測量電流對應(yīng)1 mA的輸出電流，線性誤差小于0.15%，完全符合瞬變電磁發(fā)射機(jī)發(fā)射電流的測量需求。采用金升陽電源URA_LD-30WR3為傳感器提供±15 V電源，M腳為信號輸出引腳，通過R5電阻得到采樣電壓，具體電路如圖4所示。

由于發(fā)射機(jī)輸出的為雙極性方波，所以采集到的電流為交流信號。為了使處理器能夠?qū)崟r(shí)采集到正的電壓信號，需要將負(fù)的電壓值轉(zhuǎn)化為其絕對值電壓，所以設(shè)計(jì)了絕對值電路。采集到的SIGNALOUT+信號經(jīng)過絕對值電路，與一般利用單向?qū)щ姸O管所構(gòu)成的絕對值電路不同，該電路利用運(yùn)算放大器和深度負(fù)反饋克服了二極管非線性和門檻電壓帶來的信號失真，OUT1的電壓值為SIGNALOUT+信號的絕對值電壓，具體電路如圖5所示。

采集到的SIGNALOUT+信號經(jīng)過絕對值電路后，再經(jīng)過峰值保持電路（見圖6），其中C6起到濾波和保持峰值電壓的作用，在每次采樣完成后，通過I/O口控制三極管Q1的導(dǎo)通，對電容進(jìn)行泄放，為下一次電壓峰值的采集做準(zhǔn)備。

2.3 水冷系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在瞬變電磁發(fā)射機(jī)的正常工作過程中，IGBT等功率器件會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，這些損耗均以熱量的形式散發(fā)出來，如果不能及時(shí)散熱，會(huì)造成功率器件因過熱導(dǎo)致的損毀。因此，發(fā)射機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一套水冷系統(tǒng)，冷卻液經(jīng)過水冷管和水冷板流經(jīng)功率器件散熱板，將熱量帶走，經(jīng)散熱器將冷卻液冷卻，冷卻后的液體再流經(jīng)功率器件輔助散熱，循環(huán)往復(fù)。水冷液循環(huán)的動(dòng)力由水泵提供，發(fā)射機(jī)水泵采用芯睿SC-750型，直流12 V供電，最大流量為750 L/h，最大揚(yáng)程12 m。由于發(fā)射機(jī)在運(yùn)輸路上顛簸以及水泵本身材料老化等原因，水泵可能存在停轉(zhuǎn)或者漏液等情況，導(dǎo)致冷卻液循環(huán)速度下降，散熱效率降低。為了檢測水冷系統(tǒng)是否工作正常，在水冷管中接入流速傳感器測量冷卻液流速，并將其轉(zhuǎn)換為電信號以便處理。

流速傳感器采用SEN_HZ41WA傳感器。該傳感器為脈沖信號水流傳感器，采用+5 V供電電源。當(dāng)有水流流過傳感器時(shí)，根據(jù)水流流速大小產(chǎn)生不同頻率占空比50%的方波，且頻率與流速成正比關(guān)系。在水泵正常工作時(shí)，水流傳感器的輸出頻率在550 Hz左右。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路采用BURR-BROWM公司的VFC32芯片搭建。該芯片最大可以測量500 kHz的輸入頻率，在10 kHz的頻率下，最大的線性誤差為±0.01%。圖7為頻率電壓轉(zhuǎn)換電路。

VFC32工作原理是電荷平衡，通過電容耦合輸入網(wǎng)絡(luò)C3、R16和R17將輸入的方波信號轉(zhuǎn)化為可觸發(fā)脈沖信號，選取單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電容C8，保證輸出電壓滿足要求，C8計(jì)算公式為：

式中，fFS(kHz)為測量頻率的量程。

電容C7起到平滑輸出電壓波形的作用。較大的C7值可以減少輸出電壓中的紋波。較小的C7值允許輸出電壓更快地響應(yīng)輸入頻率的變化。C7一般可取4.7 μF左右。為了保證輸出的電壓，增加了中間級的放大電路，通過調(diào)節(jié)R19和R20的值可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

2.4 過溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由章節(jié)2.3可知，由于瞬變電磁發(fā)射機(jī)屬于大功率設(shè)備，功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，器件溫度過高會(huì)導(dǎo)致器件損毀，盡管采取了水冷的方式給器件進(jìn)行散熱，保險(xiǎn)起見，仍然要對器件的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測，以確保功率器件的溫度在安全范圍之內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用PT100金屬鉑電阻傳感器配合溫度變送器實(shí)現(xiàn)溫度的測量。PT100金屬鉑電阻傳感器可測量溫度范圍為-50～300 ℃，溫度變送器的可測量溫度范圍為0～100 ℃，線性輸出電流范圍為4～20 mA，通過配合采樣電阻Rs可以轉(zhuǎn)化為1～5 V的電壓信號，再進(jìn)行采樣計(jì)算。PT100與溫度變送器的連接關(guān)系如圖8所示。

溫度T、采樣電阻Rs以及采樣電壓Vs之間的關(guān)系式為：

當(dāng)溫度T為100 ℃時(shí)，電壓Vs應(yīng)為5 V，則計(jì)算得出采樣電阻Rs為250 Ω，此時(shí)電壓Vs與溫度T的關(guān)系為：

2.5 判斷和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由章節(jié)2.1～2.4可知，通過電壓檢測電路、電流檢測電路、水冷液循環(huán)檢測電路和溫度檢測電路分別將各待測物理量轉(zhuǎn)換為0～5 V弱電信號，該弱電信號傳到判斷和保護(hù)動(dòng)作電路，進(jìn)而對弱電信號進(jìn)行判斷并觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作切斷電源。判斷電路原理如圖9所示。

AD8607AR內(nèi)部集成兩個(gè)放大器，利用放大器在非線性區(qū)的工作特性，通過比較弱電信號和參考電壓的大小，判斷目前所測物理量是否超出設(shè)定閾值。

保護(hù)動(dòng)作電路設(shè)計(jì)為為自鎖電路，當(dāng)測量的某一物理量在正常范圍內(nèi)時(shí)，繼電器觸發(fā)信號Relay_active為高電平，發(fā)射機(jī)正常工作；當(dāng)測量的某一物理量超出閾值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作，此時(shí)繼電器觸發(fā)信號Relay_active由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)繼電器切斷發(fā)射機(jī)輸入電源。圖10為自鎖電路原理圖。

圖10電路的工作原理如下，比較器U2A的2引腳參考電平j(luò)udge_reference為4 V，在正常情況下，active信號為低電平，此時(shí)U2A的1引腳輸出低電平，繼電器G6K-2F-Y的1和8引腳之間的線圈斷電，JK_B的3引腳與2引腳接通，Relay_active為高電平，輸入電源繼電器接通，發(fā)射機(jī)正常工作；當(dāng)某一測量值超出安全閾值時(shí)，active信號為高電平，此時(shí)U2A的1引腳輸出高電平，經(jīng)R38、常閉開關(guān)、R37以及繼電器G6K-2F-Y的1和8引腳之間的線圈形成回路，線圈通電，JK_C的6引腳與5引腳接通，由VCC繼續(xù)為線圈通電，保持電路的自鎖，JK_B的3引腳與4引腳接通，Relay_active由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)輸入電源繼電器斷電，發(fā)射機(jī)停止工作，直至故障情況排除，并且按下復(fù)位按鍵Rst，才能終止保護(hù)電路自鎖，發(fā)射機(jī)可以繼續(xù)工作[9-12]。

3 電路保護(hù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)瞬變電磁發(fā)射機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案完成發(fā)射機(jī)保護(hù)電路板的設(shè)計(jì)和制作，并在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中分別模擬出過電壓、過電流、功率器件溫度過高和水冷系統(tǒng)水泵異常的狀況，測試在不同的異常狀況下保護(hù)系統(tǒng)能否正確動(dòng)作，并及時(shí)切斷輸入電源。測試設(shè)備如圖11所示，方框內(nèi)的電路板為保護(hù)電路板，通過排線與外圍傳感器、繼電器連接。前面板最上面的6個(gè)指示燈依次為過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)（第3、4指示燈）、水冷系統(tǒng)保護(hù)、電源指示，綠色代表正常工作、紅色代表出現(xiàn)故障。

3.1 過壓保護(hù)測試

過壓測試將電壓上限值設(shè)置為500 V，然后分別發(fā)射480 V和520 V，在發(fā)射電壓為480 V時(shí)可以正常發(fā)射，當(dāng)發(fā)射電壓調(diào)整為520 V時(shí)，保護(hù)電路板立即動(dòng)作，發(fā)射機(jī)輸入電源立即被切斷。圖12為過壓保護(hù)動(dòng)作。

3.2 過流保護(hù)測試

過流測試將電流上限值設(shè)置為25 A，然后分別發(fā)射24 A和26 A，在發(fā)射電流為24 A時(shí)可以正常發(fā)射，當(dāng)發(fā)射電壓調(diào)整為26 A時(shí)，保護(hù)板立即動(dòng)作，發(fā)射機(jī)輸入電源立即被切斷。圖13為過流保護(hù)動(dòng)作。

3.3 水冷系統(tǒng)保護(hù)電路測試

將水泵內(nèi)的水冷液的流速閾值設(shè)置為最低100 L/h，當(dāng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的水冷液流速低于該流速時(shí)，觸發(fā)保護(hù)電路。經(jīng)測試，在水泵正常工作時(shí)，即冷卻系統(tǒng)內(nèi)水冷液流速為750 L/h，此時(shí)發(fā)射機(jī)正常工作。當(dāng)將水泵電源切斷，水冷液的流速迅速下降，低于100 L/h時(shí)，立即觸發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作，發(fā)射機(jī)輸入電源被切斷。圖14為水冷系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作。

3.4 功率器件過溫保護(hù)測試

將功率器件的溫度閾值設(shè)置為80 ℃，在發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，功率器件溫度低于80 ℃，保護(hù)電路板未動(dòng)作，發(fā)射機(jī)正常工作。此時(shí)改變發(fā)射機(jī)散熱條件，使功率器件升溫，當(dāng)功率器件溫度上升至80 ℃時(shí)，保護(hù)電路板立即動(dòng)作，發(fā)射機(jī)輸入電源被切斷。圖15為過溫保護(hù)動(dòng)作。

4 結(jié) 論

瞬變電磁發(fā)射機(jī)由于工作環(huán)境惡劣，且為大功率電氣設(shè)備，具備完善的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常有必要的，以確保發(fā)射機(jī)在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)切斷電源，以免對人員和設(shè)備造成傷害。本文針對瞬變電磁發(fā)射機(jī)可能出現(xiàn)的過電壓、過電流、功率器件溫度過高和水冷系統(tǒng)水泵異常等狀況，設(shè)計(jì)出獨(dú)立的硬件保護(hù)系統(tǒng)，具有動(dòng)作迅速、工作穩(wěn)定、高可靠性的特點(diǎn)。本文對硬件保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)原理分析和電路設(shè)計(jì)，給出了關(guān)鍵元件的參數(shù)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該保護(hù)系統(tǒng)的有效性和可行性，對于其他大功率電氣設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。