基于瞬變電磁發射機的電路保護系統設計

梁 彪，張一鳴，張 棟，原大康，王旭紅

（北京工業大學 信息學部，北京 100124）

0 引 言

隨著我國改革開放及現代化建設的飛速發展，我國對礦產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以內的淺層礦產資源，長時間的開采導致淺層礦產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資源頗為緊迫[2]。發展深部探測技術手段，提高我國深部探測儀器技術水平，對社會的發展具有重要的意義和價值[3]。本課題中研究的瞬變電磁發射機即為深部探測中所使用的激勵源，發射機輸出占空比為100%的雙極性方波，通過發射電極向地下發射不同頻率的一次場，由于不同的地質體會感應出不同的二次場，通過檢測二次場來分析地下的礦藏分布情況[4-6]。

瞬變電磁發射機采用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三相交流轉化為雙極性方波。該發射機的最大發射電壓為1 000 V，最大發射電流為50 A，屬于大功率電器設備，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生。因此，本文針對該發射機設計了一套硬件保護電路，可以在發射機發生過壓、過流、器件過溫等問題時，及時有效地檢測出來，并切斷發射機輸入電源，以免對發射機造成進一步破壞。

1 瞬變電磁發射機拓撲結構

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

瞬變電磁探測系統的具體工作原理如下：發電機輸出的380 V三相電經電源線連接到發射機的輸入端，經發射機內部一系列的整流逆變等電力變換，調制成發射電壓為0～1 000 V可調，頻率為0.012 5～9 600 Hz的雙極性方波。

發射機采用AC-DC-AC-DC-AC的兩極全橋逆變器串聯結構，電路拓撲如圖2所示。H1橋為三相不控整流橋，將輸入的三相電壓整流為570 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濾波電路進行濾波，減小輸出直流電壓的紋波。H2橋為全橋逆變電路，采用移相全橋軟開關的控制方法，利用諧振電容C1～C4和回路電感Lleak的諧振作用，使Q1～Q4導通和關斷前集電極和發射極之間的電壓先降為零電壓，從而減少功率器件的開關損耗和電磁干擾，提高系統效率[7,8]。H3為高頻整流橋，采用兩級整流橋串聯的方案，可以提高輸出電壓閾值，并且減小二極管的電壓應力，提高系統安全性。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，從而在發射電極上產生不同頻率的磁場信號。

發射機內部功率拓撲比較復雜，功率器件眾多，并且發射機長期在野外工作，工作環境惡劣，在運輸過程中可能導致內部電路的損壞。另外，該發射機最大發射功率達到50 kW，屬于大功率設備，盡管在設計之初充分考慮了各個元件的參數選型，留有一定的裕量，但是仍要考慮到意外情況的發生。本文針對發射機可能出現的危險情況，設計出過電壓保護電路、過電流保護電路、過溫保護電路和水冷系統循環檢測電路，當出現過電壓、過電流、功率器件過溫以及水冷系統發生故障時可以及時切斷輸入電源，具有判斷準確，動作迅速的特點。

2 保護電路原理和設計

2.1 過電壓保護電路設計

在瞬變電磁發射機中，H3橋和H4橋母線電壓最高可以達到1 000 V，因此這兩個橋臂上的功率器件承受的電壓應力最大，出現故障的概率最高，所以電壓保護電路主要針對該母線電壓進行檢測和保護。由于該母線電壓屬于高電壓，因此不能直接對其進行采集和判斷，采用電壓傳感器AD202KN將強電信號轉換成弱電信號。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，可滿足絕大多數測量場合。所以，AD202KN廣泛應用于過程控制信號采集、電機控制等領域。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進行衰減，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，假設輸入的電壓為Uin，輸出電壓為Uout，則根據AD202KN的器件手冊，可以得出輸出輸入電壓和輸出電壓的關系為：

根據式（1）可以計算出不同的輸入電壓對應的不同電壓轉換值。在此設計中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，此時輸出電壓Uout和Uin的轉換關系為：

當輸出電壓達到1 000 V時，經電壓采集電路轉換為5 V。該電壓經過比較器與參考電壓進行比較，當超過參考電壓時，比較器輸出電平翻轉，傳遞給后級電路。

2.2 過電流保護電路設計

瞬變電磁發射機最大輸出電流為50 A，當輸出電流超過50 A時，需要及時切斷電源。輸出電流的采集主要通過霍爾傳感器，將電流信號轉換為電壓信號，再進行處理。本設計采用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，信號轉換比率為1∶1 000，即1 A的測量電流對應1 mA的輸出電流，線性誤差小于0.15%，完全符合瞬變電磁發射機發射電流的測量需求。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。

由于發射機輸出的為雙極性方波，所以采集到的電流為交流信號。為了使處理器能夠實時采集到正的電壓信號，需要將負的電壓值轉化為其絕對值電壓，所以設計了絕對值電路。采集到的SIGNALOUT+信號經過絕對值電路，與一般利用單向導電二極管所構成的絕對值電路不同，該電路利用運算放大器和深度負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+信號經過絕對值電路后，再經過峰值保持電路（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的導通，對電容進行泄放，為下一次電壓峰值的采集做準備。

2.3 水冷系統保護電路設計

在瞬變電磁發射機的正常工作過程中，IGBT等功率器件會產生開關損耗和導通損耗，這些損耗均以熱量的形式散發出來，如果不能及時散熱，會造成功率器件因過熱導致的損毀。因此，發射機內部設計了一套水冷系統，冷卻液經過水冷管和水冷板流經功率器件散熱板，將熱量帶走，經散熱器將冷卻液冷卻，冷卻后的液體再流經功率器件輔助散熱，循環往復。水冷液循環的動力由水泵提供，發射機水泵采用芯睿SC-750型，直流12 V供電，最大流量為750 L/h，最大揚程12 m。由于發射機在運輸路上顛簸以及水泵本身材料老化等原因，水泵可能存在停轉或者漏液等情況，導致冷卻液循環速度下降，散熱效率降低。為了檢測水冷系統是否工作正常，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。當有水流流過傳感器時，根據水流流速大小產生不同頻率占空比50%的方波，且頻率與流速成正比關系。在水泵正常工作時，水流傳感器的輸出頻率在550 Hz左右。頻率電壓轉換電路采用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為頻率電壓轉換電路。

VFC32工作原理是電荷平衡，通過電容耦合輸入網絡C3、R16和R17將輸入的方波信號轉化為可觸發脈沖信號，選取單穩態觸發電容C8，保證輸出電壓滿足要求，C8計算公式為：

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，通過調節R19和R20的值可以調節放大倍數。

2.4 過溫保護電路設計

由章節2.3可知，由于瞬變電磁發射機屬于大功率設備，功率器件在工作時會產生很大的熱量，器件溫度過高會導致器件損毀，盡管采取了水冷的方式給器件進行散熱，保險起見，仍然要對器件的溫度進行實時地監測，以確保功率器件的溫度在安全范圍之內。本設計采用PT100金屬鉑電阻傳感器配合溫度變送器實現溫度的測量。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可以轉化為1～5 V的電壓信號，再進行采樣計算。PT100與溫度變送器的連接關系如圖8所示。

溫度T、采樣電阻Rs以及采樣電壓Vs之間的關系式為：

當溫度T為100 ℃時，電壓Vs應為5 V，則計算得出采樣電阻Rs為250 Ω，此時電壓Vs與溫度T的關系為：

2.5 判斷和保護電路設計

由章節2.1～2.4可知，通過電壓檢測電路、電流檢測電路、水冷液循環檢測電路和溫度檢測電路分別將各待測物理量轉換為0～5 V弱電信號，該弱電信號傳到判斷和保護動作電路，進而對弱電信號進行判斷并觸發保護動作切斷電源。判斷電路原理如圖9所示。

AD8607AR內部集成兩個放大器，利用放大器在非線性區的工作特性，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定閾值。

保護動作電路設計為為自鎖電路，當測量的某一物理量在正常范圍內時，繼電器觸發信號Relay_active為高電平，發射機正常工作；當測量的某一物理量超出閾值時，觸發保護電路動作，此時繼電器觸發信號Relay_active由高電平變為低電平，觸發繼電器切斷發射機輸入電源。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judge_reference為4 V，在正常情況下，active信號為低電平，此時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，發射機正常工作；當某一測量值超出安全閾值時，active信號為高電平，此時U2A的1引腳輸出高電平，經R38、常閉開關、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由高電平變為低電平，觸發輸入電源繼電器斷電，發射機停止工作，直至故障情況排除，并且按下復位按鍵Rst，才能終止保護電路自鎖，發射機可以繼續工作[9-12]。

3 電路保護系統實驗驗證

根據瞬變電磁發射機的保護系統設計方案完成發射機保護電路板的設計和制作，并在發射機上進行實驗。在實驗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水泵異常的狀況，測試在不同的異常狀況下保護系統能否正確動作，并及時切斷輸入電源。測試設備如圖11所示，方框內的電路板為保護電路板，通過排線與外圍傳感器、繼電器連接。前面板最上面的6個指示燈依次為過壓保護、過流保護、過溫保護（第3、4指示燈）、水冷系統保護、電源指示，綠色代表正常工作、紅色代表出現故障。

3.1 過壓保護測試

過壓測試將電壓上限值設置為500 V，然后分別發射480 V和520 V，在發射電壓為480 V時可以正常發射，當發射電壓調整為520 V時，保護電路板立即動作，發射機輸入電源立即被切斷。圖12為過壓保護動作。

3.2 過流保護測試

過流測試將電流上限值設置為25 A，然后分別發射24 A和26 A，在發射電流為24 A時可以正常發射，當發射電壓調整為26 A時，保護板立即動作，發射機輸入電源立即被切斷。圖13為過流保護動作。

3.3 水冷系統保護電路測試

將水泵內的水冷液的流速閾值設置為最低100 L/h，當冷卻系統內的水冷液流速低于該流速時，觸發保護電路。經測試，在水泵正常工作時，即冷卻系統內水冷液流速為750 L/h，此時發射機正常工作。當將水泵電源切斷，水冷液的流速迅速下降，低于100 L/h時，立即觸發保護電路動作，發射機輸入電源被切斷。圖14為水冷系統保護動作。

3.4 功率器件過溫保護測試

將功率器件的溫度閾值設置為80 ℃，在發射機正常工作時，功率器件溫度低于80 ℃，保護電路板未動作，發射機正常工作。此時改變發射機散熱條件，使功率器件升溫，當功率器件溫度上升至80 ℃時，保護電路板立即動作，發射機輸入電源被切斷。圖15為過溫保護動作。

4 結 論

瞬變電磁發射機由于工作環境惡劣，且為大功率電氣設備，具備完善的保護系統設計是非常有必要的，以確保發射機在出現異常時及時切斷電源，以免對人員和設備造成傷害。本文針對瞬變電磁發射機可能出現的過電壓、過電流、功率器件溫度過高和水冷系統水泵異常等狀況，設計出獨立的硬件保護系統，具有動作迅速、工作穩定、高可靠性的特點。本文對硬件保護系統設計進行了詳細原理分析和電路設計，給出了關鍵元件的參數，最后通過實驗驗證了該保護系統的有效性和可行性，對于其他大功率電氣設備的保護系統設計具有一定的參考價值。