具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

参见图1，图1为本申请实施例提供的一种极低频大功率发射系统的结构组成举例示意图。在本申请实施例中，所述系统包括：高精度激励器、信号处理单元、发射主机、转换开关、调谐装置、假负载、低压供电系统、高压整流电源、控制检测系统、冷却系统；所述调谐装置与发射天线连接；所述发射主机包括双频段双功率桥级联设置的两个功放单元，用以在同一发射主机的功放电路上对极低频和超低频双频段进行大功率信号合成；

所述高精度激励器用以产生待发射的0.1-300Hz的激励信号；

所述信号处理单元用以对所述高精度激励器输入的所述激励信号进行检测、处理、保护和分路，并将所述激励信号输出至所述发射主机；

所述发射主机用以根据接收到的所述激励信号，将高压整流电源提供的直流电能转换成大功率极低频和/或超低频信号；

所述转换开关用于控制所述发射主机与不同负载之间的切换，所述负载包括发射天线负载和假负载；

所述调谐装置用以在不同的发射天线和工作频率下，实现所述发射主机与发射天线负载之间的最佳阻抗匹配；

所述假负载用以在所述发射主机调试时替代所述发射天线吸收所述发射主机输出的能量；

所述高压整流电源用以为所述发射主机提供大功率直流电能；

所述控制检测系统用以提供人机操作界面；

所述冷却系统用以对所述发射主机中功率器件进行纯水冷却；

所述低压供电系统用以提供发射系统各设备所需的低交压、直流电源。

具体的，极低频大功率发射系统配备两部发射主机，两部发射主机既可以分别接东西向天线和南北向天线独立工作，又可以两部发射主机同时工作实现大功率信号的空间合成。其中，常规默认工作状态是1#发射主机接东西向发射天线工作、2#发射主机接南北向发射天线工作。在局部设备或部件发生故障状态下，两部发射主机或信号处理单元均可以实现互为备用，从而不影响预定发射计划或紧急任务的按时执行。

在一种可实施方式中，高精度激励器的组成结构举例示意图如图2所示，高精度激励器主要包括射频模块、第一数字信号处理模块、第一主控模块、第一电源模块以及键盘、显示器。高精度激励器能够实现以下功能：a)工作频率为0.1Hz～30Hz(29.9999Hz)时，激励器输出SPWM信号；b)工作频率为30Hz～300Hz工作时，激励器输出三电平驱动信号；c)用于设备调试时，激励器输出0.1Hz～300Hz的标准正弦信号；d)具备频率设定和转换、键盘数据处理、控制显示等功能。

具体的，在输出频率为0.1Hz～30Hz(29.9999Hz)时，发射主机采用SPWM调制的工作方式，激励器生成SPWM序列。

如图3所示，正弦脉宽调制(SinusoidalPulse width modulation，SPWM)是以正弦波为调制波、三角波为载波的一种调制方式。SPWM波形生成通常是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的SPWM波形。脉宽的占空比按正弦规律来变化，在正弦值最大值附近，脉冲的宽度最大，而脉冲的间隔则最小，当正弦值较小时，脉冲的宽度也较小，而脉冲的间隔则较大。

载波三角波采用双极性等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的正弦调制波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。并且，双极性载波调制法在前后对应的半个周期内，SPWM波既有正输出也有负输出，在一个调制波周期内，输出的PWM波只有正负两种电平，而不象单极性控制时还有零电平。用正弦信号波对三角波进行调制时，只要载波比足够高，所得到的SPWM波中不含较低次谐波，只含和载波频率有关的高次谐波。输出波形中所含谐波多少是衡量SPWM控制方法优劣的基本标志。

SPWM调制方式分为同步调制和异步调制。异步调制是指在整个频率范围内，将三角波频率固定。同步调制是指在整个频率范围内，将三角波频率与正弦波频率之比固定，即将载波比固定。同步调制通常用于三相逆变电路和工作频率较高的情况，在频率较低时，输出波形谐波会显著增大；异步调制在工作频率较低时，仍然能够输出较好的电流波形。

由于发射系统工作频率范围大，低端频率接近0Hz，采用异步调制方式较为合适，即将三角波频率固定。而同步调制方式不合适，因为这样会使得在低频段内谐波显著增大，特别是在频率低于1Hz时。

因此在输出频率为0.1Hz～30Hz(29.9999Hz)时，激励器生成SPWM序列的控制原理图如图4所示，正弦波发生器产生正弦调制，双极性三角载波由三角波发生器产生，由于采用的是两个H桥级联，四路载波相位依次相差90°：U_c1的初相位角为零度，则U_c2为180°(与U_c1反向)，U_c3的初相位角为90°，U_c4的初相相位角为270°(与U_c3反向)。载波和调制波经过比较器后产生脉冲序列波，再经反相器后得到上下两路相反的脉冲，去驱动同一桥臂上下两只功率管。图中序号S对应两个级联H桥功放电路的八个开关器件，其中，S₁和S₁′为互补波形，S₂和S₂′、S₃，S₃′、S₄和S₄′也为互补波形输出，为了安全工作，避免桥臂直通，以上四对信号还需要留有死区时间。

对于30Hz～300Hz频率段，激励信号时序和发射主机输出阶梯波波形分别如图5、图6所示。从图中可列出输出阶梯波的函数表达式如下：

具体的，信号处理单元用于对激励信号源即高精度激励器输入的激励信号进行检测、处理、保护和分路，输出驱动信号至发射主机。如图7所示，信号处理单元主要包括信号接收模块、信号驱动模块、光纤输出模块、第二数字信号处理(DSP+FPGA)模块、第二主控模块、第二电源模块以及键盘、显示器等几部分。信号处理单元实现的主要功能为：a)激励信号切换，分组输出；b)频率设定和转换；c)激励信号检测：激励信号频率为0.1Hz～30Hz时，检测SPWM信号；激励信号频率为30Hz～300Hz时，检测三电平驱动信号；d)具备直通保护、死区保护、偏差保护及保护报警输出功能；e)设备接收控制系统传送的控制指令，进行两台激励器输入的信号与两组输出信号之间的通道切换；f)电/光转换，增强抗干扰能力；g)以太网络接口和组网功能。

其中，第二主控模块的组成如图8所示，其以ARM9 CPU为核心的微处理器，ARM9时钟速率为200MHz，配备64Mflash、64MSDRAM，具有3个UART、2个SPI、显示、键盘和网络等接口组成，用以实现如下功能：a)各模块状态控制，完成键盘、显示等功能；b)与DSP通信；c)通过网络口与通信控制检测系统、发射控制检测系统通信。信号处理单元处于激励器与发射主机之间，用于激励信号的接入、分路和转发，同时对激励信号波形进行判断，具备直通保护，死区保护，频率偏差保护功能，检测到激励信号异常时，切断激励信号的输出。激励信号输出采取光传输，提高系统抗干扰能力。设备具有网络接口，遵循系统协议，接收操作终端的遥控，根据指令完成参数设定，实现激励信号的接入和转接，在检测到故障时，上传故障类型。

第二数字信号处理模块与信号接收模块组成了信号接收与处理单元模块，如图9所示，其主要接收激励信号输入，实现输入信号的光电隔离。同时对信号频率、相位、保护区进行检测，实时报警和保护，是一个通用的数字信号处理平台，主要芯片是DSP和FPGA。

如图10所示，信号驱动模块是将信号处理模块输出的一组(八路)激励信号进行分路和驱动，每一个分路驱动模块将一组分成两组，最终经过驱动形成四组电脉冲激励信号，提供给后面的光纤输出模块。

光纤输出模块由八路组成，光发器将电脉冲激励信号转换成光脉冲激励信号，通过光纤供给每一台功放单元。信号处理单元共有四个光纤输出模块，与四台功放单元对应，并且每一路光纤与功放单元的逆变桥上的IGCT一一对应。

具体的，如图11所示，单台发射主机由2台功放单元组成，利用2台功放单元进行级联功率合成。为了便于2部发射主机相互备份，2部发射主机设计参数需保持一致。为实现输出功率500kW的目标，并给设备的工作电压、电流留有一定的裕量，设计的发射主机的最大输出电压有效值为3800V，最大输出电流有效值为300A。

功放单元是发射主机的核心单元，每台功放单元均由接口电路、驱动电路、功放电路、检测保护电路、触摸工控屏、电子开关、直流LRCD吸收电路、桥路RCD吸收电路和水冷组件等组成，具体如图12所示。信号处理单元的信号传输至接口电路，并经由驱动电路传输至功放电路；高压整流电源与电子开关连接，电子开关的信号经过直流LRCD吸收电路传输至功放电路；检测保护电路、触摸工控屏能够与控制检测系统双向传输，且均能接收功放电路传输来的信号；检测保护电路对接收到的信号进行检测后，能够基于检测结果向驱动电路和电子开关发送信号；冷却系统经过水冷组件与功放电路连接；功放电路对信号进行功率放大后，能够将信号传输至桥路RCD吸收电路和转换开关。

在单个功放单元电路中，设计有过流检测和直通检测保护，在输入端设计有高压熔断器和IGBT电子开关作为保护。过压吸收回路在直流端采用双RLCD吸收回路，功率器件采用RC吸收回路和RCD吸收回路，电压、电流检测采用高速霍尔传感器采集。

功放单元的激励信号与功率器件对应关系：工作频率低于30Hz时，采用正弦脉宽调制(SPWM)方式生成激励信号。工作频率高于30Hz时，采用三电平叠加方式生成激励信号，输入的八路激励信号占空比为5/12，在一个周期内，每个功率管导通150°。

其中，接口电路接收信号处理单元送来的激励信号并实现光电转换；驱动电路主要是增强激励信号的驱动能力，实现高低压隔离；功放电路是实现功率放大的主电路，利用高压直流电源送来的能量可以将激励信号放大至指定功率；检测保护电路完成发射机内部各种状态信号的监测，一旦发现故障信号就及时控制电子开关实施保护动作，切断高压直流电源，保证发射主机的安全；触摸工控屏用于功放单元的本地参数显示和操作；水冷组件用于功放电路的冷却散热。

功放电路可采用SPWM控制方式的单个H桥构成，如图13所示，S1与S1’组成半桥，不能同时导通，S2和S2’组成半桥，也不能同时导通，否则会出现直通，损坏功率管。故在一个调制周期内，如图14所示，该电路共有四种工作状态，分别为正向导通，反向导通，正向旁路，反向旁路。

双桥级联功率合成方案由两个H桥功放单元级联叠加的功放电路构成发射主机的完整功放电路，以此实现大功率合成，如图15所示，两台功放单元电气形式一致，每台功放单元输入端采用独立的直流电源供电，通过输出端的串联方式实现级联工作。激励器提供给功放单元八只功率器件S₁，S₁′，S₂，S₂′，S₃，S₃′，S₄，S₄′的八路开关信号。

调谐装置的原理示意图如图16所示，调谐装置主要包括匹配变压器、串联电容、调谐电容和天线接入开关。由于长距离水平低架发射天线在极低频频段的阻抗特性呈感性，而发射系统工作的频点近百个，跨度的范围从0.1Hz-300Hz，天线工作于不同的频率时的电抗分量差异非常大，从零点几欧姆至上千欧姆，因此采用多组电容对整个工作频段进行分段调谐，即在天线调谐回路中必须串联电容器来抵消天线的感抗分量，使发射主机的输出端口的阻抗表现为纯电阻的特性，有利于在有限的功率条件下获得最大的电流矩阵，起到最佳辐射效果。一旦完成调谐后，回路串联谐振于工作频点，表现为带通特性。

针对0.1Hz～300Hz天线阻抗变化大的难题，将串联电容作为一条支路，匹配变压器与调谐电容相连构成一条支路，进而通过直通天线、电容调谐和匹配调谐组合调谐方式，抵消天线的电抗分量，获得最大辐射功率。即0.1Hz-4/8Hz频率发射主机直通连接发射天线。4/8Hz-30Hz以下频率无变压器，直接通过电容调谐连接发射天线。30Hz以上频率通过变压器进行匹配，再通过调谐电容调谐连接发射天线。

其中，当发射主机工作在频率高端，即工作频率在30Hz以上时，采用匹配变压器耦合，匹配变压器需满足多变比的工作要求，由于匹配变压器漏感参与调谐回路，影响调谐参数，因此要求设计的该变压器在全频段都为低漏感。又由于次级输出电压较高，以及基于防雷特性考虑，因此该变压器应具备较高的绝缘水平。又由于东西向天线在311Hz接近自然谐振点，阻抗变化剧烈，因此东西向高于300Hz不工作。

当发射机工作在频率的低端，即频率小于30Hz时，需要加串联电容，来降低功放单元的输出电压，达到降低发射主机工作电压的目的。设计原则与调谐电容一样，需根据不同频率下，电容器的容值，电容器上的电压，流过电容器的电流(与发射机的输出电压、输出电流有关)来确定电容器组的组成形式。串联电容器值的选取原则是保证发射机输出电压的范围不超过3800V。

具体的，控制检测设备完成对极低频发射系统的工作状态监控、故障检测及保护功能，实现对极低频发射系统设备全程的自动化、图形化操作，通过集中操作的方式实现在操作终端CPC、GOT触摸屏进行远程操作和实时参数、设备状态显示；另外在设备现场配有系统控制柜和各设备的手动控制开关，实现在设备现场手动控制功能，控制检测系统通过对设备的动态组合、切换，使极低频发射系统具有较高的可靠性、较强的执行任务能力，为执行任务的正点率提供了保障。

控制检测系统由两台操作终端(其中1台冷备)、主控单元、系统控制柜(5台)、组成，实现与激励器、信号处理单元等设备通信的功能，完成对发射系统设备的可靠控制和运行管理、状态显示、故障提示、日志查询等功能，保障发射任务的正点、可靠执行。控制检测系统的核心设备采用加固计算机和PLC(可编程序逻辑控制器)组成，加固计算机作为操作终端的硬件平台使用，PLC作为执行设备在现场使用。PLC是一种专门为在工业环境中应用而设计的数字运算操作的电子装置，具有高可靠性、适应恶劣环境、易操作性、灵活性等特点。控制检测分包括以太网、控制层网二级网络，在以太网上配有操作终端CPC、主控单元等设备，操作终端CPC通过图形化界面，实时显示发射分系统设备的运行状态信息，通过以太网对主控单元发出指令，实施对发射系统设备的控制。主控单元获取并识别来自操作终端CPC的命令，根据命令对应当前设备状态，按照一定的顺序调用各系统控制柜的软件控制模块，系统控制柜作为动作执行机构控制发射分系统设备运行，实现控制检测系统上对发射设备的远程控制。

高压整流电源由10kV配电柜、整流变压器、可控整流电源等设备组成。10kV配电柜为三相10kV电力配电通用设备，用于三相10kV市电接入系统。整流变压器是专为可控整流电源而设，用于将三相10kV市电降压，分两种联结方式，分三种电压档位输出。可控整流电源用于将整流变压器输入的三相交流电整流为高压直流电，经滤波器滤除谐波分量，得到较平滑的高压直流电源供发射主机使用。根据发射主机的需求，高压供电设备需配两套。每套高压供电设备包含1套10kV配电柜、1台次级双绕组三相整流变压器和2台可控整流电源。其中，2台可控整流电源分别与发射主机的2台功放单元绑定供电。相应的工作模式为：第一套高压供电设备给第一套发射主机供电；第二套高压供电设备给第二套发射主机供电。

转换开关采用定制的具有相关连接和切换关系的高压开关柜组，用于发射主机与不同类型负载之间的切换。天线接入设备采用带接地刀的35kV或110kV高压隔离开关，用于将发射天线在接入匹配调谐电路和接地之间切换。假负载采用电阻性负载，承载功率不小于500kW，工作频率范围DC-500Hz，电阻值32Ω，电阻体对外壳绝缘电压不小于20kVac，冷却方式采用强迫风冷，用于在发射主机调机时替代发射天线吸收发射主机输出的能量。低压供电设备分为低压配电柜、直流屏和UPS电源。其中，低压配电柜用于市电交流380V供电的接入和分配，直流屏用于10kV高压开关柜和10kV配电柜内直流220V操作机构供电，UPS电源用于发射主机、高压整流电源、信号处理单元、控制检测设备等关键设备提供不间断交流380V/220V供电。冷却设备由反渗透制水设备、纯水水箱、水泵和供水管路(含流量、压力、温度等监测)等组成，用于发射主机中功率器件的纯水冷却。