СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КВАЗИГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ИНДУКТИВНО-РЕЗИСТИВНОЙ НАГРУЗКЕ
METHOD OF GENERATION OF ELECTRICAL QUASI-HARMONIC VIBRATIONS IN INDUCTIVE-RESISTIVE LOAD

4
3
Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для питания индуктивно-резистивной нагрузки переменным током квазигармонической формы. Такой нагрузкой могут быть индукционные нагреватели обсадной трубы скважины с тяжелой высоковязкой нефтью или устройства ультразвукового акустического воздействия на нефтяной коллектор, которым требуется питание от близко расположенного генератора сигналом с частотой ~10 Гц и мощностью ~10 Вт [1]. Это указывает на необходимость разработки новых способов преобразования энергии и создания на этой основе компактных генераторов электрических колебаний, обладающих высокой энергетической эффективностью и надежностью работы в условиях нефтяной скважины.
Известен способ генерации электромагнитных колебаний, реализованный на основе полумостового преобразователя энергии [2], в котором осуществляется ключевой режим работы переключающих элементов. Его недостатком является ступенчатый характер напряжения на нагрузке, что нежелательно при генерации акустических волн из-за непроизводительных затрат энергии на возбуждение высших гармоник сигнала.
Известен способ генерации колебаний в полумостовом преобразователе, который описан в [3] и выбран в качестве прототипа. Здесь постоянное входное напряжение подается на два последовательно включенных переключающих элемента и симметричный емкостной делитель, переключающие элементы включаются поочередно с временной паузой Δt и передают энергию в колебательный контур, включенный между общими точками двух переключающих элементов и конденсаторов делителя, возбуждая в нем квазигармонические электромагнитные колебания. Коммутация переключающих элементов здесь производится в моменты нулевого тока в контуре, что позволяет существенно снизить коммутационные потери, увеличить к.п.д. и надежность преобразователя.
В прототипе осуществляется плавная регулировка и стабилизация напряжения выходного сигнала, достигаемая изменением частоты переключения транзисторов посредством принудительного регулирования временной паузы Δt между их рабочими импульсами. Это снижает среднюю мощность генерации, увеличивает требования к элементам силовой цепи, затрудняет ее размещение в погружаемой капсуле, что является недостатком прототипа. Другим недостатком является невозможность его использования для питания генератора ультразвуковых акустических волн, так как в этом случае от источника питания требуется квазигармонический сигнал с возможностью подстройки его частоты под рабочий акустический резонанс.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение мощности генератора электрических квазигармонических колебаний за счет сокращения временной паузы между рабочими импульсами и обеспечения управления частотой выходного сигнала посредством изменения полной индуктивности колебательного контура.
1
2
1
2
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе, когда постоянное напряжение подается на два последовательно включенных переключающих элемента и симметричный емкостной делитель напряжения, осуществляется поочередное включение переключающих элементов с временной паузой Δt и возбуждаются колебания в контуре, включенном между общими точками двух переключающих элементов и конденсаторов делителя, причем колебания возбуждают в резонансном режиме в контуре, состоящем из последовательно соединенных индуктивно-резистивной нагрузки и конденсатора, переключающие элементы поочередно выключают за время Δt до момента перехода тока нагрузки через 0, а включают спустя время Δt после перехода тока нагрузки через 0 при выполнении условия Δt + Δt ≥ Δt, временную паузу Δt фиксируют на уровне минимально-необходимого времени срабатывания переключающих элементов, а управляют частотой колебаний путем изменения полной индуктивности L контура в пределах
0
где С - емкость контура, ƒ - номинальная частота, а  - требуемый диапазон ее перестройки.
1
2
1
2
1
2
Индуктивность L в формуле (1) определяется суммой L=L+L, где L - эквивалентная индуктивность нагрузки, L - индуктивность катушки настройки. Емкость  составляют емкости С конденсатора колебательного контура и С каждого из конденсаторов емкостного делителя напряжения. Ток в нагрузке носит квазигармонический характер. Резонансная круговая частота колебательного контура определяется следующим выражением
а формула (1) является его прямым следствием.
Варьируя индуктивность катушки настройки, можно осуществлять изменение частоты генерируемых электромагнитных колебаний. Оптимальное значение частоты генерации электромагнитных колебаний  лежит в пределах (10-25) кГц.
Возможный вариант реализации предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на фиг. 1, в которой приняты следующие обозначения: 1, 2 - переключающие элементы в виде силовых транзисторов со встречными диодами, 3 - емкостной делитель напряжения, 4 - колебательный контур из катушки 5 и конденсатора 6, 7 - датчик тока нагрузки, 8 - устройство управления силовыми транзисторами.
1
2
CK
Ток i(t), - см. временную диаграмму фиг. 2, - протекая по первичной обмотке трансформатора датчика тока 7, формирует на выходе датчика тока напряжение u(t), которое действует на входе устройства управления 8. Сигнал преобразуется от аналоговых уровней переключения u и u к цифровому виду с логическими уровнями «0» и «1», - см. диаграмму U на фиг. 2, - последний используется для формирования импульсов управления силовыми ключами 1 и 2. Таким образом, в предлагаемом способе осуществляется формирование в нагрузке квазигармонического тока с частотой, которую подстройкой индуктивности можно сделать равной частоте, обеспечивающей оптимальный (резонансный) режим преобразования электромагнитной энергии в энергию акустической волны.
1
2
Надежность реализации предлагаемого способа обусловлена существованием временной паузы Δt. Поскольку величина паузы регулируется надлежащим выбором уровней u и u, она может быть сделана минимально необходимой, тогда мощность выходного электромагнитного сигнала преобразователя будет близка к максимально возможной.
Таким образом, заявленный способ генерации квазигармонических колебаний в индуктивно-резистивной нагрузке обеспечивает повышение полезной мощности и возможность управления их частотой при сохранении к.п.д. на уровне прототипа.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №168526 «Формирователь температурного и акустического полей в скважине». Авт. Богданович Б.Ю. и др. Дата регистрации в Гос. реестре РФ 07.02.2017.
2. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Солон-Р. М., 2001 г., 327 с.
3. S. Yang, G. Castino. Резонансный преобразователь мощностью 500 Вт с частотой 100 кГц на МОП-транзисторах. http://irf.ru/pdf/articles/AN-965.pdf, с. 328.