ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД СЕЙСМОИСТОЧНИКА
PULSED ELECTROMAGNETIC DRIVE FOR SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к области импульсных электромагнитных приводов, применяющихся в предназначенных для проведения сейсморазведочных работ импульсных сейсмоисточниках, и может быть использовано в других промышленных технологических объектах, когда на рабочее тело требуется создавать импульсные или периодически повторяющиеся силовые воздействия.
Известен принятый за аналог импульсный привод сейсмоисточника, содержащий силовой электромагнит с обмоткой возбуждения, электрический конденсатор - накопитель энергии, с зарядным устройством, управляемый коммутирующий прибор, например тиристор, для разряда конденсатора на обмотку возбуждения электромагнита, которая зашунтирована диодом (Ивашин В.В., Иванников Н.А. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники: особенности и перспективы совершенствования // Приборы и системы разведочной геофизики. - Саратов: 2005. - №2. - с.9-13).
В результате разряда конденсатора через тиристор в электромагните создается магнитный поток, а диод обеспечивает шунтирование обмотки электромагнита. Привод обеспечивает формирование длительности силы, определяемой временем выбора зазора между якорем и индуктором электромагнита.
Недостатком аналога является невозможность оперативного регулирования длительности создаваемой приводом силы, что не позволяет управлять длительностью механического воздействия сейсмоисточника на грунт и сужает область его применения. Тепловые потери энергии в обмотке электромагнита снижают создаваемую электромагнитом силу и коэффициент преобразования потребляемой от зарядного устройства энергии в генерируемую электромагнитом механическую энергию. На интервале времени выбора электромагнитом зазора из-за потерь в обмотке происходит уменьшение создаваемой электромагнитом силы. После выбора зазора оставшаяся в магнитном поле энергия выделяется в обмотке возбуждения, что увеличивает ее нагрев и уменьшает максимальное значение возможной частоты следования силовых воздействий.
Известен принятый за прототип импульсный привод электромагнитного сейсмоисточника (патент №2398247 от 15.04.2009), содержащий силовой электромагнит с обмоткой возбуждения, шунтирующий диод и конденсатор - накопитель энергии, с зарядным устройством. Конденсатор присоединен к обмотке возбуждения через управляемый коммутирующий прибор, например тиристор, и обмотку дросселя.
Принцип работы приводов по аналогу и прототипу отличается тем, что включение в схеме по прототипу обмотки дросселя последовательно с обмоткой возбуждения и шунтирование этой обмотки диодом позволяет увеличить среднее значение создаваемой электромагнитом силы и, следовательно, увеличение развиваемой механической мощности.
Недостатком прототипа является невозможность оперативного регулирования длительности импульса силы, большие тепловые потери в обмотке возбуждения и низкий коэффициент преобразования потребляемой от зарядного устройства энергии в механическую энергию привода, что снижает эффективность работы привода и сейсмические возможности сейсмоисточника.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности работы привода электромагнитного сейсмоисточника и расширение области его практического применения.
Техническим результатом является обеспечение возможности оперативного изменения длительности импульса тока в обмотке возбуждения электромагнита и создаваемой им силы, уменьшение мощности, потребляемой сейсмоисточником от первичного источника питания, и обеспечение возможности повышения значения максимальной частоты повторения создаваемых приводом импульсов силы.
Поставленная задача достигается тем, что импульсный электромагнитный привод содержит электрический конденсатор - накопитель энергии с зарядным устройством, силовой электромагнит с расположенной в пазу его магнитопровода обмоткой возбуждения и управляемый коммутирующий прибор с обмоткой дросселя в цепи разряда конденсатора на обмотку возбуждения электромагнита, обмотки дросселя и электромагнита выполнены двухсекционными, один вывод конденсатора соединен с общей точкой последовательно включенных секций обмотки электромагнита, второй его вывод через управляемый коммутирующий прибор и одну из секций обмотки дросселя соединен с началом одной из секций обмотки электромагнита и через первый диод и вторую секцию обмотки дросселя соединен с концом второй секции обмотки электромагнита, а параллельно конденсатору присоединен второй диод.
Изменение величины задержки времени между моментами открытия и закрытия управляемого коммутирующего прибора позволяет изменять длительность импульса магнитного поля электромагнита и длительность создаваемой приводом силы, что повышает технические возможности сейсмоисточника и область его применения.
С момента выключения управляемого коммутирующего прибора происходит возврат (рекуперация) не преобразованной в механическую энергии магнитного поля электромагнита и дросселя в электрическую энергию конденсатора, что приводит к уменьшению потерь энергии и нагрева обмотки возбуждения электромагнита и необходимой электрической мощности, потребляемой приводом от первичного источника питания.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема привода с силовым электромагнитом, на фиг.2 приведены временные диаграммы его работы, а на фиг.3 - электрическая схема замещения.
Импульсный электромагнитный привод сейсмоисточника (фиг.1) содержит электрический конденсатор 1 (накопитель энергии) с зарядным устройством 2, силовой электромагнит, состоящий из разделенного зазором магнитопровода 3 якоря и магнитопровода 4 индуктора. Секции 5 и 6 обмотки возбуждения помещены в пазу магнитопровода 4. Общая точка последовательно включенных секций 5 и 6 присоединена к выводу конденсатора 1, второй вывод которого через управляемый коммутирующий прибор 7 и секцию 8 обмотки дросселя соединен с выводом секции 5, а через секцию 9 дросселя и диод 10 - с выводом секции 6 обмотки возбуждения электромагнита (фиг.2 и 3). Параллельно конденсатору 1 присоединен диод 11.
0
Привод работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор 1 заряжен от зарядного устройства 2 до номинального значения указанной полярности и в нем запасена необходимая электрическая энергия. В момент t от схемы управления (на фиг.1 не показана) открывается управляемый прибор 7, например тиристор, и происходит разряд конденсатора через прибор 7, секцию 8 дросселя и секцию 5 обмотки возбуждения электромагнита. При этом ток 12 разряда конденсатора увеличивается, а напряжение 13 на конденсаторе уменьшается (фиг.2). Протекание тока по секции 5 обмотки и секции 8 дросселя сопровождается созданием в дросселе и электромагните соответствующих магнитных потоков. Создаваемый при протекании тока 12 разряда через секцию 5 магнитный поток проходит через зазор 5 между магнитопроводами 3 и 4 якоря и индуктора, и между ними создается электромагнитная сила
δ
1
пропорциональная уменьшению магнитной энергии А зазора при его изменении х. При разряде конденсатора 1 к диоду 10 приложено обратное напряжение, равное сумме напряжения 13 на конденсаторе и напряжения, индуцирующегося на секции 6 при прохождении тока разряда конденсатора 1 по секции 5, расположенной в пазу вместе с секцией 6. В момент времени t за счет уменьшения напряжения на конденсаторе 1 и секции 6 знак напряжения на диоде 10 изменяется, и он открывается, обеспечивая замыкание последовательно соединенных секций 5 и 6 через секции 8, 9 дросселя, диод 10 и прибор 7.
При уменьшении напряжения 13 на конденсаторе до нуля открывается диод 11, что исключает возможность изменения знака напряжения 13 на конденсаторе и обеспечивает замыкание секции 5 с током 12 в ней через диод 11 (фиг.3).
1
2
1
2
1
2
На интервале t-t происходит процесс выравнивания тока 12 в секции 5 и тока 14 в секции 6. Длительность интервала t-t зависит от сопротивлений R и R секций 5 и 6 (фиг.3), их индуктивностей рассеяния и ЭДС движения, наводимой в секциях 5 и 6 при уменьшении зазора δ между якорем 3 и индуктором 4 электромагнита. В процессе выравнивания токов 12 и 14 в секциях ток 15 в диоде 11 уменьшается до нуля, и он закрывается.
k
l
k
К моменту t зазор δ электромагнита полностью выбирается. Причем основная часть зазора выбирается в течение времени t-t, когда секции 5 и 6 закорочены через секции 5 и 6 обмотки дросселя и приборы 7 и 10.
δ
1
2
Преобразование энергии магнитного поля А в механическую при выборе зазора δ сопровождается уменьшением суммарной намагничивающей силы секций обмоток 5 и 6. При этом часть энергии магнитного поля дросселя передается в энергию магнитного поля электромагнита, что обеспечивает компенсацию потерь энергии в сопротивлениях R и R секций 5 и 6 и повышение среднего значения создаваемой электромагнитом силы 16 (фиг.2).
0
1
l
k
При увеличении тока разряда емкости на интервале t-t создаваемая сила P(t) пропорциональна квадратичному значению тока 12 и, соответственно, квадратичному значению магнитной индукции в зазоре δ. На интервале t-t индукция поля в зазоре и, соответственно, создаваемая сила 16 поддерживаются на близком к максимальному уровне.
k
k
3
2
1
2
k
В момент t сигналом от системы управления выключают прибор 7. При этом ток 12 в секции 5 уменьшается до нуля, а ток 14 секции 6 начинает протекать через конденсатор 1. С момента t начинается рекуперация (передача) энергии магнитного поля электромагнита в конденсатор 1, завершающаяся в момент t закрытия диода 10 при уменьшении тока 14 до нуля. Уменьшение времени рекуперации и, соответственно, заднего фронта импульса силы обеспечивается уменьшением соотношения числа витков w секции 6 и числа витков w секции 5 обмотки возбуждения электромагнита. С уменьшением w увеличивается максимальное значение тока 14, индуцирующегося в секции 6 при выключении в момент t тока 12 в секции 5. Соотношение числа витков в секциях 8 и 9 обмотки дросселя равно соотношению чисел витков в секциях 5 и 6 обмотки возбуждения электромагнита.
0
k
Возможность регулирования длительности создаваемой электромагнитом силы 16 достигается уменьшением задержки t-t на закрытие прибора 7.
3
После окончания формирования импульса силы конденсатор 1 дозаряжается от напряжения на нем в момент t окончания рекуперации до номинального значения, после чего привод готов для создания очередного импульса силы.
Таким образом, предложенный импульсный электромагнитный привод позволяет оперативно, то есть при работе сейсмоисточника, изменять длительность создаваемого усилия, обеспечивать повышенное среднее значение создаваемой силы и уменьшать необходимую для его работы потребляемую сейсмоисточником электрическую мощность, что повышает эффективность работы привода импульсного сейсмоисточника и расширяет возможности его применения.
Привод обеспечивает рекуперацию энергии магнитного поля силового электромагнита в конденсатор 1 - емкостной накопитель энергии, уменьшение времени заднего фронта тока возбуждения электромагнита и, соответственно, создаваемой им силы. Эта особенность позволяет повысить предельное значение частоты следования силы и применять привод в конструктивных решениях сейсмоисточников кодоимпульсного типа, обеспечивающих использование более эффективных методических приемов обработки сейсмической информации.
Применение предложенного привода, позволяющего создавать силовые воздействия с регулируемыми частотой и величиной силы, может быть эффективным в виброимпульсных устройствах для промышленного применения, например, в виброуплотнителях бетонных строительных изделий, и других случаях.