ИНДУКЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИВОД СЕЙСМОИСТОЧНИКА
INDUCTION-DYNAMIC DRIVE FOR SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к индукционно-динамическим приводам, применяемым в сейсмоисточниках для проведения сейсморазведочных работ на земле и в водной среде, а также в импульсных силовых устройствах общепромышленного назначения, предназначенных для создания механических воздействий на рабочий объект, например в приводах электрических аппаратов, при импульсном уплотнении порошковых материалов и других случаях.
Известен принятый за аналог индукционно-динамический привод (Л.Н. Карпенко "Быстродействующие электродинамические отключающие устройства." Изд-во "Энергия", Ленинградское отделение, 1973 г., стр.8-9, рис.1.5а), содержащий емкостной накопитель энергии, снабженный зарядным устройством, и коммутирующий ключ для его разряда на обмотку возбуждения двигателя. При разряде накопителя через обмотку возбуждения двигателя проходит импульс тока полусинусоидальной формы, и двигатель создает силу, значение которой пропорционально квадратичному значению тока. Емкостной накопитель за время формирования тока перезаряжается до противоположного предразрядному знаку напряжения.
Этому техническому решению присущ ряд недостатков. Длительность создания силы определяется длительностью импульса тока обмотки возбуждения двигателя, равной половине периода разряда емкостного накопителя на индуктивность обмотки возбуждения, и, при необходимости, не может оперативно регулироваться. Обеспечение заряда емкостного накопителя от отрицательного (перезарядного) напряжения до необходимого положительного (предразрядного) напряжения требует применения зарядного устройства повышенной мощности.
Увеличение создаваемого двигателем механического импульса посредством увеличения предразрядного напряжения на емкостном накопителе приводит к увеличению максимального значения тока его разряда и ограничивается механической прочностью обмотки возбуждения, на витки которой действует создаваемая двигателем сила. Эти недостатки ограничивают возможность применения индукционно-динамического привода аналога при создании сейсмоисточников.
В (Л.Н. Карпенко "Быстродействующие электродинамические отключающие устройства." Изд-во "Энергия", Ленинградское отделение, 1973 г., стр.8-9, рис.1.56) также приводится техническое решение с применением диода, присоединенного параллельно обмотке возбуждения двигателя и включающегося в момент разряда емкостного накопителя до нулевого напряжения. Такое решение позволяет исключить изменение знака напряжения на накопителе и уменьшить необходимую мощность зарядного устройства. В результате же закорачивания обмотки диодом энергия магнитного поля двигателя выделяется в основном в тепловую энергию в витках обмотки и якоря двигателя привода, что ограничивает возможности его применения.
В принятом за прототип техническом решении индукционно-динамического привода сейсмоисточника (изобретение SU 1817707 A3, опубл. 25.03.93 в бюл. №19), как и в аналоге, содержатся емкостной накопитель, зарядное устройство накопителя и управляемые ключи для разряда накопителя на обмотку возбуждения двигателя. Особенность решения состоит в том, что емкостной накопитель разделен на две секции с возможностью заряда каждой из них от отдельного зарядного устройства. Обмотка возбуждения выполнена из двух концентрически расположенных секций. Каждая секция накопителя снабжена управляемым ключом для обеспечения ее разряда на соответствующую ей секцию обмотки возбуждения.
Система управления ключами позволяет создавать задержку времени между циклами разряда секций емкостного накопителя с целью обеспечения соответствующего сдвига между полусинусоидальными импульсами тока возбуждения секций обмотки и соответствующих им создаваемых секциями обмотки двигателя усилий.
Напряжение на секциях накопителя при работе привода изменяет знак, что приводит, как и в случае аналога, к увеличению необходимой мощности зарядных устройств, обеспечивающих зарядку секций емкостного накопителя.
Необходимость выполнения обмотки в виде двух концентрических секций усложняет конструктивное выполнение двигателя, снижает надежность привода и приводит к снижению удельных силовых показателей, например отношения развиваемой силы к массе двигателя. Отмеченные недостатки снижают технические характеристики сейсмоисточника.
Задача изобретения состоит в повышении технических характеристик индукционно-динамического привода и сейсмической эффективности сейсмоисточника.
Техническим результатом является снижение мощности, потребляемой зарядным устройством привода, обеспечение возможности оперативного регулирования длительности создаваемой двигателем силы, повышение надежности привода, увеличение максимального значения механического воздействия, создаваемого двигателем, и интенсивности генерируемой сейсмической волны.
Предложенный индукционно-динамический привод сейсмоисточника состоит из двухсекционного емкостного накопителя энергии, снабженного зарядными устройствами, и коммутирующих ключей в цепи его разряда на обмотку возбуждения двигателя, первая секция накопителя включена в первую, а обмотка возбуждения - во вторую диагонали мостовой схемы, в три плеча которой включены управляемые ключи, например двухоперационные тиристоры, а в четвертое плечо - силовой диод, параллельно которому через управляемый ключ присоединена вторая секция емкостного накопителя. Привод снабжен системой управления ключами. Двигатель содержит индуктор, в пазу которого помещена обмотка возбуждения. Якорь двигателя выполнен в виде пластины из материала высокой электропроводности, например меди или алюминия, и в исходном положении прилегает к плоской торцевой поверхности обмотки возбуждения.
Технические результаты достигаются за счет выполнения обмотки возбуждения односекционной и формирования двигателем привода импульса силы с крутыми передним и задним фронтами и регулируемой длительностью. Односекционное выполнение обмотки упрощает ее конструкцию и повышает надежность работы. Возможность регулирования длительности силы позволяет обеспечивать эффективные режимы работы привода сейсмоисточника при различных характеристиках акустической нагрузки сейсмоисточника (мягкий или жесткий грунт и т.д.). Рекуперация энергии магнитного поля обмотки в емкостной накопитель снижает нагрев двигателя, необходимую мощность зарядного устройства накопителя и потребляемую сейсмоисточником электрическую мощность.
Предложенное техническое решение поясняется приведенными фигурами. На фиг.1 приведена электрическая схема индукционно-динамического привода импульсного сейсмоисточника; на фиг.2 - графики изменения напряжений на секциях накопителя энергии, тока обмотки возбуждения двигателя и создаваемой им силы.
Индукционно-динамический привод содержит секции 1 и 2 емкостного накопителя энергии с их зарядными устройствами 3 и 4. Секция 1 включена в одну диагональ электрической мостовой схемы, в три плеча которой включены силовые управляемые ключи 5, 6 и 7, а в четвертое плечо - силовой диод 8, параллельно которому через управляемый ключ 9 присоединена секция 2 емкостного накопителя. Обмотка возбуждения 10 индукционно-динамического двигателя включена во вторую диагональ мостовой схемы. Двигатель состоит из индуктора 11, в пазу которого помещена обмотка возбуждения 10. Якорь 12 двигателя выполнен в виде пластины из материала высокой электропроводности, например меди или алюминия, и в исходном положении прилегает к плоской торцевой поверхности обмотки возбуждения 10.
0
1
Привод работает следующим образом. В исходном состоянии секции 1 и 2 накопителя заряжены от их зарядных устройств 3 и 4 до необходимых напряжений. В момент t (фиг.2) от схемы управления (на фиг.1 не показана) включаются ключи 5 и 7, и секция 1 начинает разряжаться на обмотку возбуждения 10. К моменту t ток 13 достигает значения, близкого к максимальному, а напряжение 14 на секции 1 снижается до уровня, близкого к напряжению заряда 15 секции 2 накопителя. Увеличение тока 13 в обмотке 10, в соответствии с принципом работы индукционно-динамического двигателя, сопровождается созданием магнитного поля и экранированием его медной пластиной якоря 12 двигателя. В результате магнитный поток Ф (фиг.1) обмотки возбуждения проходит через область прилегания якоря 12 к катушке возбуждения 10, и между ними создается расталкивающая сила 16 (фиг.2), величина которой пропорциональна квадратичному значению тока 13 в обмотке возбуждения 10.
1
2
1
В момент t осуществляют включение ключа 9 и выключение ключа 5, что приводит к подключению к обмотке 10 секции 2 емкостного накопителя и отключению от обмотки секции 1. Ток при этом проходит по обмотке 10, ключу 7, секции емкостного накопителя 2 и ключу 9. На интервале τ=t-t происходит частичный разряд секции емкостного накопителя 2, что обеспечивает поддержание тока в течение интервала τ на уровне, близком к максимальному, и созданию силы 16, величина которой определяется выражением:
<mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>i</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>L</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где i(t)- ток возбуждения 13; L(x)- эквивалентная индуктивность обмотки, зависящая от зазора между якорем и обмоткой.
Под действием силы 16 двигателя происходит смещение якоря 12 от обмотки и увеличение индуктивности L(x) с примерно постоянным значением ее производной. В течение времени т от секции емкостного накопителя 2 в магнитное поле вводится энергия:
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>τ</mi></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
2
где U(t) - напряжение 15; i(t) - ток возбуждения 13.
Ввод дополнительной энергии обеспечивает необходимое нарастание энергии магнитного поля в связи с увеличением индуктивности L(x), а также компенсацию тепловых потерь в обмотке и якоре и убыли энергии магнитного поля из-за преобразования ее в механическую.
2
3
Длительность интервала τ, в течение которого значение развиваемой двигателем силы 16 близко к максимальному значению, определяется моментом t включения ключа 6 и выключения ключа 9. При этом ток обмотки возбуждения замыкается по обмотке 10, ключу 6, секции 1 и диоду 8. Прохождение тока через секцию 1 сопровождается ее зарядом, ток t в обмотке к моменту (фиг.2) уменьшается до нуля, и завершается рекуперация (возврат) энергии магнитного поля в секцию 1 накопителя.
3
4
3
На интервале T (t-t), после момента t, в котором завершено формирование тока 13 и силы 16, секции 1 и 2 емкостных накопителей энергии дозаряжаются от зарядных устройств 3 и 4 до необходимых напряжений 14 и 15 для обеспечения следующего цикла работы привода.
Создаваемый приводом механический импульс состоит из трех слагаемых, первое и третье из которых определяют его передний и задний фронты, средняя составляющая зависит от длительности т, которая может меняться схемой управления.
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo></mrow></mrow></mstyle><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>τ</mi></munderover><mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>P</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, изменением τ обеспечивается возможность оперативного уменьшения или увеличения создаваемого механического импульса N. В случае выполнения импульсного сейсмоисточника с предложенным техническим решением привода создаются условия для согласования работы сейсмоисточника с реальными реологическими характеристиками акустической нагрузки, поскольку при работе сейсмоисточника на мягких грунтах импульс N должен быть больше, чем при работе на жестких грунтах.
В качестве ключей 5, 6, 7, 9 могут применяться силовые полупроводниковые тиристоры с полным (двухоперационные) или неполным (однооперационные) управлением. В последнем случае они должны быть снабжены цепями искусственной коммутации для обеспечения выключения в необходимый момент времени.
2
3
Рекуперация (возврат) на интервале t, t энергии магнитного поля обмотки возбуждения двигателя в секцию 1 накопителя приводит к снижению тепловых потерь и нагрева обмотки возбуждения и уменьшению необходимой мощности зарядного устройства 3 для дозаряда накопителя до номинального значения предразрядного напряжения. Выполнение обмотки возбуждения односекционной упрощает (в сравнении с прототипом) ее конструкцию и увеличивает отношение создаваемой двигателем значений силы и импульса силы к массе якоря двигателя, повышает создаваемое сейсмоисточником механическое воздействие на акустическую среду - нагрузку сейсмоисточника (грунт или водную среду).